Elektrische Systemauslegung von autarken Hybridantriebssträngen

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Auslegung des elektrischen Hybridsystems autarker Hybridantriebe in paralleler Anordnung. Die gezielte Variation der Eigenschaften der einzelnen Komponenten zur Identifikation des gesamtheitlich optimalen Systems stellt den wesentlichen Fokus dar. Es werden die Randbedingungen wie Topologie oder Fahrzyklus variiert. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen wird auf die Wahl der Systemspannung gelegt. Für die objektive Bewertung verschiedener Varianten werden die Bewertungskriterien Effizienz, Kosten und Fahrzeuggewicht herangezogen.
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Zur Untersuchung des möglichen Variationsspektrums werden entsprechende Methoden und Berechnungswerkzeuge entwickelt. Da das Variationsspektrum mehrere Millionen Konfigurationen umfasst, bildet die rechenzeiteffiziente Gestaltung der Simulationsumgebung einen Schwerpunkt. Hierzu zählt insbesondere die Abstraktion der Komponentenmodelle, wodurch neben einer detaillierten Variation der Verlustcharakteristik auch die Ermittlung der zugehörigen Kosten sowie des Gewichtes ermöglicht wird.
Die vorgestellten Berechnungswerkzeuge werden in eine ganzheitliche Optimierung für das Hybridsystem eines D-Segment Fahrzeugs überführt. Ein optimales Kosten-Nutzen-Verhältnis stellt sich bei ca. 20kW motorischer Leistung
und 0,7-1kWh installiertem Energieinhalt ein. Die optimale Topologie ist dabei abhängig von der angestrebten Kraftstoffeinsparung. Liegt diese oberhalb von 20-25%, sollte eine P14-Topologie in Betracht gezogen werden. Darunter bietet die P2-Anordnung optimale Ergebnisse. Aus Kostengründen ist die 48V-Systemspannung einem HV-System zu bevorzugen.

The present work deals with the design of the electric hybrid system of selfsufficient hybrid drives in parallel arrangement. The variation of the properties of the individual components to identify the overall optimal system, represents the main focus. The boundary conditions such as topology or driving cycle are varied. A focus of the investigations is placed on the choice of the system voltage. For the objective assessment of different variants, the evaluation criteria fuel savings, costs and vehicle weight are used.
To investigate the possible spectrum of variations, appropriate methods and calculation tools are developed. ... mehrSince the range of variations includes several million configurations, the computationally time-efficient design of the simulation environment is a focal point. This includes in particular the abstraction of the component models, which in addition to a detailed variation of the loss characteristics also enables the determination of the associated costs and weight.
The presented calculation tools are integrated into a holistic optimization for the hybrid system of a D-segment vehicle. An optimal cost-benefit ratio is achieved with approximately 20kW motor power and 0,7-1kWh installed energy content. The optimal topology depends on the desired fuel savings. If this is above 20-25%, a P14 topology should be considered. Below this threshold, the P2 arrangement offers optimal results. For cost reasons, the 48V system voltage is preferable to an HV system.