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Flexibles Rückgrad

Simulationsumgebung zur Analyse verschiedener Antriebstrangkonfigurationen
Flexibles Rückgrad

Durch zunehmend strengere gesetzliche Vorgaben und ein sensibilisiertes Umweltbewusstsein hat das Entwicklungsumfeld der Automobilindustrie an Dynamik und Komplexität zugelegt. Dem Antriebsstrang kommt dabei eine zentrale Bedeutung zu: Er muss den Anforderungen hinsichtlich Kraftstoffverbrauch, Abgasemissionen sowie Fahrerleben gerecht werden, gleichzeitig aber auch wirtschaftliche Gesichtspunkte und Kundenerwartungen erfüllen.

Neue Konzepte wie beispielsweise der elektrifizierte Antriebsstrang mit unterschiedlichsten Topologien rücken in den Fokus der Entwicklung und erhöhen mögliche Freiheitsgrade, aber damit auch den Analyseaufwand. Moderne Technologien reduzieren Zeit, Kosten und Aufwand des Entwicklungsprozesses. Nur durch die Kombination effizienter Entwicklungswerkzeuge mit technischem Know-how kann das herausfordernde Ziel von niedrigeren Emissionen und geringerem Kraftstoffverbrauch bei adäquater Motorleistung und Fahrspaß erreicht werden.

In diesem Umfeld entwickelte Bertrandt eine Simulationsumgebung, um bereits in einer frühen Phase des Entwicklungsprozesses verschiedene Antriebstrangkonfigurationen analysieren zu können. Ziel ist es, verschiedene Maßnahmen quantitativ und qualitativ zu bewerten, um infolge einer hohen Analysefunktionalität der verschiedenen Antriebsstrangkonfigurationen auf Basis von Kraftstoffverbrauch, CO2- und Schadstoffemissionen die Konzept- und Serienentwicklungsprozesse zu unterstützen.
Antriebsstrangmodell
Die Simulationsumgebung „virtueller Antriebsstrang“ basiert auf Matlab/Simulink. Einzelne Komponenten des Antriebsstrangs sind in Teilmodellen dargestellt und über Schnittstellen miteinander verbunden. Der Vorteil des modular aufgebauten Gesamtmodells: Teilmodelle können modifiziert werden, ohne andere Modelle zu beeinflussen.
Die Schnittstelle zwischen Benutzer und Simulationsumgebung bildet eine graphische Oberfläche, über welche die Antriebsstrangkonfiguration parametriert und der Simulationsablauf gesteuert wird. Ist die Simulation durchgeführt, werden alle Ergebnisgrößen, wie beispielsweise Motorleistung, Kraftstoffverbrauch und Mitteldruck, in Dateiform gespeichert und graphisch visualisiert.
Modularer Aufbau
Das Antriebsstrangmodell setzt sich aus mehreren Teilmodellen zusammen: Fahrzyklus, Fahrer-, Differential- sowie Getriebemodell, Drehmomentwandler, Verbrennungsmotormodell, Auswertung und Visualisierung, Abgasanlage und Elektroantrieb.
Auf Basis des modularen Modellaufbaus sind verschiedenste Antriebskombinationen einfach darstell- und quantifizierbar. Variationen der Modellvariablen generieren darüber hinaus Trendaussagen und Sensibilitätsanalysen. Durch den modularen Aufbau besteht die Möglichkeit, außer der klassischen Antriebseinheit auch Elektroantriebe oder Hybridvarianten zu simulieren. Weitere wichtige Zusatzmodule sind die Abgasanlage sowie das Thermomanagement. Ebenso können Flurförderfahrzeuge oder Baumaschinen simuliert werden – bezogen auf die Fahrantriebe elektrisch oder hydraulisch. Das gesamte Simulationsmodell bietet je nach Fragestellung die Möglichkeit zur zeitdiskreten Rückwärts- oder Vorwärtssimulation.
Rückwärtssimulation
Die Rückwärtssimulation ist eine quasi-stationäre Simulation. Die Berechnung erfolgt rückwärts, ausgehend vom Fahrprofil wie zum Beispiel NEFZ, FTP75, US06 oder Hyzem. Aus dem Belastungsprofil werden Geschwindigkeit und Beschleunigung des Rädermodells sowie Antriebsmoment und -drehzahl berechnet. Über die Module Differential, Getriebe, Drehmomentwandler und/oder Kupplung ergeben sich das erforderliche (effektive) Ausgangsmoment und die -drehzahl des Verbrennungsmotors. Alle zeitdiskreten Ausgangsmomente und die dazugehörigen Drehzahlen bestimmen die Betriebspunkte des Verbrennungsmotors und ermöglichen die Abschätzung von Kraftstoffverbrauch und anderen motorspezifischen Größen. Die Methode der zeitdiskreten Rückwärtssimulation wird für eine effiziente Auslegung von Verbrennungsmotor beziehungsweise Antriebsstrang bei bekanntem Belastungsverlauf angewandt.
Vorwärtssimulation
Bei der Vorwärtssimulation wird der Fahrer als Regelelement zur Steuerung der Fahrgeschwindigkeit berücksichtigt. Das Fahrermodell bestimmt in Anlehnung an das zeitliche Belastungsprofil den Betriebspunkt des Verbrennungsmotors. Das dynamische Motormodell gibt das effektive Ausgangsmoment über Drehmomentwandler, Getriebe und Differential an die Räder weiter. Dort stellt sich abschließend die Fahrgeschwindigkeit ein. Durch Änderung der virtuellen Gas- und Bremspedalstellung wird die Ist-Fahrgeschwindigkeit der vorgegebenen Fahrkurve zeitlich angenähert. Die Methode der zeitdiskreten Vorwärtssimulation wird für eine („reale“) Abschätzung des verbrennungsmotorischen, transienten Verhaltens angewandt.
Antriebsstranganalyse
Die Analyse- und Optimierungsmöglichkeit bestehender Antriebsstränge wird an einem Beispiel aus dem Bereich Arbeitsmaschinen dargestellt. Dazu werden die einzelnen Antriebsstrangkomponenten in der klassischen Anordnung anwendungsspezifisch miteinander verknüpft und mit realen Lastkollektiven beaufschlagt. Bildlich sind für die Anwendung Traktor jeweils im Verbrauchskennfeld die Arbeitspunkte des Verbrennungsmotors in der klassischen Antriebsstrangkonfiguration visualisiert. Ergänzend wird das jeweilige Optimierungspotenzial mit der Bezeichnung „economy mode“ dargestellt. Als Folge von Modifikationen im Antriebsstrang resultiert eine Lastpunktverschiebung und Verbrauchsreduzierung bei gleichzeitig stabilem Abgastemperatur- und Abgasemissionsverhalten. Ohne negative Effekte auf das Abgasnachbehandlungssystem zu erwarten, resultiert letztlich eine Kraftstoffverbrauchsreduzierung von bis zu 10 % bei der Traktoranwendung.
Mobilität von morgen
Mit der modular aufgebauten und flexiblen Softwareumgebung „Virtueller Antriebsstrang“ hat Bertrandt in Eigenverantwortung eine Analyse- und Auslegungsmöglichkeit für die Antriebsstrangentwicklung realisiert. Die qualitative und quantitative Aussagefähigkeit bei adäquater Rechenleistung bestätigen Validierungen mit realen Fahrzeugvergleichsdaten. Mit der vorgestellten Softwareumgebung „Virtueller Antriebsstrang“ setzt Bertrandt einen weiteren Meilenstein, um als Entwickler die Mobilität von Morgen mitzugestalten.
Bertrandt; Telefon: 070 34 6 56-0 ; E-Mail: anja.schauser@de.bertrandt.com
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