Antriebsstrangelektrifizierung zur Verbesserung der Fahrdynamik

Die Elektrifizierung von Fahrzeugantrieben bietet zusätzlich zu den Maßnahmen der Verbrauchs- und Emissionsoptimierung Stellhebel, um die Fahrzeuglängs- und Fahrzeugquerdynamik zu verbessern. Diese Stellhebel resultieren aus den Freiheitsgraden der Festlegung der Antriebsstrangarchitektur und Antriebsstrangdimensionierung.

In diesem Kontext ist eine hybride Antriebsstrangarchitektur durch die Platzierung der elektrischen Maschinen im konventionellen Triebstrang charakterisiert. Die Wahl der Platzierung der elektrischen Maschinen erlaubt funktionalen Einfluss. Beispielsweise ermöglicht eine Integration der elektrischen Maschine im Triebstrang die Addition der Antriebsmomente des Verbrennungsmotors und der elektrischen Maschine. Das dadurch gesteigerte Summenmoment kann zur Steigerung des Beschleunigungsvermögens eingesetzt werden. Sind Verbrennungsmotor und elektrische Maschinen an verschiedene Achsen angebunden, ermöglicht dies eine freie Verteilung eines Antriebswunsches auf die zwei angetriebenen Achsen. Zum Beispiel erlaubt dies eine Erhöhung der Fahrstabilität oder des Traktionspotenzials bei Kurvenfahrt. Die Antriebsstrangdimensionierung definiert die Auslegung des Antriebsstrangs unter anderem hinsichtlich der Größen Leistung, Drehmoment, Energieinhalt und Getriebeübersetzung. Nebeneffekt der Dimensionierung ist ihre Abhängigkeit zu den Massen der Antriebsstrangkomponenten. Zusätzlich zu ihrem Einfluss auf die gesamte Fahrzeugmasse ist die Fahrzeugintegration der zusätzlichen elektrischen Antriebsstrangkomponenten ein weiterer Stellhebel der Fahrdynamikbeeinflussung. Beispielsweise für ein Fahrzeug mit Abtrieb an der Hinterachse ermöglicht eine hecklastige Fahrzeugintegration der zusätzlichen Komponenten eine Steigerung des Traktionsvermögens. Für entsprechende leistungsfähige Antriebe generiert dies Potenziale zur Verbesserung des Beschleunigungsvermögens. Eine ganzheitliche Bewertung des Fahrdynamikeinflusses der Antriebsstrangelektrifizierung ist in aus Rennstreckenprofilen abgeleiteten Untersuchungsszenarien möglich. Ihr Evaluationskriterium ist die benötigte Zeit zur Absolvierung der gegebenen Strecke. In solchen Untersuchungsszenarien ist das Resultat zusätzlich zu den Antriebsstrang-Traktionsfähigkeiten und der Fahrzeugcharakteristik vom verfügbaren Energieinhalt und den thermischen Randbedingungen des Überlastbetriebs des elektrischen Antriebs abhängig. Daher besteht eine weitere Abhängigkeit zur Betriebsstrategie, die den Einsatz der elektrischen Energie und des Überlastbetrieb steuert.

Eine Methodik zur Untersuchung der fahrdynamikbeeinflussenden Stellhebel der Antriebsstrangelektrifizierung wird im Beitrag [1] auf der VDI Tagung ‚Getriebe in Fahrzeugen [2]‘ präsentiert. Schwerpunkt ist die Anwendung der Methodik für diverse Antriebsstrangarchitekturen und -dimensionierung. Ein Auszug der Ergebnisse präsentiert Abbildung 1. Dies zeigt die Analyse des Fahrdynamikeinflusses der Batteriedimensionierung für ein Untersuchungsszenario basierend auf dem Streckenprofil des Rundkurses Nürburgring. Als Untersuchungsanforderung gilt die Gewährleistung von reproduzierbaren Fahrleistungen. Für den Energieinhalt bedeutet dies, dass der Ladezustand am Ende des Fahrprofils dem Anfangsladezustand entsprechen soll. Als Annahmen für die Masse der Komponente Batterie gilt eine lineare Abhängigkeit zur Batteriedimensionierung. Für die Betriebsstrategie ist ein optimierungsbasiertes Verfahren eingesetzt. Als Antriebsstrang ist eine triebstrangintegrierte Hybridarchitektur definiert mit 135 kW verbrennungsmotorischer und 200 kW elektrischer Leistung. Das linke Diagramm zeigt das Rundenzeitverbesserungspotenzial über dem Energieinhalt. Als Bezugsgröße ist dabei die Rundenzeit der Variante mit 1 kWh verwendet.  Beste Ergebnisse zeigen Batteriedimensionierungen mit maximalen Energieinhalten um die 2-4 kWh. Für Dimensionierung unterhalb dieses Bereichs nimmt die Rundenzeitverbesserung dramatisch ab. Oberhalb des optimalen Bereichs nimmt das Rundenzeitpotenzial vergleichsweise nur mit einer leichten Steigung ab.

Abbildung 1: Stellhebelanalyse der Batteriedimensionierung

Ursächlich für diesen Verlauf sind das Zusammenwirken des erforderlichen Lade-Entladehubs, der Energierückgewinnungsmöglichkeiten sowie des maximal möglichen Energieinhalts. Das Zusammenwirken dieser Aspekte ist mit den im rechten Diagramm dargestellten Energieinhaltsverläufen für drei verschiedene Batteriedimensionierungen erklärbar. Aus der Untersuchungsanforderung von reproduzierbaren Fahrleistungen folgt prinzipiell, dass nur so viel elektrische Energie eingesetzt werden kann, wie über der Strecke wieder zurückgewonnen werden kann. Limitierung der Energierückgewinnungsmöglichkeiten sind bei der Variante mit der 0.5 kWh Batteriedimensionierung zu erkennen. Diese Limitierungen kennzeichnen die drei Plateaus. Diese Plateaus folgen aus dem vollen Ladezustand der Batterie, weshalb keine zusätzliche Energie aufgenommen werden kann. Der maximale Lade-Entladehub dieser Variante beträgt deshalb etwa  0.3 kWh. Im Vergleich dazu benötigt die Batteriedimensionierung mit 2 kWh eine Lade-Entladehub von etwa 1 kWh. Eine Limitierung der Energierückgewinnung ist hierbei nicht signifikant erkennbar.  Eine weitere Erhöhung des Energieinhalts auf 5 kWh zeigt keine Veränderung des Lade-Entladehubs. Dies bedeutet, dass die zusätzliche Batteriekapazität nicht benötigt wird, und dass eine Erhöhung des maximalen Energieinhalts nur eine Erhöhung der Batteriemasse bewirkt.  
Dieses Beispiel verdeutlicht exemplarisch den Einfluss einer Dimensionierungsgröße des elektrifizierten Antriebs auf die Fahrdynamik. Im Beitrag [1] sind weiterführende Untersuchungen zum Einfluss der Architekturen und Dimensionierungen durchgeführt sowie Ergebnisse aus bisherigen Veröffentlichungen aufbereitet. 

[1] M. Kraft, “Simulationsgestützte Untersuchung von Antriebsstrangelektrifizierungen zur Verbesserung der Fahrdynamik,” in Getriebe in Fahrzeugen 2016
[2] VDI, Getriebe in Fahrzeugen, www.getriebekongress.de, Jun. 2016.

Markus, Kraft, M.Sc., Daimler AG