Untersuchung und Optimierung form- und reibschlüssiger Schaltvorgänge im "CVT-Hybrid-Antriebsstrang"
Final Report Abstract
Der Optimierte CVT-Hybrid-Antriebsstrang für Pkw kombiniert einen Verbrennungsmotor (Common-Rail-Diesel) mit einem Elektromotor (permanenterregte Synchronmaschine). Kernelement des Antriebsstrangs ist ein stufenloses Zweibereichsgetriebe (iVi-Getriebe), das eine hohe Gesamtspreizung von mehr als 14 aufweist. Zur elektrischen Energiespeicherung werden Doppelschichtkondensatoren (Ultracaps) verwendet. In diesem Forschungsprojekt wurden ein Schwungstartverfahren für das ruckfreie Zustarten des Verbrennungsmotors während der Fahrt und der zugkraftunterbrechungsfreie Wechsel zwischen den beiden Fahrbereichen des Getriebes mit reib- und formschlüssigen Kupplungen untersucht. Der im Transferbereich 38 „Optimierter Antriebsstrang“ entstandene Systemprüfstand und das Versuchsfahrzeug wurden dazu intensiv genutzt und insbesondere im Bereich der Sensorik weiter verbessert. Die im Rahmen des Projekts „Untersuchung und Bewertung der Energieströme im CVT-Hybrid-Antriebsstrang“ aufgebaute Grundstruktur der Gesamtfahrzeugregelung wurde erheblich erweitert. Die zu untersuchenden Schaltvorgänge wurden zunächst unter definierten Betriebsbedingungen am Systemprüfstand umgesetzt. Grundsätzliche Änderungen am Gesamtfahrzeugregler wurden jeweils vor den Versuchen an einem Mehrkörper-Simulationsmodell des Antriebsstrangs getestet. Am Systemprüfstand wurden Parameter experimentell optimiert. Die Versuchsergebnisse flossen wiederum in die Verbesserung des Simulationsmodells ein. Nachdem zufrieden stellende Ergebnisse reproduzierbar erreicht wurden, erfolgte die Einbindung der Schaltvorgänge in die normale Betriebsstrategie des Antriebsstrangs und die weitere Untersuchung im Versuchsfahrzeug am Rollenprüfstand und auf der Straße. Diese Versuche umfassten sowohl das definierte Anfahren bestimmter Fahrsituationen als auch die Validierung der Steuerstrategien für Verbrennungsmotorstart und Bereichswechselschaltung im normalen Straßenverkehr. Um ein Gütemaß für die Optimierung zu erhalten, wurde das erreichte Komfortniveau mit Kennzahlen quantitativ bewertet. Beide Arten von Schaltvorgängen konnten mit hoher Zuverlässigkeit und zufrieden stellendem bis sehr gutem Komfort durchgeführt werden. Bei der Bereichswechselschaltung wurden Einschränkungen hinsichtlich des übertragbaren Drehmoments und der möglichen Betriebspunkte von Verbrennungsmotor und E-Maschine identifiziert, die jedoch die grundsätzliche Tauglichkeit für den Alltagsbetrieb nicht beeinträchtigen. Beim Verbrennungsmotor-Schwungstart waren teilweise andere Einflussgrößen relevant und eine stärker regelungstechnisch orientierte Methodik erforderlich als ursprünglich im Forschungsantrag vorgeschlagen. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden die wissenschaftlichen Untersuchungen am Antriebsstrang zur Bereichswechselschaltung mit reib- und formschlüssigen Kupplungen sowie zum Verbrennungsmotor-Schwungstart abgeschlossen. Gemäß dem Forschungsantrag sind in diesem Bereich künftige Forschungsarbeiten nicht vorgesehen. Eine industrielle Umsetzung des Optimierten CVT-Hybrid-Antriebsstrangs ist derzeit nicht absehbar, da Fahrzeuge mit stufenlosen Umschlingungsgetrieben zumindest von europäischen Automobilherstellern nicht priorisiert werden. Sollen jedoch solche Getriebe in Hybrid- Antriebssträngen zum Einsatz kommen, ist der Optimierte CVT-Hybrid-Antriebsstrang eine funktionale und einfache Lösungsvariante. Während es sich bei der Bereichswechselschaltung um ein speziell auf diesen Antriebsstrang zugeschnittenes Konzept handelt, können die zur Steuerung des Verbrennungsmotorstarts eingesetzten Methoden zum Teil auch auf andere Hybridantriebsstränge für Pkw oder Nutzfahrzeuge übertragen werden.
Publications
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Maximising Drivability of a CVT Hybrid Driveline by Powershift and Dynamic Engine Start. 22nd JUMV International Automotive Conference Science and Motor Vehicles 2009, Belgrad, Serbien, 15./16.04.2009, CD-ROM
Höhn, B.-R.; Pflaum, H.; Dräxl, T.
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The Optimised CVT Hybrid Driveline – Combining Fuel Economy and Drivability through a Novel Engine Starting Method. 12th EAEC European Automotive Congress, Bratislava, Slowakei, 29.06. – 01.07.2009, CD-ROM
Höhn, B.-R.; Pflaum, H.; Dräxl, T.
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Efficient CVT hybrid driveline with improved drivability. Int. J. Vehicle Design 53 (2010) 1/2, S. 70 – 88
Höhn, B.-R.; Pflaum, H.; Lechner, C.; Dräxl, T.
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Untersuchungen zum Betriebsverhalten des Optimierten CVT-Hybrid-Antriebsstrangs. Getriebe in Fahrzeugen 2010, Friedrichshafen, 22./23.06.2010. VDI-Berichte Nr. 2081, VDI-Verlag, Düsseldorf, 2010, S. 89 – 101
Höhn, B.-R.; Pflaum, H.; Dräxl, T.
