Modellbasierte Entwicklung von Systemen und Komponenten für Hybridfahrzeuge Herausforderungen meistern

Begrenzte Energiereserven und Sorge um die Umwelt haben den Druck auf die Automobilindustrie erhöht, energieeffiziente Fahrzeuge zu entwickeln. Die Forschung der letzten 15 Jahre hat eine Vielzahl von Fahrzeugkonzepten mit elektrischem Antrieb hervorgebracht. Elektrische Antriebe und besonders Hybridantriebe stellen die Entwickler dabei vor eine ganze Reihe von Herausforderungen. Modellbasierte Entwicklung kann helfen, diese zu bestehen.

Ein Hybridfahrzeug (HEV; hybrid electrical vehicle) funktioniert nach folgendem Prinzip: Je nach Fahrbedingung wird der konventionelle Verbrennungsmotor vom elektrischen Antrieb unterstützt. Dabei ergänzen sich die Antriebe möglichst so, dass beide in ihrem optimalen Betriebsbereich arbeiten.

Bild 1 zeigt ein vereinfachtes Schema einer möglichen Anordnung von Komponenten in einem Hybridfahrzeug. Der Elektromotor und der Verbrennungsmotor sind durch ein Verteilergetriebe gekoppelt und geben Energie an die Antriebswelle ab.

In der Praxis wird diese Leistungsverteilung durch ein Planetengetriebe realisiert. Mathematisch gesehen führt dies zu einer Kopplung der nichtlinearen dynamischen Gleichungen, die die beiden Antriebsquellen beschreiben, und erhöht damit die mathematische Komplexität des Gesamtsystems. Zur Optimierung des Kraftstoffverbrauchs ist bei diesem Konzept eine Regelungsstrategie erforderlich, welche die beiden gekoppelten Antriebsquellen verwaltet. Um die Energiedichte weiter zu erhöhen, werden häufig Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) eingesetzt. Darüber hinaus lässt sich der Kraftstoffverbrauch deutlich verringern, wenn man die Grundkonzepte der verschiedenen Komponenten wie Verbrennungsmotor, Elektromotor, Planetengetriebe, Lichtmaschine und Batterie optimiert.