Regulação e Controle de Um Câmbio CVT - Texto Em Alemão

Embed Size (px)

DESCRIPTION

regulagem

Citation preview

  • TECHNISCHE UNIVERSITT MNCHENLehrstuhl fr Elektrische Antriebssysteme

    Regelung und Steuerung einesstufenlos verstellbaren Getriebes fr

    einen PKW-Hybridantrieb

    Claus Mller

    Vollstndiger Abdruck der von der Fakultt fr Elektrotechnik und Informationstechnikder Technischen Universitt Mnchen zur Erlangung des akademischen Grades eines

    DoktorIngenieurs

    genehmigten Dissertation.

    Vorsitzender: Univ.Prof. Dr.Ing. Ulrich Wagner

    Prfer der Dissertation:1. Univ.Prof. Dr.Ing. Dr.Ing. h.c. Dierk Schrder (i.R.)2. Univ.Prof. Dr.Ing. Bernd-Robert Hhn

    Die Dissertation wurde am 25.09.2008 bei der Technischen Universitt Mnchen einge-reicht und durch die Fakultt fr Elektrotechnik und Informationstechnik am 28.01.2009angenommen.

  • Vorwort

    Die vorliegende Arbeit entstand whrend meiner Ttigkeit als Wissenschaftlicher Mitar-beiter am Lehrstuhl fr Elektrische Antriebssysteme der Technischen Universitt Mn-chen.

    Mein besonderer Dank gilt dem Leiter des Lehrstuhls Herrn Prof. Dr.Ing. Dr.Ing. h.c.Dierk Schrder fr die fortwhrende und anregende Untersttzung, die einen groenTeil zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen hat. Er ernete mir die Mglichkeit, aneinem hochaktuellen und innovativen Forschungsgebiet unter hervorragenden Arbeitsbe-dingungen zu arbeiten. Hervorzuheben ist auch der interdisziplinre Ansatz durch dieZusammenarbeit der Fakultten Maschinenwesen und Elektrotechnik sowie der durch dieRealisierung von umfangreichen Versuchsaufbauten intensive Praxisbezug.Dieser wurde mageblich durch das Engagement von Prof. Dr.-Ing. Bernd-Robert Hhnfr den Sonderforschungsbereich 365 der DFG ermglicht. Ich bin Ihm mit Blick aufdie bertragene Verantwortung zu Dank fr das entgegengebrachte Vertrauen und diebernahme des Koreferats verpichtet.

    Von unschtzbarer Bedeutung fr die Fertigstellung der vorliegenden Arbeit war dasVerstndnis und die Geduld meiner Frau Barbara Kneisl mit den Kindern Maximilian undNiklas. Ihnen sei diese Arbeit deshalb gewidmet.

  • KurzzusammenfassungIn Zeiten einer sich verschrfenden Klimaschutzdebatte und steigender Energiepreisebesonders fr die hauptschlich im Straenverkehr verwendeten Erdlprodukte werdeninsbesondere von den Fahrzeugantrieben Ezienzfortschritte erwartet. Dabei wird derHybridantrieb hug als Zwischenschritt auf dem Weg zu reinen Elektrofahrzeugen aufBasis von Brennstozellensystemen oder Hochenergieakkumulatoren beschrieben.Der vorliegende Beitrag widmet sich einer speziellen regelungstechnischen Problemstel-lung, die bei parallelhybriden Antriebsstrngen mit stufenlos verstellbaren Getrieben(CVT) anzutreen ist. Hierbei ist die Entkoppelung von Antriebsmoment und Mo-tordrehzahl whrend transienter Betriebsflle sicherzustellen. Dafr ist eine mglichstexakte Kenntnis der Verstellrate des Getriebes ohne auf eine Messung zurckzugreifenerforderlich.

    Die betrachtete Ausprgung des stufenlos verstellbaren Getriebes, ein auf einer Zugkettebasierenders Umschlingungsgetriebe der Bauart P.I.V. mit einem Konstantstromanpres-system weist in seinem bertragungungsverhalten hinsichtlich der Verstellrate der ber-setzung bedeutende Nichtlinearitten auf.Die zugrundeliegenden physikalischen Eigenschaften des Getriebes sind deshalb zu unter-suchen. Ein Ansatz zur regelungstechnischen Modellierung des Getriebes wird diskutiert.Durch die Unterbestimmung des Systems sind iterative Berechnungsanstze erforderlich.Als Lsung wird deshalb alternativ eine auf neuronalen Netzen basierende Identikati-onsstruktur entwickelt und in die Regelungsstruktur integriert.

    Short SummaryAs the global warming dabate is going on and oil prices are permanently rising, substantialeciency gains are expected of automotive powertrains. Hybrid drivetrains are in thiscontext regarded as an intermediate step on the path to electric vehicles powered eitherby fuel cell systems or high-energy-batteries.This thesis is covering a specic control problem related to parallel hybrid drivetrainsbased on continuously variable transmissions (CVT). The major control objective is theeective decoupling of the torque at the drive shaft and the engines velocity whilsttransient situations. Therefore a precise knowledge of the rate of ratio change withoutthe availability of a measured signal is required.

    The CVT under investigation is a chain-type CVT made by P.I.V. mated to a constantow hydraulic clamping and actuation system. It shows signicant nonlinearities regar-ding the actuation of ratio change.The basic physical properties are investigated. A subsequent approach for control-oriented modeling of the CVT delivers a set of under-determined equations.Because this requires iterative calculation methods which are not suitable for real-time-computation, an alternative identication approach based on neural networks is introdu-ced and integrated into the control structure.

  • Inhaltsverzeichnis IX

    Inhaltsverzeichnis

    1 Einfhrung 1

    1.1 Motivation und Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Aufbau und Gliederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    2 Innovative Antriebstechnik - Motivation und Anstze 7

    2.1 Leistungsbertragung im Antriebsstrang . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 Antriebsstrangtopologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3 Bauformen von stufenlos verstellbaren Getrieben . . . . . . . . . . . . . 162.4 Mehrbereichsgetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.5 Anforderungen an verstellbare Umschlingungsgetriebe . . . . . . . . . . 212.6 Der Autarke Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.6.1 Das i2-Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

    3 Anforderungen an Regelung und Steuerung 29

    3.1 Einleitung und berblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2 Antriebsmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.2.1 Basisfunktionalitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.2.2 Fahrkomfort und Fahrbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.2.3 Verbrauchsminimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.2.4 Minimierung der Fahrzeugemissionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.2.5 Diagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.3 Betriebsstrategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.3.1 Literaturberblick: CVT-Steuerstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.3.2 Betriebsstrategie Autarker Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

  • X Inhaltsverzeichnis

    3.3.3 Ermittlung von Motorsolldrehzahl und Motorsollmoment . . . . . . . . . 393.3.4 Fahrpedalinterpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.3.5 Zusammenfassung CVT-Steuerstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.4 Regelkonzept fr den Autarken Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

    4 Modellbildung 47

    4.1 Fahrzeuglngsdynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.2 Elektromotor und Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.3 Verbrennungsmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.4 Das stufenlos verstellbare Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.5 Der Antriebsstrang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.5.1 Modellreduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.5.2 Antriebsstrang mit Lose und nichtlinearen Feder-Dmpfer-Elementen . . 634.5.3 Systemgleichungen starres Antriebsstrangmodell . . . . . . . . . . . . . 65

    5 Antriebsstrang- und Getrieberegelung 69

    5.1 Nichtlineare Streckenstruktur und Verkopplungen . . . . . . . . . . . . . 695.2 Regelungstechnische Anstze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725.3 Nichtlineares bertragungsverhalten der Verstellrate . . . . . . . . . . . 735.4 Rckfhrung der Getriebeverstellrate als Messgre . . . . . . . . . . . 735.5 Regelungstechnische Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765.5.1 Variator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765.5.2 Hydraulisches Anpresssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795.5.2.1 Drucklversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795.5.2.2 Drehmomentfhler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805.5.2.3 Vierkantensteuerschieber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.5.3 Modellierungsansatz fr den Variator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.5.4 Literaturberblick Variatormodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.5.5 Modellierung der Kraftbertragung im Variator . . . . . . . . . . . . . . 865.6 Kennfeldbasierter Ansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

    6 Identikation mittels neuronaler Netze 99

    6.1 Neuronale Netze als statische Funktionsapproximatoren . . . . . . . . . 1006.1.1 Methoden der Funktionsapproximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

  • Inhaltsverzeichnis XI

    6.1.2 Funktionsapproximation mit lokalen Basisfunktionen . . . . . . . . . . . 1036.1.3 Radial Basis Function (RBF) Netz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1056.1.4 General Regression Neural Network (GRNN) . . . . . . . . . . . . . . . 1076.1.4.1 Lerngesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1096.1.4.2 Stabilitt nach Lyapunov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1106.1.4.3 Parameterkonvergenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1106.1.5 Lernstruktur und Fehlermodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116.2 Adaptionsstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1176.2.1 Konditionierung des regelungstechnischen Problems . . . . . . . . . . . 1176.2.2 Identikationsstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1186.2.3 Implementierung der Identikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1206.2.4 Identikationsergebnisse des GRNN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1216.2.5 Identikationsergebnisse im transienten Betrieb . . . . . . . . . . . . . . 1246.2.6 Realisierung der Regelungsstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1276.2.6.1 Regelung Getriebeeingangsdrehzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1276.2.6.2 Radmomentsteuerung mittels Strgrenaufschaltung . . . . . . . . . . 131

    7 Implementierung 135

    7.1 Verteiltes Steuergertesystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1357.1.1 CAN-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1357.2 Fahrzeugregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1367.3 Prfstandsaufbau Antriebsstrang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1387.4 Versuchsfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

    8 Zusammenfassung 141

    Bilderverzeichnis 143

    Literaturverzeichnis 147

  • XII Inhaltsverzeichnis

  • 11 Einfhrung

    Hybride Fahrzeugantriebe reprsentieren einen Lsungsansatz zur Reduktion von Kraft-stoverbrauch und Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen ohne nennenswerte Abstrichebezglich der Fahrleistung, der Fahrzeuggre, des Komforts und damit der Fahrzeug-masse. Die Auslegung konventioneller Antriebe orientiert sich an den fahrwiderstands-bestimmenden Eckdaten des Fahrzeuges und der gewnschten Fahrleistung ausgedrcktdurch Beschleunigungswerte und erreichbare Hchstgeschwindigkeiten. Es knnen stetigsteigende Anforderungen an die Fahrleistung jedoch kaum zunehmende Durchschnittsge-schwindigkeiten festgestellt werden. Dies bedeutet, dass sich die typischen Einsatzbedin-gungen der Motoren zunehmend in den verbrauchsungnstigen Teillastbereich bewegenund darberhinaus die Zeitanteile des Leerlaufs zunehmen.Um die Verbrauchs- und Emissionswerte im Teillastbereich zu verbessern, kommen Kon-zepte wie das Downsizing von Motoren durch Abgasturboauadung oder variable Ven-tilsteuerungen zur Entdrosselung von Ottomotoren zur Anwendung. Im Hinblick auf dieReduzierung von Kraftstoverbrauch und CO2-Emissionen sind insbesondere in Europazunehmende Marktanteile von Dieselmotoren zu verzeichnen. In den Mrkten Asiens undNordamerikas ndet der Dieselmotor aufgrund unterschiedlicher Besteuerung des Kraft-stos, abweichender Qualittsstandards 1 der Kraftstoe und Unterschiede bei Emissi-onsgrenzwerten und Prfzyklen lediglich eine vergleichbar geringe Verbreitung.Als Alternative kommen von Seiten der japanischen Automobilhersteller zunehmend hy-bride Fahrzeugantriebe unter Verwendung von Ottomotoren auf die asiatischen und ame-rikanischen Mrkte. Durch die Kombination mit einer oder zwei elektrischen Maschinen,einem elektrischen Energiespeicher, einer vom Konzept abhngigen Getriebetechnik sowieeiner elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung sollen Leerlauf- und Teillastanteile desVerbrennungsmotorbetriebes auf ein Mindestma verringert werden und die Leistungs-sse im Fahrzeug auch betreend der Nebenverbraucher und des Bordnetzes optimiertwerden.Nicht zuletzt durch die rasche Verbreitung von Hybridfahrzeugen in Asien und Nord-amerika ist auch in Europa die politische und technische Diskussion ber die Vor- undNachteile des Dieselmotors gegenber dem Ottomotor mit Hybridantrieb angestoenworden. Eine Rolle spielen neben den oben genannten Randbedingungen fr die bishe-rige unterschiedliche Entwicklung der Mrkte sicherlich auch strategische Erwgungender Hersteller zu Entwicklungsvorsprngen und Kostenpositionen sowie technische Fra-gestellungen ber die Systemintegration bezglich Massen, Bauraum und elektronischerKoordination bis hin zu den in der Praxis erreichbaren Einsparungen.

    1Absenkung des zulssigen Schwefelanteils in den USA von 500 ppm auf 15 ppm per 10/2006

  • 2 1 Einfhrung

    An der Technischen Universitt Mnchen wurde im Rahmen eines durch die DFG -nanzierten Sonderforschungsbereichs mit dem Autarken Hybrid ein hybrides Antriebs-system fr PKW unter Verwendung eines Dieselmotors entwickelt, aufgebaut und er-probt. Im Zuge der Realisierung des Regelsystems wurden interessante Fragestellungenbezglich der regelungstechnischen Behandlung des verwendeten stufenlos verstellbarenGetriebes im Kontext des Antriebssystems aufgeworfen.Nachdem die regelungs- und steuerungstechnische Modellierung stufenlos verstellbarerGetriebe als auch deren Einbettung in nichtlineare und verkoppelte Regelstrecken als inder Literatur unzureichend behandelt eingeschtzt wurde, wurden umfangreiche ber-legungen und Untersuchungen zu diesem Thema angestoen, welche eine erfolgreicheRealisierung eines gesamthaften Regelverfahrens fr den Antriebsstrang zum Ergebnishatten. Die vorliegende Arbeit mchte ber eine Einfhrung zu den Grundlagen derstufenlos verstellbaren Getriebe als auch der hybriden Antriebstechnik die angetroenenProblemkreise sowie die gewhlten Lsungsanstze darstellen und erlutern.

  • 1.1 Motivation und Zielsetzung 3

    1.1 Motivation und Zielsetzung

    Um die Potentiale der stufenlosen Getriebe im Fahrzeugeinsatz erschlieen zu knnen,ist eine integrierte Steuerung und Regelung des Antriebsstranges notwendig.Dies bedeutet, da sowohl die stationren Betriebspunkte von Motor und Getriebe alsauch deren transiente Trajektorien aufeinander abgestimmt werden mssen. Durch diebesonderen Eigenschaften der beiden Systemkomponenten entstehen hierbei Optimie-rungsprobleme, die naturgem Randbedingungen unterworfen sind.

    Fr den Entwurf einer derartigen Antriebsstrangregelung ist eine genaue Kenntnis derEigenschaften des Systemkomponenten als auch des Gesamtsystems Antriebsstrang not-wendig. Fr den rechnergesttzen Entwurf werden auf dieser Basis physikalisch-mathe-matische Modelle entwickelt. Der Abstraktionsgrad dieser Modelle mu den Anforde-rungen an den Antriebsstrang und sein Regelsystem entsprechend gewhlt werden.In der Literatur nden sich hug vereinfachte Annahmen ber das Verhalten von stufen-los verstellbaren Getrieben whrend nderungen der bersetzung. Diese dynamischenEigenschaften sind fr die Antriebsstrangregelung whrend instationrer Betriebszustn-de von groer Bedeutung.

    Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ergaben sich im Zuge der Realisierung eines hybri-den Antriebsstranges auf Basis eines stufenlosen Getriebes zahlreiche theoretische undpraktische Fragestellungen in Hinblick auf die Antriebsstrangregelung. Hierbei wurde inmehrfacher Hinsicht deutlich, da die aus der Literatur entlehnten einfachen Getriebemo-delle und folglich auch die darauf aufgebauten Regelungen den gestellten Anforderungennicht gerecht wurden.

    Dies fhrte zu einer detaillierteren Untersuchung der stufenlosen Zugkettengetriebe inHinblick auf deren Regelbarkeit im Antriebsstrang. Die gewonnenen Erfahrungen werdenin der vorliegenden Arbeit dargelegt und diskutiert. Dabei wird auf ein Stufenlosgetriebeder Bauart P.I.V. Bezug genommen.Die Anwendung dieses Getriebes wird sowohl fr den im Projekt untersuchten hybridenAntriebsstrang mit einer weitgespreizten Getriebestruktur ( i2 - Getriebe ) als auchwegen des allgemeinen Interesses fr einen konventionellen Antriebsstrang betrachtet.

  • 4 1 Einfhrung

    1.2 Stand der Technik

    Um den steigenden Bedrfnissen hinsichtlich der Emissionsreduzierung, der Verbrauchs-minderung und der Komfortsteigerung Rechnung zu tragen, werden die Komponentenkonventioneller Antriebsstrnge weiterentwickelt. Parallel dazu werden alternative An-triebskomponenten wie zum Beispiel Elektromotoren in Verbindung mit Brennstozellenoder stufenlos verstellbarem Getriebe zur Marktreife gebracht. Alternative Antriebs-strangtopologien wie zum Beispiel Hybridantriebe haben zur Zielsetzung, den Antriebs-strang optimal an die Betriebsspezika der Verbrennungsmotoren anzupassen und knnenzudem whrend Verzgerungsphasen einen Teil der im Fahrzeug gespeicherten kineti-schen Energie rekuperieren.

    Die ersten Serienfahrzeuge mit stufenlos verstellbarem Getriebe engl. Continuously Va-riable Transmissions (CVT) wurden ab 1959 von der Firma DAF (seit 1975 Volvo) aufden Markt gebracht. Das Getriebe mit der Bezeichnung Variomatic basierte auf zweiparallelen Keilriementrieben und wurde mit Motoren bis zu 42 kW Leistung kombiniert.Vorteile das Antriebs waren vergleichsweise niedrige Fertigungskosten in Verbindung miteinem Fahrkomfort hnlich zu Automatgetrieben. Das System verfgte ber eine Flieh-kraftkupplung und eine Unterdrucksteuerung der bersetzung. Da sich durch die re-lativ einfache pneumatische Steuerung das Niveau der Motordrehzahl fr den Fahrergewhnungsbedrftig und wenig verbrauchsorientiert einstellte und die trocken laufen-den Keilriemen einem hohen Verschlei unterlagen, wurde dieses Getriebe 1975 vomMarkt genommen.

    Das Getriebe wurde von einem Ableger der Firma DAF, van Doorne's Transmissie (heuteeine Tochter der Robert Bosch GmbH), zum Schubgliederbandgetriebe weiterentwickelt.Getriebe dieses Typs sind hauptschlich auf dem japanischen Markt im Kleinwagenseg-ment zu nden. In Europa werden sie von DaimlerChrysler unter dem MarkennamenAutotronic in den Modellreihen mit Front-Quer-Antrieb angeboten und sind unter an-derem im FIAT Punto und Nissan Primera optional erhltlich. Diese Getriebe sind freine Momentenkapazitt von maximal 250 Nm in Kombination mit quer eingebautenMotoren und Frontantrieb ausgelegt.

    Von ZF werden verschiedene Getriebebaureihen mit Schubgliederbndern fr kleinereDrehmomente und Zugketten als Umschlingungselement fr grere Drehmomente an-geboten. Die kleinere Variante auf Basis eines Schubgliederbandes kommt z.B. im Minizum Einsatz.

    Audi bietet seit 1999 ein stufenloses Zugkettengetriebe unter dem Markennamen mul-titronic an. Dieses Getriebe wird derzeit in Kombination mit Motoren bis 380 NmNenndrehmoment angeboten und lngs eingebaute Motoren in Verbindung mit Front-antrieb ausgelegt. Das System wurde in Zusammenarbeit mit der Firma LuK entwickeltund stellt im Kern eine Weiterentwicklung der seit 1928 von der Firma P.I.V. Reimershauptschlich fr stationre Anwendungen hergestellten Getriebe mit Zugketten als Um-

  • 1.3 Aufbau und Gliederung 5

    schlingungsmittel dar.

    In Japan wird seit 1999 von der Firma Nissan ein stufenloses Reibradgetriebe in Toroid-bauform fr Fahrzeuge der oberen Mittelklasse angeboten. Der Antrieb ist fr Heckan-trieb und Drehmomente von bis zu 370 Nm ausgelegt.

    Wesentlich fr den Serieneinsatz der heutigen Generation von stufenlos verstellbaremGetrieben ist die deutlich vergrerte Lebensdauer der Komponenten der Einsatz vonRegelungsstrategien, die den frher oft kritisierten Gummibandeekt [69] whrend Be-schleunigungsphasen unterdrcken.

    1.3 Aufbau und Gliederung

    Im zweiten Teil der Arbeit werden die verschiedenen Antriebsstrangtopologien vorge-stellt. Die Leistungsbertragung vom Motor auf die Antriebsrder wird dargestellt undauf die Zielsetzungen fr eine optimale Betriebsfhrung des Antriebsstranges eingegan-gen. Vertiefend wird das System stufenlos verstellbares Getriebe mit seinen Komponen-ten untersucht.Im dritten Teil werden aufbauend auf den Erkenntnissen bezglich der Betriebsfhrungvon Antriebsstrngen mit stufenlos verstellbarem Getriebe die sich ergebenden Problem-stellungen und alternative Regelkonzepte sowohl fr das Getriebe als auch den gesamtenAntriebsstrang diskutiert.Im vierten Teil werden das stationre als auch das transiente Betriebsverhalten von Zug-kettenwandlern im Hinblick auf das bertragungsverhalten bezglich der bersetzungs-verstellung betrachtet und der Einu von Strgren diskutiert. Ein Black-Box-Ansatzzur Abbildung des stationren nichtlinearen Verhaltens des Wandlers wird vorgestellt.Der fnfte Teil gibt einen Einblick in die Technik der Identikation statischer nichtli-nearer Funktionen mittels Approximation durch auf radialen Basisfunktionen basierendeneuronale Netze.Darauf aufbauend wird im sechsten Teil eine Identikationsstruktur fr die transiente Ver-stelldynamik des Getriebes entwickelt, mit Hilfe deren Ergebnisse im siebten AbschnittReglerstrukturen zur Motordrehzahlregelung und Radmomentenregelung optimiert wer-den knnen.Der achte Abschnitt beschreibt die im Rahmen der Arbeit verwendeten versuchstech-nischen Einrichtungen Antriebsstrangprfstand und Versuchsfahrzeug. Die zuvor ent-wickelten Reglerstrukturen werden anhand diesen Einrichtungen validiert.

  • 6 1 Einfhrung

  • 72 Innovative Antriebstechnik -Motivation und Anstze

    Im folgenden Abschnitt sollen die grundlegenden Anforderungen an den Antriebsstrang imKraftfahrzeug dargestellt werden. Dies umfasst besonders die Bereiche Fahrbarkeit undKraftstoverbrauch, zwischen denen mehrfach Zielkonikte entstehen. Das umfangrei-che Gebiet der Schadstoemissionen durch Verbrennungsmotoren wird im Rahmen dieserArbeit nicht betrachtet. Es sei in diesem Zusammenhang lediglich darauf hingewiesen,da der Aussto der Emissionskomponente CO2 sich etwa proportional zum Kraftsto-verbrauch verhlt und somit verbrauchsreduzierende Manahmen direkten Einuss aufdie Verringerung der CO2-Emissionen haben.

    Der Antrieb von Kraftfahrzeugen dient zur Deckung der stationren Fahrwiderstndeund zur Bereitstellung von Beschleunigungsleistung fr instationre Fahrzustnde. Imvorliegenden Beitrag soll deshalb ausschlielich die Lngsdynamik von Kraftfahrzeugenbetrachtet werden. Das dynamische Verhalten des Fahrzeuges bei Kurvenfahrt ist folglichnicht Gegenstand der Betrachtungen.

    2.1 Leistungsbertragung im Antriebsstrang

    Bestimmend fr die Auslegung des Fahrantriebs ist zum einen die Erreichung einer aus-reichend hohen Anfahrzugkraft, damit das beladene Fahrzeug auch im Anhngerbetrieban Steigungen komfortabel angefahren werden kann, und zum anderen die Erreichungder maximalen Fahrgeschwindigkeit. Hierfr ist die bersetzung derart zu whlen, dadie Nenndrehzahl des Motors mit der Fahrgeschwindigkeit korrespondiert, bei der dieFahrwiderstandsleistung in der Ebene der maximalen Motorleistung entspricht.Betrachtet man nun die typische Leistungscharakteristik von Verbrennungsmotoren, er-gibt sich die Notwendigkeit eines Getriebes mit vernderlicher bersetzung.

    In Abbildung 2.1 sind die sich ergebenden maximalen Zugkraftverlufe fr diskrete Gang-stufen ber der Fahrzeuggeschwindigkeit dargestellt. Diese Kurven stellen die durch diejeweilige bersetzung auf die Antriebswelle bezogene Einhllende des in Abbildung 2.3dargestellten Motorkennfelds dar. Die Zugkrafthyperbel der maximalen Leistung Pmaxstellt die Einhllende der einzelnen Zugkraftkurven dar. Die maximale Zugkraft im erstenGang liegt ber der maximal am Rad-Strae-Kontakt bertragbaren Zugkraft, da unter

  • 8 2 Innovative Antriebstechnik - Motivation und Anstze

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

    500

    1000

    1500

    2000

    2500

    3000

    3500

    [Nm]radM

    2.

    3.

    4.5.

    1.

    v [km/h]

    Pmax

    0% Steigung

    16% Steigung

    8% Steigung

    Bild 2.1: Zugkrafthyperbel

    optimalen Bedingungen lediglich Reibwerte von bis zu 1,1 erzielt werden knnen.Die Drehzahlspreizung des Motors betrgt bei PKW blicherweise zwischen 1:4 und1:6, wogegen die bentigte Drehzahlspreizung am Rad bei 1:40 liegt. Der Einsatz vonGetrieben vernderlicher bersetzung trgt auch diesem Umstand Rechnung.

    Es wird deutlich, da die Forderungen nach Anfahrzugkraft und Endgeschwindigkeitgrundstzlich durch die dargestellen Gangstufen 1 und 5 erfllt werden.Durch die Stufung der einzelnen Getriebebersetzungen entstehen jedoch Lcken zwi-schen den gangbezogenen Zugkraftkurven und der Zugkrafthyperbel maximaler Leistung.Die maximale Motorleistung kann in diesen Geschwindigkeitsbereichen nicht erbrachtwerden. Daraus resultiert ein vermindertes Beschleunigungsvermgen.Durch die Ausstattung des Getriebes mit einer hheren Anzahl Gangstufen knnen diesich ergebenden Lcken verringert werden.Die Dierenz zwischen den Fahrwiderstandskurven und den jeweiligen Maximalkraftkur-ven kennzeichnet die fr Beschleunigungen zur Verfgung stehende Leistungsreserve, dieohne Gangwechsel durch Anhebung des Motormoments erreicht werden kann.

    Neben der leistungsorientierten Auslegung des Antriebs, die neben der Endgeschwindig-keit besonders auf das Beschleunigungsvermgen des Fahrzeugs zielt, ist besonders dieAuslegung in Hinblick auf den Kraftstoverbrauch des Fahrzeuges zu betrachten.

  • 2.1 Leistungsbertragung im Antriebsstrang 9

    Fahrzyklen

    Die Ermittlung des Kraftstoverbrauchs von Kraftfahrzeugen in der Europischen Unionerfolgt seit dem 1. Januar 1996 gem EG-Richtlinie 80/1268/EWG in der Fassung93/116/EWG. Der zugrundeliegende genormte Fahrzyklus wird als NEFZ (Neuer Eu-ropischer Fahrzyklus) bezeichnet. Der Fahrzyklus erstreckt sich insgesamt 1180 Se-kunden. Er besteht aus vier aneinander gereihten gesamt 780 Sekunden dauerndenCity-Zyklen (ECE) und einem 400 Sekunden dauernden berland-Zyklus (EUDC). Diezurckzulegende Fahrstrecke betrgt etwa 11km.

    0 200 400 600 800 1000 12000

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    Zeit [s]

    Fahr

    gesc

    hwin

    digk

    eit [k

    m/h]

    NEFZFahrzyklus

    0 200 400 600 800 1000 120020

    10

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    Zeit [s]

    Mot

    orle

    istu

    ng [k

    W]

    Bild 2.2: Fahrzyklus NEFZ

    Abbildung 2.2 zeigt den Fahrgeschwindigkeitsverlauf und den Motorleistungsbedarf frein Fahrzeug mit einer Masse von 1550kg und einem Viergang-Automatikgetriebe. DiePrfung eines Fahrzeuges wird mit bei Versuchsbeginn kaltem Motor auf einem Rollen-prfstand durchgefhrt.

    Anhand des in Abbildung 2.3 gezeigten Verbrauchskennfeldes [2] eines direkteinspritzen-den Turbodieselmotors wird deutlich, da der Wirkungsgrad des Motors in hohem Maevom gewhlten Betriebspunkt abhngig ist.

    Das Kennfeld zeigt Linien gleichen spezischen Verbrauchs be. Zu diesem charakteristi-schen Kennfeld fhren vor allem Reib- und Pumpverluste, die mit steigender Drehzahlzunehmen. Je mehr Kraftsto beziehungsweise Leistung bei einer bestimmten Drehzahlumgesetzt wird, desto niedriger liegt der spezische Verbrauch, da der zur Deckung der

  • 10 2 Innovative Antriebstechnik - Motivation und Anstze

    Verluste notwendige Anteil der Leistung sinkt.Die obere Begrenzung des Kennfeldes ergibt sich bei niedrigen Drehzahlen aus der ge-ringen vom Lader zugefhrten Luftmasse, wodurch die maximale Einspritzmenge undsomit der Stoumsatz begrenzt wird. Die Einspritzmenge ist derart zu begrenzen, dadie Bildung von Ru im Abgas vermieden wird. Bei mittleren Drehzahlen ist die vomLader zugefhrte Luftmenge und somit auch die eingespritzte Kraftstomenge regelungs-technisch limitiert, um die Komponentenbeanspruchung auf die zulssigen Grenzwertezu beschrnken. Bei hohen Drehzahlen nimmt das maximale Drehmoment zum einendurch die vergleichsweise trge Verbrennung des ungengend zerstubten Dieselkraft-stoes und zum anderen wegen der Drehzahlbegrenzerfunktion in der Einspritzpumpeab.

    Es wird nun eine Linie minimalen spezischen Verbrauchs deniert. Diese Linie gibtan, bei welchem Betriebspunkt der spezische Verbrauch des Motors be in Abhngigkeitvon der geforderten Leistung PVM minimal ist. ( engl. OOL Optimal OperationLine ). Im Falle des vorliegenden Kennfeldes ergibt sich, da Leistungen unterhalbvon 30 kW bei einer Drehzahl von 1500 1/min mit maximalem Wirkungsgrad erbrachtwerden. Leistungen ber 30 kW werden bei Betrieb auf der Vollastlinie ezient erbracht.Andere Motorkennfelder weisen dagegen oft einen Verlauf der OOL unterhalb der Kurvemaximalen Drehmomentes auf.

    1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

    40 60 80 100 120 140 160

    0

    50

    100

    150

    200

    212225

    232

    240

    250

    265

    280

    300320

    340

    360

    360

    380

    380400420

    440

    Md[Nm]

    nMot [1/min]

    70kW

    5.Gang

    5.Gang

    4.Gang

    4.Gang

    3.Gang

    3.Gang

    b [g/kWh]e60kW50kW30kW

    20kW

    30 45 60 75 90 105 120

    23 34 45 56 67 78 90

    [km/h]

    [km/h]

    [km/h]

    OOL

    B

    C

    A

    Bild 2.3: Verbrauchskennfeld

  • 2.1 Leistungsbertragung im Antriebsstrang 11

    Um den Kraftstoverbrauch fr eine bestimmte Fahrsituation zu minimieren, mu diebentigte Leistung des Motors

    PVM =1

    A PA (2.1)

    durch den Betrieb des Motors an einem Betriebspunkt auf der OOL erbracht werden.Eine derartige Betriebsfhrung des Motors ist im stationren Fahrbetrieb nur an denSchnittpunkten der auf die Motordrehzahl bezogenen Fahrwiderstandskurven mglich.Es ergibt sich fr jede bersetzung lediglich ein Schnittpunkt mit der OOL im unterenLeistungsbereich.

    Die Stufung der bersetzungen erlaubt lediglich folgendes Gedankenexperiment: Ange-nommen das Fahrzeug wird auf ebener Strecke mit einer konstanten Fahrgeschwindigkeitvon 90 km/h bewegt. Die dafr bentigte Motorleistung betrgt 20 kW.

    Wird nun der 4. Gang gewhlt, bendet sich der Motor an Betriebspunkt A. Der spe-zische Verbrauch betrgt entsprechend Abbildung 2.3 300 g/kWh. Wird statt dessender 5.Gang gewhlt, ergibt sich der Betriebspunkt B mit einem spezischen Verbrauchvon 255 g/kWh. Der spezische Verbrauch sinkt folglich um

    1 255 g=kWh300 g=kWh

    100 % = 15 % (2.2)

    Stnde nun eine geeignete bersetzung zur Verfgung, um den Motor am BetriebspunktC zu betreiben, knnte ein spezischer Verbrauch von 228 g/kWh erzielt werden. Diesbedeutet gegenber Punkt A eine Verbrauchsreduktion um 24 % und stellt gleichzeitigdas erreichbare Optimum dar.Diese berlegung begrndet aus dem Blickwinkel der Verbrauchsoptimierung den Wunschnach zustzlichen, lnger bersetzten Gangstufen. Durch die Diskretisierung der mg-lichen Arbeitspunkte kann jedoch das Ziel einer stetigen Betriebsfhrung entlang deroptimalen Betriebslinie nicht erreicht werden. Dies ist lediglich durch eine stufenlosvariierbare bersetzung mit weiter Spreizung mglich.

    Zielkonikt der Betriebsfhrung

    Eine derartige Betriebsfhrung des Motors fhrt zu einem vergleichsweise niedrigemDrehzahlniveau. Dieser Umstand ist aus Sicht des Fahrbetriebes fr Konstantfahrt an-nehmbar, erweist sich jedoch besonders bei Beschleunigungsvorgngen als nachteilig,da der Antrieb eines Kraftfahrzeuges neben der erreichbaren Hchstgeschwindigkeit unddem Kraftstoverbrauch auch hinsichtlich der Agilitt beurteilt wird. Dies bedeutet,da das Anregelverhalten des Antriebs bei einem Beschleunigungswunsch des Fahrersim Bezug auf die erzielbare Mehrleistung und den Gradienten, mit dem diese ansteigt,betrachtet wird. Die gewnschte Mehrleistung PVM kann im Optimalfall ohne n-derung der bersetzung durch Anhebung des Motormoments bei annhernd konstanterDrehzahl erreicht werden. Der Verlauf des Leistungszuwachses ist in diesem Fall aus-schlielich vom Anregelverhalten des Motors abhngig. Die erzielbare Mehrleistung ist

  • 12 2 Innovative Antriebstechnik - Motivation und Anstze

    jedoch entsprechend der Vollastkurve eine Funktion der Motordrehzahl.Am in Abbildung 2.3 gezeigten Beispiel betrgt die maximale Mehrleistung bei einerursprnglichen Leistung von 20 kW im Betriebspunkt C 8 kW, bei Betriebspunkt B28 kW und bei Betriebspunkt A 42 kW. Hhere Mehrleistungen PVM lassen sichjeweils lediglich durch Rckschaltungen erreichen. Der Schaltvorgang fhrt jedoch zu ei-ner typischen Verzgerungszeit und bei manuellen Schaltgetrieben zu der Notwendigkeitdes Fahrereingries in Verbindung mit einer unerwnschten Zugkraftunterbrechung. Ei-ne verbrauchsoptimale Betriebsfhrung des Motors auf der optimalen Betriebslinie wirdfolglich vom Fahrer als trge empfunden und hinsichtlich der Agilitt negativ beurteilt.Dies fhrt zu dem Zielkonikt zwischen einer konomischen und einer an der Fahrbarkeitorientierten Betriebsfhrung des Antriebes, da der Motor bei sportlicher Fahrweise miteinem hohen Leistungsberschuss betrieben werden muss.

    2.2 Antriebsstrangtopologien

    Im weiteren wird die typische Wirkungsgradcharakteristik von Verbrennungsmotoren un-ter Nutzung der immanenten Systemvorteile niedriges Leistungsgewicht, hohe Leistungs-dichte, kostengnstige Herstellung und geringe Beschrnkungen der Einsatzfelder sowiehohe Energiedichte und niedrige Gestehungskosten der Kraftstoe als invariant betrach-tet. Die Minimierung des Kraftstoverbrauches fr das in Abbildung 2.2 unten dargestell-te Lastspiel ist daher primr Aufgabe des Antriebsstranges. Dabei ist die Betriebsfhrungdes Verbrennungsmotors derart zu gestalten, dass die zum betrachteten Zeitpunkt er-forderliche Leistung mit dem jeweils minimal mglichen spezischen Verbrauch durchden Antrieb erbracht wird. Dabei sind die negativen Auswirkungen auf die Agilitt desAntriebs soweit mglich zu minimieren.

    Um das Ziel der Verbrauchsreduzierung durch weitgehend freie Wahl des Motorbetrieb-spunktes unabhngig von der Fahrsituation zu erreichen, wurden in der Vergangenheitausgehend von den konventionelle Antriebsstrangstrukturen alternative Getriebe und An-triebstopologien vorgestellt. Einige dieser Konzepte erheben den Anspruch, den Zielkon-ikt zwischen konomischer und leistungsorientierter Betriebsfhrung des Antriebsstran-ges aufheben zu knnen.

    Der konventionelle Antriebsstrang

    Der konventionelle Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen setzt sich aus den ElementenMotor, Kupplung, Getriebe und Dierential zusammen. Bei den Motoren kommen imWesentlichen Otto- oder Dieselmotoren in verschiedenen Bauformen und Gren zumEinsatz. Da Kolbenmotoren mit innerer Verbrennung nicht gegen eine Last anlaufen kn-nen, wird eine schaltbare Kupplung, die Leistungsbertragung unter Schlupf ermglicht,als Anfahrelement bentigt. Diese werden als trockene Reibkupplungen oder hydrodyna-

  • 2.2 Antriebsstrangtopologien 13

    mische Wandler nach dem Fttinger-Prinzip ausgefhrt. Wie bereits dargelegt, bedingtdie geringe Drehzahlspreizung und die Drehmomentcharakteristik der Verbrennungsmo-toren die Verwendung von Getrieben, um die fr den Betrieb des Fahrzeugs notwendigenEckwerte Anfahrmoment und Drehzahlspreizung am Rad realisieren zu knnen. Vor-herrschende Getriebebauformen sind heute synchronisierte Schaltgetriebe mit fnf odersechs Gngen und alternativ Stufenautomaten mit mehreren Planetenstzen. Durchden Einsatz von Dierentialgetrieben werden die unterschiedlichen Raddrehzahlen ander Antriebsachse whrend Kurvenfahrten ausgeglichen. Der konventionelle Antriebs-strang kommt hauptschlich in den beiden Varianten Frontantrieb und Heckantrieb zumEinsatz. Zwischen diesen Varianten soll im Weiteren nicht unterschieden werden.

    Das stufenlos verstellbare Getriebe

    Eine besondere Variante des konventionellen Antriebsstranges entsteht durch den Ein-satz von stufenlos verstellbaren Getrieben. Diese Systeme sind mit Stufenautomatenzu vergleichen, da sie dem Fahrer ein hnliches Komfortniveau bieten. Stufenlos ver-stellbare Getriebe zeichnen sich durch ein hheres Beschleunigungsvermgen aus, da derMotor permanent mit seiner maximalen Leistung betrieben werden kann. Die teilwei-se strenden Schaltrucke entfallen. Der mechanische Wirkungsgrad der stufenlos ver-stellbaren Getriebe liegt unter dem der Stufenautomaten. Dieser Nachteil kann jedochausgeglichen werden, in dem statt der bei Stufenautomaten blichen verlustbehaftetenWandlerkupplung elektronisch geregelte Lamellenkupplungen oder Magnetpulverkupp-lungen zum Einsatz kommen. Der Wirkungsgradnachteil kann darberhinaus durch dieoptimierte Betriebsfhrung des Motors aufgehoben werden. Mit dem von Audi angebo-tenem multitronic-System werden die Verbrauchswerte des vergleichbaren Stufenauto-maten deutlich unterboten und die Fahrleistungswerte des Handschaltgetriebes erreicht.Hierfr ist ein Kompromiss zwischen konomischer und sportlicher Betriebsfhrungzu nden. Die Motorbetriebspunkte werden deshalb lediglich in der Tendenz in Richtungder optimalen Betriebslinie verlagert.

    Schwungradbasierte Antriebe

    In etlichen Forschungsvorhaben [105],[101] werden Schwungradspeicher im Fahrzeug-antrieb untersucht. Diese Speicher bieten hohe Leistungs- und Energiedichten bei gutemWirkungsgrad. Das Schwungrad wird ber ein stufenlos verstellbares Getriebe mit derAntriebswelle verbunden. Die Leistungsabgabe erfolgt durch bersetzungsnderung desGetriebes, bei dem die trge Schwungmasse abgebremst wird. Ist der Speicher entladen,wird er mittels eines auf die optimale Betriebslinie geregelten Verbrennungsmotors wiederbeschleunigt. Das stufenlos verstellbare Getriebe stellt die Entkoppelung der Drehzahlvon Motor und Schwungrad von der Fahrgeschwindigkeit sicher. Das Drehmoment ander Antriebswelle wird durch die Verstellgeschwindigkeit des Getriebes geregelt.

  • 14 2 Innovative Antriebstechnik - Motivation und Anstze

    Der serielle Hybrid

    Der serielle Hybridantrieb kann auch als elektrisches Getriebe betrachtet werden. Eshandelt sich grundstzlich um einen elektrischen Fahrantrieb, der die bentigte elektri-sche Leistung auch aus einer Traktionsbatterie oder einem Brennstozellenstack beziehenknnte. Die notwendige elektrische Leistung wird statt dessen von einer Verbrennungs-motor-Generatoreinheit erzeugt, wobei der Verbrennungsmotor stets entlang der optima-len Betriebslinie betrieben werden kann. Durch die fr den Fahrbetrieb gnstigere Dreh-momentcharakteristik des elektrischen Antriebes mit vergleichsweise hohen Drehmomen-ten im Grunddrehzahlbereich bleibt die Agilitt des Fahrzeuges gewahrt. Es ist jedochsicherzustellen, da der elektrische Mehrleistungsbedarf kurzzeitig aus einem Speichergedeckt werden kann, bis der Verbrennungsmotor den der neuen Leistungsanforderungentsprechenden Betriebspunkt erreicht hat. Einen hinreichend dimensionierten Speichervorausgesetzt, erlaubt der serielle Hybrid die weitgehende Rekuperation der kinetischenEnergie des Fahrzeuges beim Bremsen sowie rein elektrischen Antrieb des Fahrzeugesbei Rangierfahrten und im Stop-und-Go-Betrieb. Der Generator dient darberhinaus alsLichtmaschine und Anlasser. Die Nachteile des Konzeptes bestehen primr in den ho-hen Kosten und Massen des Antriebs, da elektrischer Generator und Antriebsmotor aufdie Nennleistung des Verbrennungsmotors ausgelegt werden mssen. Der erreichbareGesamtwirkungsgrad wird durch die zweifache Umwandlung der Leistung geschmlert.

    Der parallele Hybrid

    Um diese Nachteile zu umgehen, wird beim Parallelhybrid die vom Verbrennungsmotorerbrachte Leistung zum grten Teil ber ein mechanisches Getriebe an die Antriebswelleweitergeleitet. Ein vergleichsweise klein dimensionierter elektrischer Antrieb erlaubt inVerbindung mit einem stufenlos verstellbaren Getriebe die verbrauchsoptimale Betriebs-fhrung des Verbrennungsmotors. Zustzliche Leistungsanforderungen knnen durch denkurzzeitig berlastbaren elektrischen Antrieb in Kombination mit einem Energiespeicherabgedeckt werden. Bei niedrigen Leistungsanforderungen des Fahrers kann durch denelektrischen Antrieb die Motorlast angehoben werden. Dies fhrt zu einem geringerenspezischen Kraftstoverbrauch und erlaubt das eziente Laden des Speichers. Rekupe-ration und elektrischer Fahrbetrieb sind hnlich wie beim seriellen Hybrid in eingeschrnk-ter Weise mglich. Der Elektromotor kann alternativ zu hydrodynamischen Kupplungenoder Reibkupplungen als Anfahrelement genutzt werden. Das Summendrehmoment bei-der Antriebsmaschinen stellt das Getriebeeingangsmoment dar. Es knnen auer CVTautomatisierte Handschaltgetriebe oder Stufenautomaten zum Einsatz kommen.

  • 2.2 Antriebsstrangtopologien 15

    seriellerHybrid

    parallelerHybrid

    leistungsverzweigterHybrid

    EE

    E

    EE

    V

    V

    V

    E

    B

    konventionellerAntrieb

    V G

    G

    G

    G Getriebe

    B

    B

    V E

    BVerbrennungsmotor Elektromotor

    Batterie

    Bild 2.4: Antriebsstrangtopologien

    Der elektrisch leistungsverzweigte Hybrid

    Eine Leistungsbertragung mit stufenloser bersetzungsverstellung lsst sich ebenfallsdurch einen Planetensatz und zwei Antriebsmaschinen mit variablen Drehzahlen darstel-len. Da es sich bei einem einfachen Planetensatz um ein Dreiwellengetriebe handelt,bestimmt sich die Drehzahl der Abtriebswelle aus den geometrischen bersetzungsver-hltnissen und den Drehzahlen der beiden Eingangswellen. Es erfolgt im Gegensatzzum Parallelhybrid keine Drehmomentsummation sondern eine Leistungssummation imGetriebe. Um die Drehzahl des Verbrennungsmotors stufenlos stellen zu knnen, muder elektrische Antrieb daher mit einer bestimmten Drehzahl in das Getriebe treiben.Das zu erbringende Drehmoment ergibt sich aus bersetzung und Abtriebsmoment. Diebentigte elektrische Leistung wird zeitgleich von einem Generator erzeugt. Dies fhrtdazu, da ein Teil des Leistungsusses elektrisch bertragen wird. Der elektrisch lei-stungsverzweigte Hybrid stellt somit eine Mischform aus seriellem und parallelem Hybriddar.

  • 16 2 Innovative Antriebstechnik - Motivation und Anstze

    2.3 Bauformen von stufenlos verstellbaren Getrieben

    Getriebe mit kontinuierlich whrend des Betriebs vernderbarer bersetzung ohne Lei-stungsverzweigung knnen grundstzlich in zwei Gruppen eingeteilt werden:

    Getriebe ohne mechanische Kopplung der an- und abtriebsseitigen Drehmassen.Zu dieser Gruppe zhlen die seriellen Hybride mit elektrischer Leistungsbertra-gung oder Systeme mit hydrostatischer Leistungsbertragung. Bei diesen Antrie-ben ist die Motordrehzahl von der Fahrgeschwindigkeit entkoppelt. Darberhinaussind die zur nderung der Motordrehzahl notwendigen Drehmomente durch denzwischengeschalteten Energiespeicher von der Antriebswelle entkoppelbar. Dasich aus diesem Grund die im weiteren betrachtete Problematik bei diesen Getrie-bebauformen nicht stellt, wird diese Gruppe der stufenlos verstellbaren Getriebenicht weiter behandelt.

    Getriebe mit mechanischer Kopplung der an- und abtriebsseitigen Drehmassen.

    Von den Getrieben der zweiten Gruppe, bei denen die Leistungsbertragung rein me-chanisch durch reibschlssige Verbindungselemente erfolgt, sind zwei Hauptbauformenbekannt:

    Bild 2.5: Halbtoroidgetriebe

    ToroidgetriebeStufenlose Toroidgetriebe bertragen die Leistung durch Reibkrfte im Wlzkon-takt von einer torusfrmigen Eingangsscheibe ber ein Zwischenrad auf ein to-rusfrmiges Abtriebsrad. Durch Schwenken des Zwischenrades ndern sich dieWlzradien auf den Torusscheiben und damit die bersetzung. Die zur ber-tragung der Reibkraft erforderliche Normalkraft wird durch axiales Anpressen derTorusscheiben erzeugt. Durch die Parallelschaltung mehrerer Elemente knnen ineinem Fahrzeuggetriebe Drehmomente bis ber 400 Nm bertragen werden. Eswerden die zwei Bauformen Halbtoroid und Volltoroid unterschieden.

  • 2.3 Bauformen von stufenlos verstellbaren Getrieben 17

    KegelscheibengetriebeDie mechanische Leistung wird zwischen zwei Kegelscheibenpaaren durch eingeschlossenes bandfrmiges Umschlingungselement bertragen. Durch die ge-gensinnige Variation der axialen Kegelscheibenabstnde knnen die Laufradiendes Umschlingungselements verndert werden. Die zum Aufbau der notwendigenReibkraft notwendige Normalkraft wird durch axiale Anpressung der Kegelschei-ben erzeugt. Unterschieden werden je nach Umschlingungselement Keilriemen-getriebe, Schubgliederbandgetriebe und Zugkettengetriebe.

    Bild 2.6: Kegelscheibengetriebe

    Diese Form der der Umschlingungsgetriebe stellt eine Weiterentwicklung des als Trans-mission bekannten Flachtriebs dar. Da beim keilfrmigen Trieb gegenber dem Flachtriebder Zugkraftaufbau und -abbau durch Beanspruchung des Umschlingungsmittels quer zurLaufrichtung und damit auch quer zur Zugbeanspruchung erfolgt, werden deutlich hhe-re Leistungsdichten erreicht. Im Vergleich zum Flachtrieb mssen jedoch Einbuen imWirkungsgrad hingenommen werden.Die Mglichkeit der stufenlosen Einstellung der bersetzung wird besonders bei An-trieben fr Werkzeugmaschinen und Fahrantrieben genutzt. Fr den Fahrzeugeinsatzhaben sich, nachdem sich der Keilriemenantrieb der Firma DAF nicht durchgesetzt hat,die beiden Bauformmen Zugkettengetriebe und Schubgliederbandgetriebe etabliert. DieUnterschiede sollen kurz dargestellt werden.

    Zugkettengetriebe

    Das mechanische System aus Wellen mit Kegelscheibenstzen und Umschlingungsmit-tel wird allgemein als Variator bezeichnet. Whrend sich die die beiden Getriebetypenhinsichtlich der Form der Scheibenstze nicht grundstzlich unterscheiden, kommen un-terschiedliche Umschlingungsmittel und hydraulische Anpresssysteme zum Einsatz.

    Die Zugkette besteht aus einem Verbund aus Laschen die durch Wiegedruck-Bolzenpaareverbunden sind. Im Gegensatz zu konventionellen Kettengetrieben erfolgt die Kraft-bertragung nicht formschlssig durch Eingri einer Verzahnung sondern kraftschlssigdurch Reibung zwischen den Stirnchen der Bolzen und den Keilscheiben. Die Reibung

  • 18 2 Innovative Antriebstechnik - Motivation und Anstze

    Bild 2.7: Zugkette mit und ohne Klammerlaschen

    erfolgt in einem geschmierten Kontakt. Dies setzt zwar den Reibwert herab und erfordertdeshalb hhere Anpresskrfte, die zulssigen Flchenpressungen sind jedoch im Vergleichzum umgeschmierten Kontakt wesentlich hher, so da insgesamt eine deutlich hhereLeistung bertragen werden kann [5]. Bolzen und Keilscheiben sind ballig ausgefhrtund dadurch unempndlich gegen Spurversatz. Die Bolzen stellen Gelenke zwischen deneinzelnen Gliedern dar, um welche die innen verrundeten Kettenglieder abrollen.

    Bild 2.8: Variator P.I.V. RHVF 147

    Das zur Anpressung und bersetzungsverstellung verwendete hydraulische System be-steht bei Zugkettengetrieben der Bauart P.I.V. aus zwei jeweils an der Antriebs- und ander Abtriebswelle angeordneten Drehmomentfhlern, die von einem konstanten Volumen-strom durchossen werden. Die drehmomentproportionale Drosselwirkung des Fhlersmit dem hheren Drehmoment bestimmt den hydraulischen Systemdruck. Dieser wirdber ein Steuerventil, den Vierkantensteuerschieber an die beiden Anpresszylinder derScheibenstze gefhrt. Durch Auslenkung des Vierkantensteuerschiebers aus der Mittel-lage kann der Druck in jeweils einem der Anpresszylinder angehoben werden, wodurchsich an diesem Scheibensatz der Keilspalt verringert und die Kette somit auf einen gr-eren Laufradius gezwungen wird. Am gegenberliegenden Scheibensatz verringert sichdadurch der Laufradius den geometrischen Verhltnissen entsprechend.

  • 2.4 Mehrbereichsgetriebe 19

    Schubgliederbandgetriebe

    Das Schubgliederband besteht aus zwei geschlossenen mehrlagigen Stahlbndern, welchesich durch eine hohe Zugsteigkeit und eine geringe Biegesteigkeit ohne innere Reibungauszeichnen. Auf beide Bnder sind etwa 450 Segmente aufgereiht. Diese Glieder sindderart angefast, so da ein Verkippen gegeneinander mglich ist. Die Kraftbertragungerfolgt berwiegend [82] durch Schubkrfte in der Gliederreihe.

    Bild 2.9: Schubgliederband mit Variator

    Im Gegensatz zu den Zugkettengetrieben werden Schubgliederbandgetriebe mit einemalternativen Hydraulikkonzept ohne Drehmomentfhler ausgefhrt. Die hydraulischeDruckerzeugungseinheit liefert hier einen konstanten Druck, der mittels zwei Druckre-gelventilen auf die notwendigen Anpressdrcke reduziert wird. Die elektronische Regel-einheit muss deshalb stets ber das aktuell bertragene Drehmoment als Eingangsgreverfgen. Dies kann durch Auswertung eines Drehmomentsignals der Motorsteuerungerfolgen. Im Fall von abtriebsseitig eingetragenen Momententransienten kann dieser For-derung jedoch nicht immer Rechnung getragen werden, so da stets ein bestimmtes Maan beranpressung als Sicherheitsreserve vorgesehen wird.

    2.4 Mehrbereichsgetriebe

    Stufenlose Mehrbereichsgetriebe bieten durch Strukturumschaltungen zwischen stufen-losen Verstellbereichen die Mglichkeit der Spreizungserweiterung des Gesamtgetriebes.Strukturumschaltung kann hierbei bedeuten, da eine Richtungsumkehr des Leistungs-usses durch den Variator erfolgt oder der Variator durch mechanische Leistungsver-zweigung lediglich mit einem Teil der zu bertragenden Leistung beaufschlagt wird. AlsBeispiel soll am dieser Stelle kurz das leistungsverzweigte Zweibereichs-CVT vorgestelltwerden. In Kapitel 2.6 wird detaillierter auf das i2-Getriebe eingegangen.

  • 20 2 Innovative Antriebstechnik - Motivation und Anstze

    Leistungsverzweigtes Zweibereichs-CVT

    In [52] wird ein weiteres Konzept fr ein Mehrbereichsgetriebe vorgestellt. Durch dieKombination aus Variator, einem als Planetensatz ausgefhrten Summiergetriebe unddrei Schaltelementen knnen zwei Verstellbereiche dargestellt werden. Die gewhlteAuslegung fhrt im Bereich hoher bersetzungen (Underdrive) zu einem unverzweigtenLeistungsuss ber den Variator. Im Overdrivebereich wird die Leistung dagegen bereine Stirnradstufe und den Variator verzweigt. Da sich im leistungsverzweigten Betriebder Leistungsuss im Variator umkehrt, kann dessen Stellbereich nochmals durchlaufenwerden. Die sich dadurch ergebende Spreizungserweiterung wir nun dazu genutzt, dieSpreizung des Variators zu reduzieren. Diese Manahme erlaubt eine Vergrerung derminimalen Laufradien, welche die grte Beanspruchung fr die Kette darstellen, da nureine kleine Zahl von Wiegedruckbolzen zum Kraftaufbau im Umschlingungsbogen beitra-gen kann. Unter Beibehaltung der Lebensdauer der Variatorkomponenten kann nun dasmaximal zulssige Motormoment um etwa 25% gesteigert werden. Im Overdrivebereichnimmt mit sinkender Gesamtbersetzung das ber den Variator bertragene Momentstetig ab. Diese Entlastung des Variators fhrt neben einer verlngerten Lebensdauerder Komponenten auch zu einer Wirkungsgradverbesserung des Gesamtgetriebes, da einGroteil der Leistung unter sehr geringen Verlusten ber eine Stirnradstufe bertragenwird. Da mit abnehmenden Moment am Variator der Anpressbedarf sinkt, reduziert sichdie von der Hydraulikpumpe aufgenommene Leistung. Dieses vorteilige Systemverhal-ten hat einen nennenswerten Einu auf den Systemwirkungsgrad, da das Getriebe inNormzyklen [42] ber weite Strecken im Overdrivebereich betrieben wird.

    Elektromechanisches Hybridgetriebe

    Alternativ zu den bisher diskutierten Antriebsstrangtopologien und Getriebebauformenwerden in [4], [112], [113] Varianten eines elektromechanischen Schaltgetriebes vorge-schlagen. Ausgangspunkt der Neuentwicklung sind herkmmliche Automatgetriebe mitRavigneaux-Planetenstzen. Die blicherweise als Strmungsgetriebe ausgefhrte Wand-lerkupplung stellt einerseits ein fr den Fahrzeugbetrieb ideales Anfahrelement dar, an-dererseits fhrt der niedrige Zykluswirkungsgrad des Wandlers zu Verbrauchsnachteilenund Abstrichen in der Fahrleistung. Durch geschickte Integration von ein oder zwei elek-trischen Maschinen anstelle des Wandlers in einen Stufenautomaten lsst sich dagegenein hybrider Antrieb mit weitgehend stufenloser bersetzungsverstellung realisieren. DerLeistungsu erfolgt zum grten Teil rein mechanisch ber Planetenradstze. DurchDrehzahlregelung einer beim konventionellen Getriebe als Reaktionsglied fest mit demGehuse verbundenen Welle des eingangsseitigen Planetensatzes kann eine stufenlosebersetzungsstellung zwischen den Fahrbereichen des Automaten dargestellt werden.Zustzliche Merkmale des Konzeptes sind die Mglichkeiten, elektrisch anzufahren undrekuperativ zu bremsen sowie der Einsatz des Elektromotors als Kurbelwellenstarterge-nerator.

  • 2.5 Anforderungen an verstellbare Umschlingungsgetriebe 21

    2.5 Anforderungen an stufenlos verstellbareUmschlingungsgetriebe

    Der Einsatz eines Getriebes im Kraftfahrzeug bedingt ein Reihe von Eigenschaften ausden Bereichen Auslegung und Betriebsfhrung.

    Kapazitt

    Die Auslegungskapazitt hinsichtlich des Drehmomentes ergibt sich aus der zur Anwen-dung kommenden Motorisierung. Derzeit sind Zugkettengetriebe mit einem Nennmo-ment von 400 Nm auf dem Markt. Diese Momentenkapazitten decken Ottomotorenbis etwa 3 Liter Hubraum und rund 200 kW ab. Heute standardmig aufgeladene Die-selmotoren reichen bereits mit 2 Liter Hubraum an dieses Drehmomentniveau heran undwerden es knftig deutlich berschreiten. Da das Marktsegment der aufgeladenen Die-selmotoren in den vergangenen Jahren stark gewachsen ist und bei einzelnen Herstellernbereits ber 50% betrgt, sind Entwicklungsanstrengungen zur Steigerung der Kapazittnotwendig, um das Einsatzfeld der stufenlos verstellbaren Getriebe zuknftig nicht aufTeilmrkte zu beschrnken.Bestimmende Gren fr die Momentenkapazitt sind die Flchenpressung im Reibkon-takt zwischen Scheibe und Bolzen sowie die Zugfestigkeit der Kettenlaschen. Ersterehngt von dem gewhlten Achsabstand und der realisierten Spreizung ab. Je kleiner derAchsabstand und je grere Werte die Spreizung annimmt, desto weniger Wiegedruck-bolzen, auf die sich die Anpresskraft aufteilen kann, sind bei Anfahrbersetzung an derAntriebsscheibe im Eingri.Kapazittssteigerungen lassen sich demnach lediglich auf Kosten des Bauraumes durchVergrerung des Achsabstandes oder durch Reduzierung der Spreizung bei konstantemAchsabstand erreichen.

    Spreizung

    Da eine mglichst groe Spreizung jedoch Voraussetzung fr hohe Anfahrmomente undgleichzeitig ein konomisch sinnvolles niedriges Drehzahlniveau bei mittleren und hohenFahrgeschwindigkeiten ist, entsteht ein Zielkonikt mit der Forderung nach Erzielungeiner hheren Momentenkapazitt durch Einschrnkung des Spreizungsbereiches. Be-sonders in Kombination mit drehmomentstarken Motoren dient ein weiter Spreizungsbe-reich der Verbrauchsreduktion, da auch bei hohen Fahrgeschwindigkeiten vergleichsweiseniedrige Motordrehzahlen eingestellt werden knnen. Fr den Einsatz im Kraftfahrzeugausgefhrte Umschlingungsgetriebe weisen Spreizungen zwischen 4,5 und 6 auf.

  • 22 2 Innovative Antriebstechnik - Motivation und Anstze

    Wirkungsgrad

    Der Wirkungsgrad des Getriebes bestimmt neben dem Kraftstoverbrauch des Fahrzeu-ges die abzufhrende Verlustleistung und damit die Lebensdauer der hochbeanspruchtenKomponenten. Fr die Erzielung eines optimalen Getriebewirkungsgrades steht hinsicht-lich des Variators die korrekte Einstellung der Anpresskrfte im Vordergrund. Unteran-pressung fhrt zu schdigendem Makroschlupf zwischen Kette und Keilscheiben. ber-anpressung dagegen verschlechtert den Wirkungsgrad. Die wesentlichen physikalischenVerlustquellen sind nach [36] der Schlupf zwischen Keilscheiben und Wiegedruckstckenin Umfangsrichtung sowie in axialer und radialer Richtung, die Wlzverluste in den Ge-lenken der Wiegedruckstcke und die Materialdmpfung in allen Bauteilen. In [117] wirdZugkettengetrieben gegenber Schubgliederbandgetrieben ein je nach Betriebspunkt umbis zu 5% hherer Wirkungsgrad des Variators bescheinigt. Bestimmend fr den denGesamtwirkungsgrad des Getriebes ist darberhinaus die Leistungsaufnahme der Hydrau-likpumpe. Diese bestimmt sich aus dem betriebspunktabhngigen hydraulischen GrenDruckniveau und Volumenstrom sowie dem Wirkungsgrad der Pumpe [43].

    Anpressdruckregelung

    Um Verschlei und Wirkungsgrad beiderseits zu optimieren, ist eine korrekte dem ber-tragenen Drehmoment entsprechende Anpressung der Scheibenstze von groer Bedeu-tung. Zu geringe Anpresskrfte fhren zunchst zu erhhtem Schlupf zwischen Um-schlingungmittel und Scheibenstzen und der damit verbundenen Wrmeentwicklung.Im Fall grerer Schlupfwerte kommt es zur Beschdigung der Scheibenanken und derBolzenstirnchen. Zu hohe Anpresskrfte bedeuten hhere mechanische Verluste, dadas fester eingespannte Umschlingungsmittel am Ende des Umschlingungsbogens miteinen greren Kraftaufwand aus der eingeklemmten Position gezogen werden mu. Mitder Anpresskraft steigt zudem wegen der unvermeidlichen Leckagen der hydraulischeEnergiebedarf.Besonders im Fall von abtriebsseitig eingeleiteten Drehmomentspitzen erweist sich diebeim Schubgliederband verwendete elektronische Anpressdruckregelung als nicht ausrei-chend schnell. Werden zum Beispiel schlupfende Antriebsrder nach einer nderungdes Bodenreibwertes abrupt abgebremst, kommt es zeitgleich zu einer Verzgerung derprimrseitigem Motormassen. Die damit verbundene berhhung im Drehmoment kanndurch eine elektronische Anpressdruckregelung nicht ausreichend schnell sensiert werden,um den Anpressdruck entsprechend nachzuregeln. Es kann somit nicht sichergestellt wer-den, da es zu keiner Beschdigung des Variators kommt. Das Getriebe wird deshalbstets mit einer bestimmten beranpressung als Sicherheitsreserve betrieben. Eine alter-native Lsung besteht darin, abtriebsseitig eine auf kleine Dierenzdrehzahlen geregelteReibkupplung als sogenannte torque-fuse[57] einzusetzen.Im Fall des Zugkettengetriebes mit hydro-mechanischem Drehmomentfhlern kann dieberanpressung deutlich niedriger ausfallen, da der momentenabhngige Druckaufbauquasi verzgerungsfrei erfolgt und durch die Konstruktion der Drehmomentfhler einezustzliche Pumpwirkung gegeben ist.

  • 2.5 Anforderungen an verstellbare Umschlingungsgetriebe 23

    Schnellverstellung

    Die Anforderungen hinsichtlich der maximalen Verstellgeschwindigkeit des Variators er-geben sich aus zwei typischen Situationen des Kraftfahrzeugbetriebs. Im Zuge einesBeschleunigungsvorganges aus dem Stillstand mit hohem Motormoment wird die Mo-tordrehzahl bei maximaler Getriebebersetzung bis auf die von der Betriebsstrategievorgegebene Zieldrehzahl erhht. Nachdem diese erreicht ist, ist das Getriebe in demMae zu verstellen, da die Motordrehzahl konstant gehalten wird. In Abhngigkeit vonder Fahrsituation ergeben sich anfnglich hohe Gradienten der Abtriebsdrehzahl. Dersich ergebende bersetzungsgradient mu durch das Getriebe darstellbar sein.Wird das Fahrzeug aus beliebigen Fahrgeschwindigkeiten mit maximaler Bremskraft bisin den Stillstand verzgert, hat das Getriebe innerhalb dieser Zeitspanne die Anfahr-bersetzung einzustellen. Dies ist notwendig, um das Fahrzeug unmittelbar nach einerGefahrenbremsung mit der maximalen Beschleunigung anfahren zu knnen. Wird an-genommen, da ab einer Fahrgeschwindigkeit von 80 km/h die minimale bersetzung(Overdrive) erreicht wird, ist der gesamte bersetzungsbereich bei einer Bremsverz-gerung von -9,5 m/s2 innerhalb von 2,2 Sekunden zu durchfahren. Da die maximaleVerstellgeschwindigkeit jedoch eine Funktion der Wellendrehzahlen ist, steht die Pha-se geringer Fahrgeschwindigkeiten vor dem Stillstand fr die Verstellung eektiv nichtzur Verfgung, so da sich eine zu fordernde Verstellzeit von unter 2 Sekunden fr dengesamten Verstellbereich ergibt.

    Akustik

    Durch das regelmige Auftreen der Kettenbolzen auf die Scheibenanken fhrt zueiner Schwingungsanregung und der damit verbundenen Luftschallbertragung mit ge-ringer spektraler Verteilung. Durch eine besonders gewhlte unregelmige Teilung derKette kann das Frequenzpektrum des abgestrahlten Schalls derart aufgefchert werden,da der Eekt fr den Fahrer akustisch nicht mehr wahrnehmbar ist.Die Drehzahlfhrung des Motors sowohl im Stationrbetrieb als auch whrend instatio-nrer Fahrzustnde wirft aus akustischer Hinsicht besondere Probleme auf, da der Fahrerein bestimmte Korrelation aus Drehzahl- und Geschwindigkeitsverlauf erwartet. Dieserwichtige Punkt wird spter nochmals aufgegrien.

    Entwicklungstendenzen

    In den smtlichen angesprochenen Bereichen sind Anstrengungen zur Weiterentwicklungzu beobachten. In [36] wird ein Manahmenbndel zur Steigerung der Momentenkapa-zitt des Variators um etwa 30% vorgestellt. Durch Optimierung der Laschengeometrieknnen homogenere Kraftverlufe im Material erzielt werden. Durch die herabgesetz-te maximale Materialbeanspruchung lassen sich bei gleicher Standzeit der Kette hhereNennmomente bertragen. Die Auenlaschen der Kette sind am hchsten belastet.Durch eine Ungleichverteilung der Laschen ber dem Wiegedruckstck knnen diese auf

  • 24 2 Innovative Antriebstechnik - Motivation und Anstze

    Kosten der Beanspruchung des Wiegedruckstckes zustzlich entlastet werden. Entspre-chende Strickmustersind in Entwicklung.Der bergang vom wrmebehandelten Werksto Stahl 100Cr6 auf den ingenieurkerami-schen Werksto Aluminiumoxid Al2O3 fr die Kegelscheibenoberchen verspricht mansich eine Steigerung des Reibkoezienten mit einer einhergehenden Absenkung des An-pressbedarfs [5]. Durch die geringere Neigung des Materials zu adhsivem Verschleikann die Sicherheitsreserve und damit die beranpressung verringert werden. BeideManahmen fhren zu einer Steigerung des Wirkungsgrades.Die beranpressung kann zudem durch eine elektronische Schlupfsensierung reduziertwerden [21]. Der Anpressdruck wird zu diesem Zweck mit einer bestimmten Frequenzund Amplitude moduliert. Durch ein geeignetes Auswerteverfahren kann aus der Dreh-zahldierenz der Schlupf im Variator bestimmt werden. Der Anpressdruck kann auf Basisdieser Messung derart eingeregelt werden, da sich ein optimales Ma fr den Schlupfergibt.Auf der Seite des hydraulischen Systems kann die Leistungsaufnahme der Pumpe durchReduktion des Druckniveaus und durch Absenkung der notwendigen Frdervolumina op-timiert werden [21]. Das von LuK realisierte Doppelkolbenprinzip dient der signikantenReduktion des Volumenstromes bei Verstellvorgngen und erlaubt somit eine Auslegungder Pumpe auf geringere Volumenstrme als in den konventionellen Systemen mglich.Durch die Minimierung der Leckage des Systems kann darber hinaus bei hohen System-drcken das Frdervolumen abgesenkt werden.

    2.6 Der Autarke Hybrid

    Beim Autarken Hybrid der TU Mnchen handelt es sich um einen parallelen Hybrid nachAbbildung 2.4. Als Versuchstrger wurde ein Opel Astra Caravan 1.7TD verwendet.Kernelement dieses Antriebs ist ein sehr weit gespreiztes stufenlos verstellbares Mehr-bereichsgetriebe [31]. Bild 2.10 zeigt den schematischen Aufbau des Antriebstrangs inFront-Quer-Anordnung.Der aufgeladenene Wirbelkammer-Dieselmotor mit mechanischer Verteiler-Einspritzpumpeund einer Leistung von 60kW ist ber eine Trennkupplung mit der Getriebeeingangswelle(A) verbunden. Eine elektrische Maschine mit 10kW Nennleistung (Welle F) speist bereine Zahnradstufe (iE=2,94) parallel auf die Welle A.

    Sowohl auf der Eingangswelle (A) als auch auf der Abtriebswelle (D) sind jeweils ei-ne Klauenkupplung und eine Lamellenkupplung angeordnet, deren Schaltzustnde denLeistungsuss ber den Variator (Wandlerwellen B und C) determinieren.

  • 2.6 Der Autarke Hybrid 25

    Bild 2.10: Darstellung der Getriebestruktur des Autarken Hybrids

    2.6.1 Das i2-Getriebe

    Durch zweimaliges Durchlaufen des Stellbereiches des Variators mit Umkehr der Rich-tung des Leistungsusses wird eine Gesamtspreizung des Getriebes SGes erzielt, die demQuadrat der einfachen Variatorspreizung S entspricht.

    S1 =imax1imin1

    ; S2 =imax2imin2

    mit imin2 = imax1 und S1 = S2 = S (2.3)

    SGes =imax2imin1

    = S2 (2.4)

    Diesem Konzept liegen zwei Gedanken zugrunde. Zum einen lsst sich die einfache Sprei-zung des Variators reduzieren und damit eine hhere Drehmomentkapazitt erreichen.Zum anderen lsst sich durch die resultierende umfangreiche Spreizung des Gesamt-getriebes eine sehr hohe Anfahrbersetzung in Kombination mit einer vergleichsweiselangen Endbersetzung (Overdrive) realisieren.

    Die hohe Anfahrbersetzung ermglicht in Kombination mit einem hybriden Antriebs-strang das Anfahren des Fahrzeugs mit Radmomenten nahe der Kraftschlugrenze miteinem relativ kleinen Elektromotor. Der groe Overdrivebereich erlaubt die freie Einstel-lung der Motordrehzahl ber weite Geschwindigkeitsbereiche.

  • 26 2 Innovative Antriebstechnik - Motivation und Anstze

    2

    12

    1

    12

    1 2

    1 2

    12

    2

    12

    1 2

    2b)

    1a)

    1

    c)

    d) e)

    L

    L L

    KK

    L L

    KK K K

    LL

    KK

    L

    K K

    LL

    V1 Anfahrbersetzung V1 Synchronbersetzung

    V2 Synchronbersetzung

    An

    V2 Endbersetzung

    triebAbtrieb

    Abtrieb

    Abtrieb

    Abtrieb

    Abtrieb

    Antrieb

    Antrieb

    Antrieb

    Antrieb

    PunktSynchroner

    Bild 2.11: Funktionsprinzip i2-Getriebe

    Abbildung 2.11 illustriert das Funktionsprinzip des i2-Getriebes. Durch die Kombinationdes Variators mit 2 Lamellenkupplungen und 2 Klauenkupplungen sowie ankierendenStirnradstufen lassen sich die Verstellbereiche V1 und V2 sowie der synchrone Punkt rea-lisieren. Die maximale bersetzung wird durch Leistungsuss ber die LamellenkupplungL1, den Variator in maximaler bersetzung und die Klauenkupplung K1 erreicht. Ausge-hend von dieser Konguation kann der Variator bis zur minimalen bersetzung verstelltwerden. Diese entspricht dem synchronen Punkt. Dieser kennzeichnet sich dadurch,da die drei mglichen Leistungszweige eine identische bersetzung aufweisen. Die bis-lang geneten Kupplungen weisen verschwindende Dierenzdrehzahlen auf. Entsprichtdie Variatorbersetzung exakt dem synchronen Punkt, knnen diese folglich geschlos-sen werden, ohne da es zu Verspannmomenten im Getriebe kommt. Es wird nun ineinem ersten Schritt die Klauenkupplung K2 hydraulisch bettigt angelegt. Durch eineSperrsynchronisation wird gewhrleistet, da die Kupplung nicht einrckt, solange derSynchronlauf nicht erreicht ist. Wird in der Folge das Einrcken der Kupplung sensiert,erfolgt das nen von Lamellenkupplung 1. Die Leistung iet nun ber die Klauen-kupplungen. Der Variator luft momentenfrei mit.Dieser Betriebszustand des Getriebes wird gleichwohl als synchroner Punkt bezeichnet

  • 2.6 Der Autarke Hybrid 27

    und kann analog auch durch einen Leistungsuss ber die Lamellenkupplungen L1 undL2 dargestellt werden. Um nun das Getriebe zu kleineren bersetzungen verstellen zuknnen, mu zunchst in den Verstellbereich V2 umgeschaltet werden. Dies erfolgtdurch stetige Druckerhhung an der Lamellenkupplung L2. Ist ein dem zum Schalt-zeitpunkt anliegenden Antriebsmoment entsprechendes Druckniveau erreicht, wird dieKlauenkupplung K1 genet und der Umschaltvorgang ist abgeschlossen.

    Das i2-Getriebe des Autarken Hybrid basiert auf dem in Abbildung 2.8 gezeigten P.I.V- Variator, dessen verfgbare Spreizung von 5 nicht vollstndig genutzt wird, da dersynchrone Punkt ber einen Regelbereich verfgt und somit nicht mit einer Extremal-bersetzung zusammenfllt. Die nutzbare Wandlerspreizung liegt bei 4,73. Fr dieGesamtspreizung ergibt sich

    SGes = 4; 72 = 22:3 (2.5)

    Die Anfahrbersetzung des Getriebes betrgt 32, die Overdrivebersetzung liegt bei 1,44.Es existieren verschiedene Bereichswechselstrategien [45, 22] die zum Ziel haben, denUmschaltvorgang mglichst schnell, komfortabel und komponentenschonend durchzufh-ren. Fr einen reibungslosen Schaltvorgang ist eine hochgenaue bersetzungsregelungvon groer Bedeutung. Auf diesen Zusammenhang wird spter detailliert eingegangen.

  • 28 2 Innovative Antriebstechnik - Motivation und Anstze

  • 29

    3 Anforderungen anRegelung und Steuerung

    3.1 Einleitung und berblick

    Der konventionelle Antriebsstrang von Automobilen ist durch zwei Ausprgungen derAutomatisierung gekennzeichnet.Zum einen existiert mit dem manuell schaltbaren Getriebe eine kostengnstige und ein-fache Lsung der Anpassung des Drehzahlbandes und des korrespondierenden Leistungs-vermgens des Verbrennungsmotors an die jeweilige Fahrsituation. Um die im Zugeeines Gangwechsels erforderliche Synchronisierung der getriebeeingangsseitigen trgenDrehmassen auf die sich durch die Zielbersetzung ergebende Drehzahl durch die Syn-chronisierungseinrichtung des Getriebes zu ermglichen, mssen die trgen Massen desMotors fr die Dauer des Schaltvorganges mit Hilfe der Anfahrkupplung vom Getrie-be abgetrennt werden. Dies bedeutet, dass eine Zugkraftunterbrechung whrend desSchaltvorganges eintritt und eine abgestimmte Bettigung der Anfahrkupplung und desFahrpedales durch den Fahrer zur annhernden Synchronisierung der Drehzahlen an derKupplung erforderlich ist. Eine Entlastung des Fahrers whrend des Gangwechsels trittnicht ein und es kann somit nicht von einer Automatisierung des Antriebsstranges ge-sprochen werden. Hug positiv gewertet wird der Umstand, dass der Zeitpunkt desGangwechsels durch den Fahrer frei bestimmt werden kann und somit eine nicht nuran die aktuelle Fahrsituation sondern auch vorausschauend an den weiteren Fahrtverlaufideal angepasste Gangwahl mglich ist.

    Auf der anderen Seite bieten Stufenautomatgetriebe in Zusammenhang mit den regel-mig verwendeten hydrodynamischen Wandlern als Anfahrelement einen vergleichswei-se hohen Grad der Antriebsautomatisierung. Der Fahrer wird sowohl beim Anfahren alsauch im Zuge der Gangwechsel von der Bettigung der Kupplung und der korrespon-dierenden Bettigung des Fahrpedales entbunden. Eine Bettigung des Schalthebelsist ebenfalls nicht notwendig. Die Steuerung des Automatgetriebes bestimmt aus denEingangsgren Motordrehzahl und Motorlast mittels Schaltkennlinien [18] oder einemsoftwarebasierten adaptiven Schaltprogramm [109] den Zielgang und den Gangwechsel-zeitpunkt. Der Gangwechsel wird durch die Getriebesteuerung mittels der hydraulischenAktuatorik bestehend aus Druckregelventilen, elektrischen Druckstellerventilen [26] wel-che den Ansteuerdruck der Lamellenkupplungen und Bremsen bestimmen, realisiert. Im

  • 30 3 Anforderungen an Regelung und Steuerung

    Gegensatz zum manuell bettigten Schaltgetriebe ist eine Lastschaltung mglich. DerMotor muss whrend des Schaltvorganges nicht vom Getriebe getrennt werden und dieZugkraft bleibt erhalten. Diese Eigenschaften haben sowohl Einuss auf den Fahrkomfortals auch auf die Fahrdynamik. Um die transienten Vorgnge im Antriebsstrang whrenddes Gangwechsels im Hinblick sowohl auf das Komfortniveau des Schaltvorgangs als auchbezglich der Belastung der Schaltelemente der Getriebes zu optimieren, vervollstndigtder Motoreingri [96] die Getriebesteuerung durch die notwendige Verknpfung mit derMotorsteuerung zu einer einfachen Form der Antriebssteuerung.

    Ein Antriebsstrangmanagement umfasst demnach die koordinierte Steuerung und Rege-lung der Antriebsstrangkomponenten Verbrennungsmotor, Kupplung und Getriebe [53].Die Realisierung der damit verbundenen Funktionalitt durch den Komponenten zuge-ordnete elektronische Steuergerte und entsprechende Software in Verbindung mit einerVerknpfung der Steuerungen durch elektronische Bussysteme hat Neuerungen wie diemanuelle Gangwahl bei Automatgetrieben, automatisierte Schaltgetriebe, Doppelkupp-lungsgetriebe und stufenlos verstellbare Getriebe in den vergangenen Jahren wirtschaft-lich darstellbar und in der Folge marktfhig gemacht.

    Durch die vorhandene elektronische Steuerung und Regelung der Antriebsstrangkom-ponenten knnen Fahrassistenzsysteme, wie zum Beispiel Antischlupfregelungen oderelektronische Stabilittsprogramme verhltnismig leicht implementiert werden. Die-se Systeme sollen die Beherrschbarkeit des Fahrzeuges in Fahrsituationen verbessern,welche durch eine hohe Ausnutzung der am Rad-Strae-Kontakt bertragbaren Krftegekennzeichnet sind.

    Der Antriebsstrang hybrider Fahrzeugantriebe umfasst neben den genannten Kompo-nenten eine oder zwei elektrische Maschinen mit entsprechenden leistungselektronischenStellgliedern sowie einen Energiespeicher. Als Energiespeicher kommen zum einen elektri-sche Systeme wie Batterien oder Doppelschichtkondensatoren in Betracht, zum anderenknnen auch mechanische Systeme wie Schwungradspeicher verwendet werden. Die Aus-wahl des Energiespeichers wird regelmig von berlegungen zur Energie- und Leistungs-dichte, der erwarteten Lebensdauer und den Systemkosten bestimmt. Schwungradsy-steme knnen entweder elektrisch oder mechanisch an den Antriebsstrang angebundenwerden. Das Antriebsmanagement erstreckt sich folglich gesamtheitlich auf die Steue-rung und Regelung des gesamten Systems und weist somit einen entsprechend hherenGrad an Komplexitt auf.

  • 3.2 Antriebsmanagement 31

    3.2 Anforderungen an ein Antriebsmanagement

    3.2.1 Basisfunktionalitt

    Als Basisanforderung an ein Steuer-und Regelsystem des Antriebsstranges ist die Ge-whrleistung der elementaren Funktionalitten zu stellen. Dazu gehren:

    das einfache und przise Rangieren des Fahrzeuges

    das sichere Anfahren des Fahrzeuges mit unterschiedlicher Beschleunigung beiverschiedenen Steigungen und Beladungsverhltnissen

    eine der Fahrgeschwindigkeit angepasste Wahl der Getriebebersetzung und damitauch der Motordrehzahl

    der Gangwechsel als transienter bergang zwischen verschiedenen Getriebeber-setzungen

    die sichere Rcknahme der Antriebsleistung entsprechend den Vorgaben des Fah-rers insbesondere bei Bettigung des Bremspedals

    Hybridspezische Funktionalit

    Bei hybriden Fahrantrieben treten Aspekte wie die elementare Koordination der An-triebsaggregate und ein Management des Energiespeichers hinzu. Abhngig von derFahrsituation und den Fahrervorgaben ist der hybride Antriebsstrang bezglich seinerLeistungsquellen zu kongurieren. Der Einsatz von unabhngig z.B. elektrisch angetrie-benen Hilfsaggregaten ist auf die jeweiligen Bedarfe abgestimmt zu koordinieren.

    3.2.2 Fahrkomfort und Fahrbarkeit

    Die Akzeptanz innovativer Systeme zum Antrieb von Kraftfahrzeugen hngt wesentlichvon den vom Fahrer wahrgenommenen lngsdynamischen Eigenschaften des Fahrzeugesab. Beschreibende Begrie hierfr sind Agilitt, Fahrbarkeit, Reaktivitt, Ansprechver-halten und englisch Driveability[92]. Zu den bestimmenden Gren zhlt neben demdarstellbaren Zugkraftgewinn in einer bestimmten Fahrsituation der Verlauf des Zugkraft-aufbaues insbesondere im Zusammenhang mit akustischen und schwingungstechnischenPhnomenen.Der mgliche Zugkraftgewinn ist proportional dem Leistungsberschuss und wird so-mit im Wesentlichen von der installierten Motorleistung bestimmt. Das Anregel- oderLastwechselverhalten eines Antriebsstranges wird dagegen mageblich sowohl von der

  • 32 3 Anforderungen an Regelung und Steuerung

    konstruktiven Auslegung des Antriebsstranges als auch von der Steuerung und Regelungder Antriebsstrangkomponenten determiniert.In der einschlgigen Literatur [9] [37] [92] werden englischsprachige Begrie zur Beschrei-bung der mit dem Oberbegri Noise-Vibration-Harshness (NVH) bezeichneten Phno-mene verwendet.

    Mit Clonk wird der von losebehafteten Antriebsstrangkomponenten durch Erreichen desFormschlusses im Zuge einer Drehmomentennderung mit Nulldurchgang erzeugte Luft-schall bezeichnet. Das durch die Lose und die Elastizitten hervorgerufene berschwin-gen des Drehmoments wird als Ruck wahrgenommen und mit Shunt beschrieben. Diederart angeregte Torsionsschwingung des Antriebsstranges wird auf die Beschleunigungdes Fahrzeuges abgebildet und als mehr oder weniger gedmpftes Ruckeln wahrgenom-men. Dieses Verhalten ist als Shue bekannt.Abbildung 3.1 zeigt exemplarisch den Verlauf der Fahrzeugbeschleunigung als Sprun-gantwort der Fahrpedalposition ohne und mit Regelsystem zur Unterdrckung des uner-wnschten Schwingungsverhaltens.

    Besc

    hleu

    nigu

    ng[m

    /s]2

    Besc

    hleu

    nigu

    ng[m

    /s]2

    Zeit[s]/100 Zeit[s]/100

    Bild 3.1: Darstellung von Shunt und Shue im Zuge eines Anregelvorganges oh-ne und mit aktivem Regelsystem zur Drehschwingungsunterdrckung[37]

    Um an dieser Stelle auf eine aufwendige Messung des Drehmoments oder der Fahr-zeugbeschleunigung verzichten zu knnen, wird kein auf einer Rckfhrung basierendesRegelsystem sondern ein Sollwertlter oder ein Trajektoriengenerator im Sinne des Input-Shaping zur Anwendung kommen.

    Fr die Modellierung und Regelung eines hybriden Antriebsstranges sind die insbesonderedurch Lastwechsel anregbaren Schwingungsmoden des Antriebsstranges von Bedeutung.Die hherfrequenten, durch die Drehungleichfrmigkeit des Verbrennungsmotors hervor-gerufenen Drehschwingungen sind nicht Gegenstand der Betrachtung.

    Die in Kapitel 2.1 dargestellte optimale Betriebslinie bedeutet in weiten Leistungsberei-chen einen Motorbetrieb ohne Drehmoment- bzw. Leistungsberschuss. Die zum Abruf

  • 3.2 Antriebsmanagement 33

    zustzlicher Leistung erforderliche Drehzahlerhhung beeinusst durch die damit ver-bundene Verzgerung das Ansprechverhalten des Fahrzeuges nachhaltig. Es gilt deshalbidealerweise angepasst an die jeweilige Fahrsituation eine Betriebsfhrung des Antriebs-stranges zu nden, welche neben einem mglichst geringem Verbrauch ein akzeptablesFahrverhalten sicherstellt.

    Bei konventionellen Antrieben wird der Fahrerwunsch ber das Fahrpedal entweder direktoder ber ein E-Gassystem an die Drosselklappe oder die Einspritzpumpe als Stellglieddes Verbrennungsmotors weitergegeben. Das bertragungsverhalten des Fahrerwunschesergibt sich somit aus der Motorcharakteristik und gegebenenfalls der Applikation desE-Gas. Da in einem hybriden Antriebsstrang grundstzlich mehrere Momentenquellenvorhanden sind, ist eine Interpretation des Fahrerwunsches zur Sollwertgenerierung desRegelsystems erforderlich.

    3.2.3 Verbrauchsminimierung

    Die wirkungsvolle Reduktion des Kraftstoverbrauchs und damit der Betriebskosten istdie wesentliche Motivation fr die Darstellung innovativer Antriebe fr Kraftfahrzeuge.So ist neben den bereits genannten Zielen eine Minimierung des Verbrauchs anzustre-ben. Fr die Bezierung der erreichbaren Einsparungen wird ein einheitlicher Massstabbentigt. Fr PKW sind dies regelmig Normzyklen [42] wie der NEFZ oder der FTP72-Zyklus. Nachdem die Fahrzeuge in der Realitt mit abweichenden und durchaus weitstreuenden Einsatzprolen betrieben werden, kann sich eine einseitige Verbrauchsopti-mierung des Antriebssystems im Hinblick auf die genormten Fahrzyklen fr den Alltags-betrieb nachteilig auswirken.

    3.2.4 Minimierung der Fahrzeugemissionen

    Der Gesetzgeber schreibt mit der jeweils fr neue Fahrzeuge gltigen Abgasemissions-stufe wie zum Beispiel mit der aktuell gltigen Stufe EURO IV Hchstgrenzen fr denAussto an CO, HC und NOx sowie bei Dieselfahrzeugen auch Rupartikel (PM) vor.Bei konventionellen Antrieben werden die Schadstoemissionen in der Regel durch in-nermotorische Manahmen als auch durch Abgasnachbehandlungssysteme wie 3-Wege-Katalysatoren oder Partikellter reduziert. Die innermotorischen Manahmen insbeson-dere zur Reduzierung des NOx-Wertes bedingen in der Regel die Inkaufnahme eineshheren spezischen Verbrauches, da beispielsweise durch den Einsatz einer gekhltenAbgasrckfhrung die Verbrennungsspitzentemperaturen abgesenkt werden und sich da-mit nach Carnot ein geringerer Wirkungsgrad der thermischen Kreisprozesses ergibt. Esentsteht somit ein Zielkonikt mit der Verbrauchsminimierung. Durch nderungen ander Antriebsstrangkonguration und damit auch der Betriebsfhrung des Motors wiezum Beispiel Lastanhebung oder Taktbetrieb ergeben sich weitere Implikationen auf

  • 34 3 Anforderungen an Regelung und Steuerung

    das Emissionsverhalten. Fr einen in [42] betrachteten TDI-Motor ergibt die hybrideBetriebsfhrung einen verhltnismig kleinen Zeitanteil, indem der Motor im Kennfeld-bereich der aktiven Abgasrckfhrung betrieben wird. Es ergeben sich deshalb erhhteNOx-Rohemissionen, welche selbst zur Erfllung der betrachteten Stufe EURO III entwe-der durch ein SCR-System oder durch eine genderte Betriebsfhrung unter Inkaufnahmevon zustzlichem Kraftstoverbrauch zu reduzieren sind.

    3.2.5 Diagnose

    Eine elektronische berwachung der abgasrelevanten Komponenten des Motors bezglichIhrer ordnungsgemen Funktion ist gesetzlich vorgeschrieben. Neben dieser Onboard-Diagnose (OBD) werden regelmig weitere Fehlerzustnde des Motors erfasst und innichtchtigen Fehlerspeichern abgelegt. Diese Fehlercodes knnen werkstattmig aus-gelesen werden und sollen die Diagnose von Strungen oder Schden untersttzen.Fr den in dieser Arbeit betrachteten hybriden Antriebsstrang war ebenfalls ein Dia-gnosesystem zu erstellen. Leitgedanke war, die labormig prototypisch aufgebautenKomponenten vor Schden im Fehlerfall zu schtzen. Eine Untersttzung der Fehlerdia-gnose soll ebenfalls mglich sein.

    3.3 Betriebsstrategie und Tajektoriengenerierung

    3.3.1 Literaturberblick: CVT-Steuerstrategien

    In der Literatur sind verschiedene Steuerstrategien fr Antriebe mit stufenlos verstell-barem Getriebe bekannt geworden. Hierbei wird insbesondere die Gestaltung der Tra-jektorien des Motorbetriebspunktes (TV mot; !V mot) bei transienten Vorgngen diskutiert.Angelehnt an Zusammenfassungen in [55] und [79] werden im Folgenden die wesentlichenGedanken erlutert.

    Speed Envelope

    Bild 3.2 verdeutlicht das Prinzip der Speed Envelope: Die obere Kurve zeigt denVerlauf der Motordrehzahl, falls maximale Fahrzeugbeschleunigung gefordert wird. Hin-gegen wird das bersetzungsverhltnis bei Schiebebetrieb durch die untere Linie dar-gestellt. Im Bereich zwischen diesen zwei Kurven wird die gewnschte Motordrehzahldurch lineare Interpolation der Fahrpedalstellung unter Bercksichtigung der Fahrzeug-geschwindigkeit ermittelt.

  • 3.3 Betriebsstrategie 35

    Bild 3.2: Speed Envelope

    Die Solldrehzahl des Motors verhlt sich somit bei gegebener Fahrgeschwindigkeit in denjeweils gltigen Grenzen etwa linear zur Fahrpedalstellung. Das Motormoment ergibt sichohne weitere Interpretation aus der Fahrpedalstellung durch Umsetzung in ein Drossel-klappenstellung beziehungsweise eine Einspritzmenge. Das Verfahren ist deshalb insbe-sondere fr Fahrzeuge ohne elektronischer Weiterleitung der Fahrpedalstellung (E-Gas,Drive-by-Wire) vorgesehen. Durch diese feste Kopplung ist es nicht mglich, beliebi-ge Arbeitspunkte (Drehmoment/Drehzahl) im Betriebsbereich des Verbrennungsmotorseinzustellen.

    SingleTrack

    Eine weitere in der Literatur zu ndende Steuerstrategie wird als SingleTrackbezeich-net. Diese Strategie unterstellt ein Drive-by-Wire-System in Verbindung mit einer Inter-pretation der Fahrpedalstellung als Leistung. Der Verbrennungsmotor wird grundstzlich,d.h. auch bei transienten Vorgngen auf der Linie minimalen Verbrauchs (OOL) betrie-ben. Basierend auf der OOL werden zwei Funktionale gebildet:

    !V mot = f(Psoll) (3.1)

    TV mot = f(!V mot) (3.2)

    Da der Verbrennungsmotor als Stellglied eine hhere Bandbreite als das Getriebe auf-weist, wird man eine Regelungsstruktur whlen, welche im Sinne des Master-Slave-Prinzips zunchst die Motordrehzahl ber die Getriebeverstellung beeinusst. Die zu-rckgefhrte Motordrehzahl wird im zweiten Schritt zur Sollwertbestimmung des Mo-tordrehmoments herangezogen.

    Ein nennenswerter Nachteil des Konzeptes besteht in der knstlichen Beschneidung derFahrdynamik. Nachdem ausgehend von der OOL durch reine Drehmomentvariation nur

  • 36 3 Anforderungen an Regelung und Steuerung

    geringe Leistungszuwchse erzielbar sind, sind diese im vorliegenden Fall konzeptgemnicht mglich. Jeder Leistungszuwachs setzt eine entsprechende Drehzahlnderung desVerbrennungsmotors voraus. Die Dynamik des Antriebssystems wird somit durch auf dievergleichsweise niedrige Bandbreite des Getriebes beschrnkt.Das transiente Verhalten des Antriebs wird zustzlich dadurch beeintrchtigt, dass jedeDrehzahlnderung des Verbrennungsmotors gegensinnige Drehmomentanteile zur Um-speicherung kinetischer Energie der primrseitigen Drehmassen nach sich zieht. Dieseshug als nichtminimalphasig beschriebene Verhalten wird spter nochmals aufgegrien.

    O the beaten Track

    Eine Weiterentwicklung der Single-Track-Strategie zur Verminderung der genanntenNachteile stellt die Steuerstrategie O the beaten trackdar.

    Bild 3.3: Steuerstrategien Single Trackund O the beaten Track

    Um die hhere Dynamik des Verbrennungsmotors auszunutzen, wird whrend transienterSituationen eine Trajektorie des Betriebspunktes gewhlt welche von der OOL abweicht.Zunchst wird dabei die Drehmomentreserve des Motors ausgeschpft indem der Betrieb-spunkt auf die Vollastlinie geregelt wird. Dort wird solange verharrt, bis der Schnittpunktmit der Isoleistungskurve der Solleistung erreicht ist. Auf dieser Isoleistungskurve wirdder wiederum auf der OOL liegende Zielpunkt erreicht.Vergleichen mit der Single-Track-Strategie stellt diese Erweiterung gewissermaen einezeitoptimale Variante dar, da die Drehmomentreserven des Motors bei transienten Vor-gngen genutzt werden. So steht im dargestellten Fall am Ausgangspunkt bereits ohne

  • 3.3 Betriebsstrategie 37

    Getriebeverstellung mit 25 kW gegenber 15 kW etwa 66% mehr Leistung innerhalb derAnregelzeit des Motors zur Verfgung

    Hybride Antriebe bieten darber hinaus die Mglichkeit, durch Einbeziehung der elektri-schen Antriebsmaschine zustzliche Leistung bereitzustellen und die Fahrdynamik weiterzu verbessern. Dieses Verfahren wird auch als Boostenbezeichnet.

    3.3.2 Betriebsstrategie Autarker Hybrid

    Um die Potentiale des hybriden Antriebsstranges nutzen zu knnen, wird eine in Softwareimplementierte Betriebsstrategie bentigt. Diese enthlt Vorgaben fr das koordinierteZusammenwirken aller Systemkomponenten und verfolgt folgende Ziele [38]:

    Vermeidung des Teillastbetriebs des Verbrennungsmotors durch den Hybridbetrieb

    Rekuperation bei Schubbetrieb

    Von Netzladung unabhngiger Betrieb durch Management des Batterieladezu-stands

    Systemorientierte Wirkungsgradoptimierung des gesamten Antriebsstranges

    Da der Antrieb von Kraftfahrzeugen aus regelungstechnischer Sicht nicht an einem odermehreren Betriebspunkten sondern wahlfrei ber einen weiten Betriebsbereich betriebenwird, ist das Systemverhalten in Abhngigkeit von den Systemgren anzugeben, welcheden Raum mglicher Betriebspunkte aufspannen. Die Ausgangsgren des Antriebs sindbezogen auf die Antriebsrder die Raddrehzahl bzw. die Fahrgeschwindigkeit sowie dasRadmoment.Die Auslegungsgre der Antriebsaggregate ist dagegen regelmig die Nennleistung.Fr vergleichende Untersuchungen zur Dimensionierung von Verbrennungsmotor undelektrischer Maschine bietet sich ebenfalls die Nennleistung an. Um nun gegenber einerdreidimensionalen Darstellung der Sollwerte fr die Antriebsaggregate zu einer verein-fachten Darstellung zu kommen, macht man sich den Zusammenhang zwischen Drehzahl,Drehmoment und Leistung zunutze und kommt nach [38] zu einer einfachen Darstellungder statischen Leistungsaufteilung zwischen den Motoren entsprechend Bild 3.4.Die Sollleistung am Rad errechnet sich aus Radsollmoment und aktueller Raddreh-

    zahl. Durch Bewertung mit dem Getriebewirkungsgrad erhlt man die Sollleistung derMotoren:

    Prad = Tsoll;rad !rad = Psoll;mot get (3.3)Zur Realisierung eines verbrauchsoptimierten Betriebs des Gesamtsystems werden dreiLeistungsbereiche deniert. Im unteren Leistungsbereich bis zur Grenzleistung P1 =4kW wird rein elektromotorisch gefahren. Im mittleren Leistungsbereich 4 : : : 12kWmit der oberen Grenzleistung P2 = 12kW ist der hybride Fahrbetrieb realisiert, dem eine

  • 38 3 Anforderungen an Regelung und Steuerung

    Bild 3.4: Betriebsstrategie Autarker Hybrid [38]

    Lastanhebung des Verbrennungsmotors mit Hilfe des Elektromotors zugrunde liegt. So-lange die geforderte Fahrleistung unter der Grenze P2 liegt, wird der Verbrennungsmotorstationr mit 12kW betrieben. nderungen der Leistungsanforderungen werden durchden Elektromotor realisiert. Der Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors kann somitvollstndig vermieden werden. Bei Leistungen grer 12kW bernimmt der Verbren-nungsmotor die gesamte Sollleistung, da durch den weiteren Einsatz des Elektromotorskeine weitere Wirkungsgradverbesserung des Gesamtsystems erreicht wird.Diese starren Grenzen knnen im realen Fahrbetrieb nicht immer eingehalten werde