Full-Hybrid Powertrain for a Hybrid Sports Car Concept

Der erhebliche Teil aller vom Verkehr verursachten Emissionen ist den Personenkraftwagen geschuldet, da mit ihnen ein Großteil der Personenverkehrsaktivität bewältigt wird. Sportliche Fahrzeuge haben aufgrund der Stückzahlen einen geringen Anteil daran. Da neue Technologien zuerst in Fahrzeugen der Oberklasse eingeführt werden und sie das Interesse stärker auf sich lenken als die Masse der durchschnittlichen Fahrzeuge, ist der Einsatz eines Hybridantriebes gerade in diesem Segment sinnvoll. Aus den möglichen Hybridantriebstopologien sollte ein Antriebsstrang für ein sportliches Hybridfahrzeug für einen bestehenden Sportwagen konzipiert werden. Für den maximalen Systemnutzen bezüglich Performance und Verbrauch musste die optimale Topologie sowie die benötigte Leistungsfähigkeit des Systems erörtert werden, ohne das Fahrzeug mit unnötigen Gewichtshypotheken zu belasten. Nach der Definition der Anforderungen an Sportwagen und Hybridfahrzeuge wurden zunächst umsetzbare Hybridantriebsstrangtopologien bewertet. Die benötigte Leistungsfähigkeit wurde anhand der Auswertung von Kundenfahrdaten bestimmt. Mit einer Antriebsstrangsimulation erfolgte die Untersuchung der Fahrsituationen, in denen die Hybridbetriebszustände der einzelnen Topologien den größten Nutzen generieren. Die Verbrauchseinsparung der vorgeschlagenen Antriebsstrangtopologie gegenüber dem Basisfahrzeug konnte mit dem umgesetzten Prototypenfahrzeug bestätigt werden. Weitere Kraftstoffeinsparungen wurden durch die Erweiterung des Konzeptes mit zusätzlichen Technologien in der Simulation gefunden. Die Untersuchung der Fahrzeugperformance erfolgte mit einer im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Simulationsumgebung für Hybridfahrzeuge im Rundstreckeneinsatz. Mit dem umgesetzten Prototypen konnte eine Verbrauchseinsparung von 22,9 % gegenüber dem Basisfahrzeug gemessen werden. Durch die Erweiterung des Konzeptes um einen Riemenstartergenerator sowie zusätzliche Antriebsstrangmaßnahmen kann diese Einsparung auf 29,4% erhöht werden. Das Fahrzeugkonzept stellt somit unter Beweis, dass der Zielkonflikt eines geringeren Kraftstoffverbrauches einerseits und eines gesteigerten Fahrzeugperformance andererseits durch eine anforderungsgerechte, optimierte Auslegung und Steuerung des Hybridantriebsstranges lösbar ist.The largest share of total traffic emissions comes from cars, because they carry the majority of overall passenger transport activity. Sporty cars account for a comparatively small part of the car emissions because there are relatively few of them. However, because new technologies are first introduced in luxury vehicles and because they draw more attention than average vehicles, it is a good idea to use hybrid drives in this segment. In this paper, a powertrain for a sporty hybrid vehicle for an existing sports car was designed using existing topologies. The central task was to find the optimum topology and system power for maximum benefit in terms of performance and consumption, without overloading the vehicle with unnecessary weight. After defining the requirements for sports cars and hybrid vehicles, workable hybrid powertrain topologies were evaluated. The required performance was determined by the analysis of customer driving data. A powertrain simulation was carried out to investigate the driving situations in which the operating conditions of different hybrid topologies generate the greatest benefit. The fuel savings of the proposed powertrain topology compared to the base vehicle could be confirmed by the data from a prototype vehicle. Further fuel savings were found in the simulation by expanding the concept using additional technologies. The study of vehicle performance was carried out using a race course simulation environment for hybrid cars that was developed for this project. The prototype achieved a measured fuel savings of 22.9% over the base vehicle. By extending the concept to use a belt starter-generator drive train as well as additional measures, these savings can be increased to 29.4%. The evaluation of vehicle performance on the track showed that the vehicle system can compensate for the additional weight of the hybrid drive with the help of the additional power from the hybrid system. The boost strategy can even shorten lap times. The vehicle concept thus demonstrates that the conflict between reduced fuel consumption and increased vehicle performance can be solved using a requirements-oriented, optimized design and control of the hybrid powertrain