Optimierte Motorstrategien reduzieren Kraftstoffverbrauch in Reichweitenverlängerten Elektrofahrzeugen
Im dynamischen Feld der Fahrzeugelektrifizierung, wo Umweltaspekte und Energieeffizienz die technischen Prioritäten bestimmen, zeigt eine neue Studie bedeutende Fortschritte bei der Optimierung des Motorbetriebs für reichweitenverlängerte Elektrofahrzeuge (Range-Extended Electric Vehicles, REEVs) auf. Während Automobilhersteller bestrebt sind, Reichweite, Kraftstoffverbrauch und Emissionen in Einklang zu bringen, haben Forscher des GAC Automotive Research & Development Center nachgewiesen, dass strategische Verfeinerungen im Betrieb des Verbrennungsmotors an Bord zu messbaren Verbesserungen des realen Kraftstoffverbrauchs führen können.
Die Forschung unter der Leitung von Chen Hong und Jiang Xiaoxiao konzentriert sich auf einen der kritischsten, aber oft übersehenen Aspekte der REEV-Leistung: die Betriebslogik, die den Reichweitenverlängerer (Range Extender) steuert. Im Gegensatz zu konventionellen Hybridfahrzeugen, bei denen der Motor direkt zum Vortrieb beiträgt, nutzen REEVs ihre Motoren ausschließlich als Generatoren, wodurch der mechanische Antrieb von der Stromerzeugung entkoppelt wird. Diese Gestaltungsfreiheit ermöglicht es Ingenieuren, den Motor an seinen effizientesten Betriebspunkten laufen zu lassen und theoretisch die Umwandlung von Kraftstoff in Strom zu maximieren. Die praktische Umsetzung dieses Prinzips beinhaltet jedoch komplexe Abwägungen zwischen Systemeffizienz, Batteriebelastung, Leistungselektronikverlusten und dynamischen Fahrleistungsanforderungen.
Veröffentlicht in der begutachteten Fachzeitschrift Chinese Internal Combustion Engine Engineering, nutzt die Studie GT-SUITE, eine hochpräzise Simulationsplattform, die in der Automobilentwicklung weit verbreitet ist, um ein komplettes REEV-Antriebssystem zu modellieren. Das Team konstruierte einen detaillierten virtuellen Prototyp auf der Grundlage realistischer Fahrzeugparameter, einschließlich eines Leergewichts von 1.550 kg, eines Luftwiderstandsbeiwerts von 0,26 und eines Achsübersetzungsverhältnisses von 10,633. Das Simulationsframework integriert Modelle für Motor, Generator, Batteriepack, Leistungselektronik und Fahrzeugdynamik und ermöglicht so eine umfassende Analyse der Energieflüsse im gesamten System unter standardisierten Testbedingungen.
Ein zentrales Thema der Untersuchung ist der Vergleich zwischen zwei grundlegenden Steuerungsparadigmen: linienförmigen und punktförmigen Betriebsbedingungen. Bei der „Linien“-Strategie darf der Motor über einen kontinuierlichen Bereich von Drehzahlen und Lasten arbeiten – speziell entlang der optimalen Effizienzkurve des kombinierten Range-Extender-Systems, das sowohl Motor als auch Generator umfasst. Dieser Ansatz zielt darauf ab, das Stromerzeugungssubsystem durchgängig mit maximalem thermodynamischem Wirkungsgrad zu betreiben. Im Gegensatz dazu schränkt die „Punkt“-Strategie den Motor auf einen diskreten Satz fester Betriebspunkte ein, die typischerweise durch bestimmte Motordrehzahlen und Drehmomentpegel definiert sind. Obwohl diese Methode scheinbar weniger flexibel ist, bietet sie eine präzisere Steuerung des transienten Verhaltens, reduziert den Verschleiß und vereinfacht die Kalibrierung.
Um diese Strategien zu bewerten, unterzog das Team das simulierte Fahrzeug dem China Light Vehicle Test Cycle (CLTC), einem Fahrzyklus, der typische städtische und vorstädtische Fahrprofile in chinesischen Städten widerspiegeln soll. Der CLTC zeichnet sich durch häufige Stopps, mäßige Beschleunigungen und relativ niedrige Durchschnittsgeschwindigkeiten aus, was ihn besonders relevant für die Bewertung von stadtorientierten Elektrofahrzeugen mit Reichweitenverlängerern macht. Die Simulationen wurden im Ladenerhaltungsmodus (Charge-Sustaining, CS) durchgeführt, was bedeutet, dass der Ladezustand (State of Charge, SOC) der Batterie zu Beginn und am Ende des Zyklus bei 30 % ausbalanciert war. Dies simuliert die reale Nutzung, bei der das Fahrzeug nach dem Verbrauch der anfänglichen rein elektrischen Reichweite primär auf den Reichweitenverlängerer angewiesen ist.
Die Ergebnisse zeigten einen klaren Vorteil für punktbasierte Steuerungsstrategien. Wenn der Motor die optimale Effizienzlinie ohne Leistungsbeschränkungen folgen durfte (Strategie 1), lag der simulierte Kraftstoffverbrauch bei etwa 0,041 l/km. Die Einführung von oberen oder unteren Leistungsgrenzen für diese Linienstrategie brachte marginale Verbesserungen, schaffte es aber nicht, die 0,040 l/km-Schwelle zu unterschreiten. Beim Wechsel zur Punktbetriebsart verbesserte sich die Kraftstoffeffizienz jedoch erheblich. Unter den verschiedenen getesteten Punktstrategien erzielte Strategie 7 – die den Motor auf einen Betrieb zwischen 2.250 U/min und 2.500 U/min beschränkte, mit einer minimalen Leistungsabgabe von 30 kW und einer maximalen von 38 kW – das beste Ergebnis: ein Kraftstoffverbrauch von nur 0,03824 l/km, was 3,824 Litern pro 100 Kilometern entspricht.
Diese Verbesserung resultiert aus einer günstigeren Verteilung der Energieverluste im Antriebsstrang. Beim Linienbetrieb, insbesondere bei niedrigen Lasten, arbeitet der Motor häufig bei suboptimalen Drehzahlen und Drehmomenten, was zu höheren relativen Verlusten im Motor selbst und im Generatorsystem führt. Zusätzlich erzeugt das System, weil die Leistungsabgabe kontinuierlich variabel ist, während Phasen mit niedriger Nachfrage oft überschüssigen Strom, was die Batterie zu häufigen Lade-Entlade-Zyklen zwingt. Jeder dieser Zyklen verursacht Energieverluste aufgrund des Innenwiderstands der Batterie und von Ineffizienzen des Stromrichters.
Punktstrategien hingegen ermöglichen es dem Motor, überwiegend innerhalb eines schmalen, hocheffizienten Bandes zu arbeiten. Bei Strategie 7 verbrachte der Motor beispielsweise 82,91 % seiner Laufzeit bei 2.250 U/min und erzeugte 30,09 kW – ein Punkt, an dem sowohl der thermische Wirkungsgrad des Motors (42,49 %) als auch der Gesamtwirkungsgrad des Range-Extender-Systems (38,73 %) hoch sind. Die verbleibenden 17,09 % des Betriebs erfolgten bei 2.500 U/min und erzeugten 37,94 kW. Dieser fokussierte Betrieb reduzierte die motorbezogenen Verluste im Vergleich zur baseline Linienstrategie um fast 9 Prozentpunkte und senkte die Generatorsystemverluste um über 1 Prozentpunkt. Darüber hinaus erfährt die Batterie, weil der Motor die Leistung in größeren, vorhersehbareren Schüben abgibt, weniger Teilzyklen, was die kumulativen Lade- und Entladeverluste verringert.
Interessanterweise untersuchte die Studie auch eine allgemein angenommene „optimale“ Strategie: das Festlegen des Motors auf einen einzigen Betriebspunkt – das absolute Maximum der Effizienzkennlinie des Range-Extender-Systems (Strategie 8). Entgegen der Intuition schnitt dieser Ansatz schlechter ab als die multipunktige Strategie 7 und resultierte in einem Kraftstoffverbrauch von 0,03855 l/km, einer Verschlechterung von 0,81 % gegenüber dem Optimum. Der Grund liegt in der Systemrigidität. Ein einzelner fester Punkt kann sich nicht an schwankende Leistungsanforderungen anpassen. Während des Fahrens mit niedriger Last erzeugt der Motor weiterhin mit seiner festen hohen Leistungseinstellung, überflutet das System mit überschüssigem Strom, der gespeichert werden muss, und erhöht so die Batterie- und Stromrichterverluste. Bei hohem Leistungsbedarf liefert der Einpunktmotor möglicherweise nicht genügend Ausgangsleistung, zwingt die Batterie zum Ausgleich und zur tiefen Entladung, was wiederum Effizienzeinbußen verursacht. Somit erweist sich ein gewisses Maß an operationeller Flexibilität – selbst innerhalb eines eingeschränkten punktbasierten Rahmens – als wesentlich für eine ganzheitliche Systemoptimierung.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen untersuchte das Forschungsteam die Auswirkungen einer Verbesserung der intrinsichen Motorleistung. In der Erkenntnis, dass Steuerungsstrategie allein Hardwaregrenzen nicht überwinden kann, modellierten sie ein Verbrennungssystem der nächsten Generation, das Vorkammer-Jet-Zündung und Ultra-Magerbrenntechnologie integriert. Diese fortschrittliche Konfiguration ermöglicht eine schnellere und stabilere Verbrennung unter extrem mageren Luft-Kraftstoff-Gemischen, was dem Motor erlaubt, einen höheren mittleren Arbeitsdruck (Brake Mean Effective Pressure, BMEP) zu erreichen, während die optimale Verbrennungsphasenlage in der Nähe des oberen Totpunkts beibehalten wird. Bei 1.750 U/min konnte der optimierte Motor beispielsweise 1,1 MPa BMEP im Vergleich zu 0,8 MPa in der Basisversion produzieren, wobei die Verbrennungsdauer von 26,7 Grad auf 14,3 Grad verkürzt und die Magerverbrennungsgrenze von einem Luftverhältnis von 1,4 auf 2,3 erweitert wurde.
Als dieses verbesserte Motormodell in die Simulation integriert wurde, waren die Vorteile erheblich. Bei erneuter Anwendung der punktbasierten Steuerungslogik stellte das Team fest, dass selbst konservative Leistungsbandeinstellungen eine bessere Kraftstoffwirtschaftlichkeit ergaben als der vorherige Bestwert. Strategie 10, die den Betriebsbereich des Motors zwischen 40 kW und 55 kW festlegte, erreichte einen bemerkenswerten Kraftstoffverbrauch von 0,03664 l/km – eine Verbesserung von 4,18 % gegenüber dem ursprünglichen Optimalfall. Diese Reduzierung entspricht einer realen Ersparnis von etwa 0,16 l/100 km, einer bedeutsamen Zahl auf wettbewerbsintensiven Märkten, wo jeder Bruchteil eines Liters zählt.
Die Energieflussanalyse zeigte, dass der optimierte Motor zwar aufgrund des erhöhten Drehmomentausstoßes etwas höhere Generatorsystemverluste verursachte, die Gewinne an thermischer Motoreffizienz jedoch so ausgeprägt waren, dass die gesamten Systemverluste sanken. Die motorbezogenen Verluste sanken von 140,76 % der gesamten Ausgangsenergie im Basisfall auf 125,88 % im verbesserten Szenario. Obwohl die Abhängigkeit von der Batteriepufferung leicht zunahm – was zu höheren Batterie- und Stromrichterverlusten führte – war der Nettoeffekt eine signifikante Reduzierung der gesamten Systemineffizienz, die das Gesamtverlustverhältnis von 172,25 % auf 162,14 % senkte.
Diese Erkenntnisse haben wichtige Implikationen für Automobilhersteller, die reichweitenverlängerte Elektrofahrzeuge entwickeln. Erstens stellen sie die Vorstellung in Frage, dass das einfache Betreiben eines Motors an seinem Spitzeneffizienzpunkt für eine optimale Systemleistung ausreichend ist. Stattdessen kann eine nuanciertere, multipunktige Strategie, die Batterie- und Leistungselektronikverluste berücksichtigt, eine überlegene realwirtschaftliche Effizienz liefern. Zweitens unterstreicht die Studie die Synergie zwischen Hardware- und Softwareoptimierung: Die Verbesserung der inherenten Motoreffizienz verstärkt die Vorteile intelligenter Steuerungslogik und erzeugt einen aufzinsenden Effekt auf die Kraftstoffeinsparungen.
Aus produktentwicklungstechnischer Sicht legt die Forschung nahe, dass zukünftige REEVs adaptive punktbasierte Steuerungsschemata einsetzen sollten, die dynamisch zwischen zwei oder drei hocheffizienten Betriebspunkten basierend auf Echtzeit-Fahrbedingungen und Batteriezustand wählen. Darüber hinaus ist die Investition in fortschrittliche Verbrennungstechnologien – wie Vorkammerzündung – nicht nur eine akademische Verfolgung, sondern ein praktischer Weg zu greifbaren Effizienzgewinnen. Solche Innovationen ermöglichen es dem Motor, mehr Leistung in kürzerer Zeit zu produzieren, reduzieren die Gesamtlaufzeit und minimieren kumulative Verluste in der gesamten Energiekette.
Die Arbeit unterstreicht auch den Wert systemweiter Simulationen in der modernen Automobiltechnik. Durch die Modellierung der Wechselwirkungen zwischen Motor, Generator, Batterie und Fahrzeugdynamik konnten die Forscher nicht-intuitive Kompromisse identifizieren, die durch rein physikalische Tests nur schwer zu erkennen gewesen wären. Diese Fähigkeit ermöglicht schnellere Iteration, niedrigere Entwicklungskosten und robustere Finalkalibrierungen.
Für Verbraucher sind die Implikationen straightforward: Intelligenteres Motor-Management und besseres Motordesign führen zu einer längeren effektiven Reichweite, niedrigeren Kraftstoffkosten und reduzierten Emissionen – alles ohne Kompromisse beim geschmeidigen, responsiven Fahrerlebnis, das elektrische Mobilität auszeichnet. Während globale Märkte weiterhin zur elektrifizierten Transportation übergehen, bieten Lösungen wie der optimierte REEV eine pragmatische Brücke, die den Komfort von flüssigem Kraftstoff mit der Effizienz und Sauberkeit des Elektroantriebs kombiniert.
Zusammenfassend liefert die Studie von Chen Hong, Jiang Xiaoxiao und ihren Kollegen bei GAC einen überzeugenden Fahrplan zur Maximierung der Effizienz von reichweitenverlängerten Elektrofahrzeugen. Indem sie sich über simplistische Steuerungsannahmen hinwegsetzen und einen holistischen, systemweiten Optimierungsansatz verfolgen, demonstrieren sie, dass bedeutungsvolle Verbesserungen in Hybridantrieben noch erreichbar sind. Ihre Arbeit steht als Zeugnis der anhaltenden Innovation im Bereich des Verbrennungsmotors und beweist, dass selbst im Zeitalter der Elektrifizierung der ICE eine vitale und sich weiterentwickelnde Komponente nachhaltiger Transportation bleibt.
Chen Hong, Jiang Xiaoxiao et al., Chinese Internal Combustion Engine Engineering, DOI: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2024.04.005