Fuel Consumption Tuning for Electric All Wheel Drive System

UPTEC F13 006

Examensarbete 30 hp Mars 2013

Fuel Consumption Tuning for Electric All Wheel Drive System

Richard Hallvig

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten

Besöksadress:

Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0

Postadress:

Box 536 751 21 Uppsala

Telefon:

018 – 471 30 03

Telefax:

018 – 471 30 00

Hemsida:

http://www.teknat.uu.se/student

Abstract

Fuel Consumption Tuning for Electric All Wheel Drive System

Richard Hallvig

This report investigates methods to reduce fuel consumption in SAAB's prototype hybrid car. It is primarily concerned with changes in the final drive ratio (FDR) of the gearbox. Reducing the FDR lowers the engine speed, allowing the engine to run at a more efficient operating point. However, this has a negative impact on engine power and vehicle

performance. It was thought that the hybrid's eXWD (electric cross wheel drive) system could make up for this loss of performance.

Computer simulations showed significant

improvements in fuel economy when the FDR was reduced. This was confirmed by real world tests on a chassis dynamometer, although the number of tests were too low to establish the precise fuel

consumption reduction. The effects on performance were evaluated by creating a quasi static model of the drivetrain and calculating which combinations of speed and acceleration corresponded to the engine's torque limits. The loss of acceleration was found to be lower than the increase in acceleration made possible by eXWD for most choices of FDR. It is therefore possible to reduce the FDR in the hybrid version of the car and still maintain a performance advantage compared to the front wheel drive version.

No other major disadvantageous effects were found.

The conclusion was therefore that a reduction of the final drive ratio is a feasible method to improve the fuel economy of the prototype car, given that maximizing performance is deemed less important than increasing fuel economy.

Examinator: Thomas Nyberg Ämnesgranskare: Mikael Sternad

Handledare: Philip Gebel, Lars G Johansson, Fredrik Assarsson

Popul¨ arvetenskaplig sammanfattning

I n¨asta generations 9-3 inf¨or SAAB eXWD (electric Cross-Wheel Drive, elektrisk fyrhjulsdrift) som ers¨atter de befintliga mekaniska XWD-alternativen. En elmotor med differentialv¨axel kopplas till bilens bakaxel och n¨ar bilen bromsar tar den tillvara en del av r¨orelseenergin och lagrar den i ett batteri. N¨ar bilen accelererar eller k¨or med konstant fart s˚a kan elmotorn avlasta bensinmotorn. Hybridtekniken ger ¨okad prestanda samtidigt som br¨anslef¨orbrukningen s¨anks.

Detta examensarbete unders¨okte ett antal uppslag f¨or att ytterligare s¨anka br¨anslef¨orbrukningen med hj¨alp av eXWD-systemet, i f¨orsta hand anv¨andande av en slutv¨axel med l¨agre utv¨axling ¨an den befintliga. Detta s¨anker f¨orbr¨anningsmotorns varvtal f¨or en given fart, vilket i regel l˚ater den arbeta i en effektivare arbetspunkt. ¨Andringen medf¨or dock ¨aven en f¨orlust av prestanda eftersom f¨orbr¨anningsmotorn inte kan producera lika h¨oga vridmoment vid l¨agre varvtal och p˚a grund av den l¨agre utv¨axlingen. eXWD-systemet troddes kunna kompensera f¨or denna prestandaf¨orlust.

Metoden unders¨oktes f¨orst med simuleringar, som visade br¨anslebesparingar p˚a upp till ett par procent beroende p˚a vilken slutv¨axel som anv¨andes. Simuleringarna gav dock os¨akra svar n¨ar fyrhjulsdrift anv¨andes eftersom hybridmjukvaran inte verkade fungera lika bra f¨or olika slutv¨axlar. En separat modell ¨over drivlinan f¨or manuell bil togs fram utifr˚an m¨atdata och specifikationer f¨or f¨orbr¨anningsmotor, v¨axell˚ada och elmotor. Den anv¨andes f¨or att ber¨akna vil- ken acceleration fordonet borde kunna uppn˚a med olika val av slutv¨axel. Det visade sig att eXWD-systemet kan kompensera f¨or f¨orlorad prestanda f¨or alla slutv¨axlar utom de tv˚a l¨agsta.

F¨or att verifiera och komplettera simuleringsresultaten och f¨or att unders¨oka hur f¨orarupp- levelsen p˚averkades av ¨andringarna s˚a f¨orbereddes tester i de testbilar eller mulor som f¨orsetts med hybriddrivlinan. Br¨anslef¨orbrukningen uppm¨attes p˚a en chassidynamometer, d¨ar bilen pla- ceras stillast˚aende med hjulen p˚a rullar s˚a att rull- och luftmotst˚and kan st¨allas in. Genom att s¨anka farten och ist¨allet skala upp motst˚andet s˚a var det m¨ojligt att ’simulera’ ett slutv¨axelbyte.

F¨ors¨oken visade att br¨anslef¨orbrukningen minskade med l¨agre slutv¨axel, men antalet tester var f¨or f˚a f¨or att ge en exakt siffra p˚a s¨ankningen. Problem med hybridsystemet f¨orhindrade m¨atning av br¨anslef¨orbrukningen i hybridl¨aget. I ett f¨ors¨ok att utv¨ardera f¨orarens upplevel- se av en slutv¨axels¨ankning s˚a begr¨ansades f¨orbr¨anningsmotorns effekt f¨or att motsvara den som ¨ar tillg¨anglig efter ett slutv¨axelbyte. Bilen framf¨ordes sedan p˚a SAAB:s testbana under det att upprepade accelerationer genomf¨ordes p˚a ettans, tv˚aans och treans v¨axlar. En m˚attlig s¨ankning av slutv¨axeln gav ingen omedelbart m¨arkbar ¨andring av prestanda, medan det n¨ast l¨agsta slutv¨axelalternativet upplevdes som segt.

Slutsatserna av unders¨okningarna var att br¨anslebesparingar p˚a upp till ett par procent

¨ar m¨ojliga genom att s¨anka slutv¨axeln och att man med eXWD kan kompensera f¨or prestan- daf¨orlusten s˚a att hybridbilen fortfarande accelererar snabbare ¨an den framhjulsdrivna versionen.

Bytet medf¨or dock en prestandas¨ankning i absoluta tal. Ett m˚al som inte riktigt uppn˚addes var att unders¨oka vilka effekter slutv¨axelbytet f˚ar i hybridl¨aget och hur hybridmjukvaran beter sig.

Det rekommenderas d¨arf¨or att vidare f¨ors¨ok genomf¨ors med mulorna.

Inneh˚ all

1 Introduktion 6

1.1 Bakgrund . . . 6

1.2 Projektbeskrivning . . . 6

1.3 Avgr¨ansningar . . . 7

1.4 Rapportstruktur . . . 7

2 Oversikt¨ 8 2.1 Hybridstruktur . . . 8

2.1.1 Motor . . . 8

2.1.2 Transmission . . . 10

2.1.3 Komponenter i hybriddrivlinan . . . 12

2.2 F¨orluster . . . 14

2.3 Mjukvara . . . 15

2.4 V¨aglast och prestandakrav . . . 16

2.5 Utv¨ardering av br¨anslef¨orbrukning . . . 17

2.6 Modellering . . . 18

3 Verktyg, metod och id´eer 20 3.1 Verktyg . . . 20

3.2 Metod . . . 21

3.3 Betraktade id´eer . . . 22

3.3.1 Elektrisk iv¨agk¨orning . . . 22

3.3.2 Elektrisk momentreserv . . . 22

3.3.3 Andrad slutv¨¨ axel . . . 22

3.3.4 Avskaffad t¨ands¨ankning . . . 23

3.3.5 ˚Aterladdning med differentialmoment . . . 23

3.3.6 L¨agre tomg˚angsvarvtal . . . 23

3.3.7 Tomg˚ang med startmotorn . . . 24

4 Andrad slutv¨¨ axel 25 4.1 Ber¨akningar . . . 25

4.1.1 Toppfart . . . 25

4.1.2 Effektivitets¨andringar . . . 26

4.1.3 Acceleration . . . 26

4.2 Simuleringar i Unified . . . 27

4.3 Experiment i bil . . . 27

4.3.1 NEDC p˚a chassidynamometer . . . 28

4.3.2 Effektreducering . . . 30

4.4 Resultat . . . 31

4.4.1 Br¨anslef¨orbrukning . . . 31

4.4.2 Andrad verkningsgrad . . . .¨ 38

4.4.3 Koppling . . . 40

4.4.4 Fart . . . 40

4.4.5 Prestanda . . . 41

4.5 F¨orarupplevelse . . . 47

5 Slutsatser 48 5.1 Rekommendationer och f¨orslag till vidare unders¨okningar . . . 49

Kapitel 1

Introduktion

1.1 Bakgrund

Under de senaste ˚aren har l˚ag br¨anslef¨orbrukning och d¨arigenom l˚aga koldioxidutsl¨app blivit allt viktigare egenskaper f¨or personbilar. Med stigande br¨anslepriser och h¨ogre medvetenhet om utsl¨appens p˚averkan p˚a klimatet s˚a ¨ar det inte konstigt att dessa egenskaper blir mer efter- fr˚agade. N˚agra av de mest br¨anslesn˚ala bilarna under det senaste ˚artiondet har varit elhybrider och SAAB inf¨or nu denna teknik i n¨asta generations 9-3. Denna kan, i likhet med konceptbilen Phoenix, utrustas med eXWD (electric Cross-Wheel Drive eller elektrisk fyrhjulsdrift). Denna teknik ers¨atter den ¨aldre mekaniska XWD som finns som tillval till nuvarande 9-3 och 9-5 och m˚alet ¨ar att erbjuda b˚ade f¨orb¨attrad prestanda och v¨aggrepp samt minskad br¨anslef¨orbrukning.

Syftet med detta examensarbete var att unders¨oka potentialen f¨or ytterligare br¨anslebesparing med hj¨alp av n˚agra konventionella och okonventionella styrnings- och kalibreringsmetoder. Un- ders¨okningarna r¨orde inte framtida 9-3 direkt, utan SAAB:s nuvarande prototyp, internt kallad 540. F¨orhoppningen var dock att resultaten ¨aven skulle kunna f¨oras ¨over p˚a produktionsversionen av fordonet och i f¨orl¨angningen kanske ¨aven andra hybridbilar med liknande konstruktion.

1.2 Projektbeskrivning

Detta projekt gick ut p˚a att genomf¨ora f¨oljande uppgifter:

• Skapa nya och samla befintliga id´eer f¨or br¨anslebesparing

• Prioritera mellan id´eerna och k¨ora inledande simuleringar eller tester (beroende p˚a fallet) f¨or utvalda id´eer

• Skapa en prioriterad lista ¨over lovande id´eer

• Identifiera m¨ojliga negativa f¨oljder

• K¨ora simuleringar och/eller tester f¨or att unders¨oka potentialen f¨or eXWD att kompensera f¨or dessa negativa effekter

• Implementera kontrollalgoritmer och kalibreringar f¨or att testa hur id´eerna kan realiseras i styrmjukvaran, i m˚an av tid och genomf¨orbarhet

Som utg˚angspunkt fanns en lista ¨over metoder f¨or br¨anslebesparing som SAAB ville unders¨oka.

Examensarbetet genomf¨ordes av tv˚a studenter. Mats Thomas Moberg l¨aser Mekatronik (180 hp) vid Chalmers tekniska h¨ogskola och Richard Hallvig l¨aser Teknisk Fysik (300 hp) vid Uppsala universitet. Arbetet genomf¨ordes parallellt efter den f¨orsta sorteringen av metoder och varje person skrev en enskild rapport.

1.3 Avgr¨ ansningar

Projektet syftade endast till att unders¨oka metoder f¨or minskad br¨anslef¨orbrukning som ¨ar kopp- lade till hybridtekniken och som ¨ar ’l¨atta’ att implementera. I f¨orsta hand g¨allde det modifikatio- ner av hybridmjukvaran, men vissa enklare h˚ardvaru¨andringar kunde ocks˚a komma ifr˚aga. I de flesta situationer s˚a ¨ar utnyttjandet av hybridsystemet redan optimerat med nuvarande mjukva- ra. Projektet riktade d¨arf¨or in sig p˚a parametrar som inte kontrolleras av nuvarande regulator samt situationer d˚a den inte ¨ar aktiv. Start/stopfunktion, som inneb¨ar att bensinmotorn st¨angs av vid tomg˚ang, har redan unders¨okts av SAAB och behandlades d¨arf¨or inte. Ej heller metoder som f¨oruts¨atter k¨annedom om k¨orstr¨ackan eller som syftar till att identifiera denna.

1.4 Rapportstruktur

Rapporten inleds med en ¨oversikt ¨over hybridbilens komponenter, prestandakrav och hur br¨ansle- f¨orbrukningen utv¨arderas, samt olika s¨att att modellera bilens drivlina. D¨arefter f¨oljer i kapitel tre en genomg˚ang och kort utv¨ardering av de olika metoder f¨or br¨anslebesparing som unders¨okts.

De olika simuleringar, ber¨akningar och m¨atningar som genomf¨orts f¨or att utv¨ardera den mest lovande av metoderna presenteras i kapitel fyra, tillsammans med en genomg˚ang av resultaten.

I kapitel fem presenteras slutsatserna och olika f¨orslag till vidare unders¨okningar.

Kapitel 2

Oversikt ¨

2.1 Hybridstruktur

Utrustad med eXWD s˚a ¨ar SAAB 540 en parallellhybrid. Bensinen i br¨ansletanken utg¨or den enda energik¨allan, s˚a fordonet ¨ar allts˚a inte en laddhybrid. F¨orbr¨anningsmotorn ¨ar alltid ig˚ang och driver framhjulen, precis som i en vanlig SAAB. Ut¨over denna s˚a har hybridversionen en elmotor/generator ansluten till bakhjulen. Den drivs av ett h¨ogsp¨anningsbatteri, som i sin tur

˚aterladdas av elmotorn n¨ar fordonet saktar in. Det ¨ar ocks˚a m¨ojligt att ladda h¨ogsp¨anningsbatteriet fr˚an den vanliga generatorn vid f¨orbr¨anningsmotorn i och med att det finns en likstr¨omsomvandlare som f¨orbinder h¨ogsp¨anningskomponenterna med det vanliga tolvvoltssystemet i bilen.

2.1.1 Motor

SAAB 540 ¨ar utrustad med f¨orbr¨anningsmotorerna N18 Q147 eller N18 Q160. Den senare har en annan turboladdare och har n˚agot h¨ogre effekt. M¨atningar av br¨anslef¨orbrukning har under pro- jektets g˚ang endast funnits tillg¨angliga f¨or Q147, medan den nyare Q160 har suttit i testfordonen.

Br¨anslef¨orbrukningen har antagits vara lika i de arbetspunkter (vinkelhastighet,vridmoment) som b˚ada versionerna klarar av, men det finns inga data f¨or Q160 vid v¨aldigt h¨oga vridmoment. Mo- torn beh¨over dock inte arbeta i dessa punkter n¨ar fordonets br¨anslef¨orbrukning ska utv¨arderas, av sk¨al som f¨orklaras i Avsnitt 2.5.

Figur 2.1 visar verkningsgraden f¨or N18 Q147 vid olika kombinationer av varvtal och vrid- moment [1]. Motorn ¨ar v¨aldigt ineffektiv vid l˚aga vridmoment eftersom dess interna f¨orluster, som i f¨orsta hand beror p˚a varvtalet, d˚a utg¨or en stor andel av den totala effekten. De mest ef- fektiva arbetspunkterna ligger i intervallet 2000-3000 varv per minut och runt 50 % av maximala vridmomentet.

Till skillnad fr˚an en elmotor s˚a kan en f¨orbr¨anningsmotor inte leverera fullt vridmoment vid l˚aga varvtal. Figur 2.2 visar maximalt tillg¨angligt vridmoment f¨or de b˚ada varianterna av N18, med det h¨ogsta v¨ardet f¨or Q160 normaliserat till ett [1]. De h¨ogsta v¨ardena uppn˚as inte f¨orr¨an ¨over 2500 varv per minut och vid varvtal ¨over 4500 varv per minut b¨orjar vridmomentet avta igen. Vid l˚aga varvtal ¨ar motorn inte bara svagare, det tar dessutom l¨angre tid att uppn˚a maximalt vridmoment. De streckade linjerna i 2.2 anger de h¨ogsta station¨ara v¨ardena, medan de heldragna linjerna visar de h¨ogsta v¨ardena som kan uppn˚as inom en sekund, kallat det maximala dynamiska vridmomentet.

1000 2000

3000 4000

5000 6000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Varvtal [minuter⁻¹] Andel vridmoment

Verkningsgrad

Figur 2.1: Motorns verkningsgrad (N18 Q147)

N¨ar m¨atningar b¨orjade utf¨oras i testbilarna (utrustade med N18 Q160) s˚a visade det sig att det angivna maximala vridmomentet ibland ¨overskrids betydligt. Den prickade bl˚a linjen i 2.2 visar det h¨ogsta uppm¨atta vridmomentet. Det ¨ar inte bara h¨ogre ¨an angivet i motorspecifika- tionerna utan dessutom h¨ogre ¨an v¨axell˚adans gr¨ans p˚a motorsidan. Det ¨ar m¨ojligt att motorn har f¨or¨andrats och att specifikationerna ¨ar f¨or˚aldrade, alternativt att vridmomentet ¨ar t¨ankt att begr¨ansas av bilens mjukvara. I denna rapport anv¨ands de specificerade vridomentgr¨anserna f¨or Q160 vid alla ber¨akningar eftersom det ¨ar de h¨ogsta som bilen i framtiden med s¨akerhet kommer att ha.

Tomg˚angsvarvtalet ¨ar f¨or n¨arvarande 700 varv per minut [2]. Vid tomg˚ang anv¨ands t¨and- s¨ankning (t¨andning i cylindrarna innan optimal kompression uppn˚as) f¨or att s¨akerst¨alla en j¨amn g˚ang. Det finns inga m¨atpunkter f¨or br¨anslef¨orbrukning under 800 varv per minut, s˚a vid simu- leringarna anv¨ands extrapolering. Det finns inte heller v¨arden f¨or maximalt vridmoment under 800 varv per minut. Motorn f˚ar inte applicera ett drivande vridmoment n¨ar den ligger under 1000 varv per minut, s˚a det ¨ar det l¨agsta till˚atna varvtalet utom vid tomg˚ang eller decelleration.

H¨ogsta varvtal ¨ar 6000 varv per minut [1].

Om motorn matas med ett negativt vridmoment (omv¨and riktning gentemot ett drivande) fr˚an drivlinan s˚a kan det vara m¨ojligt att st¨anga av br¨anslefl¨odet utan att orsaka motorstopp.

Det sker vid motorbromsning. Det erfordrade vridmomentet ¨okar med varvtalet som en f¨oljd av stigande interna f¨orluster i motorn.

1000 2000 3000 4000 5000 6000 0.2

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Varvtal [minuter⁻¹]

Vridmoment, andel av referensvärde

N18 Q160

N18 Q147

Figur 2.2: Specificerat vridmoment f¨or N18 av varianterna Q160 och Q147 samt m¨atv¨arden f¨or Q160 (prickade)

2.1.2 Transmission

Koppling och momentomvandlare

F¨orbr¨anningsmotorns begr¨ansningar vad g¨aller arbetsvarvtal g¨or att den inte kan vara fast slu- ten till v¨axell˚adan och resten av drivlinan i alla l¨agen. I en bil med manuell v¨axel kopplas motorn till v¨axell˚adan via en koppling som ¨overf¨or vridmoment med hj¨alp av friktion. Ing˚aende och utg˚aende vridmoment ¨ar alltid lika, vilket medf¨or att f¨orlusterna ¨ar direkt proportionella mot skillnaden i vinkelfrekvens mellan motor och v¨axell˚ada [3, s. 47]. I en automatv¨axlad bil ers¨atts kopplingen med en momentomvandlare som har v¨aldigt annorlunda egenskaper. Den ar- betar hydrauliskt och f¨orst¨arker utg˚aende vridmoment vid h¨oga slirningsvarvtal (varvtalsskillnad mellan motor och turbinhjul). Figur 2.3 visar hur momentf¨orst¨arkningen och verkningsgraden beror p˚a slirningsvarvtalet [2]. En h¨og varvtalsskillnad mellan motor och v¨axell˚ada ¨okar utg˚aende vridmoment till priset av l¨agre verkningsgrad. F¨orluster i momentomvandlaren g¨or att den auto- matv¨axlade versionen av 540 ofta har h¨ogre br¨anslef¨orbrukning ¨an den manuella, i synnerhet vid tomg˚ang. Momentomvandlaren ¨ar utrustad med en funktion som kallas lock-up och inneb¨ar att en mekanisk koppling etableras mellan ing˚ang och utg˚ang. N¨ar denna funktion anv¨ands s¨anks br¨anslef¨orbrukningen eftersom slirningen elimineras s˚a att verkningsgraden h¨ojs till i princip ett.

Den f˚ar ocks˚a till f¨oljd att bilen beter sig mer som en manuellt v¨axlad variant. Lock-up f˚ar endast anv¨andas vid varvtal ¨over tusen varv per minut i den aktuella momentomvandlaren.

V¨axell˚ada

SAAB 540 anv¨ander v¨axell˚adorna M32 (manuell) eller F21-250 (automat). V¨axell˚adan till˚ater bilen att arbeta ¨over stora fart- och effektintervall utan att motorn tvingas g˚a utanf¨or arbets- omr˚adet visat i Figur 2.2. Detta uppn˚as genom att omvandla ing˚aende (p˚a motorsidan) vinkelfart ωin och vridmoment τin till en l¨agre utg˚aende (p˚a hjulsidan) vinkelfart ωut och h¨ogre vridmo- ment τut. Utv¨axlingen f¨or en viss v¨axel definieras som kvoten ωin/ωut. Idealt s˚a skulle det inte

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

0.5 1 1.5 2 2.5

Fartkvot turbinhjul/motor

Vridmomentförstärkning & verkningsgrad

Förstärkning Verkningsgrad

Figur 2.3: Vridmomentf¨orst¨arkning och verkningsgrad f¨or momentomvandlaren

finnas n˚agra f¨orluster och ωinτin= ωutτutskulle g¨alla, men i praktiken ¨ar det inte fallet, speciellt inte vid l˚aga vridmoment.

V¨axell˚adan kan modelleras som en svart l˚ada med en upps¨attning v¨axlar och sv¨anghjul monte- rade p˚a ing˚aende respektive utg˚aende axel [3, s. 50]. Den svarta l˚adan har en verkningsgrad η_v¨axel som beror p˚a ing˚aende vinkelfart ω_inoch vridmoment τ_in⁰. Sv¨anghjulen har tr¨oghetsmomenten I_in respektive I_ut och modellerar de roterande delarna i v¨axell˚adan som kan ta upp eller av- ge effekt n¨ar vinkelfarten ¨andras. Sammanfattningsvis s˚a ¨ar sambandet mellan uteffekt P_ut och ineffekt P_in

Put+ Iutω˙utωut= [Pin− Iinω˙inωin]ηtrans(ωin,τin⁰) (2.1) d¨ar τin⁰ = τin− Iinω˙in. Faktorn ηtrans kan i sin tur delas upp i en konstant term och en som beror p˚a fart och vridmoment s˚a att

ηtrans(ωin,τin⁰) = η0−τf ¨orlust(ω_in)

τin⁰

(2.2) d¨ar η0 ¨ar en konstant ∼ 0,9 − 1,0 och τ_{f ¨orlust(ωin)}¨ar vridmomentet som kr¨avs f¨or att ¨overvinna f¨orlusterna i v¨axell˚adan [3, p. 51]. B˚ada varierar n˚agot mellan olika v¨axlar. Figur 2.4 visar den totala verkningsgraden f¨or M32 p˚a tredje v¨axeln vid konstant fart [4]. Verkningsgraden f¨or olika v¨axlar skiljer sig n˚agot fr˚an varandra, men f¨oljer samma struktur. De d˚aliga v¨ardena vid l˚aga vridmoment orsakas av att den andra termen i (2.2) blir stor. I praktiken inverkar

¨aven andra faktorer ¨an vridmoment och vinkelfart, som exempelvis temperatur, men de ¨andrar verkningsgraden ganska marginellt.

1000 1500

2000 2500

3000 3500

4000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Varvtal [minuter⁻¹] Vridmoment, andel av referensvärde

Verkningsgrad

Figur 2.4: Typisk verkningsgrad f¨or v¨axell˚ador, i detta fall M32 v¨axel 3

Slutv¨axel Utv¨axlingen i v¨axell˚adan sker i tv˚a steg. N¨armast motorn sitter de valbara v¨axlarna och i serie med dessa ¨ar slutv¨axeln monterad. Denna ¨ar en fix reduktionsv¨axel som ¨okar den totala utv¨axlingen med en viss faktor. Storleken p˚a denna v¨aljs s˚a att fordonet uppn˚ar ¨onskade egenskaper. Oftast f˚ar man g¨ora en avv¨agning mellan prestanda och br¨anslef¨orbrukning. Tabell 2.1 inneh˚aller n˚agra av de v¨arden som ¨ar tillg¨angliga f¨or slutv¨axlarna i F21-250 och M32 [4, 5].

De h¨ogsta v¨ardena ¨ar de som anv¨ands f¨or n¨arvarande. H¨ogre utv¨axlingar finns tillg¨angliga, men

¨ar ointressanta i br¨anslef¨orbrukningsh¨anseende. F¨argerna som de manuella slutv¨axlarna har i tabellen anv¨ands i rapporten f¨or att identifiera dem i figurer, om ingen annan m¨arkning anges.

Tabell 2.1: Slutv¨axlar Manuell Automat 3,833 3,683 3,737 3,502 3,650

3,578 3,350 3,095

2.1.3 Komponenter i hybriddrivlinan

Elmotor

Hybridversionen av 540 har en trefas v¨axelstr¨omsmotor med en effekt i storleksordningen 10 kW.

Vridmomentet kan f¨ordelas kontinuerligt mellan de b˚ada bakhjulen med hj¨alp av en differenti-

alv¨axel. Vanligtvis ¨ar dock momenten lika och differentialv¨axeln har en fix utv¨axling. Utm¨arkande f¨or elmotorn ¨ar att den levererar fullt vridmoment redan vid v¨aldigt l˚aga varvtal. Vid h¨ogre vin- kelhastigheter ¨ar maximala effekten n˚agorlunda konstant, medan det tillg¨angliga vridmomentet avtar inverst mot varvtalet. Figur 2.5 visar vridmoment mot varvtal och Figur 2.6 visar mo- torns verkningsgrad [6]. Denna ¨ar som synes h¨ogst kring 5000 varv per minut och mellanstora vridmoment, medan den ¨ar v¨aldigt d˚alig vid l˚aga varvtal och vridmoment. Verkningsgraden vid negativa vridmoment ¨ar n˚agot annorlunda, men f¨oljer samma m¨onster.

0 5000 10000 15000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Varvtal [minuter⁻¹]

Andel vridmoment

Figur 2.5: Elmotorns vridmoment

0

5000

10000

15000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Varvtal [minuter⁻¹] Andel vridmoment

Verkningsgrad

Figur 2.6: Elmotorns verkningsgrad

H¨ogsp¨anningsbatteri

H¨ogsp¨anningsbatteriet i hybriden har betydligt h¨ogre kapacitet ¨an de vanliga bilbatterier som

˚aterfinns i de flesta bilar. Det kan dock fortfarande endast lagra i storleksordningen en kilowat- timme energi. En h¨ogre kapacitet ¨ar i de allra flesta situationer on¨odig eftersom batteriet bara ska lagra ˚aterladdad energi. F¨orlusterna i batteriet ¨ar l˚aga, oftast mindre ¨an 10 %, och effektiviteten kan med ganska stor noggrannhet (inom en procentenhet) modelleras som en linj¨ar funktion av inmatad eller utmatad effekt. Maximal effekt ¨ar densamma som elmotorns toppeffekt [6].

Likstr¨omsomvandlare

Likstr¨omsomvandlaren f¨orbinder de elektriska h¨ogsp¨annings- och l˚agsp¨anningssystemen. Den till˚ater att l˚agsp¨anningskomponenter drivs av h¨ogsp¨anningsbatteriet samt att det senare lad- das fr˚an generatorn. Omvandlarens verkningsgrad anges till 86 % och kapaciteten ¨ar 500 W [2].

2.2 F¨ orluster

Endast en liten del av den energi som frig¨ors i f¨orbr¨anningsmotorn anv¨ands f¨or att ¨overkomma rull- och luftmotst˚and. Figurerna 2.7 och 2.8 visar den kvantitativa relationen mellan olika f¨orluster vid framhjulsdrift respektive hybriddrift, baserad p˚a simuleringar i Unified (se Av- snitt 3.1). V¨ardena g¨aller f¨or k¨orcykeln NEDC (se Avsnitt 2.5). St¨orre delen av bruttoeffekten omvandlas till v¨arme i motor och bromsar eller anv¨ands f¨or att ¨overvinna luft- och rullmotst˚and.

I hybridl¨aget f¨orloras mycket mindre energi i skivbromsarna eftersom r¨orelseenergi ˚aterladdas till batteriet vid inbromsning. I geng¨ald uppst˚ar f¨orluster i batteri och elmotor, men den totala energianv¨andningen blir ¨and˚a l¨agre.

36%

< 1%

8%

35%

18%

< 1%

Motor

Koppling

Växellåda

Väglast

Bromsar

Bakaxel

Figur 2.7: F¨orluster vid framhjulsdrift

36%

1%

6% 35%

11%

5%

< 1%

6% Motor

Koppling Växellåda Väglast Bromsar Elmotor Batteri Förlustminskning

Figur 2.8: F¨orluster i hybridl¨age

Förarbegäran

Mätsignaler Styrsignaler

Kapabiliteter

Vridmoment- fördelning Vridmoment-

optimering

Figur 2.9: Hybridmjukvarans struktur

2.3 Mjukvara

Figur 2.9 ¨ar en f¨orenklad skiss ¨over hybridmjukvaran. Denna utvecklas i Simulink och konver- teras sedan till ett format som kan k¨oras av bilens dator. Hybridmjukvaran best¨ammer vilket vridmoment som ska beg¨aras av elmotorn och r¨aknar ut ett deltamoment som anger hur mycket bensinmotorns vridmoment ska minskas. Denna signal skickas vidare till den separata mjukvara som kontrollerar f¨orbr¨anningsmotorn. De olika blocken i Figur 2.9 har f¨oljande funktioner:

• Kapabiliteter ber¨aknar bland annat hur mycket vridmoment som f˚ar beg¨aras fr˚an de b˚ada motorerna, hur snabbt detta f˚ar ¨andras, etc. Syftet ¨ar att se till att inga komponenter

¨overskrider sina begr¨ansningar. V¨arden som ber¨aknas i andra block kontrolleras mot sig- nalerna fr˚an Kapabiliteter s˚a att de h˚aller sig inom ramarna.

• F¨orarbeg¨aran r¨aknar ut det ¨onskade vridmomentet vid hjulen. En prelimin¨ar f¨orarbeg¨aran r¨aknas ut av separat mjukvara och anger ¨onskat motorvridmoment baserat p˚a fordonets fart samt pedalpositionen. Till formen p˚aminner den mycket om Figur 2.11, det vill s¨aga h¨ogre beg¨aran vid l¨agre farter f¨or en given pedalposition. Hybridmjukvaran r¨aknar om den prelimin¨ara f¨orarbeg¨aran till vridmoment vid hjulen och skalar upp den f¨or att kunna utnyttja det extra vridmomentet fr˚an elmotorn vid full gas.

• Vridmomentoptimering ber¨aknar den optimala f¨ordelningen av vridmoment mellan moto- rerna f¨or att uppn˚a det ¨onskade vridmomentet vid hjulen.

• Vridmomentf¨ordelning best¨ammer den slutgiltiga vridmomentf¨ordelningen, med ˚aterkoppling fr˚an uppm¨atta v¨arden.

F¨oraren kan v¨alja tre olika l¨agen f¨or eXWD, ’Eco’, ’Sport’ eller ’Traction’. Ekol¨aget ¨ar det som fr¨amst g¨aller i detta projekt och det syftar till att minimera br¨anslef¨orbrukningen. I sportl¨aget laddas h¨ogsp¨anningsbatteriet vid behov fr˚an generatorn via DC-omvandlaren s˚a att bilen alltid kan utnyttja elmotorn fullt ut vid acceleration. Detta ger b¨asta prestanda men ¨ar inte f¨ordelaktigt f¨or br¨ansleekonomin. Med ’Traction’ aktiverat s˚a kan differentialv¨axeln f¨ordela elmotorns vrid- moment mellan bakhjulen f¨or att uppn˚a b¨asta m¨ojliga v¨aggrepp.

I automatversionen av 540 styrs v¨axell˚adan av ett v¨axlingsschema. Under normala om- st¨andigheter best¨ams v¨axeln av fordonets fart och av hur mycket f¨oraren trycker ner gaspe- dalen, s˚asom visas i Figur 2.10 [2]. Undantag f¨orekommer till exempel n¨ar fordonet detekterar en uppf¨orsbacke eller en ovanligt tung last. Det genomf¨ors d˚a en s¨oml¨os ¨overg˚ang till ett alternativt

v¨axlingsschema som ger mer kraft. Det finns separata v¨axlingsscheman f¨or uppv¨axling respek- tive nedv¨axling d¨ar det senares v¨axlingsgr¨anser ligger n˚agot l¨agre i fart. Det g˚ar att modifiera v¨axlingsschemat s˚a att v¨axlingsgr¨anserna i Figur 2.10 f¨orskjuts mot exempelvis l¨agre fart eller h¨ogre pedalnedtryckning. Ett liknande schema styr n¨ar lock-up i momentomvandlaren ska vara aktiverat.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 20 40 60 80 100

Fart [mph]

Pedalposition [%]

Växel 2 Växel 3 Växel 4 Växel 5 Växel 6

Figur 2.10: Gr¨anser f¨or nedv¨axling

2.4 V¨ aglast och prestandakrav

Rull- och luftmotst˚andet f¨or en bil kan beskrivas av ett andragradspolynom med koefficienterna F 0, F 1 och F 2, s˚a att kraften F som m˚aste ¨overvinnas ¨ar

F (v) = F 0 + F 1 × v + F 2 × v² (2.3)

d¨ar v ¨ar fordonets fart. Genom att l¨agga till en faktor m_bil× a, d¨ar m_bil ¨ar bilens massa och a dess acceleration, s˚a inr¨aknas ¨aven kraften som beh¨ovs f¨or att accelerera. Polynomkoefficien- terna skattas genom att l˚ata bilen sakta in fr˚an h¨og hastighet med ¨oppen koppling under det att farten m¨ats, varp˚a kraften kan r¨aknas ut som en funktion av denna. De koefficienter som ber¨aknas kommer ¨aven att beskriva bromsverkan fr˚an f¨orlusterna i v¨axell˚adan, s˚a dessa m˚aste dras av om F (v) bara ska beskriva luft- och rullmotst˚and. F¨or n¨arvarande finns inga m¨atningar f¨or hybridversionen av 540. Det g˚ar dock att skatta koefficienterna genom att utg˚a fr˚an den framhjulsdrivna bilens v¨arden och modifiera dem enligt

F 0ny = F 0(1 + 0,8(mny/m − 1)) (2.4) F 1ny = F 1 + (F 0ny− F 0) × (0.15/60) (2.5)

F 2ny = F 2 (2.6)

f¨or att ta h¨ansyn till hybridversionens h¨ogre vikt m_ny [7].

Den automatv¨axlade bilen har vissa krav p˚a acceleration som beror p˚a fordonets fart och p˚a pedalpositionen. Den senare m¨ats i procent och anger hur mycket gaspedalen ¨ar nedtryckt. Figur 2.11 visar den kr¨avda accelerationen som andel av det maximala v¨ardet [2]. Det ¨ar inte alltid m¨ojligt att uppn˚a prestandakraven utan att beh¨ova byta till en l¨agre v¨axel, men det ¨ar n¨odv¨andigt att bilen alltid har en viss momentreserv. Det inneb¨ar att en viss acceleration (svarande mot ett visst vridmoment p˚a hjulen, d¨arav namnet) ska kunna uppn˚as utan att v¨axla ned. I fallet med 540 s˚a ska gaspedalen kunna tryckas ned 30 % ut¨over pedalpositionen vid konstant fart. Den resulterande accelerationen hamnar d˚a mellan linjerna f¨or 30 % och 40 % pedalnedtryckning i Figur 2.11.

Prestandakraven f¨or bilar med manuell v¨axel ¨ar enklare eftersom f¨oraren har frihet att v¨alja v¨axel efter behag. Bilens acceleration m¨ats vid 10 km/h p˚a f¨orsta v¨axeln, 20 km/h p˚a andra och vid 105 km/h p˚a h¨ogsta v¨axeln. F¨or varje fart finns det olika prestandaniv˚aer specificerade, s˚asom

’Sport’ och ’Eco’. Prestandakraven ska kunna uppfyllas vid en fordonsvikt motsvarande tomvikt plus 200 kg.

Till sist s˚a ¨ar det viktigt att prestandakraven uppfylls utan att ’booming’ uppst˚ar. Det ¨ar ben¨amningen p˚a de vibrationer och brummande ljud som uppst˚ar till exempel n¨ar f¨oraren f¨ors¨oker accelerera p˚a en f¨or h¨og v¨axel. Till skillnad fr˚an br¨anslef¨orbrukning och i viss m˚an prestanda s˚a kan detta fenomen inte unders¨okas med hj¨alp av mjukvaran, utan det m˚aste testas i bil.

0 50 100 150 200 250

−0.4

−0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Fart [km/h]

a/amax

100%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0%

Figur 2.11: Kr¨avd acceleration (som andel av maxv¨ardet) f¨or olika pedalpositioner

2.5 Utv¨ ardering av br¨ anslef¨ orbrukning

En bils officiella br¨anslef¨orbrukning best¨ams av hur mycket br¨ansle den drar i en specificerad k¨orcykel. Denna anger vilken fart bilen ska h˚alla i varje tidpunkt och avvikelser fr˚an denna fart m˚aste h˚allas inom en viss felmarginal. Ifall bilen ¨ar manuellt v¨axlad s˚a anger k¨orcykeln ¨aven vilken v¨axel som ska anv¨andas vid varje tidpunkt. Ut¨over detta f¨orekommer krav p˚a d¨acktryck och omgivande temperatur.

Det finns ett antal olika k¨orcykler som ska simulera k¨orning under olika f¨orh˚allanden. I Euro- pa anv¨ands NEDC (New European Driving Cycle, Nya europeiska k¨orcykeln) f¨or att best¨amma den officiella br¨anslef¨orbrukningen. NEDC ¨ar framtagen f¨or att motsvara k¨orning under verk- liga f¨orh˚allanden i Europa. Figur 2.12 visar dess fartkurva samt vilka v¨axlar som anv¨ands [8].

K¨orcykeln ska utf¨oras i en utetemperatur p˚a 20-30^◦C och bilen ska vara kall vid start. Alla elektriska system ska vara avslagna.

0 200 400 600 800 1000 1200 0

20 40 60 80 100 120

Tid [s]

Fart [km/h]

0 200 400 600 800 1000 1200

0 1 2 3 4 5 6 7

Tid [s]

Växel

Figur 2.12: Testcykeln NEDC

NEDC karakteriseras av ganska l˚aga hastigheter och accelerationer. Den totala str¨ackan ¨ar 11 km och tiden ¨ar 1180 s, vilket ger en medelhastighet p˚a lite drygt 33 km/h. Den h¨ogsta accelerationen som uppn˚as ¨ar 1,26 m/s², vilket ¨ar mycket mindre ¨an vad moderna bilar som 540 klarar av.

En f¨oljd av detta ¨ar att ¨andringar p˚a bilen som p˚averkar konsumentens br¨anslef¨orbrukning inte n¨odv¨andigtvis reflekteras i resultaten fr˚an NEDC. I denna rapport kommer 540-hybridens br¨anslef¨orbrukning i NEDC att anv¨andas som referensv¨arde. Eventuella besparingar kommer att anges som andelar av detta v¨arde.

2.6 Modellering

Det finns ett flertal metoder att ber¨akna en bils br¨anslef¨orbrukning utan att beh¨ova genomf¨ora verkliga tester. Samtliga f¨oruts¨atter dock kunskap om luft- och rullmotst˚and i form av m¨atningar eller skattningar av koefficienterna F 0, F 1 och F 2, fordonets massa samt motorns br¨ansle- f¨orbrukning vid olika varvtal och vridmoment. Oftast g¨aller modellerna uppv¨armda fordon.

Br¨anslef¨orbrukningen i citycykeln (f¨orsta 780 sekunderna av NEDC) brukar d˚a skalas upp med en viss faktor f¨or att motsvara f¨orbrukningen vid kallstart.

Den kvasistatiska metoden utg˚ar fr˚an ¨onskad fart, acceleration och, om det ¨ar aktuellt, v¨agbanans lutning. Den n¨odv¨andiga kraften som m˚aste agera p˚a fordonet r¨aknas ut, varp˚a ing˚aende och utg˚aende vridmoment och varvtal ber¨aknas f¨or i tur och ordning v¨axell˚ada, kopp- ling/momentomvandlare och motor. Dessa steg illustreras av Figur 2.13. N¨ar vridmoment och varvtal f¨or motorn ¨ar k¨ant s˚a kan den momentana br¨anslef¨orbrukningen ber¨aknas utifr˚an infor- mationen i Figur 2.1. F¨or att ber¨akna br¨anslef¨orbrukningen i en testcykel s˚a delas den senare upp i ett antal intervall d¨ar fart och acceleration antas vara konstanta, d¨arav metodens namn.

Br¨anslef¨orbrukningen kan best¨ammas med ganska stor noggrannhet med den kvasistatiska me- toden, trots f¨orenklingar och omv¨and kausalitet [3, s. 36].

Dynamisk modellering ¨ar mer komplicerad och tar h¨ansyn till drivlinans fulla dynamik. Mo- dellerna f¨or de enskilda komponenterna ¨ar oftast mer detaljerade och simuleringarna ¨ar kausalt korrekta p˚a s˚a s¨att att acceleration, v¨axell¨age, mm, ber¨aknas utifr˚an f¨orarens input. Dynamiska modeller inkluderar oftast en f¨orarmodell som ser till att bilen kan f¨olja en k¨orcykel. Under detta projekt har b˚ade kvasistatisk och dynamisk modellering anv¨ants.

Hjul

Växellåda Motor

ω,τ

ω',τ'

v,a

Figur 2.13: Kvasistatisk modellstruktur

Kapitel 3

Verktyg, metod och id´ eer

3.1 Verktyg

Fyra olika typer av verktyg fanns tillg¨angliga under examensarbetet

• M¨atdata fanns tillg¨angliga f¨or de flesta av bilens komponenter. Vridmomentgr¨anser var k¨anda f¨or bensinmotor, elmotor, v¨axell˚ada och momentomvandlare. Br¨anslef¨orbrukingen f¨or N18 Q147 var k¨and i ett stort antal m¨atpunkter, liksom verkningsgraden f¨or elmo- torn, momentomvandlaren och v¨axell˚adan M32. Verkningsgraden f¨or F21-250 var endast uppm¨att i ett f˚atal arbetspunkter, men fler data fanns tillg¨angliga f¨or den snarlika AF40 och dessa anv¨andes under simuleringarna. Slutligen var fordonsparametrar som t.ex. massa, hjulradier och motst˚andskoefficienter k¨anda.

• Simuleringsmjukvara i form av simulinkmodellen Unified, av typen dynamisk modell som diskuterades i Avsnitt 2.6. Tv˚a versioner var installerade, en av dem f¨orberedd med m¨atdata f¨or automatversionen av 540 och en mycket f¨orenklad version av hybridmjukvaran som bara omfattade ˚aterladdning vid inbromsning. Den andra versionen hade en fullst¨andig, men ganska gammal, version av hybridmjukvaran (1.6.14) f¨or manuell bil. Den var dock f¨orsedd med m¨atdata f¨or en annan motor. Dessa ersattes med data f¨or N18 Q147 s˚a att simuleringar kunde genomf¨oras med 540 i hybridl¨aget.

• ’Mulor’ — testbilar med den nya drivlinan instoppade i chassin fr˚an gamla 9-3. En da- tor kan anslutas till en mula och med hj¨alp av programmet INCA spela in styrsignaler som till exempel pedalposition och beg¨art vridmoment samt m¨atsignaler som br¨anslefl¨ode och motorvarvtal. Mulorna inneh˚aller prototyph˚ardvara och var d¨arf¨or utsatta f¨or en del begr¨ansningar. Elmotorn fick inte anv¨andas vid hastigheter ¨over 70 km/h och dess vrid- moment var begr¨ansat till runt h¨alften av det maximala v¨ardet. En brytare inne i bilen till˚ater f¨oraren att sl˚a p˚a eller av hybriddrivlinan. Mulorna var f¨orsedda med version 1.7.13 av hybridmjukvaran under de tester som genomf¨ordes.

• En chassidynamometer. Denna anv¨ands f¨or att simulera en k¨orcykel genom att applicera ett vridmoment p˚a hjulen som bilen m˚aste ¨overvinna. Fordonet ¨ar station¨art och fastsurrat under ett test, med hjulen placerade p˚a chassidynamometerns rullar (se Figur 3.1). Tv˚a par beh¨ovs f¨or fyrhjulsdrivna bilar som 540-hybriden. Vridmomentet p˚a rullarna ¨ar en funktion av deras varvtal och kalibreras genom att ange en simulerad fordonsvikt och motst˚andskoefficienterna F0, F1 och F2. N¨ar k¨orcykeln genomk¨ors f˚ar f¨oraren se fordonets

’fart’ plottad mot tiden p˚a en datorsk¨arm, tillsammans med riktv¨ardet och den till˚atna felmarginalen.

Figur 3.1: En chassidynamometer f¨or ett hjulpar

3.2 Metod

Vid projektets b¨orjan fanns ett antal id´eer f¨or minskad br¨anslef¨orbrukning som SAAB ville testa. Dessa tas upp i n¨asta avsnitt. Ut¨over de ursprungliga id´eerna s˚a d¨ok det upp n˚agra under projektets g˚ang, n¨amligen de om l¨agre tomg˚angsvarvtal, tomg˚ang med startmotorn och

¨andrad slutv¨axel. Till att b¨orja med genomf¨ordes kortare tester av varje metod med hj¨alp av simuleringar, d¨ar det bed¨omdes vara m¨ojligt. Simuleringarna fokuserade fr¨amst p˚a hur mycket br¨ansle som potentiellt kunde sparas. Mer omfattande simuleringar och ber¨akningar genomf¨ordes d¨arefter f¨or att utv¨ardera de metoder som verkade mest lovande. Till sist gjordes ¨andringar av hybridmjukvaran f¨oljt av tester i mulorna med syfte att verifiera simuleringsresultaten samt att besvara fr˚agor som simuleringarna inte kunde ge svar p˚a.

Parallellt med simuleringarna s˚a skapades en kvasistatisk modell av den manuella bilens driv- lina. Modellen baserade sig p˚a tillg¨angliga m¨atdata, delvis h¨amtade fr˚an Unifiedmodellen. Syftet med den kvasistatiska modellen var framf¨or allt att l¨ara sig exakt hur drivlinan ¨ar uppbyggd och var olika f¨orluster kommer in, men ocks˚a att p˚a ett smidigare s¨att kunna r¨akna p˚a pre- standa¨andringar. Strukturen liknade Figur 2.13, men den h¨ar modellen tog ¨aven h¨ansyn till den momentana ¨andringen av varvtal i de roterande delarna av drivlinan. D¨aremot kunde modellen inte r¨akna med v¨axelbyten eller inbromsningar. Modellen visade sig ge n¨armast identiska v¨arden j¨amf¨ort med Unified vad g¨aller motorns vridmoment och momentan br¨anslef¨orbrukning n¨ar den till¨ampades p˚a olika delar av NEDC.

3.3 Betraktade id´ eer

3.3.1 Elektrisk iv¨ agk¨ orning

N¨ar en automatv¨axlad bil accelererar fr˚an stillast˚aende s˚a ¨ar energif¨orlusterna i drivlinan s¨arskilt h¨oga. Det beror p˚a momentomvandlarens l˚aga verkningsgrad vid h¨oga slirningsvarvtal, vilken vi- sas i Figur 2.3. Det kan vara m¨ojligt att minska br¨anslef¨orbrukningen i denna situation genom att f¨ordela allt beg¨art hjulmoment till elmotorn och l˚ata bensinmotorn g˚a p˚a tomg˚ang tills mo- mentomvandlarens slirningsvarvtal minskat.

Thomas Moberg genomf¨orde simuleringar i Unified f¨or denna metod. Efter lovande resultat genomf¨ordes ett test med provbil p˚a chassidynamometern. Simuleringar och m¨atningar gav b˚ada en minskning av br¨anslef¨orbrukningen med omkring 0,8 % i NEDC. Tidsbrist medgav dock endast ett test vardera med originalinst¨allningar respektive elektrisk iv¨agk¨orning. F¨or en mer utf¨orlig presentation h¨anvisas till Thomas Mobergs rapport.

3.3.2 Elektrisk momentreserv

En automatv¨axlad bil m˚aste alltid ha en viss momentreserv, vilket inneb¨ar att den m˚aste kunna uppn˚a ett specificerat vridmoment p˚a hjulen eller en viss acceleration utan att beh¨ova byta till en l¨agre v¨axel. Om marginalen blir f¨or liten s˚a m˚aste bilen k¨ora p˚a en l¨agre v¨axel —med h¨ogre ben- sinf¨orbrukning som f¨oljd— ¨aven om den klarar av att k¨ora p˚a den h¨ogre v¨axeln. Momentreserven f¨orklaras mer utf¨orligt i Avsnitt 2.4. Hybridversionen av 540 har mer effekt tillg¨anglig j¨amf¨ort med den ordinarie versionen i och med att den har en elmotor. Detta kan eventuellt m¨ojligg¨ora

¨andringar i v¨axlingsschemat s˚a att bilen kan spendera mer tid p˚a h¨ogre v¨axlar i NEDC och d¨armed spara br¨ansle.

Denna id´e verkade lovande, men det visade sig att det befintliga v¨axlingsschemat redan place- rade nedv¨axlingsgr¨anserna n¨ara motorvarvtalet 1000 varv per minut. D˚a motorn inte f˚ar driva bilen vid l¨agre varvtal kan v¨axlingsschemat inte f¨orb¨attras med denna metod. N˚agot som skulle kunnat genomf¨oras var att l˚ata bilen h˚alla en h¨ogre v¨axel l¨angre vid inbromsning, d˚a motorn inte applicerar ett drivande vridmoment. Lock-up skulle dock beh¨ova avaktiveras n¨ar motorn g˚ar under 1000 varv. Detta medf¨or enligt simulering att br¨anslef¨orbrukningen ¨okar j¨amf¨ort med alternativet att v¨axla ned men beh˚alla lock-up. Id´en med elektrisk momentreserv avf¨ardades d¨arf¨or.

3.3.3 Andrad slutv¨ ¨ axel

Denna ¨ar n¨ara relaterad till f¨oreg˚aende id´e om elektrisk momentreserv. Om slutv¨axeln byts mot en med l¨agre utv¨axling s˚a kommer motorn att g˚a l˚angsammare f¨or en given v¨axel och fart p˚a fordonet.

Motorn levererar fortfarande (ungef¨ar) samma effekt, men vid l¨agre varvtal och h¨ogre vridmo- ment. Detta ¨okar i de flesta fall verkningsgraden, vilket kan ses i Figur 2.1. F¨orb¨attringen blir st¨orst vid l˚aga effekter, som n¨ar bilen k¨or med konstant fart. Den kumulativa br¨anslebesparingen i NEDC borde d¨arf¨or kunna bli h¨og. Det l¨agre motorvarvtalet leder dock till en minskning av den tillg¨angliga effekten vid en given fordonsfart, vilket ¨ar anledningen till att man inte alltid v¨aljer en v¨aldigt l˚ag slutv¨axel. Detta kan kanske kompenseras av den extra momentreserv som hybridens elmotor bidrar med.

Denna id´e unders¨oktes n¨armare och till¨agnas ett separat kapitel (Kapitel 4).

3.3.4 Avskaffad t¨ ands¨ ankning

T¨ands¨ankning inneb¨ar att t¨andstiften i motorn startar f¨orbr¨anningen av br¨anslet vid en icke- optimal tidpunkt, vilket minskar verkningsgraden. T¨ands¨ankning anv¨ands i vissa situationer f¨or att det hj¨alper motorn att g˚a mjukt och eftersom det har en stabiliserande inverkan p˚a varvtalet till exempel vid tomg˚ang.

Simulering visade en br¨anslebesparing p˚a 2 % om t¨ands¨ankning avskaffads helt (simulerat f¨or automat). Det bed¨omdes dock inte finnas n˚agra m¨ojligheter att utv¨ardera denna id´e ordentligt med de verktyg som fanns tillg¨angliga. T¨ands¨ankning anv¨ands bara vid tomg˚ang, s˚a det ¨ar sv˚art att se vilken skillnad eXWD-systemet skulle kunna g¨ora. Om det varit m¨ojligt att minska t¨ands¨ankningen s˚a skulle det ¨aven g¨alla den vanliga versionen av 540 och motorstyravdelningen p˚a SAAB skulle f¨ormodligen redan ha gjort det. Id´en avf¨ardades d¨arf¨or.

3.3.5 ˚ Aterladdning med differentialmoment

Kan det vara m¨ojligt att ˚aterladda energi n¨ar ett differentiellt vridmoment appliceras p˚a bakhju- len?

Detta ¨ar n˚agot som bara anv¨ands under korta tidsperioder och skulle f¨ormodligen inte ge n˚agra stora m¨angder laddning. Id´een l˚agprioriterades d¨arf¨or och hann inte unders¨okas n¨armare.

3.3.6 L¨ agre tomg˚ angsvarvtal

I ett vanligt fordon s¨atts tomg˚angsvarvtalet tillr¨ackligt h¨ogt f¨or att 1. Garantera en j¨amn motorg˚ang

2. Kunna ta ut en viss effekt fr˚an generatorn

I SAAB 540 kan h¨ogsp¨anningsbatteriet driva l˚agsp¨anningskomponenter via likstr¨omsomvandlaren, s˚a 2) bortg˚ar om batteriet ¨ar n˚agorlunda laddat. Det kan d˚a eventuellt vara m¨ojligt att s¨anka tomg˚angsvarvtalet, vilket minskar bensinmotorns interna f¨orluster och d¨armed br¨anslef¨orbrukningen.

I en automatv¨axlad bil minskar f¨orlusterna i momentomvandlaren ocks˚a eftersom slirningsvarv- talet blir l¨agre.

Id´en verkade sv˚ar att testa med de verktyg som finns tillg¨angliga. Enklast skulle ha varit ett test i mulorna, men tomg˚angsvarvtalet regleras inte av hybridmjukvaran utan av motorstyrmjukvaran som inte var tillg¨anglig. Simulering i Unified kan kanske ge en uppfattning om vilka besparingar man kan f¨orv¨anta sig, men ¨ar f¨orenad med stora os¨akerheter.

• M¨atdata f¨or br¨anslef¨orbrukning under 800 varv per minut saknas, s˚a extrapolering m˚aste anv¨andas

• M¨atdata f¨or maximalt vridmoment och effekt saknas ocks˚a

• Motormodellen i Unified ¨ar inte avsedd att anv¨andas p˚a detta s¨att och kan till exempel inte avg¨ora om motorn g˚ar oj¨amnt eller stannar

• Det kan eventuellt vara n¨odv¨andigt med ¨okad t¨ands¨ankning om tomg˚angsvarvtalet s¨anks, vilket skulle minska br¨anslebesparingen

Figur 3.2 visar den simulerade relativa br¨anslebesparingen i NEDC f¨or tomg˚angsvarvtal ner till 600 varv per minut. T¨ands¨ankningen har antagits vara of¨or¨andrad. Som synes s˚a kan det eventuellt finnas potential f¨or en ganska betydande br¨anslebesparing, men det ¨ar v¨art att ˚aterigen p˚apeka att simuleringsresultaten kan vara v¨aldigt os¨akra. Metoden med s¨ankt tomg˚angsvarvtal bed¨omdes v¨ard att unders¨oka n¨armare, men inte inom ramen f¨or detta exjobb.

600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700

0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1

Varvtal [minut⁻¹]

Relativ bränsleförbrukning

Automat Manuell

Figur 3.2: Simulerad br¨anslef¨orbrukning f¨or olika tomg˚angsvarvtal

3.3.7 Tomg˚ ang med startmotorn

Skulle br¨anslefl¨odet till f¨orbr¨anningsmotorn kunna st¨angas av vid tomg˚ang om startmotorn anv¨ands f¨or att driva runt den?

En l˚angs¨okt id´e, som dock unders¨oktes kort. Inga data fanns tillg¨angliga f¨or startmotorn, men med 100 % verkningsgrad skulle 0,330 kg br¨ansle sparas per anv¨and kWh. Likstr¨omsomvandlaren har dock f¨or l˚ag kapacitet f¨or att ¨overf¨ora den beh¨ovda m¨angden effekt ens utan f¨orluster i startmotorn. Den senare ¨ar dessutom inte konstruerad f¨or kontinuerlig drift. Id´en avf¨ardades d¨arf¨or snabbt.

Kapitel 4

Andrad slutv¨ ¨ axel

En l¨agre slutv¨axel l˚ater motorn arbeta effektivare vid en given effekt genom att s¨anka varvtalet och h¨oja vridmomentet. Figur 2.1 visar hur verkningsgraden stiger kraftigt n¨ar vridmomentet

¨okas fr˚an l˚aga v¨arden. Vridmomentet har en liknande, om ¨an inte lika dramatisk, inverkan p˚a v¨axell˚adans verkningsgrad s˚asom visas i Figur 2.4. Slutligen lagras mindre energi i motorns och v¨axell˚adans roterande komponenter n¨ar slutv¨axeln s¨anks, vilket minskar effektbehovet n˚agot vid acceleration. Denna effekt b¨or dock vara f¨orsumbar j¨amf¨ort med de tv˚a f¨oreg˚aende. Ut¨over den f¨orb¨attrade verkningsgraden s˚a kan man eventuellt f¨orv¨anta sig mer ˚aterladdad energi till h¨ogsp¨anningsbatteriet eftersom bensinmotorn tar upp mindre effekt vid inbromsning n¨ar den roterar l˚angsammare.

Det finns dock ¨aven o¨onskade f¨oljder om slutv¨axeln ¨andras. Framf¨or allt s˚a kan bensinmotorn inte leverera lika mycket effekt vid l¨agre varvtal, vilket inverkar negativt p˚a accelerationen.

F¨orlusteffekten i kopplingen eller momentomvandlaren ¨okar i vissa situationer s˚a att slitaget f¨ormodligen blir h¨ogre. En annan f¨oljd av l¨agre slutv¨axel ¨ar att den l¨agsta m¨ojliga farten f¨or varje v¨axel h¨ojs eftersom motorn inte f˚ar g˚a ner f¨or l˚angt i varvtal. F¨or automatv¨axlad bil inneb¨ar detta att v¨axlingsschemat m˚aste modifieras om v¨axelbyten ska ske vid samma varvtal som f¨orut. Det kan vara n¨odv¨andigt f¨or att inte riskera att g˚a under varvtalsgr¨anserna.

Detta kapitel fokuserar framf¨or allt p˚a f¨oljande fr˚agor, vilka bed¨omdes vara de viktigaste f¨or att utv¨ardera metoden:

• Hur stor blir br¨anslebesparingen i cykeln (NEDC)?

• Hur mycket minskar den tillg¨angliga effekten och accelerationen? Kan elmotorn t¨acka upp f¨or f¨orlusten?

• Hur p˚averkas m¨angden energi som ˚aterladdas till batteriet under cykeln? ¨Andras br¨ansle- besparingen per enhet anv¨and elenergi?

• Hur upplever f¨oraren ¨andringarna?

Ut¨over detta unders¨oks inverkan p˚a bilens toppfart, p˚a kopplingen samt hur drivlinans totala verkningsgrad f¨or¨andras f¨or olika kombinationer av fart och acceleration.

4.1 Ber¨ akningar

4.1.1 Toppfart

En bils toppfart begr¨ansas av endera av tv˚a faktorer:

1. H¨ogsta till˚atna motorvarvtal 2. Maximal motoreffekt

Vid h¨oga v¨axlar kan bilen k¨ora v¨aldigt fort innan motorvarvtalet blir f¨or h¨ogt. I praktiken ¨ar det effekten som begr¨ansar toppfarten, vilket ¨aven medf¨or att den senare inte n¨odv¨andigtvis uppn˚as p˚a h¨ogsta v¨axeln. Motoreffekten ¨ar ju som h¨ogst strax under ¨ovre varvtalsgr¨ansen p˚a 6000 varv per minut.

Vid konstant fart anv¨ands ingen effekt till att accelerera fordonet eller roterande delar i drivlinan. Motorns uteffekt blir d˚a lika med f¨orlusterna i v¨axell˚adan och bakaxeln plus effekten som kr¨avs f¨or att ¨overvinna rull- och luftmotst˚and. Topphastigheten kan allts˚a enkelt r¨aknas ut med hj¨alp av f¨oljande relationer



















ω_elmotor= K_elmotor×_3,6×r^v

hjul

ω_m= K × ω_hjul= K ×_3,6×r^v

hjul

ωm≤ ωm,max

τ_m(ω_m) × ω_m× η_trans(ω_m,τ_m) ≥_3,6^v [F 0 + F 1v + F 2v²] + ω_elmotor× τ_{f ¨}orlust,elmotor

τm(ωm) ≤ τm,max(ωm)

d¨ar ωm och τm ¨ar vinkelfarten respektive vridmomentet f¨or bensinmotorn, v ¨ar farten i km/h, rhjul ¨ar hjulradien och ωelmotor× τf ¨orlust,elmotor ¨ar f¨orlusterna i bakaxeln. K anger som vanligt utv¨axlingen f¨or den aktuella v¨axeln och Kelmotor utv¨axlingen fr˚an elmotorn till bakaxeln. F 0, F 1 och F 2 k¨anns igen fr˚an Avsnitt 2.4. Observera att elmotorns effekt inte ¨ar medr¨aknad.

Toppfarten kan naturligtvis h¨ojas genom att driva med elmotorn ocks˚a, men det skulle bara g˚a att g¨ora under en kortare stund inan batteriet laddats ur.

4.1.2 Effektivitets¨ andringar

Den kvasistatiska modellen anv¨andes f¨or att ber¨akna verkningsgraden f¨or varje v¨axel och slutv¨axel f¨or manuell bil. Verkningsgraden definierades h¨ar som kvoten mellan nyttoeffekten och br¨ansle- fl¨odet g˚anger br¨anslets energit¨athet. Nyttoeffekten ¨ar den effekt som accelererar bilen plus vad som kr¨avs f¨or att ¨overvinna luft- och rullmotst˚andet. Verkningsgraden ber¨aknades f¨or alla kom- binationer av fart och acceleration som gav motorvarvtal mellan 800 och 6000 samt vridmo- ment under de maximala v¨ardena f¨or N18 Q147, dvs. i de punkter d¨ar m¨atdata f¨or motorn br¨anslef¨orbrukning fanns tillg¨angliga. Ber¨akningarna utf¨ordes under antagandena att hybrid- drivlinan var inaktiv, att generatorn inte drog n˚agon effekt samt att fordonets massa motsvarade certifieringsvikten.

4.1.3 Acceleration

Maximal acceleration med de olika slutv¨axlarna ber¨aknades utifr˚an den kvasistatiska modellen f¨or manuellt v¨axlad bil. Accelerationen ber¨aknades f¨or fallen inaktiv hybriddrivlina samt fullt vridmoment p˚a elmotorn. Liksom vid effektivitetsber¨akningarna antogs noll effekt till generatorn, men ist¨allet f¨or certifieringsvikten anv¨andes en vikt motsvarande tomvikten plus 200 kg, vilket

¨ar standard f¨or prestandaber¨akningar hos SAAB.

F¨or automatv¨axlad bil ber¨aknades inte den exakta accelerationen. Drivlinan ¨ar mer sv˚ar- modellerad p˚a grund av momentomvandlaren och denna medf¨or ¨aven att varvtalss¨ankningen inte f˚ar s˚a stora effekter vid h¨og acceleration (d˚a lock-up inte anv¨ands). Ist¨allet ber¨aknades den h¨ogsta m¨ojliga effektf¨orlusten till f¨oljd av av varvtalss¨ankningen, givet att lock-up anv¨ands.

4.2 Simuleringar i Unified

Samtliga simuleringar genomf¨ordes med testcykeln NEDC, med n˚agot varierande simulerings- inst¨allningar beroende p˚a vilka aspekter som unders¨oktes. Samtliga f¨ors¨ok genomf¨ordes dock med originalv¨arden f¨or rull- och luftmotst˚and, utan extra last och med en fordonsvikt motsva- rande certifieringsvikten. I de fall d˚a inget annat anges s˚a var h¨ogsp¨anningsbatteriets ursprung- liga laddningsniv˚a 55 % och de elektriska l˚agsp¨anningssystemen (radio, ljus, luftkonditionering, styrservo, mm) drog ingen effekt.

Simulering av br¨anslef¨orbrukning i cykeln utf¨ordes f¨or varje tillg¨anglig slutv¨axel dels i hy- bridl¨age, dels med enbart framhjulsdrift. F¨or automatv¨axlad bil fanns endast mjukvara f¨or

˚aterladdning av h¨ogsp¨anningsbatteriet tillg¨anglig, s˚a det var inte m¨ojligt att testa hybridsy- stemets inverkan p˚a br¨anslef¨orbrukningen f¨or denna bil. Den l¨agre slutv¨axeln f¨or automaten simulerades b˚ade med of¨or¨andrat v¨axlingsschema och med ett korrigerat schema som v¨axlade vid samma motorvarvtal som originalschemat gjort f¨or originalslutv¨axeln. Detta innebar att alla v¨axlingslinjer var n˚agot f¨orskjutna mot h¨ogre farter.

Simuleringar med 30 % initiell laddningsniv˚a genomf¨ordes f¨or att utv¨ardera huruvida slutv¨axeln p˚averkade tiden det tog att ˚aterh¨amta laddningsniv˚an eller kostnaden i form av f¨orh¨ojd br¨ansle- f¨orbrukning. En serie simuleringar genomf¨ordes ocks˚a d¨ar laddningsniv˚an vid start korrigerades individuellt f¨or varje slutv¨axel s˚a att den totala m¨angden batterienergi som anv¨andes blev lika stor.

Slutligen genomf¨ordes en simulering f¨or varje slutv¨axel d¨ar de olika tolvvoltssystemen drog en effekt om 500 W fr˚an h¨ogsp¨anningsbatteriet via likstr¨omsomvandlaren. Hybridsystemet var aktivt under dessa simuleringar. Det var ¨aven planerat att simulera fallet d¨ar l˚agniv˚asystemen drivs direkt av generatorn och tolvvoltsbatteriet, men detta gick inte att st¨alla in i simulerings- mjukvaran.

Sammanfattningsvis genomf¨ordes f¨oljande simuleringar, varav de sista fyra enbart g¨allde ma- nuell bil:

• NEDC med framhjulsdrift

• NEDC i hybridl¨age

• NEDC med l¨agre laddningsniv˚a vid start

• NEDC med h¨ojd laddningsniv˚a f¨or vissa slutv¨axlar

• NEDC med 500 W effekt till 12 V-komponenter

4.3 Experiment i bil

Med lovande simuleringsresultat beslutades det att utv¨ardera ¨andrad slutv¨axel i mulorna, dock endast med manuell v¨axel. Detta skulle ha m¨ojliggjort ett test av br¨anslef¨orbrukningen med den senaste hybridmjukvaran och utan att riskera felaktiga resultat p˚a grund av d˚aliga m¨atdata eller fel inst¨allningar i Unified. Experimenten skulle ocks˚a ha kastat ljus n˚agra fr˚agor som inte kunde besvaras av datorsimuleringar; skulle fordonet k¨annas tr¨ogt p˚a grund av den minskade tillg¨angliga effekten och skulle booming uppst˚a n¨ar fordonet accelererades vid l˚ag fart? Sammanfattningsvis syftade experimenten till att uppn˚a f¨oljande m˚al:

• Verifiera resultaten fr˚an simuleringarna vad g¨aller br¨anslef¨orbrukningen

• Se hur den senaste mjukvaran (1.7.13) betedde sig n¨ar slutv¨axeln ¨andrades

• Verifiera de ber¨aknade prestanda¨andringarna

• Utv¨ardera f¨orarupplevelsen

Olyckligtvis kunde inte alla punkter utv¨arderas eftersom hybriddrivlinan var ur funktion vid ett av testen. Endast br¨anslef¨orbrukningen vid framhjulsdrift kunde d¨arf¨or testas.

4.3.1 NEDC p˚ a chassidynamometer

Uppst¨allning

Ett snabbt experiment inom ramen f¨or ett examensarbete motiverar inte ett byte av h˚ardvaran i bilarna, vilket skulle kr¨ava ett l¨angre bes¨ok p˚a verkstaden. Det ¨ar dock m¨ojligt att ’simulera’ en

¨andrad slutv¨axel n¨ar bilen k¨or p˚a en chassidynamometer. Hastigheterna i testcykeln skalas ned s˚a att motorn g˚ar p˚a ett l¨agre varvtal, precis som om utv¨axlingen ¨andrats. Om vridmomentet p˚a rullarna ¨okas med samma faktor som farten s¨anks s˚a blir den n¨odv¨andiga effekten densamma och bilen kommer att bete sig som om slutv¨axeln hade bytts ut¹.

Exakt hur ska ¨andringarna se ut? F¨or motorhastighet och n¨odv¨andigt vridmoment och nyt- toeffekt g¨aller f¨oljande ekvationer,

ωhjul= v rhjul

(4.1) ω_m= ω_hjul× K ∝ v × K (4.2) τhjul = [F 0 + F 1v + F 2v²+ mbila] × rhjul+ Ihjul× ˙ωhjul (4.3) P = τ_hjul× ωhjul = [F 0v + F 1v²+ F 2v³] + [m_bil+I_hjul

r²_hjul] × v × a (4.4) d¨ar K ¨ar den totala utv¨axlingen f¨or den aktuella v¨axeln. Motorns vinkelhastighet ωm¨ar propor- tionell mot farten v och vridmomentet τhjulsom beh¨ovs p˚a hjulen beror p˚a farten, accelerationen a, fordonsmassan mbil, hjulradien rhjuloch hjulens tr¨oghetsmoment Ihjul. Den f¨orsta termen med F-koefficienterna k¨anns igen fr˚an Avsnitt 2.4, men de ¨ar h¨ar omr¨aknade s˚a att farten m¨ats i m/s.

Om n nu definieras som den relativa ¨andringen av K n¨ar slutv¨axeln byts ut, n = Kreell/Kny, s˚a g¨aller att

ω_m,ny∝ v × Kny= v × K_reell

n (4.5)

Farten i testcykeln b¨or allts˚a skalas med en faktor 1/n f¨or att motorns varvtal ska svara mot utv¨axlingen Kny. Vad g¨aller f¨or vridmomentet p˚a chassidynamometern? Nyttoeffekten P ska vara of¨or¨andrad, men den beror av b˚ade v, v², v³ och a. Observera att a skalas med samma faktor som v. L¨osningen ¨ar att skala F 0 med n, F 1 och mbil med n² samt F 2 med n³. Som tidigare n¨amnts s˚a kan v¨ardena p˚a dessa st¨allas in f¨or chassidynamometern. Helst skulle Ihjul/r_hjul² ocks˚a skalas om, men den faktorn ¨ar s˚a liten i f¨orh˚allande till bilens massa (ca 1/100) att ¨andringen kan f¨orsummas (annars hade det varit m¨ojligt att ta h¨ansyn till den genom att modifiera mbil). Dessa inst¨allningar ger korrekt fart och vridmoment f¨or bensinmotorn, men medf¨or ¨aven att bakaxeln roterar f¨or l˚angsamt. Detta minskar f¨orlusterna i bakaxeln n˚agot och elmotorns effekt blir mindre om den arbetar i omr˚adet med konstant vridmoment i Figur 2.5. ˚Aterigen ¨ar f¨orlusterna s˚a sm˚a (se Figur 2.7) att en ¨andring p˚a n˚agra procent kan f¨orsummas.

1Ett p˚a m˚anga s¨att b¨attre alternativ hade varit att byta de fr¨amre hjulen till ett par med st¨orre radie. Det hade dock kr¨avt ett par bes¨ok p˚a verkstaden och det var oklart om det fanns hjul med andra radier tillg¨angliga och i s˚a fall vilka.

Hybridmjukvaran modifierades inf¨or testen s˚a att relevanta m¨atsignaler skulle svara mot den specificerade farten i cykeln ist¨allet f¨or den verkliga, l¨agre farten. Detta f¨or att hybridmjukvaran skulle bete sig som om slutv¨axeln hade bytts ut fysiskt. M¨atsignalerna f¨or fart, utv¨axling f¨or slutv¨axeln och vinkelhastighet p˚a hjulen skalades upp med en faktor n. Det var inte helt klart huruvida signalerna till och fr˚an elmotorn skulle modifieras. En uppskalad vinkelfart hade lett till ett felaktigt v¨arde p˚a verkningsgrad och tillg¨anglig effekt. Ett of¨or¨andrat v¨arde skulle ha kunnat orsaka problem eftersom det inte st¨amde ¨overens med m¨atsignalerna f¨or fart och vinkel- hastighet p˚a hjulen. B˚ada alternativen simulerades i Unified med hybridmjukvaruversion 1.6.14.

Br¨anslef¨orbrukning och vridmoment p˚a bensinmotorn var n¨armast identiska med de simuleringar d¨ar slutv¨axeln ¨andrats, oavsett vilket alternativ som anv¨andes. Det beslutades att inte ¨andra den m¨atsignalen under testen. Simuleringarna visade att goda m¨atv¨arden kan f¨orv¨antas av metoden och att f¨orenklingar och felaktig verkningsgrad p˚a elmotorn inte har n˚agon stor inverkan p˚a br¨anslef¨orbrukningen.

Testen f¨orbereddes i INCA genom att v¨alja ut vilka signaler som skulle m¨atas. Antalet m¨at- och styrsignaler ¨ar v¨aldigt stort, vilket g¨or att INCA inte kunde l¨asa in alla under testen. Signa- lerna

• Br¨anslefl¨ode till bensinmotorn

• Varvtal p˚a bensinmotorn

• Vridmoment p˚a bensinmotorn (netto till v¨axell˚adan)

• V¨axell¨age

• Fart

• Deltamoment

• Laddningsniv˚a p˚a h¨ogsp¨anningsbatteriet

• Sp¨anning och str¨om till/fr˚an batteriet

• Vridmoment p˚a elmotorn

var n˚agra av de som valdes ut. Ut¨over dessa registrerades ett antal mindre viktiga signaler, bland annat pedalposition och beg¨arda vridmoment p˚a de b˚ada motorerna. N˚agonting som f¨orbis˚ags var effekten till bilens l˚agsp¨anningssystem, laddningsniv˚a p˚a l˚agsp¨anningsbatteriet och effekt eller vridmoment till generatorn.

Utf¨orande

Tv˚a omg˚angar tester genomf¨ordes, den 23 september och den 4 oktober 2011. Vid b˚ada tillf¨allena testades slutv¨axlarna 3,833 (original), 3,650 och 3,350. Det hade varit att f¨oredra att testa alla alternativ, men testen var mycket tidskr¨avande och f¨orare beh¨ovde l˚anas till varje tillf¨alle. Ut¨over originalv¨ardet valdes d¨arf¨or ett medell˚agt och ett l˚agt v¨arde p˚a utv¨axlingen ut f¨or att testas.

Den l¨agsta slutv¨axeln 3,095 bed¨omdes som orealistiskt l˚ag utifr˚an resultaten fr˚an ber¨akningar och simuleringar.

Den modifierade mjukvaran l¨astes in i bilen via en b¨arbar dator, som ocks˚a anv¨andes f¨or att samla in data via INCA. Testbilen k¨ordes d¨arefter runt n˚agra minuter p˚a l˚ag fart f¨or att v¨arma upp under det att mjukvaran kontrollerades s˚a att den fungerade som den skulle. Bi- len placerades sedan p˚a chassidynamometern och surrades fast. Lufttemperatur och lufttryck i d¨acken uppm¨attes ej. Ytterligare en b¨arbar dator placerades i bilen, f¨orsedd med ett program