Fuel consumption and thermal drive-off element load during drive-off procedures in a mild hybrid powertrain

This study focuses on investigating the role of electric motors in mild hybrid powertrains, particularly during drive-off procedures. Hybrid powertrains offer fuel efficiency benefits by shifting load from internal combustion engines to electric motors. The research analyzes the potential benefits of a 48 V mild hybrid powertrain during drive-off procedures, considering different accelerator pedal positions and the state of charge neutrality.

In this study, a realistic control logic for drive-off procedures is implemented in a mild hybrid vehicle model, enabling variations in drive torque according to accelerator pedal positions. The thermal load on the drive-off element, a wet friction clutch, and fuel consumption are analyzed for drive-offs with and without electric motor support. The thermal load on the clutch during drive-off procedures is assessed by calculating energy dissipation due to clutch slipping and temperature on friction surfaces using a thermal model of the clutch. Results indicate significant reductions in heat and temperature during drive-offs with electric motor support, particularly at low accelerator pedal positions. The heat reduction varies between 55.6 and 100% depending on the accelerator pedal position, which corresponds to a temperature reduction between 6.4 C° and 21.6 C°. The 100% reduction indicates an electrical operation.

Since the examined powertrain is a mild hybrid, some of the electrical energy consumed during drive-off procedures must be recuperated during deceleration or reproduced with the help of internal combustion engine. A control strategy incorporating an extended Adaptive Equivalent Consumption Minimization Strategy (A-ECMS) is used to coordinate power distribution between the internal combustion engine and electric motor during hybrid driving and battery recharging. Fuel consumption during drive-offs with and without electric motor support is comparatively analyzed using a segment of the low-speed driving cycle from the WLTC Class 3b, representing urban traffic. The precondition for the comparison is to ensure a neutral state of charge at the end of the driving cycle. Results show that using the electric motor during drive-offs with low accelerator pedal positions can reduce fuel consumption. The 10% accelerator pedal position shows a fuel consumption improvement of 0.8 g of gasoline for the observed driving cycle, in comparation, it is 0.1 g for the 30%. Nevertheless, this advantage is not observed during drive-offs with accelerator pedal positions higher than 30%.

Diese Studie konzentriert sich auf die Untersuchung der Rolle von Elektromotoren in Mild-Hybrid-Antrieben, insbesondere während der Anfahrvorgänge. Hybridantriebe bieten Kraftstoffeffizienzvorteile, indem sie die Last von Verbrennungsmotoren auf Elektromotoren verlagern. Die Forschung analysiert die potenziellen Vorteile eines 48-V-Mild-Hybridantriebs während der Anfahrvorgänge unter Berücksichtigung verschiedener Gaspedalpositionen.

In dieser Studie wird eine realistische Control Logik für Anfahrvorgänge in einem Modell eines Mild-Hybrid-Fahrzeugs implementiert, wodurch Variationen des Antriebsdrehmoments je nach Gaspedalposition ermöglicht werden. Die thermische Belastung des Anfahrelements, einer nassen Reibungskupplung, und der Kraftstoffverbrauch werden für Anfahrvorgänge mit und ohne Unterstützung durch den Elektromotor analysiert. Die thermische Belastung auf der Kupplung während der Anfahrvorgänge wird durch Berechnung der Energieabgabe aufgrund von Kupplungsschlupf und Temperatur auf Reibflächen mithilfe eines thermischen Modells der Kupplung bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wärme- und Temperaturentwicklung während der Anfahrvorgänge mit Unterstützung des Elektromotors, insbesondere bei niedrigen Gaspedalstellungen, deutlich reduziert wird. Die Wärmereduzierung variiert zwischen 55,6 und 100 % je nach Gaspedalstellung, was einer Temperaturabsenkung zwischen 6,4 C° und 21,6 C° entspricht.

Da es sich bei dem untersuchten Antriebsstrang um einen Mild-Hybrid handelt, muss ein Teil der bei Anfahrvorgängen verbrauchten elektrischen Energie beim Verzögern zurückgewonnen oder mit Hilfe des Verbrennungsmotors reproduziert werden. Eine Steuerstrategie, die eine erweiterte Adaptive Equivalent Consumption Minimization Strategy (A-ECMS) integriert, wird verwendet, um die Leistungsverteilung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Elektromotor während des Hybridfahrens und des Aufladens der Batterie zu koordinieren. Der Kraftstoffverbrauch beim Anfahren mit und ohne Elektromotorunterstützung wird anhand eines Ausschnitts aus dem Niedriggeschwindigkeitssegment der WLTC-Klasse 3b, der den Stadtverkehr repräsentiert, vergleichend analysiert. Voraussetzung für den Vergleich ist die Sicherstellung eines neutralen Ladezustandes am Ende des Fahrzyklus. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz des Elektromotors bei Anfahrvorgängen mit niedriger Gaspedalstellung den Kraftstoffverbrauch senken kann. Die 10 % Gaspedalstellung führt zu einer Verbrauchsverbesserung von 0.8 g Motorenbenzin für den beobachteten Fahrzyklus, im Vergleich dazu ist es 0.1 g für die 30 % Stellung. Allerdings wird dieser Vorteil beim Anfahren mit einer Gaspedalstellung von mehr als 30 % nicht beobachtet.