Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Aspekten der Auslegung und der Betriebsführung von Hybridfahrzeugen, die am Beispiel des optimierten CVT-Hybrids der Technischen Universität München erläutert werden. Zunächst werden die grundsätzlichen Einsparpotenziale von Hybridfahrzeugen durch Downsizing, die Verwendung eines kontinuierlich verstellbaren (CVT) Getriebes, durch Taktbetrieb und Rekuperation dargelegt und miteinander verglichen. Daraus werden mögliche Auswirkungen auf den Gesamtenergieverbrauch in Deutschland abgeleitet. Weiterhin werden Methoden zur Auslegung und Dimensionierung der elektrischen Antriebsstrangkomponenten von Hybridfahrzeugen gezeigt. Dabei wird sowohl auf Aspekte zur Dimensionierung der einzelnen Komponenten, als auch auf die systematische ganzheitliche Auslegung anhand von Fahrzyklen mittels einer Offline-Optimierung eingegangen. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt bei den onlinefähigen Verfahren zur Betriebsführung. Durch die vorgeschlagene priorisierte Momentenaufteilung kann die Anzahl der zu bestimmenden Eingangsgrößen reduziert werden und die Problemstellung vereinfacht sich im Wesentlichen auf die Bestimmung der Variatorübersetzung und Getriebestellung sowie auf die Führung des Energiespeichers. Durch Ableitung eines inversen Modells aus den Modellgleichungen wird ein idealer Sollladezustand für den Energiespeicher berechnet. Es wird eine Betriebsstrategie auf Basis von heuristisch ermittelten Regeln sowie eine modellbasierte Verlustleistungsminimierung zum Betrieb des Hybridfahrzeugs vorgestellt. Bei beiden Verfahren dient der ermittelte Sollladezustand zum geeigneten Energiemanagement für den Energiespeicher. Ferner wird ein Verfahren zum Aufzeichnen von vergangenen Fahrsequenzen durch neuronale Netze und durch eine Segmentierung gezeigt. Diese Daten werden zur Vorhersage des zukünftigen Fahrverlaufs herangezogen. Durch die Vorhersage wird wiederum die Berechnung des Sollladezustands mit dem invertierten Modell auf die jeweilige Fahrsituation angepasst und das Energiemanagement kann dadurch verbessert werden. Weiterhin wird ein Verfahren zur Nutzung einer vorhandenen Vorhersageinformation vorgestellt, wodurch optimale Betriebstrajektorien für die vorhergesagte Fahrsequenz in Realzeit berechnet werden können. Dazu wird aus dem nichtlinearen Längsdynamikmodell ein vereinfachtes lineares Modell mit zusätzlichen Schaltzuständen abgeleitet. Durch den Algorithmus der Mixed Integer Linearen Programmierung wird dann für dieses vereinfachte Problem eine optimale Lösung berechnet. Es zeigt sich, dass die vorausberechneten Trajektorien in weiten Teilen sehr gut mit den Simulations- und Messergebnissen überein stimmen, woraus abgeleitet werden kann, dass die optimale Lösung für das lineare Problem inklusive der Schaltelemente auch eine sehr gute Lösung für das nichtlineare Antriebsstrangmodell darstellt. Zur Erläuterung und Verifizierung der vorgestellten Verfahren werden zahlreiche Simulationsergebnisse gezeigt. Die Messergebnisse an den Prüfständen sowie am Prototypenfahrzeug zeigen die praktische Anwendbarkeit der Verfahren.

    This thesis addresses the problem of rating the components and the operation of hybrid powertrains. This will be shown exemplarily on the optimised CVT-Hybrid powertrain of the Technische Universität München. First of all, the basic saving potentials of hybrid cars by downsizing, the usage of a continuous variable transmission (CVT), cyclic operation of the combustion engine and regeneration of breaking energy is stated and the results are compared to each other. Hence possible effects to the whole energy consumption in Germany will be derived. Furthermore, methods for rating the electrical components of the hybrid powertrain will be shown. Therefore, aspects about dimensioning of each component separately as well as a systematic integrated rating regarding to drive cycles by using offline optimisation is explained. The focus of the thesis lies in methods for the real-time operation of hybrid cars. The proposed prioritised torque split reduces the number of input parameters. The problem of the operation of the hybrid car is therefore reduced to determine the variable gear ratio of the CVT and the gear position, and to pilot the energy storage device. By derivating an inverse model out of the model equations of the powertrain, an ideal reference value for the state of charge of the energy storage device is calculated. An operating strategy based on heuristic rules as well as a model based loss minimization is shown for the operation of the hybrid powertrain. Both methods use the ideal reference value for the state of charge for an accurate energy management of the energy storage device. In addition, a method for logging previous driving sequences by neural networks and by segmentation is shown. Future driving behaviour is predicted by this data and the prediction information is used to calculate the ideal reference value for the state of charge by the inverted model individually for each driving situation, so that the energy management can be improved. Additionally, a method for using the prediction information to calculate an optimal operating trajectory for the predicted driving sequence in real time is shown. Consequently, a linear model with additional switching states is derived from the nonlinear model of the longitudinal dynamic of the powertrain. By using the algorithm of Mixed Integer Linear Programming an optimal solution can be calculated for the simplified model. The previous calculated trajectories show a very good mat ching with the simulation and measurement results. The outcome of this is, that the optimal solution for the linear problem including switching states, is also a very good solution for the nonlinear model of the powertrain. For explanation and verification of the proposed methods various simulation results are shown. The measurement results from the test stands as well as from the prototyping car show the practical applicability of the methods.


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    Title :

    Optimale Auslegung und Betriebsführung von Hybridfahrzeugen


    Additional title:

    Optimal design and operation of hybrid vehicles


    Contributors:

    Publication date :

    2009


    Size :

    270 Seiten, Bilder, Tabellen, 125 Quellen


    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Print


    Language :

    German