Hybride Antriebsstränge ermöglichen durch die Kombination von Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs im Vergleich zu konventionellen Antrieben. Hierzu ist eine Betriebsstrategie nötig, die das Zusammenspiel der Antriebsstrangkomponenten koordiniert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss der Betriebsstrategie auf die Verbrauchseinsparung eines parallelen Full-Hybridfahrzeugs untersucht. Hierbei liegt der Fokus auf den im Serieneinsatz erreichbaren Verbrauchspotenzialen. Zunächst wird analysiert, warum diese in der Regel geringer sind als die theoretischen Potenzialangaben in Forschungsarbeiten. Hierzu werden Anforderungen an Hybridfahrzeuge in der Serienentwicklung ermittelt, welche die Freiheitsgrade der Betriebsstrategie einschränken. Es bestehen Restriktionen hinsichtlich Emissionsgrenzwerten, Fahrstabilität, Fahrdynamik und Fahrkomfort. Darüber hinaus suggerieren Abstraktionen in der Simulation der Betriebsstrategie zu hohe Verbrauchspotenziale. Letztere verringern sich zudem durch die Effizienzsteigerung der konventionellen Basisfahrzeuge. Simulationen des Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) verdeutlichen, dass von der theoretisch ermittelten Verbrauchseinsparung nur etwa die Hälfte in Serienfahrzeugen erreicht werden kann. Um auch im Serienumfeld den Kraftstoffverbrauch zu senken, werden drei Optimierungsansätze der Betriebsstrategie entwickelt: Gesamtwirkungsgradoptimale Schaltpunkte des Getriebes, ein aufwand- und nutzenbasiertes Ladezustandsmanagement der Traktionsbatterie sowie eine verbrauchsoptimierte Startkoordination des Verbrennungsmotors. Diese werden in Simulationen der Fahrzyklen NEFZ und FTP-72 analysiert. Die Startkoordination wird aufgrund zu geringer Einsparpotenziale nicht weiter untersucht. Die beiden anderen Optimierungsansätze werden hinsichtlich der Umsetzbarkeit in Serienfahrzeugen bewertet. Während im Falle der Gangwahl deutliche Einschränkungen des Potenzials zu erwarten sind, bestehen bezüglich des Ladezustandsmanagements kaum Restriktionen. Deshalb wird dieser Optimierungsansatz mit den Methoden des Serienentwicklungsprozesses in die Steuergerätesoftware eines Serienhybridfahrzeuges integriert. Die entwickelte Funktion erfüllt in der Gesamtfahrzeugarchitektur alle durch die Serienentwicklung vorgegebenen Anforderungen. An einem Antriebsprüfstand wird bezüglich der Basisbetriebsstrategie des Fahrzeugs eine zusätzliche Verbrauchseinsparung von 1% nachgewiesen.
Hybrid electric vehicles (HEVs) offer fuel-savings in comparison to conventional vehicles. In addition to an internal combustion engine the power train consists of at least one electric motor. Thus, an operating strategy is required to coordinate the power train components. This work analyzes the advantages of an operating strategy on the achievable fuel reduction of a parallel full-HEV with focus on series-production vehicle requirements. Generally, the latter condition shows to return less fuel-savings compared to more abstract results found in the literature. Differences in these results will be explained. First, series-development requirements of HEVs are identified, which pose constraints on the operating strategy, such as limits on emissions, driving stability, driving dynamics and driving comfort. Furthermore, it will be explained that underlying model assumptions cause too optimistic fuel-savings. In addition, increasing efficiency of conventional vehicles reduces the relative savings of HEVs. Simulation results of the New European Driving Cycle (NEDC) show that in series-production HEVs only about half of the theoretical fuel-savings can be obtained. To raise fuel efficiency in series-production HEVs, three optimization approaches are developed: A strategy for gear shifting of the automatic transmission to optimize efficiency of the complete power train, a state of charge management using cost and benefit considerations, and a fuel-efficient coordination of the engine start. These are evaluated by means of simulations of the driving cycles NEDC and FTP-72. The coordination of the engine start offers limited fuel-savings, thus it is not further analyzed. Both other approaches are evalueted with respect to requirements for series-production vehicles. In terms of the strategy for gear shifting there are significant constraints. The state of charge management proves to be a good approach without major restrictions. It is integrated into the software of a series-production HEV, using the methods of a series-development process. The developed software satisfies the requirements of a complete vehicle environment. At a power train test bench fuel-savings of 1% are obtained.
Optimierte Betriebsstrategie hybrider Antriebssysteme für den Serieneinsatz
An optimized control strategy for hybrid electric vehicles with application to series production
2013
168 Seiten, Bilder, Tabellen, 95 Quellen
Theses
German
Verbrauchsreduktion , Kraftstoffverbrauch , Effizienzsteigerung , Reihenentwicklung , Antriebsstrangkomponente , Emissionsgrenzwert , Fahrzyklus , Hybridfahrzeug , hybrider Antrieb , Fahrdynamik , Fahrkomfort , Verbrennungsmotor , elektrische Maschine , Brennstoff , optimales Regelverfahren , Serienproduktion , Antriebsstrang , automatisches Schaltgetriebe
Modellbasierte Optimierung der Betriebsstrategie hybrider Antriebe
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