Pradiktive Antriebsregelung zum energieoptimalen Betrieb von Hybridfahrzeugen

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1 Einleitung......Page 17
2.1 Strukturvarianten von Hybridantrieben......Page 21
2.2 Betriebsmodi eines parallelen Hybridfahrzeugs......Page 23
2.3 Entwicklung einer kraftstoffoptimalen Betriebsstrategie......Page 25
2.4 Telematik als zusätzliche Informationsquelle......Page 26
2.5 Idee der Prädiktiven Antriebsregelung......Page 27
2.6 Zusammenfassung......Page 28
3 Nichtlineare Modellbasierte Prädiktive Regelung......Page 29
3.1.1 Das Konzept des gleitenden Horizonts......Page 30
3.1.2 Mathematische Formulierung der Aufgabenstellung......Page 31
3.1.3 Praktische Umsetzung des Verfahrens......Page 34
3.2.1 Die Bellmansche Rekursionsgleichung......Page 37
3.2.2 Numerische Lösung der Dynamischen Programmierung......Page 38
3.2.3 Abschätzung des Rechenaufwands......Page 40
3.3 Stabilität und Wahl des Gütemaßes......Page 41
3.3.1 Stabilitätsanalyse bei Regelung mit unendlichem Horizont......Page 42
3.3.2 Garantierte Stabilität bei endlichem Horizont......Page 43
3.4 Zusammenfassung......Page 44
4 Prädiktive Dynamische Programmierung......Page 45
4.1 Prädiktive Regelung mit Dynamischer Programmierung......Page 46
4.2.1 Definition des reduzierten Zustandsraums......Page 47
4.2.2 Bestimmung der extremierenden Ansteuerverläufe......Page 48
4.2.3 Vorzeichen des Lagrangeschen Multiplikators......Page 49
4.2.4 Lösung der Optimierungsprobleme......Page 50
4.2.5 Monotonieeigenschaften bezüglich der Steuerung......Page 51
4.2.7 Der zielführende Zustandsraum......Page 53
4.2.8 Der reduzierte Zustandsraum......Page 55
4.3 Einschränkung des Zustandsraums für Systeme höherer Ordnung......Page 56
4.4.1 Abtastzeiten im Prädiktions- und im Steuerhorizont......Page 57
4.4.2 Der Regelungshorizont......Page 58
4.5 Zusammenfassung......Page 59
5 Modellierung eines parallelen Hybridfahrzeugs......Page 61
5.2 Dynamisches Modell der Längsdynamik......Page 62
5.2.1 Fahrzeugdynamik......Page 63
5.2.2 Antriebsstrang......Page 65
5.2.3 Energiespeicher......Page 68
5.2.4 Nebenaggregate und Bordnetz......Page 69
5.2.5 Zusammenfassung der Modellgleichungen......Page 70
5.3 Dynamischer versus quasistatischer Modellansatz......Page 71
5.4 Reduktion auf ein Modell erster Ordnung......Page 73
5.4.1 Kennfeldbasiertes dynamisches Batteriemodell......Page 74
5.4.2 Modellierung des Elektromotors......Page 77
5.4.3 Quasistatische Beschreibung des Antriebsstrangs......Page 78
5.4.4 Drehmoment und Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors......Page 79
5.4.5 Begrenzungen der Antriebsleistung......Page 80
5.4.6 Elimination der Bremse als Steuergröße......Page 81
5.4.7 Darstellung als Zustandsraummodell und Zeitdiskretisierung......Page 82
5.5.1 Das thermisch-mechanische Teilsystem......Page 83
5.5.2 Das elektrische Teilsystem......Page 84
5.6 Zusammenfassung......Page 85
6 Störgrößenmodell zur Beschreibung der Umgebungseinflüsse......Page 87
6.1.1 Satellitengestützte Positionsbestimmung mittels GPS......Page 88
6.1.3 Integration von Höheninformationen......Page 89
6.1.4 Relevante Streckenattribute der erweiterten Karte......Page 90
6.2.2 Bordeigene Sensorsysteme......Page 91
6.3.1 Bestimmung der Grenzgeschwindigkeit......Page 93
6.3.2 Fahrertypklassifizierung und Beschreibung des Fahrzeugverhaltens......Page 95
6.3.3 Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge......Page 96
6.3.4 Prädiktion des Geschwindigkeitsverlaufs......Page 97
6.4 Zusammenfassung......Page 99
7 Prädiktive Antriebsregelung für ein paralleles Hybridfahrzeug......Page 101
7.1 Wahl des Gütemaßes......Page 102
7.2 Zulässige Steuergrößen......Page 103
7.2.1 Beschränkung der Gangvorgabe......Page 104
7.2.2 Beschränkung des Elektromotormoments......Page 105
7.3 Bestimmung des reduzierten Zustandsraums......Page 108
7.4.1 Wahl der Abtastzeit......Page 110
7.4.2 Zustandsdiskretisierung......Page 111
7.5 Wahl des Prädiktionshorizonts......Page 114
7.5.1 Unsicherheiten in der Störgrößenprädiktion......Page 115
7.6.1 Modularisierung des Programms......Page 116
7.7 Zusammenfassung......Page 119
8 Potenzialabschätzung mittels quasistatischer Simulationen......Page 121
8.1.1 Beschreibung des Fahrprofils......Page 122
8.1.2 Potenzial eines Hybridfahrzeugs ohne Vorausschau......Page 123
8.1.3 Hybridfahrzeug mit prädiktiver Antriebsregelung......Page 125
8.1.4 Milder Hybrid unter Berücksichtigung des Bordnetzes......Page 135
8.2 Simulation eines realen Fahrprofils......Page 142
8.3 Zusammenfassung......Page 145
9.1 Beschreibung der Entwicklungsumgebung......Page 147
9.2 Nicht-prädiktive Betriebsstrategie des Versuchsträgers......Page 149
9.4 Dynamische Simulation unter Verwendung von Fahrzeugmessdaten......Page 150
9.4.1 Vorausschauqualität der Geschwindigkeitsprädiktion......Page 152
9.4.2 Festlegung der Optimierungsparameter......Page 153
9.4.3 Anpassung des Gütemaßes......Page 155
9.5 Ergebnisse der Versuchsfahrten......Page 157
9.5.1 Funktionsdemonstration anhand ausgewählter Fahrsituationen......Page 158
9.5.2 Nachweis eines Potenzials zur Kraftstoffeinsparung......Page 162
9.7 Zusammenfassung......Page 167
10 Zusammenfassung......Page 169
A Fixpunktiteration......Page 171
B Abkürzungen, Schreibweisen und Symbole......Page 173