Analytische und optimierungsbasierte Untersuchungen zum Energie- und Thermomanagement paralleler Plug-In-Hybridfahrzeuge

Abstract

Als Antriebsstrangsteuerung von Hybridfahrzeugen koordiniert die Betriebsstrategie das Zusammenspiel der verschiedenen Energiewandler und trägt auf diese Weise entscheidend zur Ausprägung des Kraftstoffeinsparpotentials bei. Die Auslegung einer solchen Hybridsteuerung auf Basis stationär, betriebswarm vermessener Kennfelder wurde in der Vergangenheit hinreichend untersucht. Mit Blick auf das Nutzungsverhalten im Individualverkehr wird der Kraftstoffverbrauch insbesondere bei Kurzstrecken und in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur maßgeblich durch das Warmlaufverhalten sowie den Energiebedarf zur Innenraumklimatisierung beeinflusst. Die vorliegende Arbeit analysiert den Beitrag einer optimalen Auslegung der Betriebsstrategie im Warmlauf auf die Steigerung der Gesamteffizienz und untersucht darüber hinaus inwiefern die Innenraumaufheizung bei der Auslegung der Betriebsstrategie zu berücksichtigen ist. In einem ersten Schritt wird die Betriebsstrategieauslegung als Optimalsteuerungsproblem definiert und mit der Dynamischen Programmierung ein geeignetes Optimierungsverfahren für dessen Lösung identifiziert. Der Algorithmus wird dahingehend weiterentwickelt, dass das instationäre Warmlaufverhalten verschiedener Antriebsstrangkomponenten in das Optimalsteuerungsproblem integriert werden kann. Dazu wird das verwendete Längsdynamik-Simulationsmodell um quasi-stationäre Temperaturmodelle des Verbrennungsmotors, der Hochvoltbatterie und des Automatikgetriebes erweitert, welche umfassend anhand von Fahrzeugmessungen bei verschiedenen Umgebungstemperaturen validiert werden. Im Rahmen der Analysen zum kraftstoffoptimalen Warmlauf werden zunächst individuell für jede Komponente die physikalischen Wirkzusammenhänge mit Blick auf die Effizienz der jeweiligen Komponente im Warmlauf bewertet. Für verschiedene, stationäre Temperaturen wird aufgezeigt, wie sich analytisch hergeleitete Kennfeldbereiche optimaler elektrischer Fahrt sowie Kennfelder kraftstoffoptimaler Lastpunktverschiebung aufgrund der Wirkungsgradeinbußen verändern. Anschließend wird der Sachverhalt durch die Verwendung des entwickelten Optimierungsverfahrens auf den instationären Warmlauf übertragen. Es wird gezeigt, dass der Kraftstoffverbrauch signifikant durch das Warmlaufverhalten der Antriebskomponenten beeinflusst wird, jedoch durch eine auf eben diesen Warmlauf optimierte Betriebsstrategie im Parallelhybridfahrzeug nur sehr bedingt reduziert werden kann. Durch thermische Vermessungen des Fahrzeugs in Hinblick auf die energetische Bilanzierung der Kühl- und Heizkreisläufe wird in einem letzten Schritt der Energiebedarf zur Innenraumaufheizung eines Versuchsträgers bei verschiedenen Umgebungstemperaturen ermittelt. Da die Betriebsstrategie implizit die Abwärmebereitstellung am Verbrennungsmotor definiert, kann die Gesamteffizienz durch das optimierte Zusammenspiel von elektrischem Zuheizer und Verbrennungsmotor als Wärmequelle optimiert werden. Über die Einbindung dieses Sachverhalts in das Optimalsteuerungsproblem lassen sich deutliche Einsparpotentiale prognostizieren. Durch das Ableiten eines einfachen Zusammenhangs lässt sich die regelbasierte Betriebsstrategie anpassen und im Versuchsträger applizieren. Die Kraftstoffeinsparpotentiale werden anschließend exemplarisch am Klimarollenprüfstand validiert. Die Versuche bestätigen eine deutliche Steigerung der Gesamteffizienz von bis zu 3,2 % für exemplarische Fahrprofile ohne Komforteinbußen durch die bedarfsgerechte Nutzung der verbrennungsmotorischen Abwärme.

As part of the central drivetrain control of hybrid electric vehicles, the energy management system (EMS) coordinates the interaction between the energy converters. In this way, it decisively contributes to the extent of fuel saving potential. The design of such energy management control systems has thoroughly been researched based on stationary measured characteristics in the past. Analyzing the user behavior of individual transports, the fuel consumption is particularly dependent on the warm-up behavior as well as on the energy demand for cabin heating. The present thesis analyzes the contribution of an optimized EMS to the overall efficiency enhancement. Beyond that, the need to consider the interior air conditioning is evaluated. In a first step, the design process of an EMS is formulated as optimal control problem (OCP) and dynamic programming is identified as a suitable solving method. An advanced form of the algorithm is presented, which allows for incorporation of the transient warm-up behavior into the OCP. Therefore, the utilized simulation model of the vehicle’s longitudinal dynamics is extended by quasi-stationary thermal models of the internal combustion engine (ICE), the high-voltage battery and the automatic transmission. The models are validated against numerous test drives at set ambient temperatures. In the analyses on the fuel-optimal warm-up behavior, the physical correlations, which influence the efficiency, are individually outlined for each powertrain component. How analytically derived characteristic maps for optimal electric driving and optimal load point shifting differ as a function of different, stationary temperatures is described. In a subsequent step, the analyses are transferred to the transient warm-up by using the optimization method. It is shown that the overall fuel consumption is significantly influenced by the warm-up behavior of the powertrain components. However, an EMS optimized for warm-up hardly extracts further fuel saving potentials. In a last step, thermal measurements on a test vehicle are conducted in order to perform an energetic balancing of the heating and cooling circuits to determine the energy demand for cabin heating at different ambient temperatures. As the EMS implicitly affects the ICE’s waste heat supply it can increase the overall efficiency by optimizing the ratio of electrical and ICE waste heat supply. Considerable fuel saving potentials can be forecasted by incorporating this issue into the OCP. By the derivation of a straightforward relation, an adapted, rule- based EMS can be applied to the test vehicle. Subsequently, the fuel savings presented are validated on a climate chassis dynamometer. The experiments confirm a significant increase in overall efficiency without comfort losses by a needs-oriented ICE waste heat supply.