Energieeffiziente Antriebsstrategie für Elektrofahrzeuge

Abstract

In dieser Diplomarbeit wird dargelegt, dass durch die optimale Drehmomentverteilung und die optimale Stellung der Lenkwinkel der Hinterräder die Effizienz eines überaktuierten Elektroautos mit vier Elektromotoren und radindividueller Allradlenkung während der unbeschleunigten und beschleunigten Geradeausfahrt sowie der stationären und beschleunigten Kurvenfahrt gesteigert werden kann. Dazu wird zuerst ein Simulationsmodell, das die Realität mit einer ausreichenden Genauigkeit abbildet, in Simulink implementiert. Im Anschluss werden damit die Energieverluste während der gewählten Fahrmanöver analysiert. Um die energieoptimalen Drehmomentverteilungen und Lenkwinkel der Vorder- bzw. Hinterräder für die einzelnen Fahrmanöver zu ermitteln, wird jeweils das Optimierungsproblem definiert und nummerisch gelöst, wobei gefordert wird, dass sowohl die gefahrene Trajektorie als auch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ident zum Basisfahrzeug bleiben. In Simulationen werden die erreichbaren Verbrauchsreduktionen durch die optimale Verteilung des Gesamtantriebsmoments sowie der optimalen Wahl des Hinterachslenkwinkels demonstriert. Es wird gezeigt, dass bei der unbeschleunigten Geradeausfahrt die elektrischen Verluste der Inverter und Motoren überwiegen, und dass durch das Abschalten der Motoren einer Achse der Energieverbrauch des Fahrzeugs reduziert werden kann. Weiters wird gezeigt, dass die Effizienzsteigerung bei der beschleunigten Geradeausfahrt auf der Minimierung der Verlustleistungen aufgrund des longitudinalen Schlupfes der angetriebenen Räder beruht. Bei der konstanten Kreisfahrt kann durch das Aufbringen eines Giermoments die laterale Reifenkraft des kurvenäußeren Vorderrades reduziert und somit der Kurvenwiderstand minimiert werden, woraus die Reduktion des Energieverbrauchs resultiert. Bei der beschleunigten Kurvenfahrt trägt neben der Minimierung der notwendigen lateralen Reifenkraft des höchstbelasteten Reifens auch die Minimierung der Verlustleistungen aufgrund des longitudinalen Schlupfes der angetriebenen Räder zur Effizienzsteigerung bei. Damit die automatisierte Stellung der aDrehmomentverteilung und der energieoptimalen Hinterachslenkwinkel in einem realen Fahrzeug genutzt werden kann, wird dafür eine Steuerung entwickelt und ins Simulationsmodell implementiert. Auf einer 4,2 km langen Teststrecke wird mit Hilfe der Steuerung in Simulationen der Verbrauch an elektrischer Energie um 4,1 % reduziert.

In this thesis the potential to increase the efficiency of an overactuated electric car with four electric motors and wheel-individual allwheel steering during unaccelerated and accelerated straight-ahead driving as well as during stationary and accelerated cornering is investigated. For this purpose, a simulation model that represents reality with sufficient accuracy is implemented in Simulink and then the energy losses during the selected driving manoeuvres are analysed. In order to determine the energyoptimal torque distributions and steering angles of the front and rear wheels for the individual driving manoeuvres, optimisation problems are defined and solved numerically. The optimisations also require, that both, the trajectory travelled and the speed of the vehicle, remain similar to the base vehicle. Simulations demonstrate the achievable reductions in electrical energy consumption through the optimal distribution of the total drive torque and the optimal selection of the rear axle steering angle. It is shown that the electrical losses of the inverters and motors predominate when driving straight ahead with constant velocity and that the energy consumption of the vehicle can be reduced by switching off the motors of one axle. Furthermore, it is shown that the increase in efficiency during accelerated straight-ahead driving is based on the minimisation of power losses due to longitudinal slip of the driven wheels. During steady state turning the lateral tyre force of the cornering outer front wheel can be reduced by applying a yaw moment and thus the cornering resistance can be minimised, resulting in a reduction of energy consumption. During accelerated cornering, in addition to minimising the necessary lateral tyre force of the most heavily loaded tyre, the minimisation of power losses due to longitudinal slip of the driven wheels also contributes to increased efficiency. A feedforward control is being developed for the usage in a prototyp vehicle. The feedforward control sets the energyoptimal torque distribution and the energyoptimal rear axle steering angle. On a defined test track, which is 4,2 km long, the feedforward control makes it possible to reduce the consumption of electrical energy by 4,1 %.