Optimales Energiemanagement für batterieelektrische Fahrzeuge

Abstract

Im Zuge dieser Arbeit soll das Energiemanagement eines Elektrofahrzeugs untersucht und Optimierungspotentiale gefunden werden. Aus den gefundenen Daten sind schließlich Betriebsstrategien für das Energiemanagement abzuleiten. Dazu wird ein Gesamtfahrzeugmodell eines batterieelektrischen Fahrzeugs mit speziellem Fokus auf die Längsdynamik und dem Thermalsystem erstellt und weitgehendst über Daten des Audi e-trons vom Rollenprüfstand seitens der TU Wien parametrisiert und validiert. Das Gesamtfahrzeugmodell wird in einen Optimierungsalgorithmus, basierend auf dem Prinzip der dynamischen Programmierung, in Form von vier unterschiedlichen Einsatzszenarien implementiert und ausgewertet. Die vier Einsatzszenarien behandeln die Themen „Vorkonditionierung der Batterie für einen Schnellladezyklus“, „Adaptive Kabinentemperaturregelung“, „Direkter Einsatz von Rekuperationsleistung zur Batterietemperierung“ und „Vermeidung von Batterieverlusten durch Batterietemperierung“. Die Ergebnisse zeigen, dass bei tiefen Temperaturen (0°C, 10°C) durch Vorkonditionieren der Batterie die Ladedauer um 17,9 % bzw. 8,7% gesenkt werden konnte. Aufgrund des hohen Energieaufwandes ist es jedoch nicht zielführend die Batterie derart vorzukonditionieren, sodass gleich zu Beginn des Ladevorganges ein maximaler Ladestrom erreicht wird. Bei hohen Temperaturen (30°C, 35°C) muss die Batterie entsprechend temperiert werden, um eine Überhitzung der Batterie zu vermeiden. Einen entscheidenden Einfluss auf die Ladedauer hat die Temperaturregulierung jedoch nicht. Bei durchschnittlichen Temperaturen (20°C) ist kein aktives Kühlen oder Heizen der Batterie erforderlich. Durch eine adaptive Temperaturregelung der Fahrerkabine können zwar Batterieverluste eingespart werden, jedoch wirken sich diese auf den gesamten Energiehaushalt gesehen nur gering aus. Dadurch ist kein merklicher Unterschied des SOCs mit oder ohne adaptive Kabinentemperierung am Ende des Fahrzyklus erkennbar. Eine aktive Temperierung der Batterie zur Steigerung der maximal aufnehmbaren rekuperierbaren Leistung bei tiefen Temperaturen (-20°C bis -5°C) kann in bestimmten Fahrsituationen eine minimale Steigerung des SOCs bewirken. Mit steigender Temperatur reduziert sich der Nutzen dieser Betriebsstrategie stetig. Die Vermeidung von Batterieverlusten durch Senkung des Innenwiderstandes durch eine aktive Batterietemperierung ist in Anbetracht der hohen Energieanforderungen des Thermalsystems energetisch nicht sinnvoll.

In the course of this work, the energy management of an electric vehicle will be investigated and optimization potentials will be found. Finally, operating strategies for the energy management are to be derived from the found data. For this purpose, a complete vehicle model with a special focus on the longitudinal dynamics and the thermal system will be created and largely parameterized using data of the Audi e-tron from the roller dynamometer at the Vienna University of Technology. The overall vehicle model is implemented and evaluated in an optimization algorithm based on the principle of dynamic programming in the form of four different scenarios. The four scenarios deal with the topics "preconditioning of the battery for a fast charging cycle", " adaptive cabin temperature control", "direct use of recuperation power" and "avoidance of battery losses by battery temperature control". The results show that at low temperatures (0°C, 10°C), preconditioning the battery reduced the charging time by 17.9% and 8.7% respectively. Due to the high energy input, however, it is not expedient to precondition the battery in such a way that maximum charging current is achieved right at the start of the charging process. At high temperatures (30°C, 35°C), the battery must be tempered to prevent overheating. However, temperature control does not have a decisive influence on the charging time. Battery temperature control at mild temperatures (20°C) was not required.Although a flexible cabin temperature control can save battery losses, these have only a minor effect on the overall energy balance, which means that no noticeable difference in SOC can be seen at the end of the drive cycle. Active temperature control of the battery to increase the maximum recuperable power can have a marginal positive effect on the SOC in certain driving situations at low temperatures (-20°C to -5°C). The effectiveness of the operating strategy decreases with rising temperature steadily. Avoiding battery losses by lowering the internal resistance through active battery temperature control is not energetically sensible due to the high energy requirements of the thermal system.