Optimalsteuerung und modellprädiktive Regelung eines hydraulischen Hybridantriebs

Abstract

Hybride Antriebskonzepte gewinnen durch die zunehmenden Anforderungen an die Abgasemissionen immer mehr an Bedeutung. Die üblichen Hybridfahrzeuge im PKW-Bereich verwenden zusätzlich zum Verbrennungsmotor mindestens einen weiteren Elektromotor. Der in dieser Arbeit untersuchte Antriebsstrang mit hydropneumatischer Energiespeicherung und hydromechanischer Leistungsübertragung bildet ein alternatives hybrides Antriebskonzept. Dabei wird die Leistung einer Verbrennungskraftmaschine über einen Planetenradsatz in einen hydraulischen und einen mechanischen Zweig aufgeteilt und an der Antriebswelle wieder summiert. Die hydraulische Leistungsübertragung durch zwei Axialkolbenmaschinen in Schwenkscheibenbauweise ermöglicht eine stufenlos einstellbare Getriebeübersetzung. Ein hydropneumatischer Hochdruckspeicher im Hydraulikkreis erlaubt die Rekuperation der Bremsenergie und kann zusätzlich zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet werden. Das Ziel dieser Arbeit ist die Regelung des Antriebsmoments im IVTModus (Infinitely Variable Transmission), d. h. mit abgekoppeltem Hochdruckspeicher. Der Sollwert für das Antriebsmoment wird über die Stellung des Gaspedals vorgegeben. Die überaktuierte Systemstruktur wird zur Minimierung der Verluste im Antriebsstrang genutzt. Ein modellprädiktiver Regler (Model Predictive Control, MPC) eignet sich für diese Aufgabenstellung, da damit auch Stellgrößen- und Zustandsbeschränkungen des Systems systematisch berücksichtigt werden können. Dazu wird ein Optimalsteuerungsproblem formuliert und dieses mittels Volldiskretisierung in ein statisches Optimierungsproblem überführt. Zur echtzeitfähigen Implementierung des Reglers wird ein Lösungsverfahren basierend auf der sequentiellen quadratischen Programmierung (SQP) und der Riccati- Rekursion für dieses Optimierungsproblem erstellt. Darauf aufbauend wird der MPC um einen Schätzer für das extern auf die Antriebswelle wirkende Moment erweitert. Zur Verifikation des Regelungsverfahrens werden anschließend einige repräsentative Simulationen durchgeführt. Diese zeigen, dass bei geeigneter Parametrierung des Reglers den Vorgaben im Antriebsmoment gefolgt sowie die Verlustleistung im Antriebsstrang wesentlich reduziert werden kann.

Hybrid drive trains are becoming more and more important due to increasing demands on exhaust emissions. Most hybrid cars use an electric motor in addition to the internal combustion engine. The drive train considered in this work is based on hydropneumatic energy storage and hydromechanical power transmission. The power of the internal combustion engine is split by a planetary gear into a hydraulic and a mechanical part, which are combined at the drive shaft. The hydraulic power transmission consists of two axial piston pumps and therefore allows for an infinitely variable transmission (IVT). Braking energy is stored into a hydropneumatic accumulator, which can also be used to power the vehicle. The aim of this work is to control the driving torque of the drive train in IVT mode. In this mode, the hydropneumatic accumulator is decoupled from the hydraulic circuit. In addition, the overactuated system structure is utilized to minimize the power loss of the system. Model predictive control (MPC) is perfectly suited for the considered control task, since the input and state constraints of the system can be systematically incorporated into the controller design. An optimal control problem (OCP) is formulated and transferred to a static optimization problem by means of full discretization. A tailored solution algorithm with real-time capability is employed for the solution of the OCP. It is based on sequential quadratic programming (SQP) and the Riccati recursion. Based on this algorithm, the MPC is extended by a torque estimator for the external torque acting on the drive shaft. In order to prove the feasibility of the developed control strategy, some representative simulations are carried out. These simulations show that, with an appropriate parameterization of the controller, the desired torque request of the driver can be tracked and, at the same time, the power loss in the drive train can be significantly reduced.