Modellierung und Regelung eines Powersplit-Antriebs

Abstract

Hybride Fahrzeugantriebe benötigen zur Ankopplung von alternativen Energiespeichern spezielle Getriebelösungen, wofür oft leistungsverzweigte Antriebe zum Einsatz kommen. Ihre Vorteile ergeben sich aus dem guten Wirkungsgrad und der stufenlos verstellbaren Übersetzung. Eine im PKW-Segment neuartige Entwicklung basiert auf hydraulischer Energiespeicherung und -umsetzung. Die Leistung einer Verbrennungskraftmaschine wird über ein Planetengetriebe in einen hydraulischen und einen mechanischen Leistungszweig aufgeteilt und an der Antriebswelle des Fahrzeugs wieder zusammengeführt. Die hydraulische Leistungswandlung ist über zwei Axialkolbenmaschinen mit verstellbaren Schrägscheiben realisiert. Die Gesamtübersetzung ist dadurch in einem weiten Bereich stufenlos variabel, womit der Verbrennungsmotor in einem verbrauchsoptimalen Bereich betrieben werden kann. Bremsenergie kann mithilfe eines hydropneumatischen Kolbenspeichers rekuperiert und wiederverwertet werden. Für die Realisierung hochdynamischer Verläufe des Fahrerwunschmoments wird im sogenannten IVT-Modus (Infinitely Variable Transmission) der Kolbenspeicher vom hydraulischen Kreis abgekoppelt. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Regelungsstrategie zur Umsetzung von vorgegebenen Verläufen des Fahrerwunschmoments in diesem Modus. Aufgrund der überaktuierten Systemstruktur bestehen in der Wahl der Stellgrößen mehrere Freiheitsgrade. In der Sollwertbildung werden diese festgelegt, indem die Verlustleistung im Gesamtsystem für stationäre Arbeitspunkte minimiert wird. Diese optimalen Arbeitspunkte stellen die Sollwerte für einen nichtlinearen MIMO-Regler (Multiple Input Multiple Output) dar, der eine exakte Eingangs/Ausgangslinearisierung des Systems vornimmt. Um den Einfluss von Stellgrößenbeschränkungen auf die Regelgüte zu reduzieren, erfolgt eine Umschaltung zwischen zwei möglichen Stellgesetzen, womit die Überaktuiertheit des Systems systematisch ausgenutzt wird. Die Anwendbarkeit der schaltenden Regelungsstrategie wird anhand von Simulationen am dynamischen Systemmodell gezeigt und Möglichkeiten zur Weiterentwicklung des Verfahrens werden vorgeschlagen.

Hybrid drive trains require special transmissions for the utilization of alternative energy storage devices. Power-split drives are often used for this purpose, due to their efficiency and their continuously variable transmission ratios. A newly developed drive train for passenger cars based on hydraulic energy storage and transmission is considered. A planetary gear set splits the power of a conventional combustion engine into a hydraulic and a mechanical transmission path. Both are combined at the output of the drive yielding the overall torque. Hydraulic power conversion is realized by two axial piston pumps with variable swash plate angles. This allows for a variation of the drive train transmission ratio within a wide range, thus an optimal engine operation point can be set. Recuperated braking energy is stored in a hydropneumatic accumulator. In the so-called IVT mode (infinitely variable transmission), the accumulator is decoupled from the drive train in order to achieve a high-dynamic response. The aim of this work is the development of a control strategy in order to track the desired torque request of the driver. Due to the overactuated system structure there are some degrees of freedom in choosing the control variables. Appropriate constraints are applied via the choice of optimal setpoints, which minimize the system losses for stationary operating points. The optimal setpoints represent the desired values of a nonlinear MIMO (Multiple Input Multiple Output) controller based on exact feedback linearisation. To reduce the effect of control variable saturation, a switching strategy is derived, which chooses between two possible control algorithms, exploiting the properties of the overactuated system. The feasibility of the switching control strategy is shown by simulation studies on a detailed dynamic model of the drive train. Finally, further possibilities for improvement of the overall system are investigated.