Optimierung von elektro-hybriden Antriebskonzepten mittels heuristischer Optimierungsverfahren

Abstract

Durch die Forderung eines immer geringeren Kohlenstoffdioxid Ausstoßes steigt auch die Nachfrage nach alternativen Fahrzeugkonzepten. Die Hybridisierung und Elektrifizierung des Antriebsstranges stellt dabei vor allem im urbanen Bereich eine vielversprechende Lösung dar. Allerdings sind auch einige Herausforderungen mit der Elektrifizierung verbunden. Vor allem im Bereich der Betriebsstrategie und des Thermomanagements steigt die Komplexität erheblich an, was den Einsatz numerischer Simulationsmethoden sinnvoll macht. Diese Arbeit behandelt die Entwicklung und den Einsatz dieser Verfahren am Beispiel eines elektro-hybriden Antriebsstrangs. Dabei werden sowohl Auswirkungen der Komponentendimensionierung, des Thermomanagements als auch der Betriebsstrategie betrachtet. Die entwickelten Simulationsmodelle der VKM und des Fahrzeugs wurden mithilfe von Motor- und Rollenprüfstandsmessungen abgestimmt. Die numerische Optimierung des elektro-hybriden Antriebsstrangs stellt den Schwerpunkt der Arbeit dar. Dazu wird eine numerische Optimierungssoftware vorgestellt, die auf Basis heuristischer Optimierungsverfahren und neuronaler Netze entwickelt wurde. Um verschiedene Betriebsbedingungen des Antriebsstrangs zu betrachten, wurden unterschiedliche Umgebungstemperaturen und Geschwindigkeitsprofile untersucht. Die Ergebnisse zeigten vor allem bei niedrigen Umgebungstemperaturen ein erhebliches Optimierungspotenzial. Es konnte gezeigt werden, dass das umfassende numerische Simulationsmodell ein geeignetes Tool darstellt, um unterschiedliche Betriebsstrategien, Komponenten und Thermomanagement-Maßnahmen analysieren und bewerten zu können. Gemeinsam mit der entwickelten Optimierungssoftware konnten die Komponenten und die Betriebsstrategie des elektro-hybriden Antriebsstrangs zusätzlich laufzeiteffizient optimiert werden. Dies wird durch eine alternative Optimierungsprozessanalyse auf Basis selbstorganisierender Karten dargestellt.

Due to the requirement of increasingly lower carbon dioxide emissions, the demand for alternative vehicle concepts is rising. The hybridization and electrification of the powertrain especially in urban areas is a promising solution. However, some challenges are related to the electrification. Particularly at the operation and thermal management strategy, the complexity increases significantly. In order to analyze and optimize electrified powertrains, the use of numerical simulation methods is reasonable. This work deals with the development and application of such methods for an electro-hybrid powertrain. The influences of the component dimensioning, the thermal management and the operating strategy are considered. The developed simulation models of the ICE and vehicle were calibrated using engine and chassis dynamometer tests. The numerical optimization of the electro-hybrid powertrain is the main part of the work. For this purpose, numerical optimization software has been developed based on heuristic optimization methods and artificial neural networks.To consider different conditions in the optimization of the powertrain, different ambient temperatures and velocity profiles were specified. The results showed a significant optimization potential, especially at low ambient temperatures. It could be shown that the comprehensive numerical simulation model is a suitable tool for analyzing different operating strategies, components and thermal management innovations. Together with the developed optimization software, the components and the operating strategy of the electro-hybrid powertrain could be further optimized efficiently. This will be shown by an alternative optimization process analysis based on self-organizing maps.