Durch die Integration mindestens eines weiteren Energiewandlers in den Antriebsstrang gewinnen parallele Hybridfahrzeuge einen zusätzlichen Freiheitsgrad gegenüber konventionellen Fahrzeugen. Neben der Auslegung und Effizienz der einzelnen Antriebskomponenten, ist vor allem die Nutzung dieses zusätzlichen Freiheitsgrades entscheidend dafür verantwortlich, inwiefern die beim Betrieb eines Hybridfahrzeugs erwünschten Ziele, wie die Minimierung des Kraftstoffverbrauchs oder der Abgasemissionen, erreicht werden können. Zuständig dafür sind sogenannte Betriebsstrategien. In einem ersten Schritt gibt die vorliegende Diplomarbeit einen Überblick aktueller Betriebsstrategieansätze für Fahrzeuge mit einer parallelen Hybridarchitektur und stellt ausgewählte Beiträge wertend gegenüber. Anschließend wird mit der optimierungsbasierten Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS) ein vielversprechender Ansatz in ein MATLAB/Simulink-Längsdynamikmodell umgesetzt. Die für diesen Ansatz maßgebliche Bestimmung des Äquivalenzfaktors erfolgt dabei ohne Verwendung von Prädiktionsdaten. Eine Gegenüberstellung der erzielten Kraftstoffverbrauchswerte zu denen einer regelbasierten Betriebsstrategie, zeigt die Vorteile des implementierten ECMS-Ansatzes. Um den unterschiedlichen Ladezuständen am Fahrtende gerecht zu werden, wird eine ladungsabhängige Kraftstoffkorrektur vorgestellt.:Abbildungsverzeichnis VII Tabellenverzeichnis IX Abkürzungs- und Symbolverzeichnis X 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung der Arbeit 1.3 Struktur der Arbeit 2 Energiemanagement paralleler Hybridfahrzeugarchitekturen 2.1 Hybridfahrzeuge 2.2 Hybridfahrzeugarchitekturen 2.3 Betriebsstrategien für parallele Hybridfahrzeugarchitekturen 2.3.1 Betriebsstrategie - Begriffsbestimmung und Einordnung in das Energiemanagement 2.3.2 Bewertungskriterien von Betriebsstrategien 2.3.3 Überblick Betriebsstrategien 3 Optimierungsbasierte Betriebsstrategien 3.1 Mathematischer Ansatz 3.1.1 Das parallele HEV als Anwendungsfall 3.1.2 Neben- und Randbedingungen 3.2 Globale optimierungsbasierte Betriebsstrategien 3.2.1 Dynamische Programmierung (DP) 3.2.2 PONTRJAGINsches Maximumsprinzip (PMP) 3.2.3 Approximation der Kennfelder 3.2.4 Suchheuristiken 3.3 Lokale optimierungsbasierte Betriebsstrategien 3.3.1 Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS) 3.3.2 Gegenüberstellung ECMS und PMP 3.3.3 Bestimmung des Äquivalenzfaktors 3.4 Zusammenfassung der Vor- und Nachteile optimierungsbasierter Ansätze 4 Regelbasierte Betriebsstrategien 4.1 Deterministisch 4.1.1 Regeladaption mittels Suchheuristiken 4.1.2 Regeldefinition mittels PMP/ECMS 4.2 Fuzzy-Logik 4.3 Zusammenfassung der Vor- und Nachteile regelbasierter Ansätze 5 Auswahl eines zu implementierenden Strategieansatzes 6 Vorstellung des verwendeten Simulationsmodells 6.1 Betrachtete Fahrzyklen 6.2 Fahrzeugmodell 6.3 Implementierung der ECMS 6.3.1 Korrektur des Kraftstoffverbrauchs bei Ladungsabweichung 6.3.2 Auswahl der Strafkosten für den Gangwechsel und den VM- Betriebszustand 7 Simulation und Auswertung des implementierten Strategieansatzes. 7.1 Erweiterung der ECMS durch die nichtprädiktive Anpassung des Äquivalenzfaktors nach PEI 7.1.1 Auswahl des Skalierungsfaktors a - ohne Anpassung des Referenzwerts (λref = const) 7.1.2 Auswahl der Proportionalverstärkung Kp - Anpassung des Referenzwerts (λref ≠ const) 7.2 Vergleich der ECMS mit einer regelbasierten Betriebsstrategie 8 Zusammenfassung und Ausblick Quellenverzeichnis Anhang / By integrating at least one additional energy converter into the drive train, parallel hybrid vehicles gain an additional degree of freedom compared to conventional vehicles. In addition to the design and efficiency of the individual drive train components, especially the use of this additional degree of freedom is the key responsible to achieve the desired goals in the operation of a hybrid vehicle, such as minimizing fuel consumption and exhaust emissions. Responsible for this are so-called supervisory strategies. In a first step, the present thesis provides an overview of current supervisory control strategies for vehicles with a parallel hybrid architecture and compares selected approaches. In a second step, a promising Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS) is chosen and implemented in a MATLAB/Simulink-longitudinal dynamics model. This approach relates on the determination of the equivalence factor which is carried out without the use of prediction data. A comparison of the fuel consumption, obtained for a rule-based supervisory strategy, shows the advantages of the implemented ECMS approach. To consider the different states of charge at the end of the trip, a charge-dependent fuel correction will be presented.:Abbildungsverzeichnis VII Tabellenverzeichnis IX Abkürzungs- und Symbolverzeichnis X 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung der Arbeit 1.3 Struktur der Arbeit 2 Energiemanagement paralleler Hybridfahrzeugarchitekturen 2.1 Hybridfahrzeuge 2.2 Hybridfahrzeugarchitekturen 2.3 Betriebsstrategien für parallele Hybridfahrzeugarchitekturen 2.3.1 Betriebsstrategie - Begriffsbestimmung und Einordnung in das Energiemanagement 2.3.2 Bewertungskriterien von Betriebsstrategien 2.3.3 Überblick Betriebsstrategien 3 Optimierungsbasierte Betriebsstrategien 3.1 Mathematischer Ansatz 3.1.1 Das parallele HEV als Anwendungsfall 3.1.2 Neben- und Randbedingungen 3.2 Globale optimierungsbasierte Betriebsstrategien 3.2.1 Dynamische Programmierung (DP) 3.2.2 PONTRJAGINsches Maximumsprinzip (PMP) 3.2.3 Approximation der Kennfelder 3.2.4 Suchheuristiken 3.3 Lokale optimierungsbasierte Betriebsstrategien 3.3.1 Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS) 3.3.2 Gegenüberstellung ECMS und PMP 3.3.3 Bestimmung des Äquivalenzfaktors 3.4 Zusammenfassung der Vor- und Nachteile optimierungsbasierter Ansätze 4 Regelbasierte Betriebsstrategien 4.1 Deterministisch 4.1.1 Regeladaption mittels Suchheuristiken 4.1.2 Regeldefinition mittels PMP/ECMS 4.2 Fuzzy-Logik 4.3 Zusammenfassung der Vor- und Nachteile regelbasierter Ansätze 5 Auswahl eines zu implementierenden Strategieansatzes 6 Vorstellung des verwendeten Simulationsmodells 6.1 Betrachtete Fahrzyklen 6.2 Fahrzeugmodell 6.3 Implementierung der ECMS 6.3.1 Korrektur des Kraftstoffverbrauchs bei Ladungsabweichung 6.3.2 Auswahl der Strafkosten für den Gangwechsel und den VM- Betriebszustand 7 Simulation und Auswertung des implementierten Strategieansatzes. 7.1 Erweiterung der ECMS durch die nichtprädiktive Anpassung des Äquivalenzfaktors nach PEI 7.1.1 Auswahl des Skalierungsfaktors a - ohne Anpassung des Referenzwerts (λref = const) 7.1.2 Auswahl der Proportionalverstärkung Kp - Anpassung des Referenzwerts (λref ≠ const) 7.2 Vergleich der ECMS mit einer regelbasierten Betriebsstrategie 8 Zusammenfassung und Ausblick Quellenverzeichnis Anhang

In today's versatile requirements for reducing fuel consumption, a lot of different approaches are in development like hybridization, reducing the amount of cylinders with the same power as before or operating point-independent components and auxiliaries. Within this thesis, one of the approaches is shown: electrified auxiliaries including an operation strategy. Replacing conventional auxiliaries with electrified ones, the need of more electrical power becomes bigger. Due to the limits within the 12V power net, the 48V approach is the logical conclusion in terms of cost benefit and availability of the needed resources to use the electrified components. The 48V power net introduces new or modified parts to the vehicle including a new power net topology. Fuzzy logic was chosen to control the auxiliaries, because of the number of input variables, the flexibility of using it for different cars and being robust during the usage. The results showed a significant improvement of fuel consumption with the developed control strategy for the selected power net topology. This improvement was evident in all cycles, which were discussed within this thesis. In this thesis a new approach for reducing fuel consumption was shown, which includes several electrified auxiliaries and the operation strategy to control them within the vehicle during different cycles. The necessary models for the approach were developed including the auxiliaries, the controller and the needed parts for the power net. / In der heutigen Zeit mit den steigenden Ansprüchen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs sind viele verschiedene Ansätze und Technologien in der Entwicklung, wie zum Beispiel Hybridisierung, Zylinderreduktion mit der gleichen Leistungsausbeute wie zuvor oder auch vom Verbrennungsmotor unabhängigen Komponenten und Nebenaggregaten. Innerhalb dieser Arbeit wurde einer dieser Ansätze näher erläutert: elektrifizierte Nebenaggregate inklusive einer Betriebsstrategie. Durch den Austausch der konventionellen Nebenaggregate mit den elektrifizierten Nebenaggregaten steigt der Bedarf an mehr elektrischer Leistung. Durch die Limitierungen im 12V Bordnetz, ist der 48V Ansatz der nächste logische Schritt hinsichtlich des Kosten/Nutzen-Verhältnis und der Ressourcenverfügbarkeit für die Nutzung der elektrifizierten Komponenten. Das 48V Bordnetz benötigt neue bzw. modifizierte Komponenten inclusive einer neuen Bordnetztopologie. Fuzzy-Logik wurde zur Regelung der Nebenaggregate ausgewählt. Grund hierfür waren: Anzahl an Eingangsvariablen, Flexibilität in der Übertragung auf andere Fahrzeuge und dem robusten Verhalten in der Anwendung. Die Ergebnisse zeigten ein signifikantes Einsparpotential durch die Verwendung der entwickelten Betriebsstrategie für die ausgewählte Bordnetztopologie. Die Einsparung war in allen diskutierten Zyklen deutlich zu sehen. In dieser Arbeit wurde ein neuer Ansatz zur Verbrauchsreduktion gezeigt inklusive elektrifizierter Nebenaggregate und der benötigten Betriebsstrategie, um diese im Fahrzeug in verschiedenen Zyklen zu steuern. Die benötigten Modelle wurden entwickelt, wie zum Beispiel die Nebenaggregate, der Regler und den Bordnetzkomponenten.