Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2009

Zugl.: Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2006

Zugl.: Linz, Universiẗat, Diss.

Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2008

Zugl.: München, Techn. Univ., Diss., 2009

Zugl.: Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2009

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

An assessment study of a novel approach is presented that combines discrete state-space Dynamic Programming and Pontryagin’s Maximum Principle for online optimal control of hybrid electric vehicles (HEV). In addition to electric energy storage and gear, kinetic energy and travel time are considered states in this paper. After presenting the corresponding model using a parallel HEV as an example, a benchmark method with Dynamic Programming is introduced which is used to show the solution quality of the novel approach. It is illustrated that the proposed method yields a close-to-optimal solution by solving the optimal control problem over one hundred thousand times faster than the benchmark method. Finally, a potential online usage is assessed by comparing solution quality and calculation time with regard to the quantization of the state space.

Diese Arbeit entstand an der Professur für Fahrzeugmodellierung und –simulation der TU Dresden in Zusammenarbeit mit der Fa. Bombardier Transportation („Bombardier Center of Competence“). In einem Teilprojekt dieser Kooperation wird die Einführung technischer Funktionen und Systeme zur Energieeinsparung bei Lokomotiven untersucht. Die Nutzung von Speichertechnologien ist neben der Abwärmenutzung und der energiesparenden Fahrweise die effizienteste Maßnahme zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs bei Dieselfahrzeugen. Zusätzlich zur Rekuperation von Bremsarbeit können die Funktionen Lastpunktverschiebung und emissionsfreier Betrieb mit Hilfe eines Energiespeichers realisiert werden. Der Einsatz elektrischer Energiespeicher erweist sich als geeignet für dieselelektrische Schienenfahrzeuge im Personenverkehr, da diese durch die bereits vorhandenen elektrischen Antriebskomponenten relativ einfach zu hybridisieren sind und eine nutzungsgerechte Speicherauslegung aufgrund weitgehend bekannter Fahraufgaben möglich ist. In der Arbeit wird ein durchgängiges Verfahren zur Auslegung von dieselelektrischen Lokomotiven mit Energiespeichern im Personenverkehr beschrieben. Im Fokus liegt dabei der Einsatz von Optimierungsalgorithmen zur Verbesserung des Generatorsystems und des Einsatzes von elektrischen Energiespeichern im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch und die weiteren Anteile der Lebenszykluskosten. Das im Rahmen der Arbeit erstellte Programm zur energetischen Simulation bildet die Basis zur Untersuchung verschiedener Strategien für die Fahrtgestaltung unter Berücksichtigung der Fahrzeitreserven, den Betrieb des Energiespeichers und der Steuerung von Anlagen mit mehreren Dieselmotorgeneratorsätzen. Neben der Nutzung regelbasierter Strategien werden dabei auch vorausschauende Betriebsstrategien eingesetzt, welche die Möglichkeiten der bei Schienenfahrzeugen im Vorfeld bekannten Streckengeschwindigkeit und -topologie nutzen. Die dafür angewandten Methoden sind die Dynamische Programmierung nach BELLMANN und der äquivalenzkostenbasierte Betrieb. Die Optimierung der Fahrzeugkonfiguration wird durch einen Programmbaustein realisiert, welcher unter Berücksichtigung der Lokkonfiguration und der Energiesimulation für ein vorgegebenes Streckenprofil die Verbrauchs-, Instandhaltungs- und Anschaffungskosten für das Fahrzeug berechnet.

In dieser Arbeit wurde ein computergestütztes, dynamisches Ein-Spur-Modell eines Pkw mit einem parallelen hybrid-elektrischen Antrieb (P2-Topologie) in Matlab-Simulink entwickelt. Es erlaubt die Skalierung des elektrischen Leistungsanteils und simuliert die Betriebsarten elekt- risches, konventionelles und hybrides Fahren, Bremsenergierückgewinnung und Start-Stopp- Betrieb. Ferner kann durch die Modellierung einer Einscheiben-Trockenkupplung zwischen Verbrennungs- und Elektromotor die Momentenübertragung bei schlupfender Kupplung wäh- rend des Anfahrens oder beim Start des Verbrennungsmotors durch den Elektromotor nach- gebildet werden. Die Fahrzeugsimulation kann in drei verschiedenen Fahrzyklen (NEFZ, WLTP, FTP-75) durchgeführt werden. Als Ausgabegrößen stehen u.a. der Kraftstoffverbrauch, die CO2-Emissionen, die Antriebs- und Rekuperationsarbeit am Verbrennungs- bzw. Elektro- motor und an den Rädern sowie die dafür benötigte bzw. rückgeführte elektrische Energie zur Verfügung. Zusätzlich kann der zeitliche Verlauf zahlreicher relevanter Größen dargestellt wer- den. Die Validierung der Simulation zeigte eine gute Übereinstimmung mit den Daten eines realen Fahrzeuges in Bezug auf Beschleunigungsverhalten, Maximalgeschwindigkeit und Kraftstoffverbrauch. / In the frame of this Master Thesis a dynamic single-track-model of a hybrid electric vehicle was developed. The model comprises basic operation modes such as electric, conventional and hybrid driving, recuperation of braking energy and engine start-stop. It allows to scale the split of the propulsion between the combustion and electric engine. A further fundamental com- ponent is the model of a friction disc clutch, enabling the simulation of torque transmission of a slipping clutch during the vehicle start and the upspeeding of the combustion engine through the electric engine. The program offers three driving cycles for simulation (NEDC, WLTC, FTP- 75). Fuel consumption, CO2-emissions, propulsion and recuperation work of the combustion engine, electric engine and the wheels are provided as output variables as well as the required and recuperated electric energy. Furthermore several relevant variables are displayed in their progress over time. The model was validated against real vehicle data showing a good corre- lation regarding acceleration, maximum speed and fuel consumption.