Die anspruchsvollen Zielsetzungen zum CO2-Ausstoß von Kraftfahrzeugen verlangen immer stärker nach hocheffizienten Fahrzeugkonzepten und werden zukünftig zu deutlich höheren Elektrifizierungsanteilen der Antriebe führen. Die große Herausforderung liegt dabei in der Lösung des Zielkonfliktes zwischen voll elektrischem Fahren und erstfahrzeugtauglicher Reichweite. Im Rahmen eines Forschungsprojektes zur Konzeption von Hybridfahrzeugen hat die BMW Forschung ein Konzeptfahrzeug entwickelt, das im urbanen Bereich emissionsfrei betrieben werden kann und dennoch alltagstauglich für spontane längere Fahrten nutzbar ist (Abbildung 1). Die für dieses Projekt abgeleiteten Ziele waren ein Verbrauch von < 2,5 l im Ladungserhaltungsbetrieb, eine E-Reichweite von 100 km, eine BMW-adäquate Beschleunigung von < 8 sec von 0 auf 100 km/h, eine erstfahrzeugtaugliche Höchstgeschwindigkeit von 180 km/h, ein Raumangebot auf Niveau heutiger viersitziger Coupés im Kompaktsegment und eine Gesamtreichweite von 1.000 km (Eiletz 2015a). Im Rahmen des Beitrags werden sowohl Prozess und Vorgehensweise bei der Gestaltung des Hocheffizienz-Konzeptfahrzeugs als auch die Ergebnisse des Forschungsprojektes dargelegt.

Die anspruchsvollen Zielsetzungen zum CO2-Ausstoß von Kraftfahrzeugen verlangen immer stärker nach hocheffizienten Fahrzeugkonzepten und werden zukünftig zu deutlich höheren Elektrifizierungsanteilen der Antriebe führen. Die große Herausforderung liegt dabei in der Lösung des Zielkonfliktes zwischen voll elektrischem Fahren und erstfahrzeugtauglicher Reichweite. Im Rahmen eines Forschungsprojektes zur Konzeption von Hybridfahrzeugen hat die BMW Forschung ein Konzeptfahrzeug entwickelt, das im urbanen Bereich emissionsfrei betrieben werden kann und dennoch alltagstauglich für spontane längere Fahrten nutzbar ist (Abbildung 1). Die für dieses Projekt abgeleiteten Ziele waren ein Verbrauch von < 2,5 l im Ladungserhaltungsbetrieb, eine E-Reichweite von 100 km, eine BMW-adäquate Beschleunigung von < 8 sec von 0 auf 100 km/h, eine erstfahrzeugtaugliche Höchstgeschwindigkeit von 180 km/h, ein Raumangebot auf Niveau heutiger viersitziger Coupés im Kompaktsegment und eine Gesamtreichweite von 1.000 km (Eiletz 2015a). Im Rahmen des Beitrags werden sowohl Prozess und Vorgehensweise bei der Gestaltung des Hocheffizienz-Konzeptfahrzeugs als auch die Ergebnisse des Forschungsprojektes dargelegt.

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. / 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.

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

3 mal im Jahr erscheinende Zeitschrift über aktuelle Themen der TU Chemnitz

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