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.

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.

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.