Nutzungsbasierte Optimierungsstrategie für Antriebssysteme

Translated title
Usage Based Optimisation for Propulsion Systems
Publication date
2016
Document type
PhD thesis (dissertation)
Author
Advisor
Referee
Thiemann, Wolfgang
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2016-05-20
Organisational unit
DDC Class
620 Ingenieurwissenschaften
Keyword
Elektromobilität
Elektrofahrzeug
Optimierung
Triebstrang
Kraftfahrzeug
Fahrzeug
Motor
Kraftmaschine
Simulation
Hybridfahrzeug
Alternativer Antrieb
Hybrid Electric Vehicle
Powertrain
Optimisation
Abstract
Die Effizienzsteigerung der Fahrzeugantriebe und damit die Reduktion von CO2-Emissionen ist ein vornehmliches Ziel in der Fahrzeugentwicklung, welches durch gesetzgeberische Eingriffe in Form von Restriktionen des Schadstoffausstoßes eine hohe Priorisierung erhält. Die hierdurch getriebene Elektrifizierung des Antriebsstrangs führt zu einer Vielzahl von Antriebsstrangtopologien. Deren Potenzialergründung für unterschiedliche Nutzungsprofile bedarf aufgrund der Komplexität der Topologien selbst sowie aufgrund der unterschiedlichen verwendeten Energiewandler einer computeralgebraischen Unter-stützung. Die entwickelte Methode zur nutzungsbasierten Optimierung des Antriebsstrangs nimmt sich dieser Problematik an und löst sie durch eine integrierte Betrachtung der Systemauslegung und objektivierten Bewertung von nutzungsspezifischen Parametern. Die Methodik zielt dabei auf eine nutzungsbasierte Auslegung der Antriebssysteme in einer frühen Entwicklungsphase dieser ab. Die daraus resultierende Abstraktion auf eine konzeptionelle Ebene führt zu einer Fokussierung auf die Optimierung der Energiewandler, die als Verbrennungskraftmaschine oder elektrische Maschine im Antriebsstrang Verwendung finden. Das Instrument zur Abbildung des Fahrzeugverhaltens bildet eine Längsdynamiksimulation, die durch Ausrollversuche validiert wird. Die Modellierung des Antriebsstrangs und im Speziellen der Traktionsmaschinen erfolgt mittels elliptischer Paraboloide über einen eigens entwickelten Ansatz zur Abstraktion der Kennfelder des spezifischen Verbrauchs und des Wirkungsgrades. Dieses Verfahren wird durch einen Vergleich mit realen Kennfeldern unter Verwendung des neuen europäischen Fahrzyklus validiert und im Folgenden als Bestandteil der Zielfunktion des Optimierungsverfahrens genutzt. Dieses nutzt die Parameter der Paraboloiden zur Anpassung auf den betrachteten Nutzungszyklus, was für konventionelle und batterieelektrische Antriebe eine Leistungsskalierung und für hybride Antriebssysteme eine Leistungsverteilung zwischen Verbrennungskraftmaschine und elektrischer Maschine einschließt. Das Ergebnis sind auf einen Nutzungszyklus optimierte Antriebe, deren Well-to-Wheel CO2-Emissionen als Ordnungskriterium dienen. Die optimierten Antriebssysteme werden genutzt, um deren Fahrleistungen in einer dynamischen Längsdynamiksimulation zu ermitteln. In Verbindung mit den CO2-Emissionen werden diese einem Bewertungsverfahren nach dem Analytic Hierarchy Process zugeführt, welches auf objektivierten Bewertungskriterien beruht. Die Gewichtung der Kriterien gegenüber den Zielen erfolgt ebenfalls durch objektivierte Größen, die aus dem Nutzungsprofil gewonnen werden. Das Ergebnis des Bewertungsverfahrens ist der nutzungsbasierte Optimalantrieb.
The number of powertrain configurations increases due to the electrification of the powertrain. This makes the choice of the most appropriate powertrain for a desired usage challenging. This thesis introduces a method for a usage based optimisation of powertrains. Based on a longitudinal dynamic simulation the characteristic maps of the traction machines are optimised for different user cycles. The characteristic maps form the objective function of a minimization problem. Goal of the optimisation is to minimize well-to-wheel carbon dioxide emissions. Besides the conventional powertrain with petrol or diesel engine, battery electric, parallel-, serial- and power-split hybrid powertrains are investigated. The results of the optimization are used within a multi-criteria decision analysis which uses objective criteria extracted from the usage profile. The results show that the proposed method delivers the optimal powertrain for a specific usage by applying an optimisation with reasonable restrictions in combination with a multi-criteria decision analysis.
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