Antriebsstrangsteuerung/Energiemanagement
Motivation
Moderne Antriebsstränge besitzen mehrere Energiewandler, weshalb sich deren Betriebspunkte in bestimmten Grenzen frei wählen lassen. Ein bekanntes Beispiel ist das Hybridelektrofahrzeug, dessen Antriebsstrang neben dem Verbrennungsmotor einen Elektromotor samt elektrischem Energiespeicher besitzt. Dadurch kann das Fahrzeug Energie beim Bremsen zurückgewinnen, die Arbeitspunkte zu Gunsten eines effizienteren Betriebs verschieben oder mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor fahren. Das resultierende Energiemanagement-Problem wird seit der Jahrtausendwende intensiv erforscht und wurde sogar schon auf Schiffsantriebe erweitert.
Allerdings ist das Energiemanagement nicht auf den Antriebsstrang beschränkt, sondern spielt auch beim hoch automatisierten Fahren und bei der Navigation eine wichtige Rolle. Aktuelle Forschungsthemen erweitern das Energiemanagement auf automatisiert fahrende Fahrzeugkolonnen. In allen Fällen hat das Energiemanagement zum Ziel, die existierenden Freiheiten so zu nutzen, dass ein bestimmtes ökonomisches oder ökologisches Ziel bestmöglich erreicht wird.
Methodik/Prinzipielles Vorgehen
Im Kontext von technischen Systemen wie dem Hybridfahrzeug haben sich neben den mathematischen Methoden der optimalen Steuerung eine Vielzahl von heuristischen und gemischten Verfahren etabliert, womit echtzeitfähige Controller entworfen werden können. Im ersten Schritt die Steuerungsaufgabe als mathematisches Optimierungsproblem formuliert, wobei die geforderte Zielstellung als Gütemaß und alle relevanten technischen Begrenzungen als Randbedingungen definiert werden. Die Lösung dieses Problems dient als Benchmark für den echtzeitfähigen Controller. Im nächsten Schritt können daraus Regeln oder andere optimierungsbasierte Verfahren abgeleitet werden. Zum Schluss werden die entwickelten Controller simulativ für bestimmte Szenarien, z. B. anhand aufgezeichneter Fahrten, robust eingestellt. Mit Hilfe moderner Entwicklungswerkzeuge können die entworfenen Controller dank automatischer Code-Generierung auf geeigneten Plattformen wie der dSPACE MicroAutoBox in Versuchsträgern erprobt werden.
Ausgewählte Veröffentlichungen
[1] Tempelhahn, C.; Uebel, S.; Kutter, S.: Optimale Steuerung des Zusammenspiels von Verbrennungs- und Elektromotor. In: Der Verbrennungsmotor - ein Antrieb mit Vergangenheit und Zukunft, 2018, ISBN: 978-3-658-19290-7 (S. 607- 628), doi: 10.1007/978-3-658-19291-4
[2] Uebel, S.; Murgovski, N.; Tempelhahn, C.; Bäker, B.:
Optimal Velocity and Power Split Control of Hybrid Electric Vehicles. In: IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 67, no. 1, pp. 327-337, 2018, doi: 10.1109/TVT.2017.2727680
[3] Uebel, S.; Murgovski, N.; Bäker, B.; Sjöberg, J.:
A 2-Level MPC for Energy Management including Velocity Control of Hybrid Electric Vehicle. In: IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2018