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März 2014
Torben Meier
Multikriterielle Optimierung hybrider Antriebsstränge mittels statistischer Versuchsplanung
Die Optimierung hybrider Antriebsstränge von Fahrzeugen gewinnt zunehmend an Bedeutung und rückt damit in den Fokus der aktuellen Forschung und Entwicklung. Dennoch ist die Integration elektrischer Antriebskomponenten in den Antriebsstrang für die Fahrzeughersteller weitgehend Neuland, weshalb Hybridfahrzeuge derzeit meist auf konventionellen Antriebssträngen basieren. Eine isolierte Optimierung der Komponenten des Antriebsstrangs ist nicht ausreichend, lediglich eine ganzheitliche Betrachtung des Gesamtsystems und die Entwicklung neuer Antriebsstrangarchitekturen führen zu einem bestmöglichen Zusammenspiel aller verwendeten Komponenten.
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit einem alternativen Ansatz zur multikriteriellen Optimierung hybrider Antriebsstrangkonfigurationen. Dabei wird auf eine Methodik der statistischen Versuchsplanung zurückgegriffen, um komplexe Simulationsmodelle zur Ermittlung des Energieverbrauchs in Simulink durch abstrahierte mathematische Metamodelle zu ersetzen. Zusammen mit weiteren Berechnungsmodellen wird der Einfluss diverser Antriebsstrangparameter, d. h. maximale Drehmomente und Drehzahlen sowie Getriebeübersetzungen, auf verschiedene Zielgrößen untersucht. Zielgrößen sind der elektrische und der petrochemische Streckenverbrauch, verschiedene Fahrleistungen sowie die Kosten des Antriebsstrangs. Mittels einer Zielgewichtung wird das multikriterielle auf ein skalares Optimierungsproblem reduziert. Die Zielgewichtung erlaubt unter anderem einen systemübergreifenden Vergleich verschiedener Antriebsstrangarchitekturen, wie er bisher noch nicht getätigt werden konnte.
Anhand der Methodik werden beispielhaft zwei Antriebsstränge optimiert und gegenüber gestellt. Der erste Antriebsstrang, bezeichnet als Two Drive Transmission, basiert auf einem automatisierten Schaltgetriebe und bietet die Funktionalitäten eines seriell/parallelen Antriebsstrangs. Beim zweiten Antriebsstrang handelt es sich um den Voltec Antriebsstrang mit seriell/leistungsverzweigten Hybridmodi aus dem Opel Ampera.
Aufgrund der Gewichtungen der skalaren Zielfunktion erreichen beide Antriebsstränge ihre optimalen Werte bei möglichst geringen Leistungen der elektrischen Maschinen. Dies wird unter anderem am Einfluss einzelner Parameter auf den Energieverbrauch, anhand sogenannter Sensitivitätsanalysen, gezeigt. Weiteres Potential zur Verbrauchsreduzierung steckt in der Erhöhung der maximalen Drehzahlen der elektrischen Antriebsmaschinen, was ebenfalls Teil der Untersuchungen ist.
Ein Vergleich der beiden Antriebsstränge zeigt, dass das Two Drive Transmission die zur Verfügung stehende Leistung, aufgrund seiner parallelen Anordnung, besser nutzen kann. Der seriell/parallele Hybrid erreicht mit weniger Leistung im Antriebsstrang vergleichbare Fahrleistungen. Die elektrischen und petrochemischen Streckenverbräuche des Two Drive Transmission sind ebenso wie die Kosten, wegen der Leistungsreduzierung der Einzelkomponenten, geringer.
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit einem alternativen Ansatz zur multikriteriellen Optimierung hybrider Antriebsstrangkonfigurationen. Dabei wird auf eine Methodik der statistischen Versuchsplanung zurückgegriffen, um komplexe Simulationsmodelle zur Ermittlung des Energieverbrauchs in Simulink durch abstrahierte mathematische Metamodelle zu ersetzen. Zusammen mit weiteren Berechnungsmodellen wird der Einfluss diverser Antriebsstrangparameter, d. h. maximale Drehmomente und Drehzahlen sowie Getriebeübersetzungen, auf verschiedene Zielgrößen untersucht. Zielgrößen sind der elektrische und der petrochemische Streckenverbrauch, verschiedene Fahrleistungen sowie die Kosten des Antriebsstrangs. Mittels einer Zielgewichtung wird das multikriterielle auf ein skalares Optimierungsproblem reduziert. Die Zielgewichtung erlaubt unter anderem einen systemübergreifenden Vergleich verschiedener Antriebsstrangarchitekturen, wie er bisher noch nicht getätigt werden konnte.
Anhand der Methodik werden beispielhaft zwei Antriebsstränge optimiert und gegenüber gestellt. Der erste Antriebsstrang, bezeichnet als Two Drive Transmission, basiert auf einem automatisierten Schaltgetriebe und bietet die Funktionalitäten eines seriell/parallelen Antriebsstrangs. Beim zweiten Antriebsstrang handelt es sich um den Voltec Antriebsstrang mit seriell/leistungsverzweigten Hybridmodi aus dem Opel Ampera.
Aufgrund der Gewichtungen der skalaren Zielfunktion erreichen beide Antriebsstränge ihre optimalen Werte bei möglichst geringen Leistungen der elektrischen Maschinen. Dies wird unter anderem am Einfluss einzelner Parameter auf den Energieverbrauch, anhand sogenannter Sensitivitätsanalysen, gezeigt. Weiteres Potential zur Verbrauchsreduzierung steckt in der Erhöhung der maximalen Drehzahlen der elektrischen Antriebsmaschinen, was ebenfalls Teil der Untersuchungen ist.
Ein Vergleich der beiden Antriebsstränge zeigt, dass das Two Drive Transmission die zur Verfügung stehende Leistung, aufgrund seiner parallelen Anordnung, besser nutzen kann. Der seriell/parallele Hybrid erreicht mit weniger Leistung im Antriebsstrang vergleichbare Fahrleistungen. Die elektrischen und petrochemischen Streckenverbräuche des Two Drive Transmission sind ebenso wie die Kosten, wegen der Leistungsreduzierung der Einzelkomponenten, geringer.
Forschungsberichte Mechatronische Systeme im Maschinenbau
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Stephan Rinderknecht, Darmstadt
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Shaker Verlag GmbH
Am Langen Graben 15a
52353 Düren
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