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November 2016
Maik Leska
Berechnung kraftstoffoptimaler Trajektorien und Betriebsstrategien für Diesel-Hybrid-Schienenfahrzeuge
Der Hybridantrieb verbindet einen konventionellen Verbrennungsmotor mit mindestens einem weiteren Energiewandler, meistens einem Elektromotor. Die damit einhergehende Reichweite in Verbindung mit der Rückgewinnung der Bremsenergie und einem optimierten Betrieb des Verbrennungsmotors sind der Grund, warum dem Hybridantrieb zumindest kurz- bis mittelfristig das größte Potenzial zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs sowie der Schadstoffemissionen zugetraut wird. Ausgeschöpft werden kann dieses nur durch eine intelligente Fahr- und Betriebsstrategie.
Die vorliegende Arbeit liefert eine kombinierte Fahr- und Betriebsstrategie, die das Kraftstoff-Einsparpotenzial eines zweigliedrigen Nahverkehrstriebzugs, welcher zu einem Hybridsystem umgerüstet wurde, aufzeigt. Zunächst werden die verbrauchsoptimale Fahr- und Betriebsstrategie separat bestimmt, wobei deutlich wird, dass die Betriebsstrategie stark von den auf der Strecke geforderten Lasten und damit unmittelbar von der Fahrstrategie abhängt. Daher erfolgt am Ende eine Zusammenführung beider mittels einer kombinierten Optimierung. Neben der dynamischen Programmierung, welche trotz verminderter Lösungsgenauigkeit aufgrund der begrenzten Rechnerressourcen nahezu eine Verdopplung der Verbrauchseinsparungen erzielt, wird ein Ansatz präsentiert, der die Ergebnisse aus der dynamischen Programmierung nutzt, um die optimalen Trajektorien gezielt zu bestimmen. Eine anschließende Berechnung der Betriebsstrategie mittels einer sensitivitätsbasierten Optimierung liefert ein Kraftstoffeinsparpotenzial von mehr als 35 % im Vergleich zur optimalen Fahrstrategie des konventionellen Fahrzeugs. Dieses Ergebnis gilt ausschließlich für die ungestörte Fahrt.
Die vorliegende Arbeit liefert eine kombinierte Fahr- und Betriebsstrategie, die das Kraftstoff-Einsparpotenzial eines zweigliedrigen Nahverkehrstriebzugs, welcher zu einem Hybridsystem umgerüstet wurde, aufzeigt. Zunächst werden die verbrauchsoptimale Fahr- und Betriebsstrategie separat bestimmt, wobei deutlich wird, dass die Betriebsstrategie stark von den auf der Strecke geforderten Lasten und damit unmittelbar von der Fahrstrategie abhängt. Daher erfolgt am Ende eine Zusammenführung beider mittels einer kombinierten Optimierung. Neben der dynamischen Programmierung, welche trotz verminderter Lösungsgenauigkeit aufgrund der begrenzten Rechnerressourcen nahezu eine Verdopplung der Verbrauchseinsparungen erzielt, wird ein Ansatz präsentiert, der die Ergebnisse aus der dynamischen Programmierung nutzt, um die optimalen Trajektorien gezielt zu bestimmen. Eine anschließende Berechnung der Betriebsstrategie mittels einer sensitivitätsbasierten Optimierung liefert ein Kraftstoffeinsparpotenzial von mehr als 35 % im Vergleich zur optimalen Fahrstrategie des konventionellen Fahrzeugs. Dieses Ergebnis gilt ausschließlich für die ungestörte Fahrt.
Schlagwörter: Hybrid-Schienenfahrzeug; Betriebsstrategie; Fahrstrategie; Sensitivitätsbasierte Optimierung
Berichte aus dem Lehrstuhl für Mechatronik Universität Rostock
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Harald Aschemann, Rostock
Band 3
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