Metamodellbasierte Optimierung von Betriebsstrategien im Thermomanagement elektrischer Fahrzeuge

  • Metamodel-based optimization of operational strategies in thermal management of electric vehicles

Wulff, Carsten Wilhelm Ingo; Pischinger, Stefan (Thesis advisor); Kneer, Reinhold (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Im Jahr 2019 hat das Interesse von Verbrauchern an batterieelektrischen Fahrzeugen deutlich zugenommen. Mehr als die Hälfte der Verbraucher bevorzugt beim Kauf ihres nächsten Fahrzeugs alternative Antriebstechnologien. Gleichzeitig bleiben die Erwartungen der Kunden an die Reichweite dieser Fahrzeuge sehr hoch. Das Thermomanagement hat, insbesondere bei extremen Umgebungstemperaturen, erhebliche Auswirkungen auf die erzielbare Reichweite bei BEVs. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher untersucht, welchen Beitrag eine globaloptimale Betriebsstrategie im Thermomanagement zur Steigerung der Reichweite leisten kann. Hierfür werden die zur Kabinenkonditionierung benötigten Wärmeströme als gegeben angenommen und die Steuerung eines Systems mit vielen Freiheitsgraden zur Verteilung der Wärmemengen im Fahrzeug untersucht. Es wird eine metamodellbasierte Methode zur Globaloptimierung entwickelt, welche anhand eines thermischen Gesamtfahrzeugmodells optimale Betriebsstrategien für das Thermalsystem im Hinblick auf den Energiebedarf des Fahrzeugs identifiziert. Die hohe Komplexität des Modells ermöglicht dabei eine Berücksichtigung der Wechselwirkungen im Gesamtsystem, sodass auch etwaige Auswirkungen des Thermalsystems auf den Energiebedarf des Antriebsstrangs Berücksichtigung finden. Über die Optimierung werden hierbei Führungsgrößen für die Kühlsystemregelung oder auch analog zu einer modellprädiktiven Regelung die Ansteuerungswerte der Aktuatoren im System direkt festgelegt. Wird der Optimierungsalgorithmus zur Identifikation von optimalen Führungsgrößen genutzt, lässt sich allein durch eine optimierte Regelung des Kühlkreislaufs des Antriebsstrangs eine Energieersparnis von 2,89 % im WLTC Class 3 bei 35 °C Umgebungstemperatur erreichen. Bei Anwendung des gleichen Algorithmus zur direkten Festlegung der Steuerungsparameter der Aktuatoren im Thermalsystem lässt sich im gleichen Zyklus eine über die Jahrestemperaturverteilung für Europa gewichtete Ersparnis von 11,97 % erzielen. Zwingende Bedingung zur Realisierung dieser Einsparpotenziale ist dabei, dass das Lastprofil des Fahrzeugs für die Optimierung vollständig bekannt ist. Hierdurch können die Effizienzpotenziale genutzt werden, welche bei regelbasierten Steuerstrategien zum Schutz der Bauteile vor thermischer Überbelastung ungenutzt bleiben. Eine hinreichend genaue Prädiktionsfunktion ist daher Voraussetzung, um in einem nächsten Schritt die im Laufe einer Optimierung erzeugten Metamodelle als Teil von modellprädiktiven Reglern im Fahrzeugsteuergerät einzusetzen. Auf diesem Weg könnte ein möglichst großer Teil des in dieser Arbeit aufgezeigten Potenzials in den realen Fahrbetrieb übertragen werden.

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