Regelung von Hybridfahrzeugen

Im Rahmen der Weiterentwicklung bestehender Antriebskonzepte im Automobilbereich hinsichtlich der Verbrauchsoptimierung, der Emissionsreduktion und der Verbesserung des subjektiven Fahrempfindens gewinnen Hybridantriebe zunehmend an Bedeutung. Diese besitzen neben dem Verbrennungsmotor noch mindestens eine weitere Antriebsquelle, welche nicht mit fossilen Brennstoffen betrieben wird. Durch eine geeignete Betriebsstrategie können die Vorteile der unterschiedlichen Antriebsquellen optimal ausgenutzt und Nachteile ausgeglichen werden. Die Kombination eines Verbrennungsmotors mit elektrischen Maschinen als alternative Antriebsquellen ist dabei die dominante Variante innerhalb des Automobilsektors.

Stand der Technik

: Struktur eines Hybridantriebes

Eine Reihe von unterschiedlichen Hybrid-Fahrzeugen sind als Serien- oder seriennahe Konstruktionen bereits ausgeführt. Allen ist gemeinsam, dass sie gegenüber konventionell verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen weniger Kraftstoff verbrauchen. Die Verbrauchseinsparung ist auf die hybridspezifischen Möglichkeiten der Rekuperation von Energie beim Bremsen sowie auf die Realisierung von Start-Stopp-Funktionen zurückzuführen. Als Vorreiter auf dem Gebiet der Hybridfahrzeuge ist Toyota zu sehen, die mit dem Prius2 bereits die zweite Generation eines Serien-Hybridfahrzeuges auf dem Markt hat.

Beim Hybridantrieb unterscheidet man zwischen Parallel-, Seriell- und Power-Split-Hybrid. Allen gemeinsam ist die Verwendung zweier Energiespeicher, einer Batterie und einem Kraftstofftank. Als Alternative zur Batterie sind auch Kondensatoren als Energiespeicher denkbar. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal bei Hybridantrieben ist die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschinen. Man trennt dabei zwischen Mild- und Full-Hybrid-Varianten, wobei unter einem so genannten Full-Hybrid ein Fahrzeug zu verstehen ist, das zumindest teilweise in der Lage ist, mit rein elektrischem Antrieb zu fahren.

Ruckfreies Ankuppeln des Verbrennungsmotors

Full-Hybrid-Konzepte ermöglichen aufgrund der leistungsstarken elektrischen Antriebe ein rein elektrisches Fahren, bei dem der Verbrennungsmotor über eine so genannte Anfahrkupplung vom Antriebsstrang getrennt wird, um Schleppverluste zu vermeiden. Dieser elektrische Fahrbetrieb ist jedoch nur bei niedrigen Geschwindigkeiten möglich. Bei höheren Leistungsanforderungen muss der Verbrennungsmotor durch Schließen der Anfahrkupplung zugeschaltet werden. Um dieses Zuschalten ohne spürbaren Ruck für den Fahrer zu gestalten ist eine schnelle und genaue Synchronisation der Kupplungsscheiben erforderlich. Dabei gilt es, das Kuppeln ohne Komfortabilitätseinbußen für die Fahrzeuginsassen dauerhaft während der gesamten Fahrzeuglebenszeit unter Berücksichtigung der sich durch Verschleiß ändernden Streckeneingenschaften zu realisieren. In Zusammenarbeit mit einem namenhaften deutschen Automobilhersteller ist diese Aufgabenstellung am IRT bearbeitet worden. Zu diesem Zweck wurden auf der einen Seite die Kompetenzen des IRT auf den Gebieten der robusten Regelung und der Modellgestützten Prädiktiven Regelung zum Reglerentwurf zum Einsatz gebracht als auch für den entwickelten Regler Adaptionsverfahren basierend auf Online-Systemidentifikations-Methoden untersucht. Zur Reglerauslegung und -validierung wurde ein Simulationsmodell des Hybrid-Antriebsstranges unter Nutzung des objektorientierten Modellierungswerkzeugs Dymola erfolgreich eingesetzt.

[1]	Beck, R.; Saenger, S.; Richert, F.; Bollig, A.; Neiß, K.; Scholt, T.; Noreikat, K.-E.; Abel, D.: Model Predictive Control of a Parallel Hybrid Vehicle Drivetrain. In: Proceedings of the CDC-ECC'05, 12.-15. December 2005, Seville, Spain
[2]	Beck, R.; Saenger, S.; Bollig, A.; Neiß, K.: Robuste modellprädiktive Regelung für Hybridgetriebe. at - Automatisierungstechnik 55 (2007), Heft 7, S. 360-367, Oldenbourg Verlag

Optimale prädiktive Betriebsstrategien

Ein weiterer zentraler Aspekt bei der Auslegung eines Hybridfahrzeugs ist die überlagerte Betriebsstrategie, die die optimale Ausnutzung der zusätzlichen Freiheitsgrade von Hybridfahrzeugen ermöglicht. Am Beispiel einer Parallelhybridkonfiguration werden am Insitut für Regelungstechnik Ansätze untersucht, die zukünftige Informationen über den Straßen- und wahrscheinlichen Geschwindigkeitsverlauf des Fahrzeuges in optimaler Weise ausnutzen. Das Vorliegen solcher Informationen kann zum einen auf einer fortschrittlichen Telematik beruhen, ist aber vor allem bei feststehenden Fahrtrouten (beispielsweise bei Stadtbussen) schon heute realisierbar. Das sich mit diesen Informationen ergebende prädiktive Regelungsproblem für die bestmögliche Betriebsstrategie wird durch Einsatz der Modellgestützten Prädiktiven Regelung gelöst. Darüber hinaus kommen Ansätze der Dynamischen Programmierung erfolgreich zum Einsatz.

[1]	Beck, R.; Bollig, A.; Abel, D.: Echtzeitstrategien zum Prädiktiven Optimalen Energiemanagement in Hybridfahrzeugen. In: Innovative Fahrzeugantriebe Tagung Dresden, 9. und 10. Nov. 2006, VDI-Berichte 1975, S. 557-560
[2]	Beck, R.; Bollig, A.; Abel, D.: Comparison of two Real-Time Predictive Strategies for the Optimal Energy Management of a Hybrid Electric Vehicle. In: E-COSM – Rencontres Scientifiques de l’IFP – 2-4 Octobre 2006, Proceedings, pp. 239-246, 2006, Institut Francais du Petrole

BMWi-Verbundprojekt Innovativer Hybridantrieb für Europa

Im Rahmen des BMWi Projektes „Innovativer Hybridantrieb für Europa“ wird auf der Plattform eines Serienfahrzeuges ein Hybridfahrzeug aufgebaut. Die Anordnung der elektrischen Maschinen zum Verbrennungsmotor soll einem Parallelhybrid entsprechen. Der Verbrennungsmotor soll zwei Verbrennungsmodi zulassen. So soll neben dem normalen Verbrennungsmodus auch eine Niedertemperaturverbrennung möglich sein. Dadurch ist eine weitere Verringerung des Schadstoffausstoßes möglich.

Das Fahrzeug wird über kein GPS oder sonstige Einrichtungen zur Bestimmung von zukünftigen Fahrzuständen verfügen. Daher muss eine optimale Momentenaufteilung aufgrund von vergangenen und aktuellen Werten erfolgen. Ein vielversprechender Ansatz dieses Optimierungsproblem zu lösen stellt die Äquivalenzkostenstrategie dar. Dabei wird die elektrische Energie, gewichtet mit einem Äquivalenzfaktor, mit dem Kraftstoffverbrauch verglichen. Die Güte der Kraftstoffreduzierung hängt stark vom Äquivalenzfaktor ab. Daher ist die Bestimmung des Äquivalenzfaktors besonders wichtig. Dazu werden am Institut für Regelungstechnik verschiedene Verfahren zur Bestimmung des Äquivalenzfaktors untersucht.