Hierarchische modellprädiktive Betriebsstrategie für Elektrofahrzeuge mit redundanten Antriebssträngen

Autor: Bächle, Thomas
Přispěvatelé: Dietmayer, Klaus, Sawodny, Oliver
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2020
Předmět:
DOI: 10.18725/oparu-34138
Popis: Mobilitätskonzepte der Zukunft zeichnen sich durch einen wachsenden Elektrifizierungsgrad aus. Einerseits betrifft dies klassische Verbrennerkonzepte, die sich mit Elektromotoren und batteriebasierten Energiespeichern zu Hybridantrieben wandeln. Andererseits entstehen durch die beträchtlichen Fortschritte in der Batterietechnologie zunehmend auch rein batterieelektrisch betriebene Fahrzeuge. Beiden Varianten ist gemein, dass durch die elektrifizierten Antriebsstränge eine Energieübertragung innerhalb des Fahrzeugs einfach und effizient möglich wird. Gekoppelt mit der hohen Leistungsdichte moderner Elektromotoren entstehen so vielfältige Antriebstopologien mit individuell angetriebenen Achsen oder auch einzelnen Rädern. Neben fahrdynamischen Vorteilen wird eine Redundanz erreicht, wodurch geeignete Ansteuerverfahren beispielsweise einen Weiterbetrieb bei Ausfall einzelner Maschinen darstellen können. Jedoch stellen derartige Fahrzeuge hohe Anforderungen an den Bauraum und das Gewicht der Antriebsstrangkomponenten, woraus sich ein hoher Ausnutzungsgrad der Elektromaschinen und erhöhte Anforderungen an das Kühlsystem ergeben. Auch hier ermöglicht eine vorhandene Redundanz, gezielt Einfluss auf die Erwärmung der Maschinen zu nehmen. Motiviert aus diesen Gegebenheiten befasst sich die vorliegende Arbeit mit einer modellprädiktiven Betriebsstrategie für überaktuierte Fahrzeuge mit elektrifizierten Antriebssträngen. In einer hierarchischen Struktur kommt zunächst eine auf kurzfristige Optimalität ausgelegte Momentenverteilungsstrategie zum Einsatz. In dieser wird die Aufgabe des situationsabhängigen Einsatzes der verschiedenen Antriebe unter Beachtung systemweiter Aspekte wie der Einhaltung von Beschränkungen gelöst und für übergeordnete Kontrollstrategien abstrahiert. Aufbauend darauf zielt eine langfristig orientierte Strategie auf eine thermische Konditionierung der verbauten Antriebe ab. Unter Einbeziehung der voraussichtlichen Fahraufgabe erfolgt eine geeignete Beeinflussung der unterlagerten Momentenverteilung, so dass eine Absenkung der Maschinentemperaturen erzielt werden kann. Während sich die resultierende, echtzeitfähige Gesamtbetriebsstrategie für eine Vielfalt an Antriebstopologien eignet, wird eine radindividuelle Allradtopologie als konkretes Anwendungsbeispiel betrachtet. Ein entsprechend aufgebautes Versuchsfahrzeug dient als Basis und Validierungswerkzeug.
Mobility concepts of the future feature an increasing degree of electrification. On the one hand, this concerns classical combustion engines which are enhanced by electrical motors and battery-based energy storage to form hybrid propulsion power trains. On the other hand, pure battery electric topologies are emerging increasingly in production cars, driven by advances in battery technology. Both variants benefit from an easy and efficient way to transfer energy within the vehicle facilitated by electrified drive trains. Coupled with the considerable power density of modern electric motors, a variety of drive train topologies with several individually driven axles or wheels emerge. This enables improvements in driving dynamics and also constitutes a certain amount of redundancy, which enables advanced control strategies to achieve continued operation of the vehicle following single actuator failures. However, such drive train topologies pose considerable demands regarding package volume and weight of drive train components. Therefore, electric motors for these applications tend to be highly utilized regarding their power capability, raising requirements on the vehicle cooling system. The inherent redundancy may however be exploited to positively influence the thermal evolution of the motors. In light of these considerations, this work studies a model predictive operation strategy for over-actuated electrified vehicles. Within a hierarchic structure, a short-horizon optimal control strategy is employed to allocate torques within the drive train. In this stage, the task of assigning controls among the various actuators while taking vehicle-scoped aspects like adherence to constraints into account is accomplished, enabling a high degree of abstraction for higher-level control strategies. Utilizing this control allocation stage, a long-horizon optimal control strategy provides a thermal conditioning of the drive train. Considering a prediction of the driving task ahead, the underlying control allocation is influenced accordingly in order to achieve a reduction in motor temperatures. While the resulting, real-time overall control strategy for over-actuated vehicles is suitable for a variety of drive train topologies, an electric, all-wheel driven car with a dedicated motor for each wheel is considered as an application. An accordingly designed test vehicle is used as development platform and for validation purposes.
Databáze: OpenAIRE
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