Ein Assistenzsystem für die energetisch optimierte Längsführung eines Elektrofahrzeugs PDF
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Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart Andreas Freuer Ein Assistenzsystem für die energetisch optimierte Längsführung eines Elektrofahrzeugs Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart Herausgegeben von M. Bargende, Stuttgart, Deutschland H.-C. Reuss, Stuttgart, Deutschland J. Wiedemann, Stuttgart, Deutschland Das Institut für Verbrennungsmotoren und Kraft fahrwesen (IVK) an der Universi- tät Stuttgart erforscht, entwickelt, appliziert und erprobt, in enger Zusammenarbeit mit der Industrie, Elemente bzw. Technologien aus dem Bereich moderner Fahr- zeugkonzepte. Das Institut gliedert sich in die drei Bereiche Kraft fahrwesen, Fahr- zeugantriebe und Kraft fahrzeug-Mechatronik. Aufgabe dieser Bereiche ist die Aus- arbeitung des Th emengebietes im Prüfstandsbetrieb, in Th eorie und Simulation. Schwerpunkte des Kraft fahrwesens sind hierbei die Aerodynamik, Akustik (NVH). Fahrdynamik und Fahrermodellierung, Leichtbau, Sicherheit, Kraft übertragung sowie Energie und Th ermomanagement – auch in Verbindung mit hybriden und batterieelektrischen Fahrzeugkonzepten. Der Bereich Fahrzeugantriebe widmet sich den Th emen Brennverfahrensent- wicklung einschließlich Regelungs- und Steuerungskonzeptionen bei zugleich minimierten Emissionen, komplexe Abgasnachbehandlung, Aufl adesysteme und -strategien, Hybridsysteme und Betriebsstrategien sowie mechanisch-akustischen Fragestellungen. Th emen der Kraft fahrzeug-Mechatronik sind die Antriebsstrangregelung/Hybride, Elektromobilität, Bordnetz und Energiemanagement, Funktions- und Soft wareent- wicklung sowie Test und Diagnose. Die Erfüllung dieser Aufgaben wird prüfstandsseitig neben vielem anderen unter- stützt durch 19 Motorenprüfstände, zwei Rollenprüfstände, einen 1:1-Fahrsimula- tor, einen Antriebsstrangprüfstand, einen Th ermowindkanal sowie einen 1:1-Aero- akustikwindkanal. Die wissenschaft liche Reihe „Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart“ präsentiert über die am Institut entstandenen Promotionen die hervorragenden Arbeitsergeb- nisse der Forschungstätigkeiten am IVK. Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende Prof. Dr.-Ing. Jochen Wiedemann Lehrstuhl Fahrzeugantriebe, Lehrstuhl Kraft fahrwesen, Institut für Verbrennungsmotoren und Institut für Verbrennungsmotoren und Kraft fahrwesen, Universität Stuttgart Kraft fahrwesen, Universität Stuttgart Stuttgart, Deutschland Stuttgart, Deutschland Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Reuss Lehrstuhl Kraft fahrzeugmechatronik, Institut für Verbrennungsmotoren und Kraft fahrwesen, Universität Stuttgart Stuttgart, Deutschland Andreas Freuer Ein Assistenzsystem für die energetisch optimierte Längsführung eines Elektrofahrzeugs Andreas Freuer Stuttgart, Deutschland Zugl.: Dissertation Universität Stuttgart, 2015 D93 Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart ISBN 978-3-658-13603-1 ISBN 978-3-658-13604-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-658-13604-8 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer Fachmedien Wiesbaden 2016 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Vorwort DievorliegendeArbeitentstandwährendmeinerTätigkeitalsWissenschaftlicher MitarbeiteramForschungsinstitutfürKraftfahrwesenundFahrzeugmotorenStutt- gart(FKFS). MeinbesondererDankgiltHerrnProf.Dr.-Ing.H.-C.Reuss,demVorstanddes FKFS und dem Leiter des Lehrstuhls Kraftfahrzeugmechatronik des Instituts für VerbrennungsmotorenundKraftfahrwesenderUniversitätStuttgart,fürdieBetreu- ungundFörderungmeinerArbeit.AuchdankeichHerrnProf.Dr.-Ing.Prof.h.c. Dr. h.c. Torsten Bertram, dem Leiter des Lehrstuhls für Regelungssystemtechnik derTUDortmund,fürseinefreundlicheBereitschaft,denMitberichtzuüberneh- men. Die Grundlage für diese Arbeit bildet das Studierenden-Projekt Eigenentwick- lungundAufbaueinesElektro-SmartsanderUniversitätStuttgart.AndieserStelle möchteichmichdaherbeidenvielenStudentenbedanken,dieichbetreuendurfte. Ohnesie,ihrenEinsatzundihreIdeenwäredieseArbeitnichtmöglichgewesen. EbensomöchteichmichbeiHerrnDipl.-Ing.DieterFranzvonderE-CAR-TECH ConsultingGmbHbedanken,derunsimmerhilfsbereitunterstützte. FernerbedankeichmichherzlichbeiallenKollegendesBereichsKraftfahrzeug- mechatronik für die kooperative Zusammenarbeit und die gute gemeinsame Zeit. Mein besonderer Dank geht dabei an meinen direkten Vorgesetzten Dr.-Ing. Mi- chaelGrimm.SeinVertrauenunddermirgeboteneFreiraumwarendieGrundlage fürdasGelingendieserArbeit. NichtzuletztmöchteichmichauchganzherzlichbeimeinenElternsowiebei meinerSchwesterundmeinerFreundinHelgabedanken-sowohlfürdiemirent- gegengebrachteGeduldalsauchfürdiezeitaufwendigeundsorgfältigeDurchsicht meinerArbeit. Stuttgart AndreasFreuer Kurzfassung Der Energieverbrauch eines Fahrzeugs wird im großen Maße durch die Fahrwei- se des Fahrzeugführers beeinflusst. Eine energieeffiziente Fahrweise, bei der vor- ausschauend auf Fahrereignisse und Streckentopologie reagiert wird und unnöti- ge Verzögerungs- und Beschleunigungsvorgänge vermieden werden, kann zu be- trächtlichenVerbrauchseinsparungenführen.ImrealenFahrbetriebkannderFah- rerjedochnuraufFahrereignisseinseinemSichtfeldreagierenundnurgrobeAb- schätzungen zur Streckentopologie machen. Zudem fehlen oftmals die notwendi- genGrundkenntnisseundVerhaltensmusterfüreineverbrauchssparendeFahrwei- se und eine energieeffiziente Betriebsführung des Antriebssystems. Daraus folgt, dassimrealenFahrbetriebdieVerbrauchspotentialeeinerenergieeffizientenFahr- weisenurteilweiseausgeschöpftwerdenkönnen. Um dem Fahrer zu helfen, werden Assistenzsysteme entwickelt, die konkrete HandlungsanweisungenfüreineenergieeffizienteFahrweisebereitstellenoderei- nedirekteUmsetzungdurchAutomatisierungderFahrzeuglängsführungvorsehen. Unterstützt wird dieser Trend durch die zunehmende Informationsbereitstellung in modernen Fahrzeugen, wodurch eine umfassende Beschreibung des Fahrzeu- gumfelds verfügbar gemacht wird. Auf dieser notwendigen Grundlage kann die Fahraufgabe als ein Optimierungsproblem aufgefasst werden, in dem die Fahr- zeuglängsführung innerhalb von streckenspezifischen und verkehrsbedingten Ge- schwindigkeitsbeschränkungenenergetischoptimiertwerdensoll.DieEffektivität einerenergetischoptimiertenFahrzeuglängsführunghängtdabeimaßgeblichvon denabgedecktenFahrsituationenundvomanwendbarenNutzungsbereichab.Hin- sichtlich der praktischen Umsetzbarkeit müssen robuste und echtzeitfähige Opti- mierungs- und Regelungskonzepte für die energetisch optimierte und automati- sierteFahrzeuglängsführungberücksichtigtwerden. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich diese Arbeit mit dem Entwurf eines Assistenzsystems für die energetisch optimierte Längsführung eines Elektrofahr- zeugsimanspruchsvollenurbanenVerkehrsumfeld.DerSchwerpunktliegtdabei inderEntwicklungeinesganzheitlichenundpraktischumsetzbarenOptimierungs- undRegelungskonzepts,mitdemdieFahrzeuglängsführungübereinengroßenAn- wendungsbereichautomatisiertwird.DazuwirdindieserArbeiteinhierarchisches undmodellprädiktivesRegelkreiskonzeptfürdieenergetischoptimierteFahrzeug- längsführungentworfenundpraktischumgesetzt.IndiesemwerdenunterBerück- VIII Kurzfassung sichtigung von prädiktiven Streckeninformationen und vorausfahrenden Fahrzeu- genenergieeffizienteFahrstrategiendurchperiodischesLöseneinesOptimalsteue- rungsproblemsfüreinengleitendenStreckenhorizontineinemlangsamenüberla- gerten Regelkreis bestimmt und in einem schnellen unterlagerten Regelkreis ein- geregelt. Funktionsweise und Verbrauchspotential des Assistenzsystems für die energe- tischoptimierteLängsführungeinesElektrofahrzeugswurdeninSimulationsstudi- en und Fahrversuchen untersucht und ausgewertet. Zur Abschätzung eines statis- tisch aussagekräftigen Verbrauchspotentials und zur Bestimmung des anwendba- renNutzungsbereichswurdeeinerepräsentativeProbandenstudiemit42Versuchs- personenimrealenFahrbetriebdurchgeführtundErgebnisseausmanuellundau- tomatisiert durchgeführten Messfahrten verglichen. Dabei konnte ein deutlicher Effekt auf den Energieverbrauch festgestellt werden, der mit der energetisch op- timierten Fahrzeuglängsführung im Mittel um etwa 6% im Vergleich zu den ma- nuelldurchgeführtenMessfahrtenohnenennenswertenFahrtdaueranstieggesenkt werdenkonnte. Abstract Vehicleenergyconsumptionislargelyinfluencedbytheindividualwayofdriving. Aneconomicaldrivingstylethatanticipatorilyincorporatesdrivingeventsandrou- te topology ahead and also avoids needless decelerations and accelerations leads to considerable reductions in energy consumption. In real-life driving operation, however, anticipatory consideration of driving events ahead is restricted by the driver’sfieldofvisionandonlyroughestimationsofroutetopologyarepossible. Moreover, basic knowledge and behavior patterns to implement an energy effici- entdrivingstyleandpowertrainoperationareoftenlacking.Asaresult,theenergy savingpotentialofaneconomicaldrivingstyleisonlypartlyexploitedinreal-life drivingoperation. Electronicsystemsaredevelopedtoassistthedriverbyeitherprovidinginstruc- tions for an energy efficient way of driving or direct application by means of au- tomated longitudinal vehicle control. This trend is supported by the increasing informationprovisioninmoderncarswhichprovidesadetaileddescriptionofthe vehiclesurroundings.Onthisnecessarybase,drivingtaskscanbeconvertedinto anoptimizationprobleminwhichthelongitudinalvehicleguidancehastobeopti- mizedforenergyefficiencyunderconsiderationofroutespecificandtraffic-related speedboundaries.Theeffectivenessofenergyefficientlongitudinalvehiclecontrol depends on the scope of covered driving situations which determine the applica- tion range. Additionally, robust and real-time capable optimization and control frameworksmustbeconsideredintermsofpracticalandtechnicalfeasibility. Againstthisbackground,thisworkaimstodesignanassistancesystemforthe energyefficientlongitudinalcontrolofabatteryelectricvehicleindemandingur- ban traffic. The main focus is on developing a holistic and practically realizable optimalcontrolapproachthatautomatesthevehicle’slongitudinalguidanceover awideapplicationrange.Forthispurpose,ahierarchicalfeedbackcontrolsystem for the energy efficient longitudinal vehicle guidance is designed and practically implementedinanexperimentalvehicle.Inthisapproach,energyefficientdriving strategiesareperiodicallycalculatedbysolvinganoptimalcontrolproblemfora movingroutehorizonunderconsiderationofpredictiverouteinformationandpre- cedingvehiclesinanupper-levelmodelpredictivecontrollerandadjustedbyafast lower-levelspeedcontroller.
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