Optimierungsverfahren zur adaptiven Steuerung von Fahrzeugantrieben

Abstract

Hohe Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit, dynamisches Fahrverhalten, Fahrkomfort und Fahrsicherheit sind wesentliche Ziele bei der Entwicklung von Fahrzeugantrieben und elektronischen Systemen zur Fahrzeugsteuerung. Aufgabe eines Systems zur Steuerung des Fahrzeugantriebs ist es, einen optimalen Fahrzeugbetrieb hinsichtlich Kraftstoffverbrauch, dynamischem Fahrverhalten und Emissionen zu erreichen. In dieser Arbeit werden Optimierungsverfahren zur adaptiven Steuerung von Fahrzeugantrieben vorgestellt. Ihre Funktionalität wird mit einem System zur koordinierten Antriebstrangsteuerung für Fahrzeuge mit automatisiertem Schaltgetriebe nachgewiesen. Durch eine dynamische Adaption des Betriebszustands des Antriebstrangs an die Fahrsituation, den Fahrertyp und Betriebsbedingungen wird ein optimaler Fahrzeugbetrieb bei hohem Fahrkomfort und Fahrsicherheit erreicht. Die Aufgabe der Bestimmung des optimalen Betriebszustands des Antriebstrangs wird als Mehrkriterien-Optimierungsproblem formuliert. Die in Echtzeit während des Fahrbetriebs ermittelte Lösung maximiert die dynamische Leistungsreserve, den Antriebstrang-Wirkungsgrad und die Emissions-Effizienz im Sinne einer Edgeworth-Pareto-Optimalität. Für die Optimierungskriterien werden physikalisch basierte Gütefunktionen definiert und in einer skalaren Zielfunktion zusammengefasst. Zur Optimierung von Fahrkomfort und Fahrsicherheit bei Gangwechseln des automatisierten Schaltgetriebes wird ein Verfahren zur koordinierten Aggregatesteuerung für den Schaltvorgang vorgestellt, das auf der Lösung eines Problems der optimalen Steuerung beruht. Dazu wird der Verlauf von Zustandsgrößen des Antriebs mit B-Spline-Funktionen beschrieben, so dass ein physikalisch basiertes Zielfunktional minimiert wird. Die entwickelten neuen Verfahren wurden mit dem Echtzeit-Steuerungs- und Regel-System ASCET-SD implementiert und durch Simulation in Verbindung mit einem Modell des Fahrzeugs sowie mit Versuchsträgern erprobt.

High environmental compatibility and fuel economy, dynamic driving behaviour, as well as driving comfort and safety, are major objectives for the development of automotive drivelines and electronic vehicle control systems. The challenge for powertrain control systems is the achievement of optimal vehicle operation with respect to fuel consumption, dynamic driving behaviour and emissions for all driving situations and operating conditions. This thesis presents optimization methods for the adaptive control of automotive powertrain systems. Their functionality is demonstrated using a coordinated powertrain control system for vehicles featuring an automated shift transmission. Optimal vehicle operation with high driving comfort and safety is achieved by dynamically adapting the powertrain operating state to the driving situation, as well as to the driver's style and the operating conditions. The task of determining the optimal powertrain operating state is defined as a multicriteria optimization problem. The solution, which is determined in real-time during driving operation, maximizes dynamic power surplus, powertrain efficiency and emission ratings in the sense of an Edgeworth-Pareto optimum. Physically based criterion functions are defined to describe the optimization objectives. They are combined to define a scalar objective function. In order to optimize driving comfort and safety during gear shifts of the automated shift transmission, a method for the coordinated control of drive assemblies for shifting operations is presented. It is based on the solution of an optimal control problem. For that purpose, the trajectory of powertrain state variables is described using B-spline functions, such that an objective functional based on physical rating measures is minimized. The newly developed methods were implemented with the real-time embedded control system ASCET-SD. They were verified in simulation studies and with experimental vehicles.