Optimiertes Energiemanagement für 48 V-Mildhybrid-Antriebe

Bei der Betrachtung gegenwärtiger Antriebsentwicklungen und Marktprognosen nimmt die ­ 48 V-Technologie einen beachtlichen Stellenwert im Kraftfahrzeugsektor ein. Sie ist damit ein wichtiger Bestandteil in der Elektrifizierungsstrategie vieler Automobilhersteller. Mit moderatem technischen Aufwand lassen sich kurzfristig CO2-Einsparungen in der Fahrzeugflotte realisieren. Gleichzeitig bietet eine 48 V-Elektrifizierung erhebliches Potenzial zur Verringerung der Emissionen im Realbetrieb (Real Driving Emissions, RDE). Bei der Vielzahl an Funktionalitäten, zum Beispiel Brems­energierückgewinnung, Lastpunktoptimierung, Motorstoppsegeln sowie Elektri­fizierungsmöglichkeiten im Bereich der Aufladung, Fahrdynamik, Klimatisierung und Abgasanlage, ist schon heute absehbar, dass die Leistungs- und Energiereserven konkurrenzfähig ausgelegter 48 V-Systeme eingeschränkt sind.

Der Vergleich mit Hochvolt-Hybridsystemen in Abbildung 1 veranschaulicht, dass sich der Betriebsbereich von 48 V-Mildhybridsystemen deutlich in Richtung der Systemgrenzen verlagert. Die steigende Zahl an 48 V-Komponenten erhöht zusätzlich die Dynamik der Lastanforderungen sowie die Freiheitsgrade hinsichtlich der Betriebsstrategie. Damit einher gehen Wechselwirkungen, dynamische Randbedingungen und eine hohe Systemkomplexität, die regelbasierte Betriebsstrategien an ihre Grenzen führen. Die Umsetzung eines prädiktiven Energiemanagements ist daher vielversprechend, da die verfügbare elektrische Energie und Leistung im 48 V-Bordnetz optimal verteilt und somit einen bestmöglichen Betrieb kosten- und ressourcenschonend dimensionierter 48 V-Systeme ermöglicht.

Konzeptfahrzeug

FEV hat in Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen University ein 48 V-Mild-Hybrid-Konzeptfahrzeug entwickelt. Das Fahrzeug basiert auf einem Mercedes-Benz AMG A45 mit Allradantrieb und einem Siebengang-Doppelkupplungsgetriebe. Das Serienfahrzeug ist mit einem turboaufgeladenen 2,0-l-Ottomotor mit einer spezifischen Leistung von 133 kW/l ausgestattet. Diese beachtliche Leistung wird durch den Einsatz eines großen Abgasturboladers (ATL) erreicht, der trotz Twin-Scroll-Technologie das maximale Drehmoment im unteren Drehzahlbereich signifikant einschränkt und zu einem spürbar verzögerten Ansprechverhalten führt. In diesem Kontext kann eine elektrifizierte Aufladung und/oder eine elektrische Drehmomentunterstützung die Elastizität insbesondere im verbrauchsgünstigen, niedrigen Drehzahlbereich erheblich verbessern. Der 48 V-Mildhybrid-Antriebsstrang ist in Abbildung 2 schematisch dargestellt. Zentrales Element ist der Riemenstartergenerator (RSG) im Riementrieb des Verbrennungsmotors (VM). Die P0-Topologie ermöglicht Hybridfunktionen wie Rekuperation, Lastpunktverschiebung und elektrische Drehmomentunterstützung. Da die mit dem Riemen maximal übertragbare Leistung begrenzt ist und eine permanente Koppelung zum Verbrennungsmotor besteht, ist das System nicht für rein elektrisches Fahren prädestiniert.

Weiterhin ist ein elektrischer Verdichter ­(eV) im Ladeluftpfad stromaufwärts des Ladeluftkühlers positioniert. Der eV erreicht ein maximales Druckverhältnis von 1,45 und kann den Ladedruck und damit das Ansprechverhalten in Betriebsbereichen niedriger Abgasenthalpie, unabhängig vom Betriebszustand des ATL, signifikant erhöhen. Das Konzeptfahrzeug wird mithilfe eines Rapid-Control-Prototyping-Entwicklungssteuergerätes (RCP) betrieben.

Regelbasierte Betriebsstrategie

Die elektrische Aufladung über den eV sowie die elektrische Drehmomentunterstützung des RSG werden über eine fahrleistungsorientierte regelbasierte Betriebsstrategie mit prioritätsbasierter Leistungsaufteilung gesteuert (Abbildung 3). Die Betriebsstrategie besteht aus den drehmomentunterstützenden Funktionen im Antriebsmanagement sowie der übergeordneten Leistungsaufteilung im elektrischen Energiemanagement. Die elektrische Aufladung wird über das Druckverhältnis von gewünschtem und aktuellem Ladedruck im Saugrohr gesteuert. Solange der Wastegate(WG)-geregelte ATL nicht den gewünschten Ladedruck liefert, wird der Druck im Luftpfad über den eV zusätzlich erhöht. Die erforderliche Drehzahl wird anhand des Verdichterkennfeldes des eV berechnet und anschließend entsprechend der verfügbaren elektrischen Leistung begrenzt.

Im Gegensatz zur elektrischen Aufladung, bei der die Antriebs­energie aus der zusätzlichen Luft- und Kraftstoffmasse resultiert, wandelt der RSG elektrische direkt in mechanische Antriebsenergie um, die den Verbrennungsmotor unterstützt (Abbildung 2). Das vom RSG geforderte Drehmoment folgt aus der Differenz zwischen dem aktuellen Drehmoment des Verbrennungsmotors und des Fahrerwunsches. Bei Betätigung des Fahrpedals ist diese Differenz positiv, sodass der RSG das Drehmomentdefizit transient auffüllt. Das RSG-Drehmoment wird anschließend entsprechend der verfügbaren elektrischen Leistung limitiert.

Die elektrischen Leistungsgrenzen der einzelnen 48 V-Komponenten werden vom elektrischen Energiemanagement vorgegeben. Während einer Beschleunigung muss die 48 V-Batterie neben dem eV und dem RSG auch noch die Kühlmittelpumpe sowie das 12-V-System über den DC/DC-Wandler versorgen. Daher ist es erforderlich, eine situationsabhängige Priorisierung der 48 V-Komponenten vorzunehmen. Die verfügbare Batterie-Entladeleistung wird dabei vom Batteriemanagementsystem (BMS) vorgegeben. Die verfügbare elektrische Entladeleistung für die jeweilige 48 V-Komponente wird anschließend in Abhängigkeit ihrer Priorität und der tatsächlichen Leistungsaufnahme höher priorisierter Verbraucher berechnet. Um einen zuverlässigen Fahrzeugbetrieb sicherzustellen, haben dabei die Motorkühlung und das 12 V-System eine hohe Priorität. Die verbleibende Leistung wird dem eV und dem RSG unter Berücksichtigung eines kalibrierbaren Leistungsverhältnisses zur Verfügung gestellt.

Auch wenn solche regelbasierten Ansätze durch weiterführende Abhängigkeiten verbessert werden können, gibt es prinzipbedingte Nachteile. So reagiert die Betriebsstrategie lediglich auf den aktuellen Systemzustand und passt die Stellgrößen unabhängig vom erwarteten Lastszenario an. Da aber das zeitliche Verhalten des Drehmomentaufbaus sowie die Effizienz maßgeblich von dem Lastszenario, der gewählten Betriebsstrategie des elektrifizierten Antriebs (VM mit ATL, eV und RSG) und den elektrischen Systemgrenzen abhängen, ist diese Ansteuerung in der Regel suboptimal.

Optimiertes Energiemanagement

Prädiktive optimierungsbasierte Energiemanagementstrategien nutzen dynamische Streckeninformationen aus dem elektronischen Horizont zur langfristigen Optimierung der Routenführung und Geschwindigkeitstrajektorie. Auf Basis dieser Informationen sowie geeigneter Fahrzeugsensorik zur Umfelderkennung berechnet das Hybridmanagement unter Berücksichtigung der elektrischen Leistungsgrenzen und Lastprädiktion optimale Trajektorien für Gangwahl, Antriebsdrehmoment und Ladestrategie über einen mittelfristigen Horizont. Aus den prädizierten Systemgrößen kann weiterhin ein erwartbarer Ladezustandsverlauf des elektrischen Energiespeichers abgeleitet werden, der einen Energiegewichtungsfaktor adaptiert. Dieser Faktor repräsentiert den Stellenwert der elektrischen Energie in der Energiebilanz und nimmt unmittelbar Einfluss auf die energetische Optimierung im Antriebsmanagement (Gleichung 1).

Gleichung 1

E_Tot = ∑^N _k=0E _Chem(kT) + ξE _El(kT)

Gleichzeitig wird das Ansprechverhalten über die Regelung des Antriebsmoments, das sich aus dem verbrennungsmotorischen und elektrischen Drehmoment zusammensetzt (Gleichung 2), unter Einhaltung dynamischer Systemgrenzen des 48 V-Systems optimiert.

Gleichung 2

ΔM_Antrieb = ∑^N _k=0M _{Antrieb, Soll} (kT) − M_VM(kT) − i_RiemenM_RSG(kT)

Die nichtlineare modellprädiktive Regelung (NMPR) greift auf ein echtzeitfähiges, vereinfachtes Prozessmodell des 48 V-Mildhybrid-Antriebsstrangs zurück und arbeitet bei einem zeitlichen Horizont von wenigen Sekunden mit einer Zeitschrittweite im Hundertstel- bis Zehntelsekunden-Bereich zur Abbildung der nichtlinearen Systemdynamik.

Die NMPR berechnet den optimalen Stellgrößenverlauf des WG und des eV, die über den Luftpfad das verbrennungsmotorische Drehmoment beeinflussen, sowie den des RSG, dessen Moment sich über den Riementrieb addiert. Auf diese Weise werden sowohl die Unterschiede im zeitlichen Verhalten des Ladeluftpfads und des RSG-Drehmoments als auch deren Einfluss auf die Gesamteffizienz des elektrifizierten Antriebsstrangs in der Optimierung berücksichtigt.

Ergebnisse

Die NMPR wurde in einer validierten Co-Simulation eines B-Segment 48 V-Mildhybrids mit turboaufgeladenem Ottomotor, elektrischer Verdichtung und P0-RSG näher untersucht. Abbildung 4 zeigt einen Vergleich der NMPR und des regelbasierten Ansatzes bei einer Volllastbeschleunigung für verschiedene Energiegewichtungsfaktoren ξ. Ein Energiegewichtungsfaktor von 4 ist gleichbedeutend mit einem Gesamtladewirkungsgrad von 25 Prozent, während die elektrische Energie im Grenzfall Null, beispielsweise aufgrund eines hohen Batterieladezustands und einer bevorstehenden Bergabfahrt, kostenlos ist. Wegen der fehlenden Vorausschau reagiert die regelbasierte Betriebsstrategie in beiden Fällen gleich, während die NMPR die Stellgrößen für WG, eV und RSG zur Erreichung eines gewünschten Antriebsmoments situationsabhängig anpasst. Darüber hinaus zeigt die Variation der Optimierungsparameter, dass die NMPR das Antriebsmoment mit zunehmender Gewichtung der Energie (h˜NMPR ↑) reduziert, um den Energieaufwand zu minimieren. Ist die elektrische Energie kostenlos (ξ = 0), wird das Antriebsmoment auf den RSG verlagert, während der eV bei geöffnetem WG Ladedruck aufbaut, um die Ladungswechselverluste zu reduzieren. Im Gegensatz dazu unterstützt die NMPR bei ξ = 4 nur kurzzeitig mit dem RSG, um die schnelle Dynamik der elektrischen Maschine auszunutzen und anschließend elektrische Energie einzusparen.
Die Betriebsstrategie ist in einem derartigen Beschleunigungsszenario immer ein Kompromiss zwischen Ansprechverhalten und Energieeffizienz. Das Ansprechverhalten wird über die Beschleunigungszeit und die Energieeinsparung über den Kehrwert des effektiven Antriebswirkungsgrads beschrieben. Über eine Variation der elektrischen Leistungsbegrenzung wurden die Randbedingungen verändert.

Zusätzlich wurden für jede dieser Leistungstrajektorien die Priorisierung der regelbasierten Betriebsstrategie sowie das Gewichtungsverhältnis der NMPR-Optimierung variiert. Es wird deutlich, dass eine zunehmende Energieeinsparung zu Lasten des Ansprechverhaltens geht. Allerdings löst die NMPR den Zielkonflikt deutlich besser und kann sowohl den Energieverbrauch als auch die Energieeinsparung über den Kehrwert des effektiven Antriebswirkungsgrads beschreiben. Über eine Variation der elektrischen Leistungsbegrenzung wurden die Randbedingungen verändert. Je stärker die elektrische Leistungsbegrenzung ist und je geringer der Fokus auf dem Ansprechverhalten liegt, desto stärker entfaltet sich das Potenzial der NMPR.

Mehr Informationen zu 48V Mildhybrid Antrieben erhalten Sie unter 48v.fev.com

Autoren:
Philip Griefnow, RWTH Aachen University
Prof. Jakob Andert, RWTH Aachen University
Dr. Georg Birmes, FEV Europe GmbH

[addtoany]