Die Integration und Abstimmung von Hybridkomponenten im Antriebsstrang von Hybridfahrzeugen hat weitreichende Auswirkungen auf das Gesamtsystem und ist daher eine sehr komplexe Aufgabe. Um Systemanforderungen frühzeitig berücksichtigen und die Komponentenentwicklung bestmöglich abstimmen zu können, werden bei der Robert Bosch GmbH Simulationsstudien unterschiedlicher
Fahrzeuge und Hybridkonfigurationen modellgestützt durchgeführt.
Hierbei handelt es sich um einen sehr zeitaufwändigen Simulationsprozess und schon eine kleine Anzahl zu variierender Parameter erzeugt eine Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten. Das
primäre Ziel dieser Arbeit ist daher, für zukünftige Simulationsstudien ein effizientes Optimierungsverfahren
zu implementieren, welches die zur Verfügung stehende Rechenzeit bestmöglich ausnutzt, um möglichst verbrauchsarme Hybridvarianten zu ermitteln.
Entscheidend für den Erfolg oder Misserfolg eines Hybridfahrzeugs am Markt ist die erwartete Amortisationszeit des Aufpreises, der durch die zusätzlichen Hybridkomponenten entsteht. Um höhere Marktanteile zu erreichen, wird es von zentraler Bedeutung sein, Hybridsysteme zu möglichst geringen Mehrkosten anbieten zu können. Daraus ergibt sich die zweite Zielsetzung dieser Arbeit, welche in einer Aufwands-Nutzen-Analyse der automobilen Kompaktklasse mit Hilfe des aus der ersten Zielsetzung resultierenden Optimierungsverfahrens besteht. Es sollen möglichst effiziente Parameterkombinationen für die Hybridkomponenten ermittelt und somit der Zielkonflikt zwischen möglichst hohen Verbrauchseinsparungen bei gleichzeitig möglichst
geringen Mehrkosten aufzeigt werden.
Ein weiterer wichtiger Einflussfaktor auf die Herstellungskosten eines Hybridsystems sind die produzierten Stückzahlen. Höhere Produktionsstückzahlen eines homogenen Guts führen im
Allgemeinen u. a. durch Erfahrungskurveneffekte zu einer Stückkostendegression („Economies of Scale“). Je einheitlicher das Bedarfsspektrum einer Fahrzeugklasse mit verbrauchssenkenden
Hybridkomponenten abgedeckt werden könnte, desto günstiger ließen sich diese produzieren. Daher ist es das abschließende Ziel dieser Arbeit, die Potentiale zur Komponentenstandardisierung in der Kompaktklasse unter Verwendung des ausgewählten Optimierungsverfahrens zu evaluieren.
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
2 Aufbau und Funktionsweise von Hybridfahrzeugen
2.1 Grundlagen
2.1.1 Begriffsbestimmung
2.1.2 Zusatzkomponenten des hybriden Antriebsstrangs
2.2 Hybride Antriebsstrangtopologien
2.2.1 Serieller Hybridantrieb
2.2.2 Paralleler Hybridantrieb
2.2.3 Leistungsverzweigender Hybridantrieb
2.3 Leistungsklassen des Parallelhybrids
2.4 Fazit
3 Optimierungsverfahren
3.1 Überblick
3.2 Analytische Optimierungsverfahren
3.2.1 Lineare Optimierung
3.2.1.1 Simplex-Verfahren nach Dantzig
3.2.1.2 Innere-Punkte-Methode
3.2.2 Nichtlineare Optimierung
3.2.2.1 Newton-Verfahren
3.2.2.2 Quasi-Newton-Verfahren
3.2.2.3 Sequential Quadratic Programming
3.2.2.4 Methode der Lagrange-Multiplikatoren
3.3 Numerische Optimierungsverfahren
3.3.1 Deterministische Verfahren
3.3.1.1 Gauß-Seidel-Strategie
3.3.1.2 Minimumsuche nach Rosenbrock
3.3.1.3 Mustersuchverfahren nach Hooke und Jeeves
3.3.1.4 Simplex-Verfahren nach Nelder-Mead
3.3.1.5 Complex-Verfahren
3.3.1.6 Tabu-Suche
3.3.1.7 Dynamische Optimierung
3.3.2 Stochastische Verfahren
3.3.2.1 Monte-Carlo-Methode
3.3.2.2 Metropolis-Methode
3.3.2.3 Simulated Annealing
3.3.2.4 Evolutionäre Algorithmen
3.4 Statistische Verfahren zur Modellbildung
3.4.1 Design of Experiments (DoE)
3.4.2 Bayesianische und Kriging-Verfahren
3.4.3 Design and Analysis of Computer Experiments (DACE)
3.5 Mehrzieloptimierung
4 Optimierung von Hybridfahrzeugen mit Hilfe eines Simulationsmodells
4.1 Verbindung von Simulationsmodell und Optimierungsverfahren
4.1.1 Modellkomponenten
4.1.2 Ablauf der Simulation
4.1.3 Ablauf der Optimierung
4.2 Eigenschaften des Optimierungsproblems
4.2.1 Optimierungszielgrößen
4.2.2 Relevante Fahrzeug- und Optimierungsparameter
4.2.3 Randbedingungen
4.2.4 Beschaffenheit des Suchraums
5 Auswahl geeigneter Optimierungsverfahren
5.1 Auswahlkriterien
5.2 Bewertung der Verfahren
5.3 Implementierung der ausgewählten Verfahren
5.3.1 Evolutionäre Algorithmen
5.3.2 Modellbildende Verfahren
5.4 Leistungsvergleich der ausgewählten Verfahren
5.4.1 Evolutionäre Algorithmen
5.4.2 Modellbildende Verfahren
5.5 Zusammenfassung und weiteres Vorgehen
6 Auslegung von Hybridkomponenten für Fahrzeuge der Kompaktklasse
6.1 Komplexitätsreduzierung durch Bildung von Fahrzeuggruppen
6.2 Aufwands-Nutzen-Analyse
6.3 Auswirkungen von Standardisierungsmaßnahmen
7 Fazit und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Implementierung eines effizienten Optimierungsverfahrens, um verbrauchsarme Hybridfahrzeugkonfigurationen zu ermitteln. Dabei wird insbesondere untersucht, wie Komponenten der Kompaktklasse standardisiert werden können, um den Zielkonflikt zwischen hoher Effizienz und geringen Mehrkosten zu lösen.
- Analyse und Bewertung verschiedener Optimierungsverfahren (analytisch, numerisch, statistisch)
- Entwicklung eines simulationsgestützten Optimierungsrahmens mittels MATLAB/SIMULINK und ADVISOR
- Durchführung einer Aufwands-Nutzen-Analyse für die automobile Kompaktklasse
- Evaluierung von Standardisierungsstrategien für Hybridkomponenten
- Mehrzieloptimierung hinsichtlich CO2-Ausstoß und Kosten
Auszug aus dem Buch
Einführung
Eine zentrale Herausforderung für die Automobilindustrie stellt in den nächsten Jahren und Jahrzehnten die Verbrauchsreduzierung von Kraftfahrzeugen dar. Gleichzeitig wird eine stärkere Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen gefordert. Diese Entwicklung lässt sich sowohl ökologisch als auch ökonomisch begründen.
Es dürften kaum noch Zweifel bestehen, dass das in der letzten Zeit verstärkt ins öffentliche Bewusstsein gerückte Phänomen der Klimaerwärmung von Kohlendioxid (CO2) und weiteren Treibhausgasen verursacht wird. Die Entstehung von CO2 ist unmittelbar vom Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs abhängig und kann nicht wie andere Schadstoffe (CO, NOX, SOX, Feinstaub u. a.) im Katalysator nachbehandelt bzw. gefiltert werden. Auch andere negative Auswirkungen auf die Umwelt wie Smog und erhöhte Ozonbelastung werden zu einem gewissen Teil von Fahrzeugemissionen mitverursacht [RRV06, S. 172][Åhm01, S. 973f.].
Zusätzlich zu den ökologischen Notwendigkeiten lässt sich ein sparsamer Umgang mit der nicht erneuerbaren Ressource Erdöl auch ökonomisch begründen. Abbildung 1.1 zeigt, dass bereits ab dem Jahr 2030 – selbst unter Einbeziehung schwer förderbaren Erdöls – der heutige Umfang der Ölförderung nicht aufrechtzuerhalten ist. Berücksichtigt man das rasante Wirtschaftswachstum von Staaten wie Indien oder China, wird eine Verknappung des Erdöls und damit massive Preissteigerungen schon viel früher wahrscheinlich [Ger05, S. 2]. Die Abhängigkeit der Automobile von fossilen Energieträgern wird jedoch kurz- bis mittelfristig andauern, da alternative Energieträger wie Strom oder Wasserstoff frühestens in den Jahren 2015 bis 2020 sowohl serienreif als auch bezahlbar sein werden [Bie04, S. 3].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einführung: Diese Einleitung begründet die ökologische und ökonomische Notwendigkeit zur Effizienzsteigerung bei Hybridfahrzeugen und definiert die Ziele der Arbeit.
2 Aufbau und Funktionsweise von Hybridfahrzeugen: Es werden die technischen Grundlagen, verschiedenen Topologien und die Leistungsklassen von Hybridfahrzeugen erläutert.
3 Optimierungsverfahren: Dieses Kapitel gibt einen breiten Überblick über quantitative Optimierungsverfahren und klassifiziert diese in analytische, numerische und modellbildende Ansätze.
4 Optimierung von Hybridfahrzeugen mit Hilfe eines Simulationsmodells: Der Ablauf der Simulation und die Optimierung mittels des Simulationsmodells ADVISOR werden beschrieben.
5 Auswahl geeigneter Optimierungsverfahren: Hier erfolgt eine systematische Bewertung der vorgestellten Optimierungsverfahren, woraus DACE als die geeignetste Methode hervorgeht.
6 Auslegung von Hybridkomponenten für Fahrzeuge der Kompaktklasse: Die erarbeitete Methodik wird praktisch auf die Fahrzeuggruppen der Kompaktklasse angewendet, um Optimierungspotentiale und Standardisierungsmöglichkeiten zu identifizieren.
7 Fazit und Ausblick: Die Ergebnisse der Arbeit werden zusammengefasst und die Bedeutung der Hybridtechnologie für die zukünftige Fahrzeugentwicklung diskutiert.
Schlüsselwörter
Hybridfahrzeuge, Antriebsstrangoptimierung, Simulationsmodell, DACE, Kompaktklasse, Verbrauchsminimierung, CO2-Reduktion, Mehrzieloptimierung, Standardisierung, ADVISOR, Optimierungsverfahren, Komponenten-Dimensionierung, Betriebsstrategie, Skaleneffekte, Kraftstoffverbrauch.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Optimierung von Antriebssträngen für Hybridfahrzeuge, wobei der Fokus auf der Verbrauchsminimierung unter Berücksichtigung von Kosten und technischer Umsetzbarkeit liegt.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder umfassen die Systemanalyse von Hybrid-Antriebssträngen, die Bewertung diverser mathematischer Optimierungsverfahren sowie die Modellierung und Simulation von Fahrzeugen der Kompaktklasse.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist die Implementierung eines effizienten Optimierungsverfahrens zur Dimensionierung von Hybridkomponenten, um sowohl den Kraftstoffverbrauch zu senken als auch die Kosten für die Automobilhersteller durch Standardisierung zu optimieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine Black-Box-Optimierung basierend auf Simulationsmodellen (MATLAB/SIMULINK und ADVISOR) verwendet, wobei statistische Verfahren zur Modellbildung (DACE) für die Optimierung eingesetzt werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Klassifizierung von Optimierungsverfahren, die methodische Einbindung eines Simulationsmodells, den Leistungsvergleich der Verfahren und die praktische Anwendung auf die Fahrzeugklasse der Kompaktklasse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Hybridfahrzeuge, Antriebsstrangoptimierung, Simulationsmodell, DACE, Mehrzieloptimierung, Verbrauchsminimierung und Kompaktklasse.
Warum wurde DACE als Optimierungsverfahren gewählt?
DACE erwies sich im Leistungsvergleich als das effizienteste Verfahren, da es eine hohe Konvergenzgeschwindigkeit aufweist, ableitungsfrei arbeitet und zudem eine Vorhersage inklusive Unsicherheitsangabe ermöglicht.
Welche Rolle spielt die Standardisierung in Kapitel 6?
Die Standardisierung zielt darauf ab, durch die Reduzierung der Komponentenvarianten Skaleneffekte (Economy of Scales) zu nutzen und somit die hohen Herstellungskosten von Hybridsystemen zu senken.
- Arbeit zitieren
- Carsten Krüger (Autor:in), 2007, Optimierung von Antriebssträngen für Hybridfahrzeuge, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/205139
