Wirkungsgradoptimierung eines hybriden Einzylindergenerators mittels Optimalsteuerung und Extremum-Seeking-Control

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die optimale Steuerung und Regelung von hybriden Energiesystemen bestehend aus einem Verbrennungsmotor und einem elektrischen Generator. Da bei der Auslegung und dem Betrieb solcher Systeme eine große Anzahl unterschiedlicher Einflussgrößen, Abgängigkeiten und Beschränkungen existiert, stellt die Bestimmung des wirkungsgradoptimalen Betriebsverfahrens eine komplexe Aufgabenstellung dar. Eine wichtige und in bisherigen Arbeiten noch nicht ausführlich untersuchte Betriebsgröße ist dabei die über einen Wechselrichter hochdynamisch vorgebbare drehmomentbildende Stromtrajektorie. Prinzipiell wirkt sich diese auf das Geschwindigkeitsprofil der Motorkolben und damit zugleich sowohl auf die elektromagnetischen als auch auf die thermodynamischen Vorgänge innerhalb der Dauer eines Verbrennungszyklus aus und bietet somit Potential zur Nutzung als Optimierungsgröße. Der wesentliche Beitrag dieser Dissertation ist ein zweistufiges Konzept, mit dessen Hilfe sich die Frage nach der effizientesten Betriebsstrategie bei Einbeziehung der verfügbaren Freiheitsgrade, insbesondere einer variablen Systemauslegung, systematisch beantworten lässt. Die Untersuchung wird hierbei am Beispiel eines Einzylinder-Dieselmotors, dessen Motorwelle mechanisch mit einer permanentmagneterregten Synchronmaschine gekoppelt ist, durchgeführt.

Im ersten Schritt erfolgt eine simulative Betrachtung der Fragestellung mithilfe einer nulldimensionalen Modellierung des Dieselgenerators sowie der Anwendung von Optimalsteuerungsmethoden. Die Ergebnisse der Optimierung zeigen, dass hinsichtlich der Freiheitsgrade der dynamischen Trajektorienvorgabe vor allem eine Reduktion von stromabhängigen Verlusten zielführend ist. Des Weiteren werden in diesem ersten Teil der Dissertation Vorschläge zur wirkungsgradoptimalen Auslegung des mechatronischen Systems abgeleitet und die Robustheit der vorgeschlagenen Strategie diskutiert.

Der Schwerpunkt des zweiten Teils der Arbeit liegt auf der Validierung der für das Modell bestimmten Betriebsstrategie an einem Versuchsaufbau. Hierzu wird ein auf Extremum-Seeking-Control beruhendes Echtzeitoptimierungsverfahren entwickelt, mit dem sich eine Maximierung des Gesamtwirkungsgrads bei gleichzeitiger Vorgabe der elektrischen Ausgangsleistung des hybriden Systems erreichen lässt. Die Konvergenz des entwickelten Ansatzes wird sowohl mithilfe von Simulations- und Experimentalstudien untersucht als auch mittels einer analytischen Stabilitätsuntersuchung formal nachgewiesen. Insgesamt bestätigen die Ergebnisse der Versuchsreihen die am Modell getroffenen Aussagen zum effizientesten Betrieb; an ihnen wird aber auch der Nutzen des rein modellfreien Echtzeitoptimierungsansatzes deutlich.