Mathematische Modellierung und Regelung von hydraulischen Hybridantrieben

Hydraulische Hybridfahrzeuge nutzen die hohe Leistungsdichte hydropneumatischer Energiespeicher, um die beim Bremsen des Fahrzeugs freiwerdende Energie in Form eines komprimierten Gases (z.B. Stickstoff) zu speichern. Diese Energie kann im Stop-and-go-Verkehr für den nachfolgenden Beschleunigungsvorgang verwendet und somit ein besonders Kraftstoff sparender Betrieb erzielt werden. Mit einer Leistungsverzweigung kann der Verbrennungsmotor verlustoptimal betrieben und somit der Kraftstoffverbrauch weiter gesenkt werden. Als Wandler zwischen mechanischer und hydraulischer Energieform eignen sich für den PKW-Bereich in besonderer Weise Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise, da sie einen hochdynamischen und gleichzeitig verlustarmen Betrieb des Antriebsstrangs ermöglichen.

Da ein hydraulischer Hybridantrieb ein komplexes dynamisches Mehrgrößensystem ist, werden geeignete Regelungsstrategien benötigt, mit denen beispielsweise das Antriebsmoment entsprechend der Fahrpedalstellung hochdynamisch geregelt und dabei gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch minimiert wird. Eine nichtlineare modellprädiktive Regelung (MPC) kommt im Rahmen dieser Arbeit für die Schwenkwinkel- bzw. Drehzahlregelung der Axialkolbenmaschinen zum Einsatz. Sie eignet sich in besonderer Weise zur systematischen Berücksichtigung von Stellgrößen- und Zustandsbeschränkungen, wie z.B. Begrenzungen von Spannung und Strom des hydraulischen Regelventils. Für den leistungsverzweigten Antriebsstrang wird eine Momentenregelung entwickelt, die als Stelleingänge die Sollgrößen für das Moment des Verbrennungsmotors und die Schwenkwinkel der Axialkolbenmaschinen verwendet. Die überaktuierte Systemstruktur wird dazu verwendet, die stationäre Verlustleistung im Antriebsstrang zu minimieren.