Modellprädiktive Regelung eines innovativen Thermomanagement-Systems für batterieelektrische Fahrzeuge

Im Zuge der fortschreitenden Elektrifizierung der Fahrzeuge fällt mit steigender Effizienz die zur Verfügung stehende Abwärme der Antriebsstrangs zur Deckung des Wärmebedarfs des Innenraums. Die zusätzlich notwendigen Maßnahmen zur thermischen Konditionierung des Innenraums äußern sich in einem rein elektrischen Betrieb bei kalten Umgebungstemperaturen in einer signifikant reduzierten Reichweite. Um diesem Problem entgegenzuwirken, befasst sich diese Dissertation mit der Entwicklung eines ganzheitlichen energieeffizienten Thermomanagement-Systems auf Basis einer umkehrbarenWärmepumpe. ... mehrDie Nutzung der Umgebungswärme senkt den elektrischen Energiebedarf des Thermomanagement-Systems im Vergleich zu herkömmlichen Systemen basierend auf elektrischen Zuheizern bereits deutlich. Die anfallende Abwärme der elektrischen Komponenten kann zusätzlich eingebracht werden und trägt zu einer weiteren Reduktion des elektrischen Energiebedarfs durch Drosselung des Kompressors bei. Um das Potenzial dieses Mehrgrößensystems vollständig zu nutzen, wird eine nichtlineare modellprädiktive Regelung (NMPC) entwickelt. Dieser fortschrittliche Regelungsansatz bedient sich eines mathematischen Modells des Systems und optimiert die Stellgrößen in einem definierten Zeithorizont auf Basis aktueller Messdaten. Es wird gezeigt, dass bei Kenntnis des zu erwartenden Geschwindigkeitsprofils und damit der zukünftig im Antriebsstrang entstehenden Abwärme eine hochpräzise Regelung möglich ist. Ein experimenteller Machbarkeitsnachweis wird gezeigt, welcher eine echtzeitfähige NMPC-Regelung einer Wärmepumpe in einem Fahrzeug-Demonstrator darstellt.

In the course of the electrification of drive systems less waste heat is generated to cover the heat demand of the passenger cabin. This results in a significantly reduced electric range in cold seasons or climate regions. This doctoral thesis deals with the development of a holistic energy-efficient thermal management system to avoid a range drop due to thermal conditioning. The basis is a central reversible heat pump with secondary coolant loops. The integration of ambient heat already reduces the consumption of the thermal management system compared to conventional systems
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based on resistive heaters. Additionally, waste heat of electric drive components can be used to further reduce the consumption by throttling the compressors of the heat pump. To exploit the full potential of the resulting multiple-input multipleoutput
system a Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) is developed. This advanced control approach uses a mathematical model of the system and optimizes the manipulated variables for a defined time horizon based on measurement data.
The approach shows advantages in comfort and consumption by incorporating the
future velocity profile of the vehicle. The virtual investigations are followed by an experimental proof-of-concept showing the real-time NMPC control of a heat pump integrated in a vehicle mock-up.