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Improving System Design and Power Management for Hybrid Hydraulic Vehicles Minimizing Fuel Consumption

Karbaschian, Mohammad Ali

Im Fokus dieser Arbeit steht die optimale Gestaltung und Steuerung von hybridhydraulischen Fahrzeugen, um die gewünschten Eigenschaften des Systems, nämlich Kraftstoffverbrauch und Fahrbarkeit zu verbessern. Trotz unterschiedlich optimaler und suboptimaler Power-Management-Strategien sind typische Probleme im Umgang mit der Echtzeit-Anwendbarkeit von Power-Management-Strategien, speziell Rechenlast und Lastzyklus-Anforderungen noch diskutierte Themen in diesem Zusammenhang. Basierend auf den Modellen der hydraulischen Komponenten und Teilsysteme werden typische hydraulische Hybridfahrzeugtopologien entwickelt, verifiziert und mit Simulationsergebnissen aus technischer Software für die Modellierung der Hydrauliksysteme verglichen. Die parametrischen Modelle können für die Umsetzung des typischen optimalen Power-Management Strategien verwendet werden. Der Kern der Arbeit ist die Entwicklung, Anwendung, Optimierung und Auswertung von Druckregelstrategien, Power-Management-Strategien, sowie die Optimierung des Systemdesigns. Obwohl regelbasierte Druckregelstrategien suboptimale Ansätze darstellen, werden Kraftstoffverbrauch und Fahrverhalten in Form von Referenz Geschwindigkeits-Trackings als wichtigste Kriterien für eine angemessene Bewertung und den Vergleich von optimierten Power-Management-Strategien im Rahmen dieser Arbeit berücksichtigt. Um eine Online-Optimale Power-Management-Strategie zu entwickeln, sind drei Arten von Multi-objective Multi-parametric optimalen Steuerungsprobleme entwickelt und im System angewendet worden. Hierbei werden verschiedene Optimierungsalgorithmen wie Dynamic Programming (DP), Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA II) und Model Predictive Control (MPC) angewendet. Der Hauptgrund für die Entwicklung von DP-basierten Leistungsverwaltungen ist die Entwicklung eines Off-line Power Management, um die Leistung von anderen entwickelten Algorithmen zu bewerten. Anschließend wird eine Instantaneous Optimized Power Management (IOPM) auf der Grundlage quasi-statischer Modelle des Systems entwickelt, welche auf dem momentanen Leistungsbedarf in jedem Zeitschritt basiert. Die entwickelten Power Management Strategien verbessern erheblich die gewünschten Systemeigenschaften, nämlich Effizienz und Fahrbarkeit Regelbasierte Druckregelstrategien sowie IOPM zeigen eine vergleichbare Performance. Basierend auf den entwickelten Off-line Power Management Strategien wird ein globaler Optimierungsansatz für die gleichzeitige Optimierung von Design-und Steuerungsparametern in diesem Beitrag entwickelt. Mit diesem Ansatz kann eine optimale Systemauslegung und deren Regelparameter an die angegebene Topologie für eine beliebige Fahrzeugklasse erreicht werden.

The focus of this thesis is the optimal design and the optimal control of Hybrid Hydraulic Vehicles (HHV) to improve system desired characteristics, fuel consumption, and driveability. Despite the different optimal and sub-optimal power management strategies, typical challenging problems dealing with real-time applicability of the power management strategies particularly computational load and load cycle requirements are still discussing topics in this context. Based on the hydraulic components models as well as subsystems, typical HHV topologies are developed and verified compared to simulation results obtained from a technical software for the modeling of hydraulic systems. The parametric models can be used for the implementation of different optimal power management strategies. The core of the thesis is development, application, optimization, and evaluation of pressure control strategies, power management strategies, as well as the optimization of system design. Whereas rule-based pressure control strategies are sub-optimal approaches, fuel consumption and driveability in the form of reference velocity tracking are considered as the main criteria for a reasonable identical evaluation and comparison of optimized power management strategies developed within this thesis. In order to develop an on-line applicable optimal power management strategy, three types of multi-objective multi-parametric optimal control problems are developed and applied to the system. Hereby different optimization algorithms like Dynamic Programming (DP), Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA II), and Model Predictive Control (MPC) are applied. The main reason for the development of DP-based power management is the development of an off-line control trajectory in order to evaluate the performance of other developed algorithms. Subsequently, an Instantaneous Optimized Power Management (IOPM) based on the quasi-static model of the system is developed. This optimal power management operates based on instantaneous information about power demand without the consideration of time variation effects. The developed power management strategies significantly improve the system desired characteristics, namely efficiency and driveability. However, rulebased pressure control strategies as well as IOPM have comparable performances. Based on the developed off-line power management strategies, a global optimization approach for the simultaneous optimization of design and control parameters is developed within this contribution. Using this approach, optimal system design and control parameters related to the given topology for an arbitrary vehicle class can be achieved.

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Citation style:

Karbaschian, Mohammad Ali: Improving System Design and Power Management for Hybrid Hydraulic Vehicles Minimizing Fuel Consumption. 2014.

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