sbme_kap5
Kapitel 5 Optimierungsverfahren und Anwendung
Kapitel 5 Optimierungsverfahren und Anwendung
Nennen Sie die 3 Ebenen des Energiemanagements im AUtomobil. Welche Übergabegrößen werden zwischen den Ebenen formuliert?
Warum braucht man eine Betriebsstrategie?
Die Betriebsstrategie steuert sämtliche Freiheiten des Systems unter
Beachtung der Betriebsziele.
Nennen Sie Grundlegende Aufgaben von Betriebsstrategien. Welche Stellgrößen gibt es?
Grundlegende Aufgaben einer Betriebsstrategie
• Betrieb der Energiewandler in Bereichen hohen Wirkungsgrads
• Wahl der Betriebsmodi
• Entscheidung über Zu-/Abführung der Energie zum/aus dem Speicher in Abhängigkeit
vom Systemzustand
Stellgrößen
• Momentenaufteilung
• Wahl der Getriebeübersetzung
• Wahl der Betriebsmodi (Aggregat an/aus)
• Ansteuerung weiterer Aggregate zum Erreichen des Betriebsziels(bspw.
Batterieklimatisierung, Abgasnachbehandlung)
Stellgrößen hängen von der verwendeten Modelltiefe/ dem Abstraktionsgrad ab
Charakterisieren Sie die regelbasierenden Betriebsstrategien und nennen Sie Beispiele!
• Beruhen auf empirischen Überlegungen, Erfahrungen, Expertenwissen
aber: auch methodisches Vorgehen und Parameteroptimierung möglich
• Speichern der Regeln als Kennfeld auf dem Steuergerät
• Geringere Lösungsgüte im Vergleich zu optimierungsbasierten Verfahren
• Onlinefähig (Berechnungsaufwand, Speicherbedarf, Kausalität)
Onlinefähigkeit
Die Strategie ist in der Lage zu jedem Zeitpunkt der Fahrt (online) die
Steuergrößen in einem sinnvollen Zeitfenster korrekt zu bestimmen. Sie
benötigt dabei kein Wissen über den zukünftigen Fahrtverlauf.
Beispiele:
„Thermostat“-Steuerung bzw. „an/aus“-Strategie
• bei erreichen der oberen SOC Grenze wird EM ein- und VKM ausgeschaltet
• bei erreichen der unteren SOC Grenze wird VKM wieder eingeschaltet
• alleiniger EM-Betrieb kritisch, da nur
bei ausreichend leistungsstarker
Dimensionierung der EM möglich
(z.B. beim Mild-Hybrid)
Power Follower (auch Electric Assist Control Strategy (EACS))
• 4 Regeln
• Unterhalb einer Grenze für Radleistung und Fahrgeschwindigkeit wird rein
elektrisch gefahren; Schleppen des VM
• Ist das geforderte Moment größer als das Maximalmoment des VM
->elektrischer Antrieb als Booster
• Betrieb des VM in Bereichen hoher Wirkungsgrade durch Lastpunktverschiebung
• Laden des elektrischen Speichers durch maximale Rekuperation beim Bremsvorgang
• 3 Parameter
���� �� ������,�� : Grenzgeschwindigkeit für elektrische Fahrt
�� ���� ,�� ���� : Anteil am VM-Maximalmoment unterhalb dessen VM abgeschaltet wird
������ ,�� ���� : Maximales Moment bei Lastpunktverschiebung
Unterscheiden Sie die Optimierungsbasierte Betriebsstrategie in ihre 2 Arten!
- Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS)
- Lokal optimierungsbasierte Strategie (Optimierung nur im aktuellen Zeitpunkt der Fahrt) -> begrenzt onlinefähig
- Minimierung eines Gütemaßes (entspricht Betriebsziel), z. B. Kraftstoffverbrauch
- Betrachtung des elektrischen Energiespeichers als Zusatztank (Laden durch VKM)
- Definition einer Äquivalenz zwischen elektrischer und chemischer Energie �� = ������ ℎ�� �� ������ℎ/������ �� �� �� ����������ℎ
- Erweiterung der Zielfunktion: Minimierung der äquivalenten Energie
���� = ����������(������ , ������ , ��) + �� ⋅ ��������(������ , ��) -> ������(��) = arg������ min(����) (Prinzip der äquivalenten Leistung)
- Dynamische Programmierung (DP)
- Global optimales Verfahren -> höchste Lösungsgüte
- Nach dem Bellmannschen Optimalitätsprinzip (siehe Abschnitt 5.3)
- Zur Berechnung muss der gesamte Fahrtverlauf bekannt sein ->Ein Einsatz im Fahrzeug ist unmöglich
- Sehr hoher Berechnungsaufwand
ABER: DP bietet für Simulationen eine optimale Referenzlösung zur Bewertung anderer Ansätze
Vergleichen Sie die Regelbasierte mit der Optimierungsbasierten BS!
Was ist Optimierung und was soll optimiert werden?
Was ist Optimierung?
„Im gängigen Sprachgebrauch wird dieses Wort ziemlich sorglos verwendet, und man
kann sich manchmal des Eindrucks nicht erwehren, daß schon von „optimieren“
gesprochen wird, wenn jemand sich überhaupt Gedanken über die Bearbeitung einer
Aufgabenstellung macht.“ – Föllinger 1994
Was soll optimiert werden?
• Struktur des Antriebsstrangs (Verwendung anderer Aggregate, …)?
• Parameter einer Betriebsstrategie?
• Der Kraftstoffverbrauch über die ganze Fahrt / zu einem Zeitpunkt?
Optimierungsaufgabe muss klar definiert werden!
Nennen SIe häufige Gütemaße.
Was ist die Optimale Lösung/ das Optimum?
Ein Lösungskandidat ��0 heißt optimale Lösung, wenn er zulässig und sein
Zielfunktionswert nicht schlechter als der der anderen zulässigen Lösungskandidaten
ist.
Gilt dies für den gesamten Bereich, so liegt ein globales Optimum vor.
Gilt dies nur in einer (beschränkten) Umgebung um ��0 , so liegt ein lokales Optimum
vor.
Was sind Multikriterielle Otimierungsprobleme? Nennen sie Beispiele
praktische Probleme sind häufig Mehrzielprobleme mehrere zu optimierende
Kriterien, die das Ergebnis bestimmen
Beispiele:
- Auslegung Hybridfahrzeug
- Hohe Leistung
- Geringer Verbrauch
- Geringes Gewicht
- Niedrige Kosten
- Auslegung Elektrofahrzeug
- Hohe Reichweite
- Geringes Gewicht
- Geringe Kosten für Speicher
Vergleichen Sie die Parameteroptimierung mit der Strukturoptimierung!
Wie lautet das Bellmansche Optimalprinzip und was bedeutet es?
Verdeutlichen Sie es außerdem am Beispiel des Zeitproblems.
„Ein optimales Verfahren hat die Eigenschaft, dass, bei beliebigen Anfangsbedingungen
und früheren Entscheidungen, die folgenden Schritte immer optimale Entscheidungen
darstellen“ [Bel57].
„Dieses Prinzip besagt also, dass, wenn man z.B. eine optimale Trajektorie zwischen
zwei Punkten gefunden hat, auch jede Teiltrajektorie von einem beliebigen
Zwischenpunkt bis zum Endpunkt für sich optimal sein muss.“
Vorfür steht EMCS?
Equivalent Consumption Minmization Strategy
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Lernkarten
Nennen Sie die 3 Ebenen des Energiemanagements im AUtomobil. Welche Übergabegrößen werden zwischen den Ebenen formuliert?
Warum braucht man eine Betriebsstrategie?
Die Betriebsstrategie steuert sämtliche Freiheiten des Systems unter
Beachtung der Betriebsziele.
Nennen Sie Grundlegende Aufgaben von Betriebsstrategien. Welche Stellgrößen gibt es?
Grundlegende Aufgaben einer Betriebsstrategie
• Betrieb der Energiewandler in Bereichen hohen Wirkungsgrads
• Wahl der Betriebsmodi
• Entscheidung über Zu-/Abführung der Energie zum/aus dem Speicher in Abhängigkeit
vom Systemzustand
Stellgrößen
• Momentenaufteilung
• Wahl der Getriebeübersetzung
• Wahl der Betriebsmodi (Aggregat an/aus)
• Ansteuerung weiterer Aggregate zum Erreichen des Betriebsziels(bspw.
Batterieklimatisierung, Abgasnachbehandlung)
Stellgrößen hängen von der verwendeten Modelltiefe/ dem Abstraktionsgrad ab
Charakterisieren Sie die regelbasierenden Betriebsstrategien und nennen Sie Beispiele!
• Beruhen auf empirischen Überlegungen, Erfahrungen, Expertenwissen
aber: auch methodisches Vorgehen und Parameteroptimierung möglich
• Speichern der Regeln als Kennfeld auf dem Steuergerät
• Geringere Lösungsgüte im Vergleich zu optimierungsbasierten Verfahren
• Onlinefähig (Berechnungsaufwand, Speicherbedarf, Kausalität)
Onlinefähigkeit
Die Strategie ist in der Lage zu jedem Zeitpunkt der Fahrt (online) die
Steuergrößen in einem sinnvollen Zeitfenster korrekt zu bestimmen. Sie
benötigt dabei kein Wissen über den zukünftigen Fahrtverlauf.
Beispiele:
„Thermostat“-Steuerung bzw. „an/aus“-Strategie
• bei erreichen der oberen SOC Grenze wird EM ein- und VKM ausgeschaltet
• bei erreichen der unteren SOC Grenze wird VKM wieder eingeschaltet
• alleiniger EM-Betrieb kritisch, da nur
bei ausreichend leistungsstarker
Dimensionierung der EM möglich
(z.B. beim Mild-Hybrid)
Power Follower (auch Electric Assist Control Strategy (EACS))
• 4 Regeln
• Unterhalb einer Grenze für Radleistung und Fahrgeschwindigkeit wird rein
elektrisch gefahren; Schleppen des VM
• Ist das geforderte Moment größer als das Maximalmoment des VM
->elektrischer Antrieb als Booster
• Betrieb des VM in Bereichen hoher Wirkungsgrade durch Lastpunktverschiebung
• Laden des elektrischen Speichers durch maximale Rekuperation beim Bremsvorgang
• 3 Parameter
���� �� ������,�� : Grenzgeschwindigkeit für elektrische Fahrt
�� ���� ,�� ���� : Anteil am VM-Maximalmoment unterhalb dessen VM abgeschaltet wird
������ ,�� ���� : Maximales Moment bei Lastpunktverschiebung
Unterscheiden Sie die Optimierungsbasierte Betriebsstrategie in ihre 2 Arten!
- Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS)
- Lokal optimierungsbasierte Strategie (Optimierung nur im aktuellen Zeitpunkt der Fahrt) -> begrenzt onlinefähig
- Minimierung eines Gütemaßes (entspricht Betriebsziel), z. B. Kraftstoffverbrauch
- Betrachtung des elektrischen Energiespeichers als Zusatztank (Laden durch VKM)
- Definition einer Äquivalenz zwischen elektrischer und chemischer Energie �� = ������ ℎ�� �� ������ℎ/������ �� �� �� ����������ℎ
- Erweiterung der Zielfunktion: Minimierung der äquivalenten Energie
���� = ����������(������ , ������ , ��) + �� ⋅ ��������(������ , ��) -> ������(��) = arg������ min(����) (Prinzip der äquivalenten Leistung)
- Dynamische Programmierung (DP)
- Global optimales Verfahren -> höchste Lösungsgüte
- Nach dem Bellmannschen Optimalitätsprinzip (siehe Abschnitt 5.3)
- Zur Berechnung muss der gesamte Fahrtverlauf bekannt sein ->Ein Einsatz im Fahrzeug ist unmöglich
- Sehr hoher Berechnungsaufwand
ABER: DP bietet für Simulationen eine optimale Referenzlösung zur Bewertung anderer Ansätze
Vergleichen Sie die Regelbasierte mit der Optimierungsbasierten BS!
Was ist Optimierung und was soll optimiert werden?
Was ist Optimierung?
„Im gängigen Sprachgebrauch wird dieses Wort ziemlich sorglos verwendet, und man
kann sich manchmal des Eindrucks nicht erwehren, daß schon von „optimieren“
gesprochen wird, wenn jemand sich überhaupt Gedanken über die Bearbeitung einer
Aufgabenstellung macht.“ – Föllinger 1994
Was soll optimiert werden?
• Struktur des Antriebsstrangs (Verwendung anderer Aggregate, …)?
• Parameter einer Betriebsstrategie?
• Der Kraftstoffverbrauch über die ganze Fahrt / zu einem Zeitpunkt?
Optimierungsaufgabe muss klar definiert werden!
Nennen SIe häufige Gütemaße.
Was ist die Optimale Lösung/ das Optimum?
Ein Lösungskandidat ��0 heißt optimale Lösung, wenn er zulässig und sein
Zielfunktionswert nicht schlechter als der der anderen zulässigen Lösungskandidaten
ist.
Gilt dies für den gesamten Bereich, so liegt ein globales Optimum vor.
Gilt dies nur in einer (beschränkten) Umgebung um ��0 , so liegt ein lokales Optimum
vor.
Was sind Multikriterielle Otimierungsprobleme? Nennen sie Beispiele
praktische Probleme sind häufig Mehrzielprobleme mehrere zu optimierende
Kriterien, die das Ergebnis bestimmen
Beispiele:
- Auslegung Hybridfahrzeug
- Hohe Leistung
- Geringer Verbrauch
- Geringes Gewicht
- Niedrige Kosten
- Auslegung Elektrofahrzeug
- Hohe Reichweite
- Geringes Gewicht
- Geringe Kosten für Speicher
Vergleichen Sie die Parameteroptimierung mit der Strukturoptimierung!
Wie lautet das Bellmansche Optimalprinzip und was bedeutet es?
Verdeutlichen Sie es außerdem am Beispiel des Zeitproblems.
„Ein optimales Verfahren hat die Eigenschaft, dass, bei beliebigen Anfangsbedingungen
und früheren Entscheidungen, die folgenden Schritte immer optimale Entscheidungen
darstellen“ [Bel57].
„Dieses Prinzip besagt also, dass, wenn man z.B. eine optimale Trajektorie zwischen
zwei Punkten gefunden hat, auch jede Teiltrajektorie von einem beliebigen
Zwischenpunkt bis zum Endpunkt für sich optimal sein muss.“
Vorfür steht EMCS?
Equivalent Consumption Minmization Strategy
