EMBS - Optimierungsverfahren
TU Dresden
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In welchen Ebenen des Energiemanagements lassen sich im Automobil Optimierungen vornehmen?
- Navigation (Routenführung)
- Fahrstrategie (Sollgeschwindigkeit, Beschleunigungsverhalten)
- Betriebsstrategie (Arbeitspunkte der Aggregate, Schaltempfehlungen)
Warum braucht man Betriebsstrategien?
Die Betriebsstrategie steuert sämtliche Freiheiten des Systems unter Beachtung der Betriebsziele.
Freiheiten paralleler Hybrid:
- Getriebeübersetzung
- Momentenaufteilungzwischen Elektro-undVerbrennungsmotor
Nennen Sie Beispiele für Betriebsziele sowie Rand- und Nebenbedingungen.
Betriebsziele:
- Kraftstoffverbrauch minimieren
- Abgasemissionen minimieren
- Komponentenlebensdauer maximieren
- Fahrkomfort steigern
- Momentanforderung des Fahrers
- Betriebsgrenzen
--> Ladungsgrenzen der Batterie
--> Moment- und Drehzahlgrenzen
Was sind Grundlegende Ziele einer Betriebsstrategie und 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
Wie lassen sich Betriebsstrategien einteilen?
Charakterisieren Sie regelbasierte (heuristische) Regelstrategien.
•Beruhen auf empirischen Überlegungen, Erfahrungen, Expertenwissenaber: auch methodisches Vorgehen und Parameteroptimierung möglich
•Speichern der Regeln als Kennfeldauf dem Steuergerät
•Geringere Lösungsgüte im Vergleich zu optimierungsbasierten Verfahren
•Onlinefähig (Berechnungsaufwand, Speicherbedarf, Kausalität)
Was beschreibt die Onlinfähigkeit bei regelbasierten Betriebsstrategien?
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.
Beschreiben Sie die "Thermostat"-Steuerung als Beispiel einer regelbasierten Betriebsstrategie.
Erklären Sie Power-Follower als Beispiel einer regelbasierten Betriebsstrategie.
•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 Rekuperationbeim Bremsvorgang
•3 Parameter
������������,��: Grenzgeschwindigkeit für elektrische Fahrt
������,������: Anteil am VM-Maximalmoment unterhalb dessen VM abgeschaltet wird
������,������: Maximales Moment bei Lastpunktverschiebung
Wie werden Parameter für regelbasierte Betriebsstrategien bestimmt? Erklären Sie das Beispiel EACS.
•intuitiv/expertenbasiert --> tiefes Systemverständnis notwendig
•durch Optimierungsalgorithmen
•Künstliche Intelligenz (KI)
EACS:
Nutzung von Kennwerten der Aggregate zur Bedatungder Parameter
v(Grenz,E): Geschwindigkeit bei der die EM den Fahrwiderstand bei Konstantfahrtgerade noch aufbringen kann.
M(VM): Analyse des Wirkungsgrads des VM (Muscheldiagramm) Ab welchem Moment ist ein bestimmter Wirkungsgrad erreicht
M(LP): maximale Nutzung der EM-Leistung im geforderten Batterieladungsbereich
Beschreiben Sie Load Leveling als heurstische Betriebsstrategie.
Welche weiteren Beschreibungsformen für Regelstrategien gibt es?
Beschreiben Sie Equivalent ConsumptionMinimizationStrategy(ECMS)?
Beschreiben Sie dynamische Programmierung.
Dynamische Programmierung (DP)
•Global optimales Verfahren höchste Lösungsgüte
•Nach dem BellmannschenOptimalitätsprinzip (siehe Abschnitt 5.3)
•Zur Berechnung muss der gesamte Fahrtverlauf bekannt seinEin Einsatz im Fahrzeug ist unmöglich
•Sehr hoher Berechnungsaufwand
ABER: DP bietet für Simulationen eine optimale Referenzlösung zur Bewertung anderer Ansätze
Nennen Sie Vor- und Nachteile von optimierungsbasierten und regelbasierten Betriebsstrategien.
Was ist Optimierung und was soll optimiert werden?
Was sind die Grundlagen dynamischer Systeme.
Welche drei Punkte der Optimierungsdefinition gibt es?
Beschreiben Sie drei häufige Gütemaße (Kostenfunktionen).
Definieren Sie Optimum.
Was zeichnet multikriterielle Optimierungsprobleme aus? Nennen Sie Beispiele.
Charakerisieren Sie Parameteroptimierung und Strukturoptimierung.
Was besagt das Bellmansche Qualitätsprinzip?
„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.“
Was beschreibt das Zeitproblem und wie kommt man zur optimalen Lösung?
Von Punkt A nach B mit möglichst geringen Kosten (Zeitaufwand).
•Einführung Koordinatenraster und Lösung in x-Richtung��=2,3,…,7
•Optimalitätsprinzip: Ermittlung der minimalen Kosten Pxyz zwischen 2 Wegpunkten
•Nur die optimalen Kostenzu jedem Punkt müssen gespeichert werden
•Beispiel an
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Cartes-fiches
In welchen Ebenen des Energiemanagements lassen sich im Automobil Optimierungen vornehmen?
- Navigation (Routenführung)
- Fahrstrategie (Sollgeschwindigkeit, Beschleunigungsverhalten)
- Betriebsstrategie (Arbeitspunkte der Aggregate, Schaltempfehlungen)
Warum braucht man Betriebsstrategien?
Die Betriebsstrategie steuert sämtliche Freiheiten des Systems unter Beachtung der Betriebsziele.
Freiheiten paralleler Hybrid:
- Getriebeübersetzung
- Momentenaufteilungzwischen Elektro-undVerbrennungsmotor
Nennen Sie Beispiele für Betriebsziele sowie Rand- und Nebenbedingungen.
Betriebsziele:
- Kraftstoffverbrauch minimieren
- Abgasemissionen minimieren
- Komponentenlebensdauer maximieren
- Fahrkomfort steigern
- Momentanforderung des Fahrers
- Betriebsgrenzen
--> Ladungsgrenzen der Batterie
--> Moment- und Drehzahlgrenzen
Was sind Grundlegende Ziele einer Betriebsstrategie und 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
Wie lassen sich Betriebsstrategien einteilen?
Charakterisieren Sie regelbasierte (heuristische) Regelstrategien.
•Beruhen auf empirischen Überlegungen, Erfahrungen, Expertenwissenaber: auch methodisches Vorgehen und Parameteroptimierung möglich
•Speichern der Regeln als Kennfeldauf dem Steuergerät
•Geringere Lösungsgüte im Vergleich zu optimierungsbasierten Verfahren
•Onlinefähig (Berechnungsaufwand, Speicherbedarf, Kausalität)
Was beschreibt die Onlinfähigkeit bei regelbasierten Betriebsstrategien?
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.
Beschreiben Sie die "Thermostat"-Steuerung als Beispiel einer regelbasierten Betriebsstrategie.
Erklären Sie Power-Follower als Beispiel einer regelbasierten Betriebsstrategie.
•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 Rekuperationbeim Bremsvorgang
•3 Parameter
������������,��: Grenzgeschwindigkeit für elektrische Fahrt
������,������: Anteil am VM-Maximalmoment unterhalb dessen VM abgeschaltet wird
������,������: Maximales Moment bei Lastpunktverschiebung
Wie werden Parameter für regelbasierte Betriebsstrategien bestimmt? Erklären Sie das Beispiel EACS.
•intuitiv/expertenbasiert --> tiefes Systemverständnis notwendig
•durch Optimierungsalgorithmen
•Künstliche Intelligenz (KI)
EACS:
Nutzung von Kennwerten der Aggregate zur Bedatungder Parameter
v(Grenz,E): Geschwindigkeit bei der die EM den Fahrwiderstand bei Konstantfahrtgerade noch aufbringen kann.
M(VM): Analyse des Wirkungsgrads des VM (Muscheldiagramm) Ab welchem Moment ist ein bestimmter Wirkungsgrad erreicht
M(LP): maximale Nutzung der EM-Leistung im geforderten Batterieladungsbereich
Beschreiben Sie Load Leveling als heurstische Betriebsstrategie.
Welche weiteren Beschreibungsformen für Regelstrategien gibt es?
Beschreiben Sie Equivalent ConsumptionMinimizationStrategy(ECMS)?
Beschreiben Sie dynamische Programmierung.
Dynamische Programmierung (DP)
•Global optimales Verfahren höchste Lösungsgüte
•Nach dem BellmannschenOptimalitätsprinzip (siehe Abschnitt 5.3)
•Zur Berechnung muss der gesamte Fahrtverlauf bekannt seinEin Einsatz im Fahrzeug ist unmöglich
•Sehr hoher Berechnungsaufwand
ABER: DP bietet für Simulationen eine optimale Referenzlösung zur Bewertung anderer Ansätze
Nennen Sie Vor- und Nachteile von optimierungsbasierten und regelbasierten Betriebsstrategien.
Was ist Optimierung und was soll optimiert werden?
Was sind die Grundlagen dynamischer Systeme.
Welche drei Punkte der Optimierungsdefinition gibt es?
Beschreiben Sie drei häufige Gütemaße (Kostenfunktionen).
Definieren Sie Optimum.
Was zeichnet multikriterielle Optimierungsprobleme aus? Nennen Sie Beispiele.
Charakerisieren Sie Parameteroptimierung und Strukturoptimierung.
Was besagt das Bellmansche Qualitätsprinzip?
„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.“
Was beschreibt das Zeitproblem und wie kommt man zur optimalen Lösung?
Von Punkt A nach B mit möglichst geringen Kosten (Zeitaufwand).
•Einführung Koordinatenraster und Lösung in x-Richtung��=2,3,…,7
•Optimalitätsprinzip: Ermittlung der minimalen Kosten Pxyz zwischen 2 Wegpunkten
•Nur die optimalen Kostenzu jedem Punkt müssen gespeichert werden
•Beispiel an
