Bachelorarbeit - Abschlusspräsentation Institute for Design and Control of Mechatronical Systems Implementierung verschiedener Fahrzeugregelungsalgorithmen am HIL Prüfstand Michael Kobler Betreuung: Thomas Schwarzgruber, Thomas Stanger 1
Aufgabenstellung Ziel: Regelung des Fahrverhaltens mit möglichst geringen Kraftstoffverbrauch Recherche und Auswahl von Regelstrategien Implementierung mittels IPG Carmaker von: aussagekräftigen g Testfällen ausgewählten Regelstrategien Vergleich der Regelung in Simulation am Hardwareprüfstand Institute for Design and Control of Mechatronical Systems Präsentation Bachelorarbeit 2
Auswahl der Testfälle Vorbedingungen Kurvenfahrt und Querdynamik irrelevant für Kraftstoffverbrauch Tauglich für Prüfstandsmotor (max. 120km/h, Handschaltung) Fahrt mit Abstandsregelungssystem Beschleunigung vom Stand Geschwindigkeitsvariation durch vorrausfahrendes KFZ Zielgeschwindigkeiten von: 40-60 km/h 70-100 km/h Institute for Design and Control of Mechatronical Systems Präsentation Bachelorarbeit 3
Auswahl der Testfälle 2 Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit Beschleunigung vom Stand Längen von: 2000m (bis 60 km/h) 3000m (bis 90 km/h) 4500m (bis 120 km/h) Steigungen von -2% bis 5% als Lastsimulation 4
Auswahl der Regelstrategien PI-Regler mit Antiwindup, Beschränkungen als Referenzimplementierung Pulse and Glide (PaG) Regler Idee der Lastpunktverschiebung Abwechselnd Last und Rollphasen Variation mit und ohne Segeln Segeln durch Leerlauf des Motors Institute for Design and Control of Mechatronical Systems Präsentation Bachelorarbeit 5
Pulse and Glide - Regelprinzip Ges schwindigke eit [m/s] 80 75 70 65 60 55 50 Pulse and Glide - Regelprinzip Refenzgeschwindigkeit obere Schranke untere Schranke Reglerausgang 45 Pulse Glide 40 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Zeit [s] 6
Auswertung Simulation (1/5) h [l/100km] 10 9 8 PI PaG PaG Segel Verbrauch 0% Steigung ttsverbrauc 7 6 Durchschni 5 4 3 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Geschwindigkeit [km/h] 7
Auswertung Simulation (2/5) ttsverbrauch [l/100km] 13 12.5 12 11.5 11 Verbrauch 2-5% Steigung PI PaG PaG Segel Durchschnit 10.5 10 9.5 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Geschwindigkeit [km/h] 8
Auswertung Simulation (3/5) h [l/100km] 7 6 5 PI PaG PaG Segel Verbrauch 2% Gefälle ttsverbrauc 4 Durchschni 3 2 1 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Geschwindigkeit [km/h] 9
Auswertung Simulation (4/5) Geschwindigkeit ACC Test 1 v: ca. 35 70 km/h v: +/- 0.1% hwindigkeit [m/s] Gesc 18 16 14 12 10 PaG 14.1 m/s PaG Segel 14.09 m/s PI 14.08 m/s Verbrauch: PI: 5.91 l/100km PaG: 5.91 l/100km PaGS: 5.15 l/100km Verbrauch: 0.76 l/100km 12.8 % Ersparnis Die esel [l] 0.2 0.15 0.1 0.05 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 Zeit [s] Verbrauch Absolut PaG 5.91 l/100km PaG Segel 5.15 l/100km PI 5.91 l/100km 0 0 50 100 150 200 250 Zeit [s] Institute for Design and Control of Mechatronical Systems Präsentation Bachelorarbeit 10
Auswertung Simulation (5/5) Geschwindigkeit ACC Test 2 v: ca. 45 100 km/h v: +/- 0.5% Geschw windigkeit [m/s] 28 26 24 22 20 18 16 PaG 18.81 m/s PaG Segel 18.79 m/s PI 18.73 m/s 14 Verbrauch: PI: 7.25 l/100km PaG: 7.16 l/100km PaGS: 6.48 l/100km Verbrauch: 0.77 l/100km 10.6 % Ersparnis Dies sel [l] 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 100 110 120 130 140 150 160 170 Zeit [s] PaG 7.16 l/100km PaG Segel 6.48 l/100km PI 7.25 l/100km Verbrauch Absolut 0 50 100 150 200 250 0 Zeit [s] 11
Auswertung Prüfstand (1/5) h [l/100km] 9 8 7 PI PaG PaG Segel Verbrauch 0% Steigung ttsverbrauc 6 Durchschni 5 4 3 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Geschwindigkeit [km/h] 12
Auswertung Prüfstand (2/5) h [l/100km] 11.5 11 10.5 Verbrauch 2-5% Steigung PI PaG PaG Segel ttsverbrauc 10 9.5 Durchschni 9 85 8.5 8 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Geschwindigkeit [km/h] 13
Auswertung Prüfstand (3/5) h [l/100km] 6 5 4 PI PaG PaG Segel Verbrauch 2% Gefälle ittsverbrauc 3 Durchschni 2 1 0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Geschwindigkeit [km/h] 14
Auswertung Prüfstand (4/5) ACC Test 1 18 16 PaG 14.09 m/s PaG Segel 14.07 m/s PI 14.08 m/s Geschwindigkeit v: ca. 35 70 km/h v: +/- 0.1% windigkeit [m/s] Gesch 14 12 10 Verbrauch: PI: 5.27 l/100km PaG: 5.77 l/100km PaGS: 4.82 l/100km Verbrauch: 0.45 l/100km 8.7 % Ersparnis Dies sel [l] 0.16 0.14 0.12 0.1 008 0.08 0.06 0.04 0.02 80 90 100 110 120 130 140 Zeit [s] PaG 5.77 l/100km PaG Segel 4.82 l/100km PI 5.27 l/100km Verbrauch Absolut 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Zeit [s] 15
Auswertung Prüfstand (5/5) Geschwindigkeit ACC Test 2 v: ca. 45 100 km/h v: +/- 0.5% Geschw windigkeit [m/s] 28 26 24 22 20 18 16 PaG 18.79 m/s PaG Segel 18.8 m/s PI 18.72 m/s 14 Verbrauch: PI: 6.71 l/100km PaG: 6.89 l/100km PaGS: 6.24 l/100km Verbrauch: 0.47 l/100km 7 % Ersparnis Dies sel [l] 12 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 100 110 120 130 140 150 160 170 Zeit [s] PaG 6.89 l/100km PaG Segel 6.24 l/100km PI 6.71 l/100km Verbrauch Absolut 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Zeit [s] 16
Detailauswertung (1/3) Absolutverbrau uch [l] 0.03 60 km/h 002 0.02-2% Steigung 1.41 l/100km vs. 1.56 l/100km 9.6 % Ersparnis v: +/- 0.4% NOx (ppm) um 140% erhöht NOx [Vol. ppm m] [m/s] Geschwindigkeit 0.01 0 18 17 16 1500 1000 500 0 PI (1.55 l/100km) Verbrauch Absolut bei 60 km/h und -2% Steigung PaG Segel (1.4 l/100km) 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Weg [m] Geschwindigkeit bei 60 km/h und -2% Steigung PI (16.67 m/s) PaG Segel (16.65 65 m/s) 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Weg [m] NOx bei 60 km/h und -2% Steigung PI (100 %) PaG Segel (238.03 %) 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Weg [m] 17
Detailauswertung (2/3) Verbrauch Absolut bei 120 km/h Absolutverbra auch [l] 0.2 120 km/h 015 0.15 0% Steigung 7.83 l/100km vs. 7.92 l/100km t [m/s] 0.1 0.05 1.1 % 34 Messtoleranz 32 v: +/- 0.45% Nox (ppm) um 119% erhöht NOx [Vol. ppm m] Geschwindigkeit 0 38 36 2000 1500 1000 500 Institute for Design and Control of Mechatronical Systems 0 PI (7.92 l/100km) PaG Segel (7.83 l/100km) 2000 2500 3000 3500 4000 Weg [m] Geschwindigkeit bei 120 km/h PI (33.33 m/s) PaG Segel (33.18 m/s) 2000 2500 3000 3500 4000 Weg [m] PI (100 %) PaG Segel (218.71 %) NOx bei 120 km/h 2000 2500 3000 3500 4000 Weg [m] Präsentation Bachelorarbeit 18
Detailauswertung (3/3) Turboladerverzug: 1.3 1.8 s Ideales Drehmoment bei 120 km/h: ca. 90% des Pulses bei 60 km/h: weniger als 25% des Pulses Drehmomentverlauf bei 120 km/h 300 200 100 0 300 Gaspedal [%] Drehmoment [Nm] 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 Zit[] Zeit [s] Drehmomentverlauf bei 60 km/h und -2% 200 100 0 Gaspedal [%] Drehmoment [Nm] 58.5 59 59.5 60 60.5 61 61.5 Zeit [s] 19
Variation der Pulsebreiten ittsverbrauc ch [l/100km] Durchschni 5.5 5.45 5.4 5.35 53 5.3 5.25 5.2 5.15 5.1 5.05 Variation der Pulsebreiten Stadt Variation der Pulsebreiten Überland 7 +/- 20% Pulsebreite +/- 30% Pulsebreite 6.9 +/- 40% Pulsebreite 6.8 +/- 50% Pulsebreite 6.7 ittsverbrauc ch [l/100km] Durchschni 66 6.6 6.5 6.4 6.3 6.2 6.1 +/- 30% Pulsebreite +/- 40% Pulsebreite +/- 50% Pulsebreite 5 1 Geschwindigkeit [km/h] 6 2 Geschwindigkeit [km/h] Institute for Design and Control of Mechatronical Systems Präsentation Bachelorarbeit 20
Zusammenfassung Pulse and Glide funktioniert gut in der Simulation Ideal im mittleren Geschwindigkeitsbereich Ideal bei wenig Last (Gefälle) Suboptimal bei hohen Geschindigkeiten und hoher Last Pulse and Glide ist am Prüfstand generell schlechter als in Simulation PI-Regler ist am Prüfstand besser bei konst. Geschwindigkeit Möglicher Grund: Reaktionszeiten Turbolader ACC: trotzdem noch 7-8 % Vorteil NOx Belastung steigt durch Lastwechsel Institute for Design and Control of Mechatronical Systems Präsentation Bachelorarbeit 21
Ausblick Mögliche weitere Aspekte: Implementierung einer Start-Stop Funktion fürs Segeln Zusammenschaltung von PI und PaG Implementierung eines PI-Reglers mit Segelfunktion evt. Vergleich mit MPC Regler in Simulation 22
Ende Fragen? 23
Ende Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 24