Optimal control with Kane mechanics applied to a hybrid power split transmission [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Siegfried Hans Saenger Zetina

Description

Optimal Control with KaneMechanics Applied to a HybridPower Split TransmissionVon der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-WestfälischenTechnischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischenGrades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigteDissertationvorgelegt vonDiplom-IngenieurSiegfried Hans Saenger ZetinaausMexiko-Stadt, MexikoBerichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Abel Henning WallentowitzTag der mündlichen Prüfung: 10. März 2009Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek onlineverfügbar. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek – CIP-Einheitsaufnahme Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2009) Siegfried Hans Saenger Zetina Optimal Control with Kane Mechanics Applied to a Hybrid Power Split Transmission ISBN 13: 978-3-86844-213-7 © SV SierkeVerlag Am Steinsgraben 19 · 37085 Göttingen Tel. [phone] · Fax [phone] www.sierke-verlag.de Einbandgestaltung: Grafik Sierke Verlag Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar.

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• Publié le: 01 janvier 2009
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Extrait

Optimal Control with Kane
Mechanics Applied to a Hybrid
Power Split Transmission
Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen
Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen
Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte
Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Ingenieur
Siegfried Hans Saenger Zetina
aus
Mexiko-Stadt, Mexiko
Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Abel Henning Wallentowitz
Tag der mündlichen Prüfung: 10. März 2009
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online
verfügbar.










Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek – CIP-Einheitsaufnahme
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet
über <http://dnb.ddb.de> abrufbar




D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2009)




Siegfried Hans Saenger Zetina
Optimal Control with Kane Mechanics Applied
to a Hybrid Power Split Transmission

ISBN 13: 978-3-86844-213-7

© SV SierkeVerlag
Am Steinsgraben 19 · 37085 Göttingen
Tel. [phone] · Fax [phone]
www.sierke-verlag.de

Einbandgestaltung: Grafik Sierke Verlag


Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt.
Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist
ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere
für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung
und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

1. Auflage 2009 III
Vorwort / Preface /Prefacio
Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als Doktorand
und Funktionsentwickler bei der DaimlerChrysler AG in Stuttgart sowie im Hy-
brid Development Center der Daimler / Chrysler Corp unter fachlicher Betreu-
ung durch das Institut für Regelungstechnik der Rheinisch-Westfälischen Tech-
nischen Hochschule Aachen.
Enstehen konnte sie in erster Linie dank des Institutsleiters und Referenten,
Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Abel, der mir die Promotion am IRT ermöglich-
te und mich trotz räumlicher Trennung erfolgreich in das Institut integrierte.
Bei Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henning Wallentowitz bedanke ich mich für die
Übernahme des Korreferats sowie für die konstruktiven Hinweise und Anmer-
kungen zu dieser Arbeit. Darüber hinaus bedanke ich mich bei Univ.-Prof. Dr.-
Ing. Heinrich Rake und Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Gies für den Prüfungsvorsitz.
Herrn Dipl.-Ing. Konstantin Neiss, Herrn Prof. Dipl.-Ing. Karl Noreikat und Herrn
Dipl.-Ing. Frank Hepperle gilt mein Dank für die vertrauensvolle und außeror-
dentliche Förderung bei der Durchführung meiner Promotion bei der Daimler
AG.
Für die Durchsicht, die Kommentare und das aufmerksame Korrekturlesen der
Arbeit danke ich herzlichst Herrn Dipl.-Ing. Ralf Beck.
To my readers, I owe you my thanks: M.Sc. Jody Nelson, M.Sc. Cormac O. Mur-
phy and Mr. Tom Huhta.
Thank you to all my colleagues at the Hybrid Development Center for your
comments and help at the dynamometers, vehicle and HIL’s. Ebenso herz-
lichen Dank an meine Kollegen des Instituts für Regelungstechnik in Aachen,
die mich am Institutsleben haben teilhaben lassen: aus den Mai-Kolloquien am
Rursee sind gute und fruchtbare Diskussionen für diese Arbeit enstanden.
Stellvertretend für alle meine Diplomanden und Praktikanten möchte ich hier-
mit M.Sc. Cormac O. Murphy, Dipl.-Ing. Youlian Kirov, M.Sc. Tümhan Baysal,
Dipl.-Ing. Sebastian Höhlemann und M.Sc. Eric Guo-Chang Goh für ihre tatkräf-
tige Untertstützung danken.
A mi familia, a mi padre Ludwig que en paz descanse y mi hermano Gustav
por alentarme a seguir. Gracias a mi hermana Doris y a Sacha por la pensión,
imprimir la tesis y más en Aachen. Para mi madre Griselda mi enorme agrade-
cimiento por todo su amor, dedicación y ejemplo al dar todo por nosotros.
Pero en especial es para ustedes Andrea y Ben, que les debo todo este tiempo
de escritorio y agradezco su amor, apoyo incondicional y comprensión pues
ustedes son todo para mi.
Birmingham, Michigan, 10. Mai 2009 Siegfried H. Saenger ZetinaPara
Andrea, Ben, tí
y mi familiaContents V
Contents
Kurzfassung / Abstract IX
Zusammenfassung X
Kapitel 1 Einleitung . . ................................ X
Kapitel2HybridantriebXVIII
Kapitel 3 Modellbildung ............................... XXI
Kapitel 4 Kane-Mechanik für die modellbasierte Regelung . . . . ......XXII
Kapitel5AngewandteOptimaleRegelung....................XXV
Kapitel6Inbetriebnahme ..............................XXVII
Kapitel7ZusammenfassungundAusblickXXIX
1 Introduction 1
1.1Motivation........................................ 2
1.2 Main Contributions and Structure of Thesis . . ................. 3
2 Automatic Hybrid Powertrain 5
2.1HybridandTransmissioninGeneral........................ 5
2.1.1HybridDrivetrainTopologies........................ 5
2.1.2TransmissionTypes.............................. 7
2.1.3RealizedHEVConcepts............................ 10
2.2PowertrainControl .................................. 14
2.2.1PowerManagement 15
2.2.2 Clutching and Torque Strategy ....................... 16
2.3EvaluationCriteria................................... 18
2.3.1FuelEconomy 18
2.3.2AgilityandPerformance........................... 18
2.3.3ShiftQualityandMetrics 19
3 Hybrid Powertrain Modelling 23
3.1ModelingMethods .................................. 23
3.1.1MethodsforMultibodySystemDynamics................ 24
3.1.2Object-andSignal-OrientedModeling.................. 25
3.1.3Modelica/DymolaModel........................... 27
3.2Components ...................................... 29
3.2.1CombustionEngine.............................. 30VI Contents
3.2.2 Electric Machines and Battery . . ...................... 35
3.2.2.1 Electric Machine........................... 35
3.2.2.2Batery ................................ 38
3.2.3PlanetaryGearSetsandArangements.................. 42
3.2.3.1PlanetaryGearSet ......................... 42
3.2.3.2Arangements............................ 44
3.2.4HydraulicsandClutches 45
3.2.4.1Hydraulics.............................. 45
3.2.4.2WetClutch 47
3.2.5 Longitudinal Vehicle Dynamics . ...................... 52
3.3Example:Two-ModeHybrid............................. 55
3.3.1Modelica/DymolaTwo-ModeModel.................... 55
3.3.2ModalAnalysisandValidation. 57
4 Kane Mechanics for Model Based Control 61
4.1ReasonforKaneMechanics. 61
4.2KaneMechanics .................................... 63
4.2.1Kinematics................................... 63
4.2.2Kinetics..................................... 66
4.2.3EquationofMotion.............................. 69
4.3GeneralMechanicalMethodsComparison.................... 70
4.4 Modelling Mechanical Chains and Circuits 71
4.4.1ModellingApproach ............................. 71
4.4.2BriefLibraryofComponents........................ 72
4.5Controls’OrientedRepresentation......................... 75
4.6Examples......................................... 77
4.6.1SimplePendulumMethodComparison.................. 77
4.6.1.1NewtonMethod........................... 78
4.6.1.2KaneMethod 79
4.6.2ClassicAnalysisofaPlanetaryGearSet ................. 80
4.6.3KaneModellingofaSingleInputPowerSplit.............. 82
4.6.4KaneModelingofaCombinedPowerSplit. 85
4.7KalmanFilterasStateObserver 93
4.7.1 Example: Estimating Speed and Position . . . ..............101
4.7.2 E Load and Engine Torque103
4.7.3 Estimating Inertia, Spring and Damper Parameters ..........108Contents VII
5 Applied Optimal Control 110
5.1 Definition ........................................110
5.2LQR:LinearQuadraticRegulator..........................111
5.2.1 Time Variant Solution ............................113
5.2.2 Time Invariant . . . ........................114
5.2.3DisturbanceReduction115
5.3LQT:LinearQuadraticTracker...........................116
5.4DynamicCompensationandRobustness.....................119
5.4.1LQG:LinearQuadraticGaussian......................119
5.4.2 LTR: Loop Transfer Recovery121
5.4.3LQI:LinearQuadraticIntegrator122
5.5Example:SynchronisationandGearShift125
5.5.1 Algorithm Requirements . . . ........................125
5.5.2StateoftheArtApproachesandDifferences..............128
5.5.3NewApproachStructure...........................130
5.5.4OpenLoopControl..............................131
5.5.4.1Non-SlippingCase .........................132
5.5.4.2SlippingCase ............................132
5.5.5InputSpeedControlthroughPIwithPrefilter..............132
5.5.6InputSpeedControlthroughLQGI.....................134
5.5.7Simulation....................................138
5.5.7.1EngineStart.............................139
5.5.7.2 Synchronous Shifting Wide Open Throttle . . .........140
5.5.7.3 Partial Load Shifting Comparison ................