Optimization of power-split hybrid drives and of their operating strategy using dynamic programming

The aim of this work is the consumption-optimized synthesis of an electro-mechanical power-split hybrid drive for a reference vehicle for local rail passenger transport on a given track with a given speed profile. First, a method for the optimization of the operating strategy (energy management) is developed using dynamic programming. This methodology is then applied to several variations of the drivetrain (available operating modes, transmission ratios, drive power of electric machines) to deduce a drivetrain configuration along with an operating strategy for the reference application which exhibits a global minimum regarding the fuel consumption. Results show that the battery-electric and power-split modes are the most efficient operating modes and that the drive power of the electric machines has the most significant impact on fuel consumption. Overall, the findings indicate that a fuel saving of up to 37.5% compared to a conventional diesel-mechanical reference drive operated on the same reference route can be realized with the presented optimization approach. Ziel dieser Arbeit ist die verbrauchsoptimierte Synthese eines elektrisch-mechanisch leistungsverzweigten Hybridantriebs f & uuml;r ein Referenzfahrzeug des Schienenpersonennahverkehrs auf einer gegebenen Strecke mit einem gegebenen Geschwindigkeitsprofil. Zun & auml;chst wird eine Methodik zur Optimierung der Betriebsstrategie (Energiemanagement) des Antriebs mittels dynamischer Programmierung vorgestellt. Diese Methodik wird anschlie ss end auf verschiedene Varianten des Antriebsstrangs, unter Variation verf & uuml;gbarer Betriebsmodi, Getriebe & uuml;bersetzungen sowie der Antriebsleistung der elektrischen Maschinen, angewendet, um eine Antriebsstrangkonfiguration mit einer Betriebsstrategie f & uuml;r die Referenzanwendung abzuleiten, die ein globales Minimum an Kraftstoffverbrauch aufweisen. Die Ergebnisse zeigen, dass der batterieelektrische und der leistungsverzweigte Betrieb die effizientesten Betriebsmodi darstellen und dass die Antriebsleistung der elektrischen Maschinen den gr & ouml;ss ten Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch hat. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass mit dem vorgestellten Optimierungsansatz eine Kraftstoffeinsparung von bis zu 37,5 % gegen & uuml;ber einem konventionellen diesel-mechanischen Referenzantrieb auf der gleichen Referenzstrecke realisiert werden kann.