Entwicklung eines Optimierungsalgorithmus zur Effizienzsteigerung von mobilen Arbeitsmaschinen: Fid-Bau Portal

Entwicklung eines Optimierungsalgorithmus zur Effizienzsteigerung von mobilen Arbeitsmaschinen

Roggan, Robert / Steinert, Frank

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Minimierung des Kraftstoffverbrauchs eines Hydraulikbaggers für einen festen Arbeitszyklus. Dazu wurde für den Hydraulikbagger ein hydrostatischer Drehwerksantrieb mit Energiespeicher entworfen und modelliert. Ebenso wurde ein Modell des konventionellen Antriebs für einen späteren Vergleich angelegt. Anschließend wurde das Optimierungsverfahren der Dynamischen Programmierung auf das Modell des neu entworfenen Drehwerksantriebs angewendet und eine optimale Betriebsstrategie für den Betrieb des hybriden Antriebsstrangs berechnet, welche den Kraftstoffverbrauch für den gegebenen Arbeitszyklus minimiert. Durch verschiedene Tests konnte gezeigt werden, dass die Dynamische Programmierung in Zusammenarbeit mit dem angepassten Modell das erwartete Verhalten zeigt und eine optimale Betriebsstrategie bezüglich der Minimierung des Kraftstoffverbrauchs existiert. Im Vergleich zum konventionellen Drehwerksantrieb sinkt der Kraftstoffverbrauch mit optimaler Betriebsstrategie um ca. 27,4 %. Da der Anteil des Drehwerks am Leistungsbedarf des Hydraulikbaggers für den betrachteten Zyklus aber eher klein ist (2 %), hat diese Verbesserung nur geringe Auswirkungen auf den Gesamtverbrauch (0,73 %). Anhand weiterer aufgenommener Lastzyklen gilt es zukünftig zu untersuchen, ob sich diese Tatsache bestätigt. Der Fahrereinfluss kann, neben anderen Einflussgrößen, großen Anteil an diesem Ergebnis haben. Durch die Untersuchung der numerischen Sensitivität konnte gezeigt werden, dass die Diskretisierung der Parameter eine gewisse Feinheit nicht unterschreiten darf. Denn die Qualität der ermittelten Strategie nimmt wegen des sonst begrenzten Entscheidungsspielraums des Algorithmus ab. Dies kann im Extremfall zu einem höheren Verbrauch des hybriden Antriebs im Vergleich zum konventionellen Antrieb aufgrund von Fehlentscheidungen führen. Die Diskretisierung der Steuergröße hat dabei im betrachteten Fall einen größeren Anteil als die der Zustandsgröße und ist dementsprechend recht fein zu wählen, während die Aufteilung der Zustandsgröße grob erfolgen kann, um Rechenzeit zu sparen. Für eine Diskretisierung von 0,022 cm³ für das Verdrängungsvolumen der Pumpe liegt das Ergebnis nahe dem globalen Minimum für den Kraftstoffverbrauch für den analysierten Zyklus und das benutzte Antriebssystem.