Auslegung, Betriebsstrategieentwicklung und Potenzialbewertung eines hybridisierten Nutzfahrzeugs mit aktivem Sattelauflieger
Mikula Thiem
Im Rahmen dieser Arbeit wird der Antriebsstrang eines hybridisierten Nutzfahrzeugs mit aktivem Auflieger dimensioniert, die zugehörige Hybrid-Betriebsstrategie entwickelt und das Fahrzeug hinsichtlich dessen Potenzial bezüglich Marktakzeptanz und Klimarelevanz untersucht.
Dazu wird an erster Stelle ein Überblick über die wirtschaftliche und klimatische Bedeutung des Güterverkehrs gegeben, mögliche Maßnahmen zur Reduktion der güterverkehrsbedingten CO2 Emissionen vorgestellt und daraus eine Motivation zur Entwicklung hybrider Antriebsstränge für schwere Nutzfahrzeuge abgeleitet.
Im zweiten Abschnitt werden grundlegende Randbedingungen des Betriebs schwerer Nutzfahrzeuge erörtert sowie repräsentative Nutzungsprofile von Sattelzügen vorgestellt. Anschließend werden die Grundlagen von Hybridantrieben behandelt und die entsprechenden Antriebsstrangkomponenten, Topologien, Hybrid-Funktionen und Betriebsstrategien erläutert. Zusätzlich wird der aktuelle Stand der Technik und Forschung bezüglich der Hybridisierung schwerer Nutzfahrzeuge analysiert. Abschließend wird die im Rahmen der Nutzfahrzeughybridisierung relevante Gesetzgebung betrachtet.
Basierend auf den ersten beiden Abschnitten wird die vorliegende Arbeit in den Gesamtkontext eingeordnet. Dabei wird zu Beginn die wissenschaftliche Fragestellung abgeleitet, das begleitende Forschungsprojekt vorgestellt sowie die verwendete Entwicklungsmethodik erläutert.
Im vierten Abschnitt erfolgt mit der Dimensionierung des elektrischen Trailer-Antriebsstrangs die Festlegung auf ein bestimmtes Hybrid-Konzept, die Auswahl der Bauart und Anzahl der Elektromotoren sowie die Bestimmung der elektrischen Leistung und der Kapazität der Traktionsbatterie in einer schnell rechnenden Rückwärtssimulationsumgebung.
Mit dem ausgewählten Antriebsstrang werden anschließend detaillierte Untersuchungen in einer 3D Gesamtfahrzeug-Vorwärtssimulation durchgeführt. Dazu werden zunächst Simulationsmodelle der relevanten Komponenten erstellt und parametriert, eine routenprädiktive Hybrid-Betriebsstrategie entwickelt und diese auf unterschiedlichen realitätsnahen, virtuellen Routen eingesetzt und überprüft. Zusätzlich werden am Engine-in-the-Loop Motorenprüfstand die Simulationsmodelle teilvalidiert sowie die Auswirkungen des Hybridsystems auf das Abgasverhalten des Verbrennungsmotors untersucht.
Anhand der Simulationsergebnisse wird abschließend eine Lebensdaueranalyse des Hybridfahrzeugs durchgeführt. Dazu wird an erster Stelle überprüft, ob die Batterielebensdauer die des Fahrzeugs übersteigt und anschließend eine Wirtschaftlichkeitsbewertung aus Endnutzersicht durchgeführt. Im letzten Schritt wird die Klimarelevanz des Systems betrachtet und analysiert, ob der Betrieb des Hybridfahrzeugs zu einer tatsächlichen Reduktion der güterverkehrsbedingten CO2 Emission beitragen kann. In allen Berechnungen wird dabei die gesamte Streubreite der heutigen sowie zukünftigen Randbedingungen berücksichtigt und entsprechende Abhängigkeiten erarbeitet.
