Dissertation

Ganzheitliche Auslegung elektrischer Antriebsmodule mittels integrierter Komponentenauslegung

Autor*in:

Daniel Kieninger

Seitenzahl:

171

DOI:

10.18154/RWTH-2022-07714

Jahr:

2022

Sprache:

Deutsch

Format:

digital

Eine stark steigende Anzahl an Elektrofahrzeugen zur Reduzierung der Treibhausgasemission wird politisch angestrebt und eine wesentliche Marktdurchdringung elektrischer Antriebe steht bevor. Hierbei bestehen aktuell noch Mehrkosten gegenüber konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, wobei das Batteriesystem einen wesentlichen Anteil ausmacht. Die geforderte Reichweite und die Effizienz des Antriebssystems bestimmen maßgeblich die notwendige Speichergröße und damit die Systemkosten. Eine systemoptimierte Auslegung des Antriebsmoduls im Zielkonflikt zwischen Kosten und Effizienz kann hierbei zur Gesamtkostenminimierung beitragen.

In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode zur ganzheitlichen Auslegung elektrischer Antriebsmodule mittels einer integrierten Komponentenauslegung erforscht und am Anwendungsfall einer Konzeptanalyse zur Ermittlung der systemoptimalen maximalen Maschinendrehzahl des Antriebsmoduls eines batterieelektrischen Mittelklassefahrzeugs angewendet.

Auf Basis der im Stand der Technik (Kapitel 2) beschriebenen Auslegungsmethoden und Systemwechselwirkungen wird in Kapitel 3 der Bedarf nach einer ganzheitlichen Konzeptauslegung aufgezeigt und der Lösungsansatz abgeleitet, eine automatisierte Komponentenauslegung in den Konzeptfindungs- und Bewertungsprozess auf Systemebene zu integrieren. Dies ermöglicht es, bei hoher Detaillierung der Komponentenmodelle, dennoch vielfältige Konzeptvarianten zu betrachten und auf Fahrzeugebene bezüglich der Systemeigenschaften zu optimieren.

In Kapitel 4 erfolgt die Umsetzung der Methode. Diese beinhaltet die Ausarbeitung der Prozesse zur Auslegung, Berechnung und Konzeptsuche für die Fahrzeug- und Komponentenebene. Mittels der in Kapitel 5 vorgestellten Ergebnisse werden die Einflüsse der maximalen Maschinendrehzahl auf die Modul- und Gesamtsystemkosten analysiert und die systemoptimale Auslegung ermittelt. Anschließend wird die angewendete Methode in Kapitel 6 diskutiert und bewertet. Diese wird als anspruchsvoll in der Auswahl der Berechnungsprozesse angesehen aber hat ihre Eignung für eine fundierte Konzeptbewertung und -auswahl bewiesen. Die Fähigkeit, eine systemoptimierte Auslegung im Zielkonflikt zwischen Kosten und Effizienz zu ermöglichen und hierdurch zur Gesamtkostenminimierung beizutragen, wird erfüllt. Die Weiterentwicklung der Methode kann sowohl bezüglich der technischen Detaillierung, alternativer Fragestellungen der Antriebskonzeptauslegung, als auch auf eine übergeordnete Flotten- oder Lebenszyklusanalyse fortgeführt werden.