Dissertation

Konzeption und Auslegung batterieelektrischer Nutzfahrzeugantriebe

Autor*in:

Frederic Schuh

Seitenzahl:

259

DOI:

10.18154/RWTH-2022-05874

ISBN:

978-3-946019-44-2

Keywords:

Alterungsmodellierung, Bewertungsverfahren, Gesamtfahrzeugmodellierung, Gesamtfahrzeugsimulation, Konzeption und Auslegung Antrieb, Lebensdauersimulation, Optimierungsverfahren

Jahr:

2022

Sprache:

Deutsch

Format:

digital

Der Nutzfahrzeugbereich befindet sich im Wandel. Es ist absehbar, dass emissionsfreie Antriebe den Dieselantrieb als dominierende Antriebstechnologie ablösen werden, um unter anderem die Kohlendioxid-Emissionen im Verkehrssektor zu reduzieren. Studien prognostizieren, dass den batterieelektrischen Fahrzeugen bei diesem Wandel eine zentrale Rolle zukommen wird. Für deren Markterfolg wird eine wirtschaftliche und langlebige Konzeption des Antriebs von zentraler Bedeutung sein. Aufgrund der Vielfältigkeit an Nutzfahrzeuganwendungen mit teilweise stark variierenden Anforderungen stehen die Hersteller vor einer komplexen Herausforderung. Um dieser zu begegnen, wird in der vorliegenden Arbeit ein Verfahren entwickelt, welches anwendungsspezifisch optimale batterieelektrische Nutzfahrzeugantriebe unter Berücksichtigung von Lebenszykluskosten und Komponentenalterung bestimmt.

Das in MATLAB-Simulink entwickelte Simulationsverfahren integriert Komponenten variierenden Typs und variabler Auslegung in eine vorgegebene Fahrzeugarchitektur, um ein breites Spektrum unterschiedlicher batterieelektrischer Nutzfahrzeugkonzeptvarianten zu erzeugen. Im Rahmen einer Gesamtfahrzeugsimulation werden für die erstellten Varianten der Energiehaushalt und die Energieflüsse sowie deren Wechselwirkungen mit Komponentendegradationsmechanismen für vorgegebene, dynamische Anwendungsprofile analysiert. Es schließt sich eine objektive Bewertung der Varianten an, die sowohl die Lebenszykluskosten als auch technische Bewertungskriterien einbezieht. Mithilfe einer in zwei Phasen unterteilten, stochastischen Optimierungsmethodik wird daraufhin iterativ eine zielgerichtete Verbesserung der Varianten vorgenommen. Die Validierung des Verfahrens erfolgt anhand eines Praxisbeispiels.

Mithilfe des Verfahrens wird für eine vorgegebene Nutzfahrzeuganwendung nachgewiesen, dass das Berücksichtigen bzw. Vernachlässigen von Degradationsmechanismen einen signifikanten Einfluss auf den optimalen batterieelektrischen Nutzfahrzeugantrieb hat. So führt die Vernachlässigung von Komponentenalterung dazu, dass die anwendungsspezifischen Anforderungen auch dann erfüllt werden können, wenn sowohl der Nennenergieinhalt der Traktionsbatterie als auch die Leistungen der zur Temperierung der Traktionsbatterie eingesetzten Komponenten um 16 % kleiner ausgelegt sind. Daraus resultiert eine Reduzierung der Gesamtkosten um 11,7 %. Ferner wird gezeigt, dass sich auch das Berücksichtigen und Vernachlässigen einzelner Lebenszykluskostenanteile erheblich auf die optimale Konzeptlösung auswirken. Während das aus Kundenperspektive optimale Konzept mit minimalen Betriebskosten über zwei elektrische Antriebsachsen verfügt, beschränkt sich das aus Herstellerperspektive optimale Konzept für diese Anwendung auf eine Antriebsachse. Letzteres ist zudem mit einer rund 30 % größeren Traktionsbatterie, einer möglichst klein dimensionierten Kühlung des Antriebs sowie möglichst dünnen elektrischen Leitungen ausgerüstet.