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Lösungsraumanalyse für Plug-In-Hybridfahrzeuge hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Bauraumkonzept

Ried, Michael

Ein verändertes Umfeld für individuelle Mobilität lässt neben Elektrofahrzeugen auch Plug-In-Hybridfahrzeuge (PHEVs) in den Fokus der Öffentlichkeit rücken. Für die Entwicklung solcher Fahrzeugkonzepte existiert ein technischer Lösungsraum, der sich in Maßkonzept, Topologie, Komponententyp und -auslegung gliedert. In einem strukturierten Vorgehen wird der große technische Lösungsraum mit geeigneten Prämissen eingegrenzt. Der Lösungsraum aus Energieinhalt des elektrochemischen Hochvolt-Speichers (HV-Speicher) und Leistung der elektrischen Maschine wird hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Bauraumkonzept analysiert. In der Wirtschaftlichkeitsanalyse von PHEVs aus Käufersicht werden die Mehrkosten in der Anschaffung den reduzierten Verbrauchskosten bei der Nutzung eines PHEVs im Vergleich zu einem rein verbrennungsmotorischen Fahrzeug gegenübergestellt. Die Reduzierung der Verbrauchskosten resultiert aus der Kraftstoffverbrauchseinsparung eines PHEVs, ermittelt mit dem neuen europäischen Fahrzyklus und mit monatelang aufgezeichneten Realfahrten verschiedener Fahrer. Die Wirtschaftlichkeitsanalyse zeigt, dass ein PHEV für Käufer ein attraktives Angebot darstellt, vor allem zukünftig sowie abhängig vom Fahr- und Nutzungsprofil. Außerdem wird der optimale Auslegungsbereich des elektrischen Systems eines PHEVs identifiziert. Für das Optimum darf der Energieinhalt des HV-Speichers nicht zu klein gewählt werden aufgrund eines hohen Grundbetrags an zusätzlichen Herstellkosten für Automobilhersteller, der im Rahmen von Mehrkosten an Käufer weitergegeben wird. HV-Speicher mit eher höherem Energieinhalt sind auch außerhalb des Optimums wegen der stärker steigenden Mehrkosten im Vergleich zum geringer zunehmenden Verbrauchsvorteil. Der Schwerpunkt der Bauraumkonzeptanalysen liegt auf der geometrischen Integration des HV-Speichers in das Gesamtfahrzeug. Dies stellt eine große Herausforderung dar aufgrund der geringen Energiedichte des HV-Speichers im Vergleich zu Benzin. Die Bauraumanalyse identifiziert bevorzugte Integrationsmöglichkeiten bei PHEVs im Tunnel- und Tankbereich sowie deren Kombination. Der in diesen Bauräumen mögliche Energieinhalt wird durch die HV-Speicheranalyse festgelegt. Der ermittelte optimale Auslegungsbereich im Lösungsraum des elektrischen Systems hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit aus Käufersicht wird unter geometrischen Randbedingungen aus der Bauraumkonzeptanalyse weiter eingegrenzt. Der Kern des ganzheitlichen Ansatzes sind entwickelte parametrische Modelle für die Anwendung in der frühen Entwicklungsphase auf Komponenten- und Gesamtfahrzeugebene in MATLAB, MS Excel und CATIA V5. Neben den Ergebnissen für das Jahr 2011/12 zeigen Prognosen die Entwicklungen bis in die Jahre 2020 und 2025. Sensitivitätsanalysen zeigen die Auswirkungen von Variation der Parameter und Prämissen. Der interdisziplinäre Ansatz mit der erstmaligen Kombination von Kosten, Verbrauch und Bauraumkonzept eines PHEVs zur optimalen Auslegung des elektrischen Systems stellt den wissenschaftlichen Beitrag dar.

Plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) are shifted into the focus of the general public alongside battery electric vehicles because of the changing environment for individual mobility. There is a wide technical solution scope for the vehicle concept characteristics that consists of main vehicle dimensions, drive train and energy storage architectures, component technology as well as dimensioning. In a systematic design approach, the technical solution scope for PHEVs is defined based on suitable assumptions and is then analysed for the energy capacity in the high-voltage accumulator (HV-accumulator) and the peak power output of the electrical motor. The analysis of the economic efficiency of PHEVs for customers contrasts the additional acquisition costs with the reduced costs for consumption of a PHEV in relation to a comparable internal combustion engine vehicle. The savings of the costs for consumption results from reduced fuel consumption. The basis of the analysis is the New European Driving Cycle and real-life driving profiles, measured over several months. The analysis of the economic efficiency shows that a PHEV is an attractive offer for customers, dependent on the driving and usage behaviour. Furthermore, an optimal dimensioning of the electrical system is identified for the HV-accumulator. A too small HV-accumulator is not beneficial due to a high basic amount of additional manufacturing costs for the car manufacturer, which is passed as additional acquisition costs to the customer. The same holds true for a HV-accumulator that is too large due to the relatively slow rise in benefits of fuel consumption compared with the increase in acquisition costs. In the geometrical analysis the installation of the HV-accumulator in the total vehicle is the major challenge because of the small energy density compared to fuel. The analysis of the constructed spaces in a vehicle identifies PHEVs preferred installation spaces for the HV-accumulator in the tunnel and tank area as well as the combination of both. The following analysis of the HV-accumulator estimates the possible energy content in the specific installation space. The identified optimal configuration range of the electrical system regarding economic efficiency of PHEVs for customers is additionally limited due to geometrical boundary conditions as a result of the geometrical analysis. The basis of the holistic approach are developed parametric models for the analysis in the early stage of vehicle development on component and total vehicle level in MATLAB, MS Excel and CATIA V5. Additionally to the results for 2011/12, forecasts for 2020 and 2025 are presented. Effects of varying assumptions and the characteristics of the electrical system are investigated via sensitivity analysis. The interdisciplinary approach combining costs, consumption and geometrical design for the first time and therefore determining an optimal dimensioning of the electrical system in PHEVs represents the scientific contribution.

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Ried, Michael: Lösungsraumanalyse für Plug-In-Hybridfahrzeuge hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Bauraumkonzept. 2014.

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