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Ein methodischer Ansatz zur nutzerspezifischen Bewertung von (teil-)elektrischen Fahrzeugkonzepten

Koppers, Martin

Zahlreiche Randbedingungen, darunter nicht zuletzt klimatische Aspekte und gesellschaftliche Diskussionen, führen bei aktuellen und künftigen Kraftfahrzeugen zu einer weiteren Steigerung der Anforderungen hinsichtlich Energieeffizienz, Treibhausgasemission und Wirtschaftlichkeit. Insbesondere die Verdichtung des Verkehrs in Ballungszentren sowie die hohe Treibhausgas- und Schadstoffemission des Verkehrssektors sind neben der zu erwartenden Verteuerung des erdölbasierten Kraftstoffs maßgebliche Treiber dieser Forderungen. Durch die Serienreife der Lithium-Ionen-Batterietechnik wurden in den vergangenen Jahren insbesondere batterieelektrische Fahrzeuge und Hybridfahrzeuge als Alternative zu konventionell angetriebenen Fahrzeugen entwickelt. Die im Alltagsbetrieb erzielbare Effizienzsteigerung und der resultierende Treibhausgasausstoß sind jedoch vom technischen Aufbau des Fahrzeugs, dem jeweiligen Nutzungsprofil und den Randbedingungen, wie z.B. dem genutzten Strommix der Energieversorgung sowie der verfügbaren Ladeinfrastruktur, abhängig. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, welches eine nutzerspezifische Bewertung elektrischer und teilelektrischer Fahrzeugantriebe erlaubt. Dazu wird ein Simulationsmodell eines batterieelektrischen Antriebs sowie eines seriellen und eines leistungsverzweigten Hybridantriebs erstellt. Als Referenz dient zudem ein Modell eines konventionellen Antriebssystems mit Verbrennungsmotor. Die Modelltiefe erlaubt in diesem Zusammenhang die Abbildung technischer Systeme zur Effizienzsteigerung bei elektrischen Antrieben (z.B. Rekuperationsverhalten) und des konventionellen Referenzfahrzeugs (Schubabschaltung, Stopp-Start-System, etc.). Anhand zweier beispielhaft ausgewählter Nutzer, deren Fahrdaten im Alltagsbetrieb aufgezeichnet wurden, werden mittels der Modelle einzelne Einflussfaktoren und deren Auswirkung auf den Energiebedarf eines Pkw untersucht. Hierbei werden u.a. die Umgebungstemperatur und das hinterlegte Höhenprofil berücksichtigt. In einer Simulationsstudie werden die jeweiligen Antriebssysteme in ein generisches Fahrzeug der Kompaktwagenklasse integriert und die einzelnen Antriebsstrangkomponenten zur Darstellung der Vergleichbarkeit skaliert. Unter verschiedenen Randbedingungen, welche die Variation der Batteriegröße der Hybridfahrzeuge sowie unterschiedliche Ladeszenarien berücksichtigen, werden die aufgezeichneten Fahrdatensätze hinsichtlich des Energiebedarfs ausgewertet. Hieraus werden zudem die resultierende Treibhausgasemission und die Energiekosten abgeleitet. Des Weiteren wird angenommen, dass die mit dem Batteriefahrzeug aufgrund einer entladenen Batterie nicht absolvierbaren Strecken mit einem Leihfahrzeug (Carsharing mit entsprechender Kostenstruktur) zurückgelegt werden müssen. Unter Berücksichtigung der notwendigen Investitionskosten kann ergänzend der Kapitalwert der einzelnen Fahrzeugkonzepte ermittelt werden. Anhand dieser Bewertungskriterien werden die Simulationsergebnisse abschließend diskutiert. Im Ergebnis zeigen sowohl die Wirtschaftlichkeit als auch die erzielbare Einsparung an Treibhausgasen eine deutliche Abhängigkeit vom Nutzerprofil. Das serielle Hybridfahrzeug weist im Fahrtkollektiv eines Nutzers zudem eine gegenüber dem konventionellen Referenzfahrzeug insgesamt höhere Treibhausgasemission auf. Dies ist insbesondere auf die aus den Fahranforderungen und der nutzbaren Ladeinfrastruktur resultierenden elektrischen Fahrtanteile in Kombination mit dem technischen Aufbau des Fahrzeugantriebs zurückzuführen.

The requirements on today's and future motor vehicles will continuously increase driven by numerous boundary conditions like climatically issues and societal discussions. Amongst others the vehicle development will focus on the energy efficiency, the greenhouse gas emission and the economics of the mobility. Particularly the increasing traffic density especially in metropolitan areas, the vehicles' high emission of greenhouse gases and pollutants as well as the expectable increase in price of the fossil fuels will be the major effects for the changing requirements. The state of the art lithium ion battery technology has enabled the widely use of battery electric and hybrid electric vehicles as an alternative to conventional vehicles purely driven by internal combustion engines. However, the use of those vehicles in everyday life and the achievable efficiency as well as the resulting greenhouse gas emission are related to the technical structure of the powertrain, the driving profile and certain boundary conditions like the energy mix or the available charging infrastructure. In this thesis a method for an user specific evaluation of various powertrain structures is introduced. For that purpose, a simulation model for a battery electric powertrain, a series and a powersplit hybrid electric powertrain has been developed. A conventional, internal combustion engine driven vehicle is used as reference for the evaluation. The created model allows the simulation of technical systems and functions to increase the energy efficiency on electric vehicles (e.g. recuperation of braking energy) and conventional vehicles (i.e. fuel cut-off, Stop-Start-System, etc.). Based on two exemplified users, whose driving data has been logged in everyday life, initially basic influences affecting the energy consumption of the different types of powertrain have been analysed. Amongst others the ambient temperature as well as the height profile of the real-world drives will be considered. Furthermore, based on a compact class passenger car including the above-mentioned powertrains the effect of certain boundary conditions, i.e. varying energy content of the battery in the hybrid vehicles and different scenarios for the usage of charging infrastructure, on the energy consumption and resulting from this on the greenhouse gas emission and energy costs will be investigated in a simulation study. Since the battery electric vehicle is not capable to cover all drives done in the driving dataset (because of too extensive drives or no option to recharge the battery before starting the drive) the non-completed electric drives have to be passed by using a carsharing vehicle with another cost model. Considering the investment costs, the capital value of all different powertrain concepts will be calculated and used beside the other criteria for the user specific evaluation. As a result, both economic and resulting greenhouse gas emission are highly related to the driving profile. In individual cases the series hybrid electric vehicle could have a higher greenhouse gas emission than the conventional reference vehicle. Particularly this is related to the pure electrically covered driving distance affected by the drive dynamics as well as the availability of the charging infrastructure combined with the technical conditions of the powertrain.

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Koppers, Martin: Ein methodischer Ansatz zur nutzerspezifischen Bewertung von (teil-)elektrischen Fahrzeugkonzepten. 2019.

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