Samstag, 9. Januar 2016

[ #technik ] Elektrofahrzeuge: Neudefinition "Fahrzeug" und domänenübergreifende Optimierung

Elektrofahrzeuge besitzen aktuell aufgrund des geringen Energieinhalts der Hochvolt-Traktionsbatterie eine beschränkte Reichweite. Vor diesem Hintergrund kann beim alltäglichen Fahrzeugeinsatz ein vielschichtiger Zielkonflikt aus Reichweiten-, Dynamik- und Komfortansprüchen entstehen.

Veränderungsdruck. Die Fahrzeugtechnik ist großen Veränderungen unterworfen. Klimawandel, die Verknappung einiger für Fahrzeugbau und -betrieb benötigter Rohstoffe, globaler Wettbewerb, gesellschaftlicher Wandel und das rapide Wachstum großer Städte erfordern neue Mobilitätslösungen, die vielfach eine Neudefinition des Fahrzeugs erforderlich machen.

Systemverständnis. Die Forderungen nach Steigerung der Energieeffizienz, Emissionsreduktion, erhöhter Fahr- und Arbeitssicherheit, Benutzerfreundlichkeit und angemessenen Kosten finden ihre Antworten nicht aus der singulären Verbesserung einzelner technischer Elemente, sondern benötigen Systemverständnis und eine domänenübergreifende Optimierung der Lösungen.

Open Access. Die vorliegende Arbeit (Dissertation) von Alexander Basler, erschienen als Open Access bei KIT Scientific Publishing in der Reihe "Karlsruher Schriftenreihe Fahrzeugsystemtechnik", entwickelt hierzu einen ganzheitlichen Systemansatz zur Auswahl effizienter Topologien sowie zur Umsetzung und Applikation von reichweitensteigernden Funktionen (für Zitate bitte die folgende URL verwenden: http://dx.doi.org/10.5445/KSP/1000048340).

KIT Scientific Publishing. KIT steht dabei für das Karlsruher Institut für Technologie. Das Buch ist dort erschienen. KIT Scientific Publishing - ehemals Universitätsverlag Karlsruhe -  bietet eine zeitgemäße Plattform für die Veröffentlichung von KIT-eigenen Schriften. Der Schwerpunkt liegt zeitgemäß auf dem elektronischen Publizieren. Für die Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ergeben sich damit Publikationsalternativen im Bereich von Open Access. Dahinter steht die Idee, dass der Zugang zur wissenschaftlichen Information jederzeit weltweit und von jedem Ort sicher gestellt sein soll. Forschungsergebnisse des KIT werden so schnell im Internet bereitgestellt und verbreitet. KIT Scientific Publishing ist Mitglied der Arbeitsgemeinschaft der Universitätsverlage und der Association of European University Presses (AEUP).


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Symbolverzeichnis  xiii
1. Einleitung   1
1.1. Elektromobilität - Neue Chancen und Herausforderungen  1
1.2. Zielsetzung und Aufbau der Arbeit 2
2. Stand der Wissenschaft und Forschung 5
2.1. Elektrisches Antriebssystem  5
2.1.1. Traktionsbatterie als Energiespeicher im Fahrzeug  6
2.1.2. Elektrische Maschinen  7
2.1.3. Mechanische Komponenten des Antriebsstrangs  15
2.2. Nebenaggregate 17
2.2.1. Klimatisierung des Innenraums 17
2.2.2. Weitere Nebenaggregate 24
2.3. Elektronik im Kraftfahrzeug  25
2.3.1. Fahrerassistenzsysteme  25
2.3.2. Kommunikation und Vernetzung der Funktionen  27
2.3.3. Sensorik 27
2.4. Methodiken zur Entwicklung mechatronischer Systeme  28
2.5. Betriebsstrategie und Energiemanagement   30
2.5.1. Betriebsstrategien für Antriebssysteme   31
2.5.2. Elektrisches Energiemanagement   32
2.6. Einordnung der Arbeit 33
3. Bewertung funktionaler Konzepte
durch energetische Analysen bei Elektrofahrzeugen  35
3.1. Anforderungsgerechte Gestaltung des Antriebskonzepts  35
3.1.1. Fahrzeugsegmentabhängige Zielgrößen   36
3.1.2. Auswahl der elektrischen Antriebsmaschine unter
Berücksichtigung der gewichteten Zielgrößen  40
3.1.3. Antriebstopologien unter Berücksichtigung
der gewichteten Zielgrößen 42
3.1.4. Diskussion relevanter Antriebstopologien
hinsichtlich des Energieverbrauchs   44
3.1.5. Simulative Evaluierung des Verbrauchseinflusses
der Antriebstopologie  47
3.2. Energieflussanalyse 54
3.2.1. Energieflüsse des Antriebssystems   54
3.2.2. Funktionen zur Energieverbrauchsreduzierung
des Antriebssystems  55
3.2.3. Energieflüsse im Gesamtfahrzeugkontext in
Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen  59
3.3. Schlussfolgerungen der Energieflussanalysen   63
4. Funktionsarchitektur zur Umsetzung einer
Betriebsstrategie aus Gesamtfahrzeugsicht   67
4.1. Anforderungen an die Betriebsstrategie
für Elektrofahrzeuge 68
4.2. Aufbau und Aufgabenverteilung der
modularen Funktionsarchitektur  70
4.3. Energiemanagementansätze zur Betriebsstrategievorgabe 71
4.3.1. Leistungsorientiertes Energiemanagement  72
4.3.2. Agentenorientiertes Energiemanagement   72
4.3.3. Ökonomische Modelle für ein Energiemanagement 73
4.3.4. Auktionsorientiertes Energiemanagement   74
4.4. Klassifizierung und Auswahl  75
4.4.1. Klassifizierung der Energiemanagement-Ansätze  75
4.4.2. Evaluierung und Auswahl
der Energiemanagement-Ansätze   76
4.5. Modularisierung der Funktionsarchitektur   78
5. Umsetzung der Funktionalitäten
innerhalb der Funktionsarchitektur 81
5.1. Funktionen des Energiemanagements 81
5.1.1. Betriebsstrategie ohne Zielführung   85
5.1.2. Betriebsstrategie in Zielführung 87
5.1.3. Funktion zur Reduzierung der Batterieverluste  89
5.2. Funktionen des Antriebsmanagements 90
5.2.1. Fahrstrategie 91
5.2.2. Betriebsmodusabhängige Drehmomentenvorgabe  92
5.2.3. Drehmomentenkoordination und -steuerung  95
5.3. Funktionen der Reichweitenermittlung 98
5.3.1. Berechnung der Reichweite 99
5.3.2. Prädiktion der Antriebsleistung 101
5.3.3. Prädiktion der Klimatisierungsleistungen   104
6. Virtuelle Gesamtfahrzeugumgebung   105
6.1. Gesamtfahrzeugmodell 106
6.1.1. Antriebssystem 106
6.1.2. Innenraum und Klimatisierung 107
6.1.3. Niedervolt-Bordnetz  112
6.2. Ableitung eines Referenzfahrzeugs 114
6.2.1. Dimensionierung und Ausführung
des Antriebssystems  114
6.2.2. Dimensionierung des Klimasystems   115
6.3. Modellvalidierung 116
6.3.1. Modellvalidierung des Antriebsstrangmodells  117
6.3.2. Modellvalidierung des Innenraummodells   119
6.4. Virtuelle Software-in-the-Loop-Testumgebung   120
6.5. Fahrzyklen  121
7. Simulationsgestützte Betriebsstrategieoptimierung 125
7.1. Methode zur Betriebsstrategieoptimierung   125
7.2. Anwendung der Methode  127
7.2.1. Objektivierung der Qualitätsmerkmale   127
7.2.2. Einflussparameter  131
7.2.3. Statistische Versuchsplanung 134
7.2.4. Regressionsanalysen zur mathematischen
Beschreibung der Zielgrößen 135
7.2.5. Definition der Zielfunktion 146
7.3. Ergebnisse der Optimierung zur Entschärfung
des Zielkonflikts 148
8. Validierung und Bewertung
der Betriebsstrategie-Maßnahmen 151
8.1. Degradierung des Antriebssystems 151
8.1.1. Begrenzung von Drehmoment und Leistung  151
8.1.2. Begrenzung der Maximalgeschwindigkeit   153
8.2. Degradierung des Klimatisierungssystems   154
8.2.1. Lineare Gewichtung der Zielgrößen   155
8.2.2. Sensitivitätsanalyse durch unterschiedliche
Gewichtung der Zielgrößen 159
8.2.3. Untersuchungen zur Vorkonditionierung
des Innenraums 161
8.3. Reduzierung der Batterieverluste 165
8.4. Verlustleistungsminimierte Allradverteilung   168
8.5. Prädiktive Betriebsstrategie durch Nutzung von
Strecken- und Umgebungsdaten 172
8.6. Zusammenfassung und Fazit der Betriebsstrategie  175
9. Diskussion und Ausblick  179
A. Energieflussanalysen  183
B. Evaluierung der Energiemanagement-Ansätze  185
C. Bordnetz-Messungen und Fahrzyklen   187
D. Signifikanzprüfung  189
E. Lastpunktverteilung in Abhängigkeit der Betriebsstrategie 191
F. Abkürzungsverzeichnis  193
G. Literaturverzeichnis  195

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