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
