Analyse der Realnutzung von Elektrofahrzeugen in kommerziellen Flotten zur Definition einer bedarfsgerechten Fahrzeugauslegung

Auf Basis einer Naturalistic Driving Studie mit Elektrofahrzeugen in kommerzieller Nutzung wird eine detaillierte Analyse der Mobilität vorgenommen und daraus eine empirisch begründete bedarfsgerechte Fahrzeugauslegung abgeleitet, die sich auf den Kern der Nutzeranforderungen konzentriert und statistische Ausreißer zu Gunsten einer sparsameren Auslegung ausschließt. Weiterhin werden Realfahrzyklen für Elektrofahrzeuge erarbeitet und das Marktpotential dieser Fahrzeugspezifikation abgeschätzt

Eine modulare Funktionsarchitektur zur Umsetzung einer gesamtheitlichen Betriebsstrategie für Elektrofahrzeuge

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. Die vorliegende Arbeit entwickelt hierzu einen ganzheitlichen Systemansatz zur Auswahl effizienter Topologien sowie zur Umsetzung und Applikation von reichweitensteigernden Funktionen

Methodik zur Konzeption und Auslegung von Radbremsen für PKW mit elektrischem Antriebsstrang

In der vorliegenden Arbeit werden Methoden zur Konzeption und Auslegung von Radbremsen für PKW mit elektrischem Antriebsstrang entwickelt. Durch die Rückgewinnung kinetischer Energie beim Bremsvorgang (Rekuperation) wird die Radbremse thermisch entlastet. Bei der Quantifizierung der thermischen Beanspruchung werden sowohl leistungsorientierte Tests als auch die alpine Passabfahrt und kundennahe Fahr- und Verbrauchszyklen berücksichtigt. Das Verschleißverhalten der Radbremsen wird am Schwungmassenprüfstand und durch eine Feldstudie untersucht. Mit Blick auf die steigenden Vorgaben an die Reduktion des CO2-Ausstoßes und der Feinstaubemissionen ergeben sich neue Sichtweisen bezüglich der Dimensionierung in Richtung Leichtbau durch Downsizing und neuer Auslegungszyklen, nachdem das Kundennutzungsverhalten an den aktuellen Standards der Bremsenentwicklung gespiegelt wurde. Die Entwicklungstrends auf dem Gebiet des elektrischen Antriebsstrangs, die Wirtschaftlichkeit, die gesetzlichen Rahmenbedingungen und die Anforderungen der Märkte werden dabei berücksichtigt.In view of the efforts to increase the electrification of the powertrain, ever stricter legal requirements regarding, for instance, fine dust emissions, and the increasing relief of drivers offered by enhanced intelligent assistance systems and autonomous driving, the automotive industry and their suppliers are facing new challenges. This thesis develops methodical approaches for the conceptual design and dimensioning of wheel brakes for vehicles using an electric powertrain. By recovering kinetic energy during a braking process (recuperation) the thermal load on the wheel brakes is reduced. At present, however, no automotive series applications operating completely without any conventional friction brakes are known. After defining the scope of research, recommendations on the design of wheel brakes will be derived, based on the systematical evaluation of the recuperation effects on the thermal load of the wheel brakes and the quantification of the wear behavior. For quantifying the thermal load, performance tests as well as alpine downhill drives and the customer oriented driving cycles, including consumption driving cycles, were taken into account. The wear behavior of the wheel brakes was investigated by means of an inertia dynometer and a field study. After comparing customer usage behavior with the current standards of brake development new perspectives for lightweight construction - meaning downsizing - and for new driving cycles arose in view of the increasing requirements for reducing CO2 and fine dust emissions. Development trends in the field of electric powertrains, profitability, legal framework conditions and market requirements were all integrated into the methodology. As a result of the detailed considerations a contribution for an energy-efficient design of a vehicle with an electric powertrain is made and, using the wheel brake as an example, a starting point for avoiding oversizing is presented.Angesichts der steigenden Elektrifizierung des Antriebsstrangs, schärferen gesetzlichen Anforderungen, beispielsweise hinsichtlich Feinstaubemissionen, sowie der stärkeren Entlastung des Fahrers durch weiterentwickelte, intelligente Assistenzsysteme und automatisiertes Fahren, steht die Automobil- und Zuliefererindustrie vor neuen Herausforderungen. In der vorliegenden Arbeit werden Methoden zur Konzeption und Auslegung von Radbremsen für PKW mit elektrischem Antriebsstrang entwickelt. Durch die Rückgewinnung kinetischer Energie beim Bremsvorgang (Rekuperation) wird die Radbremse thermisch entlastet. Jedoch sind derzeit keine automobilen Serienanwendungen bekannt, bei denen komplett auf die konventionelle Reibbremse verzichtet werden kann. Nach der Definition des Forschungsbedarfs werden, basierend auf der systematischen Evaluierung der Rückwirkungen der Rekuperation auf die thermische Belastung der Radbremsen und der Quantifizierung des Verschleißverhaltens, Empfehlungen zur konstruktiven Ausführung der Radbremsen abgeleitet. Bei der Quantifizierung der thermischen Beanspruchung werden sowohl leistungsorientierte Tests als auch die alpine Passabfahrt und kundennahe Fahr- und Verbrauchszyklen berücksichtigt. Das Verschleißverhalten der Radbremsen wird am Schwungmassenprüfstand und durch eine Feldstudie untersucht. Mit Blick auf die steigenden Vorgaben an die Reduktion des CO2-Ausstoßes und der Feinstaubemissionen ergeben sich neue Sichtweisen bezüglich der Dimensionierung in Richtung Leichtbau durch Downsizing und neuer Auslegungszyklen, nachdem das Kundennutzungsverhalten an den aktuellen Standards der Bremsenentwicklung gespiegelt wurde. Die Entwicklungstrends auf dem Gebiet des elektrischen Antriebsstrangs, die Wirtschaftlichkeit, die gesetzlichen Rahmenbedingungen und die Anforderungen der Märkte werden in die Methodik integriert. Durch die detaillierten Betrachtungen wird ein Beitrag zur energieeffizienten Auslegung eines PKW mit elektrischem Antriebsstrang geleistet und ein Ansatzpunkt zur Vermeidung von Überdimensionierungen am Beispiel der Radbremse aufgezeigt

Synchronous Machine with Embedded Magnets and Novel Variable Excitation for Hybrid Electric Drives

Die Verknappung von Rohstoffressourcen und ein steigendes Umweltbewusstsein vergrößern den Anreiz für Hersteller von Fahrzeugen und elektrischen Maschinen deren Effizienz zu verbessern und neue Antriebssysteme zu entwickeln. Als neue elektrische Antriebskomponente eines Hybrid-Stadtbusses wird in dieser Dissertation eine Maschine mit eingebetteten Magneten und neuartigem Feldschwächverfahren vorgestellt. Es erfolgt zunächst eine Strukturierung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen als auch eine Betrachtung von Energieeinsparpotenzialen im Fahrzeugbetrieb. Nachfolgend werden Strategien sowie Verschaltung und Parametrisierung der Komponenten einer Gesamtfahrzeugsimulation dargestellt. Motiviert durch die Ergebnisse dieser Simulation ist das Ziel die Auslegung der neuen Synchronmaschine anstelle der bisher eingesetzten Asynchronmaschine. Diese Schenkelpolmaschine mit variabler Permanentmagneterregung weist besondere Eigenschaften hinsichtlich der Leistungsfähigkeit, des Wirkungsgrads und der Schleppverluste auf. Nach der Vorstellung eingesetzter Berechnungsverfahren erfolgt eine umfangreiche Klassifizierung der Feldschwächverfahren von Synchronmaschinen. In diese Struktur wird das neue Verfahren zur Schwächung des Erregerfeldes eingegliedert, welches mit dem Namen Integrated Magnet Adjustable Bar (IMAB) bezeichnet wird und eine wesentliche Innovation dieser Arbeit darstellt. Mit diesem Verfahren sind die gewünschten Eigenschaften der Maschine erreichbar. Es wird anschließend eine Methodik zur schnellen Berechnung von Kennfeldern vorgeschlagen, die das Verhalten der Maschine in ihrem gesamten Betriebsbereich beschreiben. Durch deren Einbindung in eine Optimierung erfolgt die Auslegung der neuen IMAB-Maschine. Es folgt die Realisierung in Form eines Prototyps, auf dessen Rotoraufbau und -konstruktion eingegangen wird. Die Vorteile dieser Maschine werden zum Abschluss der Arbeit durch Messergebnisse und Vergleiche mit numerischen Berechnungsergebnissen bestätigt.The shortage of resources and a growing environmental awareness force car and electric machine manufacturers to improve the efficiency of established concepts and to develop new drive systems. In this dissertation the advantages of using an optimised electric machine are represented by an exemplarily hybrid electric city bus. To meet the targets of the drive-train, a permanent magnet synchronous machine with embedded magnets (also known as interior permanent magnets) and a novel type of field-weakening capability is introduced. Initially possibilities for saving energy during drive operation are examined and topologies of hybrid electric vehicles are structured. On the basis of a real drive-train a simulation tool – incorporating strategies and parameterisations of components – is used to observe the characteristics of the system with different properties of the electric machine. Encouraged by the results, the novel salient pole machine is designed to replace the obsolete asynchronous machine. An introduction of specifics and calculation methods for machines with embedded magnets as well as a structured overview of different techniques of field-weakening procedures are given. The novel type of machine is placed in this structure and named Integrated Magnet Adjustable Bar (IMAB) machine. The usage of the implemented flux-weakening leads to a wide speed range machine with high performance, high efficiency and reduced idling losses. For the design, the methodology for the fast calculation of characteristic diagrams is explained. By using these maps the magnetic circuit of the new machine was optimised. A suitable construction and assembly of the proposed machine as well as results of measurements of the prototype are presented. Concluding theoretical advantages of the exemplary IMAB machine are experimentally verified

Bewertung von alternativen Antriebskonzepten in Fahrzeugen mit unterschiedlichen Einsatzcharakteristiken

Der weltweit steigende Mobilitätsbedarf führt in der Zukunft zur weiteren Zunahme des Primärenergiebedarfs. Die Rohstoffvorräte unserer Erde sind begrenzt. Rohstoffe, die heute verbraucht werden, stehen zukünftigen Generationen nicht mehr zur Verfügung. Die sparsame und effiziente Nutzung der Ressourcen stellt deshalb den Schlüssel zu einer nachhaltigen Entwicklung dar. Im Mittelpunkt steht dabei der Energieverbrauch. Vor allem die Industrieländer stehen vor der Herausforderung, ihren Verbrauch an begrenzten Energierohstoffen Schritt für Schritt zurückzufahren. Der Wirtschaftsbereich der Europäischen Union kann dabei eine positive Bilanz vorweisen. Eingeschlossen in diese Bilanz ist der Verkehrsbereich. Die modernen Fahrzeugflotten konnten durch die ständige Weiterentwicklung den Streckenkraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen erheblich absenken. Eine Entwicklung, die noch nicht am Ende ist. Trotz dieser positiven Tendenz gerät die globale Bilanz durch eine dramatische Zunahme der Fahrzeugflotten, besonders in den Entwicklungsländern, kontinuierlich in eine Schieflage. Die Energieverbräuche steigen und die Ressourcen der Energieträger Öl, Gas und Kohle nehmen ab. Es ist bekannt, dass weltweit besonders in hochentwickelten Industrieländern dieser Entwicklung durch Alternativ-Konzepte entgegengesteuert wird. Im Verkehrsbereich sind dies unter anderem veränderte Fahrzeugkonzepte (z. B. Hybridfahrzeuge) sowie die mittel- und längerfristige Substitution der konventionellen, mineralölstämmigen Kraftstoffe durch Erdgaskraftstoffe (SynFuel, nach der Shell-Mittel-Destillat-Synthese, SMDS, hergestellt) oder Kraftstoffe (Sun Fuel) aus regenerativen Energieträgern wie Restholz, Energiepflanzen oder Biomüll. Diese Entwicklungen werden durch eine permanente Reduzierung der Abgasemissionen von verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen begleitet. Insbesondere sind dies einerseits die limitierten Schadstoffe, welche in den einzelnen Ländern gesetzlich verankert sind, und andererseits die CO2-Emission, die z. B. noch auf einer freiwilligen Selbstverpflichtung der Automobilindustrie (in Deutschland 140 g/km CO2 – Ausstoß) basieren. Kapitel 1: Einführung 2 Alle diese Entwicklungen gilt es im Voraus abzuschätzen bzw. mit fundierten Betrachtungen in den Entwicklungsprozess einzuordnen. Dies gilt besonders für solche Länder, z. B. Ägypten, die den Technikfortschritt aus ökonomischer und ökologischer Betrachtung in sehr kurzer Zeit einzuführen haben. Die Simulationswerkzeuge aller Art werden bekannterweise dazu genutzt, um Fehlentwicklungen zu vermeiden. Je nach Aufgabe und Zielstellung sind diese Werkzeuge fachgerecht anzupassen und zu verifizieren. Im Speziellen werden konventionelle und alternative Antriebskonzepte für Fahrzeuge der verschiedensten Einsatzbedingungen mit einem Simulationswerkzeug bewertet. 1.1 Aufgabenstellung und Zielstellun

Design Space Exploration zur multikriteriellen Optimierung elektrischer Sportwagenantriebsstränge: Variation von Topologie und Komponenteneigenschaften zur Steigerung von Fahrleistungen und Tank-to-Wheel Wirkungsgrad

Es wird der Einfluss der Antriebsstrangtopologie auf Energieverbrauch und Fahrleistungen eines elektrischen Sportwagens untersucht. Einfluss von Antriebstopologie und Komponenteneigenschaften wird simultan untersucht, um ein Systemoptimum anstelle eines Komponentenoptimums zu finden. Es wird das Konzept der Design Space Exploration eingesetzt. Der Designraum wird für mehrere Fahrzeuge und Bewertungszyklen untersucht, um Wechselwirkungen zw. Topologie und Komponenteneigenschaften zu analysieren

Werkzeuge und Konzepte für die Untersuchung und Entwicklung zukünftiger Kfz-Bremssysteme

Die zunehmende Elektrifizierung des Antriebsstranges sowie die Automatisierung des Fahrens haben erheblichen Einfluss auf zukünftige Fahrwerke. Das regenerative Bremsen durch die E-Maschine führt zu einer Verschiebung des Lastkollektivs, wodurch die ohnehin vorhandene Spreizung bei der Auslegung weiter zunimmt. Um die Wirkzusammenhänge besser zu verstehen und möglichst optimale Systeme für zukünftige Fahrzeuge entwickeln zu können sind entsprechende Werkzeuge und Konzepte notwendig

Methode zur Einbindung realer Nutzerprofile in die ökologische und ökonomische Bewertung von Fahrzeugkonzepten

Die vorliegende Arbeit zeigt Möglichkeiten auf, um aus Fahrzeugdatenaufzeichnungen zum Nutzerverhalten Anforderungen an Fahrzeugkonzepte abzuleiten. Der Schwerpunkt liegt in der Herleitung von Mobilitäts- und Fahrprofilen, die der anschließenden rechnergestützten Ermittlung des Kraftstoffverbrauchs dienen. Darauf aufbauend wird die Einbindung der ermittelten Kraftstoffverbrauchswerte in die Erstellung von Ökobilanzen und Gesamtkostenberechnungen zur Bewertung von Fahrzeugkonzepten erörtert

Evaluation and comparison of waste heat recovery systems in vehicles under consideration of real driving conditions

Zum Thema der Abgaswärmenutzung im Automobil gibt es diverse wissenschaftliche Arbeiten. In der Regel wird hierbei ein System wie zum Beispiel ein durch Abgaswärme betriebene Rankine Prozess, ein thermoelektrischer Generator, oder die direkte Abgaswärmenutzung untersucht. Bewertungskriterien sind hierbei meistens die Kraftstoffeinsparung in gesetzlich vorgeschriebene Verbrauchszyklen oder stationären Betriebspunkten wie z.B. einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit. In dieser Arbeit soll über eine Gesamtfahrzeugsimulation der Kraftstoffverbrauchseinfluss durch den Einsatz eines hochtemperaturtauglichen thermoelektrischen Generators, eines Abgaswärmeübertragers zur Getriebeölerwärmung und der Kombination aus beidem für reales und damit stark unterschiedliches Fahrverhalten bewertet werden. Dafür wird das real auftretende Fahrzeugnutzungsverhalten in Deutschland analysiert und daraus entsprechende Fahrtypen erstellt. Physikalische Untermodelle für die entsprechenden Fahrzeugkomponenten wie das Getriebe, die Abgasanlage und die Abgaswärmenutzungskomponente dienen der Berechnung der auftretenden Rückwirkungen im Fahrzeug und werden durch Messungen an den entsprechenden Prüfständen validiert. DesWeiteren wird das Fahrzeugmodell anhand von real durchgeführten Messfahrten überprüft. Da es bisher nur wenige Veröffentlichungen zu detaillierten Untersuchungen an Prototypen von thermoelektrischen Generatoren auf Basis von Hochtemperaturmaterialien für den Einsatz in der Automobilindustrie gibt, liegt hier ein Schwerpunkt dieser Arbeit. Dazu werden leistungsmindernde Verlustmechanismen bewertet und Stellhebel in der Modulauslegung für eine Leistungsoptimierung identifiziert. Weiterhin werden systembedingte und äußere Einflussfaktoren auf die Kraftstoffeinsparpotenziale der Abgaswärmenutzungskonzepte erfasst und bewertet.There are several scientific researches on waste heat recovery in cars. Generally systems like a rankine-cycle, a thermoelectric generator or a direct usage of exhaust heat are topics of research. Usually the evaluation criteria are the reduction of fuel consumption in official regulated driving cycles or static operation points i.e. a drive at constant speed. The topic of this research is the comparison of the influence on the fuel consumption with the usage of a high temperature thermoelectric generator, an exhaust gas heat exchanger for gear box warm up and the combination of both for real and therefor highly different driving behavior with the help of a system simulation. To evaluate this, an analysis on the usage of cars in Germany has been done and equivalent driving types have been built. Physical submodells for the concerned vehicle components like the gear box, the exhaust line and the waste heat recovery units are the base to calculate the influence on the vehicle and have been validated at relevant test benches. In addition the vehicle model has been checked with the help of real driving tests. Because there are only a small number of publications about detailed researches on thermoelectric generators prototypes based on high temperature materials for the usage in automobile industry, this is a main topic of this work. Therefor reasons for decreases in power are evaluated and operating levers to optimize the module dimension have been identified. Furthermore influences on the potential of fuel saving due to the system and the environment are determined and estimated

Werkzeuge und Konzepte für die Untersuchung und Entwicklung zukünftiger Kfz-Bremssysteme

The electrification of the power train as well as the automatisation of driving have a strong influence on chassis for future vehicles. Due to the possibility for recuperation using the electric motor a strong shift in the so far used load spectrum can be seen. Furthermore, this increases the high amount of requirements for brake systems. For understanding the interactions and for developing corresponding optimal systems for future vehicles, proper tools and concepts are necessary