Simulation und Optimierung der Standort- und Kapazitätsauswahl in der Planung von Ladeinfrastruktur für batterieelektrische Fahrzeugflotten

Politische, technologische und ökonomische Faktoren haben dazu beigetragen, dass Elektromobilität in den letzten Jahren einen neuen Aufschwung erfahren hat. Neben dem privaten Sektor sind bestimmte gewerbliche Flotten im innerstädtischen Straßenverkehr besonders als Pilotkunden für batterieelektrische Fahrzeuge geeignet. Der wirtschaftliche Vorteil gegenüber konventionellen Antrieben entsteht durch geringe Energiekosten, wenn die Fahrzeuge eine hohe Laufleistung erreichen und trotzdem genügend Zeit für die benötigten Aufladevorgänge bleibt. Sofern also batterieelektrische Fahrzeuge für den Anwendungsbereich geeignet sind, wird eine bedarfsgerechte Ladeinfrastruktur im Betriebsgebiet benötigt. Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung neuer Simulations- und Optimierungsmodelle für die Planungsfragestellungen zur Auslegung von Ladeinfrastruktur für batterieelektrische Fahrzeugflotten. Das erarbeitete Simulationsmodell ermöglicht eine detaillierte Analyse und Bewertung der Auswirkungen verschiedener Handlungsalternativen. Es erlaubt die Variation der Flottengröße, der Fahrzeugtypen, der Batteriekapazität, der Infrastruktur-Konfiguration und der Laderegeln im Betriebskonzept. Das entwickelte Optimierungsmodell ermöglicht die Auswahl von Versorgungsstandorten und die Festlegung einer Betriebskapazität zur Sicherstellung einer geforderten Service-Qualität auf Basis verschiedener Kennzahlen. Für mittlere und große Probleminstanzen gelangen exakte Lösungsverfahren an ihre Grenzen, so dass ein eigenes heuristisches Verfahren vorgestellt wird. Die entwickelten Methoden wurden in einem realen Planungsprojekt eingesetzt, um die Praktikabilität zu demonstrieren.Political, technological and economic factors have led to a new upswing in the development of Electric Mobility. In addition to the private sector, certain industrial fleets are especially suited as pilot customers for battery electric vehicles. Economic advantages compared to conventional vehicles are caused by low energy costs if vehicles reach high mileage and still have enough time to recharge the needed energy. To supply energy to all fleet vehicles, a proper charging infrastructure has to be available in the operational area. The focus of this work is the development of new simulation and optimization models for this strategic planning task. The developed simulation model allows a detailed analysis and evaluation of the impact of various business models. It allows the variation of the fleet size, the vehicle types, the battery capacity, the infrastructure configuration and charging rules in the operational concept. The developed optimization model allows the cost-minimal selection of supply locations and their capacity to ensure the required quality of service. For medium and large problem instances exact solution methods reach their limits, so that a separate heuristic method is presented. The developed methods were used in a real project to demonstrate the practicality.Tag der Verteidigung: 16.08.2012Paderborn, Univ., Diss., 201

Fehlertolerante Regelung drei- und sechsphasiger permanenterregter Synchronmaschinen mit Windungsschlüssen

Windungsschlüsse sind häufig der initiale Fehler elektrischer Maschinen bei dem Betrieb an getakteten Umrichtern. Ohne Gegenmaßnahmen können sich diese weiter ausbreiten und zum katastrophalen Ausfall des gesamten elektrischen Antriebssystems führen. Dies muss insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen, wie dem elektrischen Fliegen, vermieden werden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Windungsschlusses kann reduziert werden, indem die lokale Temperatur an der Fehlerstelle begrenzt wird. In dieser Arbeit wird eine fehlertolerante Regelung entwickelt, welche die Fehlerverlustleistung eines Windungsschlusses durch die geregelte Anpassung des Arbeitspunktes auf einen definierten Wert begrenzt. Für den Entwurf der Regelstrategie werden sowohl drei- also auch sechsphasige permanenterregte Synchronmaschinen betrachtet. Die Fehlerabschätzung wird mit einem maschinellen Lernverfahren umgesetzt und das thermische Verhalten wird mit einem dreidimensionalen Maschinenmodell plausibilisiert. Zur Validierung der fehlertoleranten Regelung wird während dem Betrieb der dreiphasigen Prüflingsmaschine im Bemessungspunkt aktiv ein Windungsschluss geschaltet. Der fehlertolerante Arbeitspunkt wird daraufhin stationär ohne Überschwinger eingeregelt. Die Temperatur an einer ungünstigen Fehlerposition wird dadurch auf die vorab festgelegten Heat-Shock Temperatur der Lackisolation reduziert. Mit der Annahme einer exponentiellen Temperaturabhängigkeit der Lebensdauer, wird diese ausgehend von wenigen verbleibenden Sekunden erhöht, sodass der aktuelle Lastzyklus einer sicherheitskritischen Anwendung beendet werden kann

Techno-ökonomische Auslegungsmethodik für die Elektrifizierung urbaner Busnetze

Aufgrund verstärkter politischer, juristischer und gesellschaftlicher Tendenzen nach einer umweltverträglicheren Mobilität forcieren Städte die Transformation ihres Stadtbusverkehrs vom Diesel- zum elektrischen Antrieb. Diese Entwicklung stellt aufgrund umfangreicher ökonomischer und technologischer Aufwände sowie Unsicherheiten die Busbetreiber vor neue, große Herausforderungen. Es ergibt sich die Frage nach der langfristig technologisch und betriebswirtschaftlich optimalen Konfiguration einzelner E-Bus-Linien sowie eines stadtweiten E-Bus-Netzes. Diese Arbeit soll ihren Beitrag dazu leisten, die vorhandenen Auslegungs-Zielkonflikte aufzulösen, indem sie eine techno-ökonomische Methodik einführt, wie für zu elektrifizierende Buslinien die technischen Parameter zu wählen sind. Hierbei sind über die Lebenszeit der Fahrzeuge und ihrer Infrastruktur die günstigsten Total Cost of Ownership (Lebenszykluskosten) zu gewährleisten. Die Methodik fußt auf zwei Säulen: Einerseits auf einer detaillierten technologischen Simulation des Gesamtsystems E-Bus zur Ermittlung validierter Energiebedarfe in Abhängigkeit der betrieblichen Anforderungen. Andererseits auf einer umfassenden Analyse der Lebenszykluskosten für E-Bus- Systeme, auch unter Berücksichtung von externen Kosten. Die Berechnungen aus beiden Bereichen liefern die Eingangswerte zur anschließenden technoökonomische Optimierung. Anhand deren Ergebnisse können die Konfiguration einzelner E-Buslinien unter verschiedenen Rahmenbedingungen analysiert, Synergieeffekte zu anderen Linien in Hinblick auf eine Busnetzauslegung ermittelt und entsprechend die geeigneten kostenoptimalen technischen Parameter gewählt werden

Techno-ökonomische Auslegungsmethodik für die Elektrifizierung urbaner Busnetze

Mit dem Ziel einer umweltverträglicheren Mobilität forcieren Städte die Transformation ihres Busverkehrs hin zum elektrischen Antrieb. Diese Entwicklung stellt Busbetreiber vor technologische, betriebliche und betriebswirtschaftliche Herausforderungen. Diese Arbeit führt eine techno-ökonomische Methodik ein um die vorhandenen Auslegungs-Zielkonflikte aufzulösen. Hierzu werden die technischen Parameter für zu elektrifizierende Buslinien so optimiert, dass die günstigsten TCO gewährleisten sind