Nutzungsorientierte Auslegung des Antriebsstrangs und der Reichweite von Elektrofahrzeugen

Markus Orner stellt eine Methodik vor, mit deren Hilfe der Antriebsstrang und die Fahrzeugreichweite von Elektrofahrzeugen gezielt auf gegebene Anwendungsszenarien ausgelegt werden. Die zweistufige Methode verwendet dazu reale Nutzungsdaten und ist für alle Anwendungsbereiche mit homogener Nutzung einsetzbar. Dabei variiert der Autor Rahmenbedingungen wie Ladeinfrastruktur und Batteriekosten. Das Vorgehen stellt er am Beispiel der Anwendung „Free-Floating Car-Sharing“ dar. Die Studie hilft somit, elektrische Antriebsstränge gezielt an neue Mobilitätsformen wie Car-Sharing anzupassen. **Der Autor** **Markus Orner** promovierte am Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen (IVK) der Universität Stuttgart und arbeitet heute im Bereich Auslegung und Erprobung elektrischer Antriebsstränge. Vorwort 7 Inhaltsverzeichnis 8 Abbildungsverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis 13 Abkürzungsverzeichnis 14 Symbolverzeichnis 16 Kurzfassung 21 Abstract 22 1 Einleitung 23 1.1 Motivation 23 1.2 Aufbau der Arbeit 24 2 Stand der Technik 26 2.1 Elektrischer Antriebsstrang 26 2.2 Auslegung elektrischer Antriebsstränge 32 2.3 Komponentenskalierung 36 2.4 Zusammenfassung und Motivation der Arbeit 37 3 Umfeld und Nutzung von Elektrofahrzeugen 41 3.1 Einflussfaktoren 41 3.1.1 Politische Rahmenbedingungen 41 3.1.2 Wirtschaftliche Rahmenbedingungen 42 3.1.3 Infrastrukturelle Einflussfaktoren 43 3.1.4 Fahrer 44 3.2 Nutzung gewerblicher Elektrofahrzeuge 46 3.2.1 Studien 46 3.2.2 Car-Sharing 48 4 Antriebsstrangmodellierung und -analyse 53 4.1 Anforderung an die Simulation 53 4.2 Aufbau der Simulationsstruktur 54 4.2.1 Verbrauchsmodell 56 4.2.2 Beschleunigungsmodell 57 4.3 Beschreibung der Fahrzeugkomponenten 58 4.3.1 Batterie 58 4.3.2 Wechselrichter 60 4.3.3 Permanenterregte Synchronmaschine 62 4.3.4 Getriebe 70 4.3.5 Fahrwiderstände 72 4.3.6 Sonstige Verbraucher 73 4.4 Modellvalidierung 74 4.5 Zusammenhänge in der Antriebsauslegung 75 5 Methode zur Auslegung von nutzungsspezifischen Antrieben 80 5.1 Überblick über das Vorgehen 80 5.2 Nutzungsdaten 82 5.2.1 Fahrzyklus 82 5.2.2 Nutzungsprofildaten 83 5.3 Reichweitenanalyse 84 5.3.1 Modellierung des Nutzungsverhaltens 84 5.3.2 Einfluss der Klimatisierungsleistung 86 5.3.3 Bestimmung der relevanten Kosten 86 5.3.4 Batterieschädigung 88 5.3.5 Ableitung der Reichweitenanforderung 88 5.4 Antriebsstranguntersuchung 89 5.4.1 Untersuchung des Entwurfsraums 89 5.4.2 Multikriterielle Optimierung 91 5.4.3 Identifikation optimaler Antriebslösungen 93 5.4.4 Beschreibung des Optimierungsverfahrens 95 5.4.5 Bewertung der Lösungen 98 5.5 Identifikation geeigneter Lösungen 102 6 Antriebsstrangauslegung am Beispiel Car-Sharing 104 6.1 Ermittlung einer sinnvollen Reichweite 104 6.1.1 Anpassung des Nutzungsmodells an den Car-Sharing-Betrieb 104 6.1.2 Ergebnis der Reichweitenauslegung 108 6.1.3 Weitere Untersuchungen 112 6.1.4 Realisierbare Reichweiten 118 6.2 Optimierung von Antriebskonfigurationen 119 6.2.1 Szenario Kabelladen mit vorhandener Infrastruktur 120 6.2.2 Szenario automatisiertes Laden mit erweiterter Infrastruktur 126 6.2.3 Alternative Auslegungszyklen 129 6.3 Möglichkeiten der Modularisierung 132 7 Zusammenfassung 136 Literaturverzeichnis 138 A Anhang 150 A.1 Modelle 150 A.1.1 Verbrauchsskript 150 A.1.2 Beschleunigungsskript 154 A.1.3 Gleichungen Schädigungsmodell 157 A.1.4 Rainflow-Verfahren 158 A.1.5 Maschinenregelung 159 A.1.6 Skalierungsgleichungen der E-Maschine 161 A.1.7 Berechnung der Stromverdrängung 163 A.1.8 Tabelle Basismodellvalidierung 165 A.2 Optimierung 166 A.2.1 Entwurfsraum Fahrzeug mit Schaltgetriebe 166 A.2.2 Modellierung des MM und Prädiktion 166 A.2.3 Antriebskonfigurationen für Szenario „Automatisiertes Laden“ 169 A.2.4 Beispieluntersuchung für alternative Auslegungszyklen 171 A.2.5 Hauptfenster der Benutzeroberfläche 175 () Front Matter ....Pages I-XXVII Einleitung (Markus Orner)....Pages 1-3 Stand der Technik (Markus Orner)....Pages 5-19 Umfeld und Nutzung von Elektrofahrzeugen (Markus Orner)....Pages 21-32 Antriebsstrangmodellierung und -analyse (Markus Orner)....Pages 33-59 Methode zur Auslegung von nutzungsspezifischen Antrieben (Markus Orner)....Pages 61-84 Antriebsstrangauslegung am Beispiel Car-Sharing (Markus Orner)....Pages 85-116 Zusammenfassung (Markus Orner)....Pages 117-118 Back Matter ....Pages 119-156