Fahrzeug 5.0

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Verbrauchs- und Emissionsbewertung von Fahrzeugantriebskonzepten für die Langstreckenmobilität der Zukunft (FahrKLang)

Die einjährige Vorstudie beschäftigt sich mit der vergleichenden Verbrauchs- und Emissionsbewertung von unterschiedlichen PKW-Antriebskonzepten und zugehörigen Antriebsstrangkonfigurationen für die Langstreckenmobilität Deutschlands. Grundlage für die realfahrt-repräsentative Bewertung sind synthetisierte Fahrzyklen, die auf Basis von umfangreichen statistischen Erhebungen die spezifischen Anforderungen des Langstreckenverkehrs in Deutschland abbilden können. Über die in aktuellen Studien untersuchten Einflussfaktoren hinausgehend werden in den Systemrahmen der Arbeit unter anderem innovative hybride Antriebsstrangvarianten untersucht werden, die durch eine massive technische Simplifizierung der Verbrennungskraftmaschine (bei Übernahme von Funktionen durch hinzukommende E-Maschinen) und Nutzung strombasierter Kraftstoffe (E-Fuels) neue Potentiale, gerade im Langstreckenbereich, schaffen könnten. Dies ergänzt aktuelle Studien, in denen beispielweise Range-Extender-Antriebe (REX) oft nur im seriellen Betrieb betrachtet werden. Weiterhin soll der Einfluss von synthetisierten repräsentativen Fahrprofilen in der Verbrauchs- und Emissionsbewertung untersucht werden, die im Kontrast zu Konstantverbrauchsannahmen stehen.

Die Ergebnisse der Verbrauchs- und Emissionsbewertung der Nutzungsphase der Fahrzeuge sollen durch eine ökologische Bewertung aus Vorarbeiten ergänzt und eingeordnet werden, die eine gesamtheitliche Bilanzierung der Produktions- und Entsorgungsphase durchgeführt haben. Dabei werden neue Fahrzeugvarianten auf Basis der bestehenden Arbeiten hinzugefügt und der Einfluss der repräsentativen Fahrzyklen auf die Bewertung der Nutzungsphase analysiert, wobei im Kontrast zu Vorarbeiten stets die Langstreckenmobilität im Fokus gehalten wird.

Am Ende der Studie soll eine sinnvolle Ergänzung bisheriger ökologischer Bewertungen für die Langstreckenmobilität stehen, die den höheren Freiheitsgraden in hybriden Fahrzeugen Rechnung trägt und auf realfahrt repräsentativen Fahrprofilen basiert.

Doppel-E-Antrieb mit Range-Extender (DE-REX)

Der „Doppel-E-Antrieb mit Range-Extender (DE-REX)“ ist ein parallel-serielles Hybrid-Antriebskonzept, bei dem sowohl zwei permanenterregte Synchronmaschinen als auch ein Dreizylinder Ottomotor zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt werden können. Eine zentrale Komponente stellt das Getriebe dar, dessen neuartiges Layout zwei Teilgetriebe mit jeweils zwei Gängen vorsieht. Das Antriebskonzept bietet eine hohe Effizienz, gute Fahrleistungen, hohen Komfort und einen hohen Systemintegrationsgrad. Die Effizienz wird im elektrischen Betrieb durch Mehrgängigkeit und eine hohe spezifische Auslastung der vergleichsweise kleinen E-Maschinen (Pe,max = 48 kW) erreicht. Zur Erhöhung der Reichweite ermöglicht das Antriebskonzept mit Verbrennungsmotor (Pvkm = 66 kW) sowohl den seriellen als auch den effizienten parallelen Betrieb. Gute Fahrleistungen und hoher Komfort werden dadurch erreicht, dass alle drei Aggregate das Fahrzeug antreiben können und Schaltvorgänge zugkraftunterbrechungsfrei ausgeführt werden. Über die Betriebsstrategie lassen sich die zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade gezielt nutzen, z.B. für höchste Effizienz, Senkung der Abgasemissionen oder für Komfortaspekte. Für die Entwicklung von Betriebsstrategien wurde zunächst ein Gesamtfahrzeugmodell aufgebaut, welches auch für den Betrieb des Engine-in-the-Loop Prüfstands zum Einsatz kam. Der Prüfstand wurde anschließend zum Powertrain-in-the-Loop Prüfstand mit Getriebe und E-Maschinen für weitere Untersuchungen ausgebaut. Außerdem wird ein Demonstratorfahrzeug mit dem DE-REX Antrieb aufgebaut.

Zur Reduzierung der Abgasemissionen wurde eine Betriebsstrategie für den DE-REX entwickelt, die größere Kenntnis über die Abgasemissionen erhält und diese gezielt beeinflussen kann. Durch die Kombination dieser Kenntnis mit den Freiheitsgraden aus drei Antriebsaggregaten und zwei Teilgetrieben können die Abgasemissionen in Echtzeit kontrolliert werden. Mit diesem Betriebsstrategieansatz können Emissionslimits vorgegeben werden, deren Einhaltung durch entsprechenden Motorbetrieb sichergestellt wird.

Homepage: www.de-rex.tu-darmstadt.de

Online und Echtzeit-Lastmonitoring zur Vorhersage der restlichen Lebensdauer von Fahrzeuggetrieben

Die Komponenten eines Getriebes sind unter Berücksichtigung extremer Lastfälle für eine bestimmte Lebensdauer bzw. Laufleistung ausgelegt. Solche extremen Lastfälle werden aber nur von einem geringen Anteil der Fahrer verursacht (ca. 2-3%).

Ein elektronisches System, das den aktuellen Stand der Schädigung von verschiedenen Getriebekomponenten in Echtzeit und im Betrieb überwachen kann, bringt folgende Vorteile:

  • Dimensionierung eines Getriebes nur für die Fahrerkategorie, die es unter „normalen“ Bedingungen betreibt. Für die verbleibenden 2-3% könnte das Überwachungssystem ein Echtzeit-Feedback für das Schädigungsniveau der mechanischen Teile geben und gegebenenfalls Lastbegrenzungsbefehle erzeugen
  • Beseitigung externer Faktoren, die den Sicherheitsfaktor bei der Dimensionierung eines Getriebes negativ beeinflussen, wie z.B. die Drehmomentstreuung von Motoren oder das Chip-Tuning.
  • Speichern der während der Lebensdauer eines Fahrzeugs auftretenden Belastungen. Diese Daten könnten für neue Getriebeentwicklungen genutzt werden.

Somit ist es möglich, Getriebe genau belastungsgerecht und leichter zu dimensionieren, und Ausfälle zu vermeiden.