Elektrifizierte Antriebsstränge

  Urheberrecht: © RWTH Aachen | CMP Abbildung 1: Übersicht der verschiedenen Topologien elektrifizierter Anstriebsstränge. Abgebildet sind die Antriebsstrangtopologien eines konventionellen, eines parallelen Hybrid-, eines leistungsverzweigten Hybrid- und eines seriellen Hybridfahrzeugs.

Einführung

Die Mobilitätsbedürfnisse wie auch die Möglichkeiten mobil zu sein waren noch nie so groß wie heute. Neue und alternative Mobilitätsszenarien müssen kontinuierlich erforscht und weiterentwickelt werden, um die Antriebstechnologien für den Personen- und Güterverkehr sowohl in städtischen Gebieten als auch über längere Strecken unter wirtschaftlichen und umweltgerechten Randbedingungen zu optimieren. Für die Mobilität der kommenden Jahre ist es ein vorrangiges Ziel, den Ausstoß von CO₂ weiter zu reduzieren, um die globalen Klimaziele zu erreichen.

Darüber hinaus müssen auch die NO_x- und Feinstaub-Emissionen weiter deutlich gesenkt werden, damit auch die lokale Luftqualität vor allem in den Städten nachhaltig verbessert wird. Neben der weiteren Entwicklung der Verbrennungsmotoren und neuer sauberer Kraftstoffe, stehen vor allem auch die elektrifizierten und teilelektrifizierten Antriebe im Fokus

  Urheberrecht: © RWTH Aachen | CMP Abbildung 2: Vor- und Nachteile der verschiedenen Antriebsstrangtopologien. Dargestellt sind die Auswirkungen der Topologie auf die Masse des Speichermediums, Batteriekapazität, Leistung, Emissionen und die zukünftige Entwicklung der Energiedichte.

Durch die Elektrifizierung der Kraftfahrzeug-Antriebe kommen mit Hochvoltbatterien, Invertern und elektrischen Maschinen große elektrische Komponenten ins Fahrzeug. Bei der Entwicklung, der Produktion wie auch der Integration dieser Systeme ergeben sich viele Herausforderungen für unsere wissenschaftlichen Mitarbeiter. In der Grundlagenforschung werden die verschiedensten Antriebsstrang-topologien analysiert und optimiert, siehe Abbildung 1.

Dabei haben das CO₂-Reduktionspotenzial, die Vergrößerung der Reichweite sowie die Optimierung der Batterien hinsichtlich Baugröße, Gewicht und Kosten besondere Bedeutung, siehe Abbildung 2.

  Urheberrecht: © RWTH Aachen | CMP Abbildung 3: Schematische Darstellung der modellprädiktiven Regelung eines hybriden Fahrzeugs. Der modellprädiktive Regelkreis beinhaltet das Fahrzeugmodell, das Energiemanagement und die optimale Gangwahl sowie Leistungsverteilung.

Funktionsentwicklung

Um innovative und nachhaltige Lösungen zur Reduzierung von Emissionen und Energieverbrauch zu entwickeln, werden am Institut aufwändige Umwelt-, Ladeinfrastruktur-, Fuhrpark-, Verkehr-, Fahrzeug-, Komponenten-, ECU-, 2D- und 3D-Modelle entwickelt, die eine marktstrategische Echtzeitsimulation ermöglichen. Damit werden neueste Anforderungen für schnellere Implementierungen mit standardisierten Absicherungen erfüllt. Die Funktionsentwicklung für elektrifizierte Antriebsstränge kann sehr vielseitig ausfallen, dazu zählt vor allem auch die Entwicklung modernster modellprädiktiver und selbstlernender Regelungssysteme, siehe Abbildungen 3 und 4.

  Urheberrecht: © RWTH Aachen | CMP Abbildung 4: Auswirkungen der Echtzeit-Optimierung auf Geschwindigkeitsprofil, Gangwahl, Energie und Leistung.   Urheberrecht: © RWTH Aachen | CMP Abbildung 5: Auslegung eines 48V-Mildhybrid-Prototypen Mercedes Benz AMG A45 bestehend aus einem Luft-, einem Kraftstoff- und einem elektrischen Pfad.

Umsetzung

Die Bewertung und Validierung unter realen Umwelt- und Fahrbedingungen ist eine wichtige Aufgabe für die Antriebstrang-Entwicklung. Mit der Einführung neuer Entwicklungsmethoden bieten das Center for Mobile Propulsion und das Fuel Science Center der RWTH Aachen dazu ideale Voraussetzungen.

Beispiele hierfür sind ein paralleles Hybridmodell mit einem realen LKW-Motor zur vorausschauenden, energieoptimalen Antriebsstrangsteuerung für Nutzfahrzeuge über lange Strecken im Forschungsvorhaben IMPERIUM , die komplette Simulation der Antriebskomponenten im geschlossenen Regelkreis mit Echtzeitsteuerung im Forschungsvorhaben DUETT , die Entwicklung eines Brennstoffzellen-Range-Extenders im Forschungsprogramm BREEZE! und die Entwicklung eines biogasbetriebenen Range Extenders im Forschungsprojekt GreenREX . Die beschriebenen Kompetenzen werden in verschiedenen Forschungsvorhaben gebündelt und auf Prüfstanden oder in Demonstrationsfahrzeugen umgesetzt, siehe Abbildung 5.