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Gesamtkosten- und emissionsoptimierte Systemauslegung von Nutzfahrzeug-Hybridantriebssträngen = Optimal system design for commercial vehicle powertrains based on total cost of ownership and emmissions
2022
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-02-15
Einrichtungen
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
In der Arbeit „Gesamtkosten- und emissionsoptimierte Systemauslegung von Nutzfahrzeug-Hybridantriebssträngen“ wird eine Methodik zur Antriebsstrangauslegung entwickelt, mit welcher der hybrid-elektrische Antriebsstrang von Nutzfahrzeugen auf das jeweilige Nutzungsprofil optimiert werden kann. Hierbei werden die Bedürfnisse von Herstellern und Nutzern berücksichtigt. Die Ziele sind einerseits die Schadstoffemissionsreduktion und CO2 -Reduktion für den Hersteller und andererseits die zügige Amortisation der Mehrkosten anhand einer TCO-Analyse für den Nutzer. Diese Optimierung wird an zwei Beispielen für schwere Nutzfahrzeuge im Langstrecken- und Verteilerbetrieb als HEV und zwei weiteren Beispielen von mittelschweren Nutzfahrzeugen im städtischen und regionalen Verteilerverkehr als HEV und PHEV angewandt. Anhand einer Marktstudie wird zuerst eine Einführung in das Thema elektrifizierte Nutzfahrzeuge und auch in die CO 2 -Gesetzgebungen gegeben. Anschließend wird der Stand der Technik zur Gesamtkostenbetrachtung erläutert. Außerdem werden die wichtigen Themen Abgasnachbehandlung und Systemauslegung des Antriebsstrangseingeführt. Mittels einer Szenariendefinition und verschiedenen nutzfahrzeugrelevanten Anforderungen werden die Rahmenbedingungen für die Simulationsstudie abgesteckt. Als ersten Schritt für die Systemauslegung wird anhand eines morphologischen Kastens die Topologieauswahl durchgeführt und es wurde sich für beide Anwendungsfälle im mittelschweren und schweren Nutzfahrzeugbereich für eine P2-Anordnung entschieden. Außerdem werden die Simulations- und Komponentenmodelle und Skalierungsansätze erläutert. Als Ansatz für die Optimierung wird die statistische Versuchsplanung mit anschließender Minimierung der Amortisationszeit unter Einhaltung der Nebenbedingungen für die Emissionen eingesetzt. Für die Systemauslegung können folgende Schlüsse gezogen werden. Vorab müssen das Optimierungsziel und die Gewichtung der Bestandteile klar definiert sein. Es ist möglich, zeitgleich die Amortisation, die Betriebsstrategie sowie die Emissionen zu optimieren. Durch die Einführung der CO2 - Gesetzgebung in Europa wird der Fokus stärker auf der Elektrifizierung der Fahrzeuge liegen, da alle optimierten Hybridfahrzeuge CO 2 einsparen, wobei es je nach Szenario sein kann, dass der Endkunde eine längere Amortisationszeit berücksichtigen muss. Bei steigenden Kraftstoffkosten wird die Hybridisierung für die Endkunden aufgrund der Betriebskosteneinsparungen attraktiver. Durch häufigere Motor-Stopp-Phasen und somit immer wieder abfallenden Temperaturen im Abgasstrang muss das Abgassystem ebenfalls in der Hybridsystemauslegung berücksichtigt werden. Aufgrund der CO2 -Gesetzgebung wird der Fokus für Einsparungen wahrscheinlich v. a. auf dem schweren Langstreckenverkehr liegen, wobei die geforderten CO2 -Einsparungen von 15 % nur durch eine Hybridisierung nicht erreicht werden können. Diese kann aber einen Beitrag leisten, wie im Fallbeispiel „5-LH“ mit 9,6 % (gewichteter) CO2 -Einsparung gezeigt wurde. Damit die Hybridsysteme aber auch für den Endkunden rentabel sind, müssen kundenspezifische Fahrzyklen in der Auswahl mitberücksichtigt werden. Wegen der hohen Laufleistung der Fahrzeuge sollten zyklenstabile Batteriezellen eingesetzt werden. Je nach Anwendung können im mittelschweren Verteilerverkehr sehr hohe Kraftstoffeinsparungen realisiert werden. Diese Systeme benötigen aber eine höhere Laufleistung trotz der hohen prozentualen Einsparungen und waren in den gewählten Szenarien nicht rentabel. Das PHEV-System ist rentabel, wenn genügend elektrische Reichweite vorgehalten wird und günstige elektrische Energie eine Kostenersparnis erbringt, wobei größere Differenzkosten als beim HEV kompensiert werden müssen.In the thesis „Optimal System Design for Commercial Vehicle Powertrains based on Total Cost of Ownership and Emissions“, a methodology for powertrain design is developed with which the hybrid-electric powertrain of commercial vehicles can be optimized for the respective utilization profile. The needs of manufacturers and users are taken into account. The goals are on the one hand the reduction of pollutant emissions and CO2 for the manufacturer and on the other hand the rapid amortization of the additional costs based on a TCO analysis for the user. This optimization is applied to two examples of heavy commercial vehicles in long-distance and distribution operations as HEVs and two further examples of medium-duty commercial vehicles in urban and regional distribution operations as HEVs and PHEVs. Based on a market study, an introduction to the topic of electrified commercial vehicles and also into the CO2 legislation is given. Subsequently, the state of the art is explained in terms of a total cost of ownership analysis. In addition, the important topics of exhaust gas after treatment and powertrain system design will be introduced. By means of a scenario definition and various commercial vehicle-relevant requirements, the framework conditions for the simulation study are defined. As a first step for the system design, the topology selection is carried out on the basis of a morphological box and a P2 arrangement was chosen for both medium and heavy-duty commercial vehicle applications. In addition, the simulation and component models and scaling approaches are explained. As an approach for the optimization, design of experiments with subsequent minimization of the payback period is used, while keeping the constraints for emissions. For the system design the following conclusions can be drawn. The optimization goal and the weighting of the optimization parts must be clearly defined in advance. It is possible to simultaneously evaluate the amortization, the operation strategy and to optimize emissions. With the introduction of CO2 legislation in Europe, the focus will be more on vehicle electrification since all optimized hybrid vehicles save CO2 . Although depending on the scenario, the end customer may have to take a longer payback period into account. With rising fuel costs, hybridization will become more attractive for end customers due to the savings in operating costs. As a result of more frequent engine stop phases and thus repeatedly falling temperatures in the exhaust tract, the exhaust system must also be considered in the hybrid system design. Due to the CO2 legislation, the focus for savings will probably be mainly on heavy trucks for long-distance transport, although the required CO2 savings of 15 % cannot only be achieved through hybridization. However, hybridization can make a contribution, as shown in the case study „5-LH“ with 9,6 % (weighted) CO2 savings. In order for the hybrid systems to be profitable for the end customer, customer-specific driving cycles must also be taken into account in the selection process. Due to the high mileage of the vehicles cycle-stable battery cells should be used. Depending on the application, very high fuel savings can be achieved in medium-duty distribution transport. However, these systems require an increased mileage despite the high percentage savings for the amortization and were not profitable in the chosen scenarios. The PHEV system is profitable if there is enough electrical range implemented and electrical energy provides cost savings, whereby increased differential costs compared to a HEV must be compensated.
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
print
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT021315997
Interne Identnummern
RWTH-2022-03491
Datensatz-ID: 843892
Beteiligte Länder
Germany
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