Forschungsprojekt „Modellbildung und Simulation von Hybridantrieben“

Um unsere Mobilität in ihrer jetzigen Form zu erhalten und trotzdem unsere Atmosphäre nachhaltig vor weiterer Erwärmung zu schützen, kommt insbesondere auf dem Verkehrssektor der Energieeinsparung eine immer größere Bedeutung zu. Die Fahrzyklen von Fahrzeugen, besonders die des öffentlichen Personennahverkehrs, sind durch häufiges Beschleunigen und Verzögern gekennzeichnet. Bei mit fossilen Brennstoffen betriebenen Fahrzeugen wie z.B. Dieselbussen kann die kinetische Energie des rollenden Fahrzeugs nicht zurückgewonnen werden. Zudem kann der Dieselmotor, dessen Drehzahl und Drehmoment über die Kupplung und das Getriebe von der aktuellen Fahrsituation des Fahrzeugs bestimmt werden, oft nicht in seinem effizientesten Arbeitspunkt betrieben werden.

Der Einsatz von Hybridantrieben ermöglicht eine Entkopplung von Dieselarbeitspunkt und momentaner Fahrdynamik des Fahrzeugs, so dass der mittlere spezifische Verbrauch des Dieselmotors durch eine optimale Regelung deutlich verbessert werden kann. Zudem kann bei Einsatz eines Energiespeichers ein Teil der kinetischen Energie des rollenden Fahrzeugs beim Bremsvorgang zurückgewonnen werden.

Bei Hybridantrieben ist allerdings das vergrößerte Fahrzeuggewicht durch den zusätzlichen Elektrischen Antrieb, den Energiespeicher etc. zu berücksichtigen. Zudem gibt es verschiedene Antriebstopologien, von denen jede, vom Fahrzeugnutzungsprofil abhängig, Vor- und Nachteile aufzuweisen hat. Auch haben beispielsweise die auf die Fahrstrecke bezogene Anzahl der Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge, die Straßentopographie, die Energiespeichertechnologie etc. einen deutlichen Einfluss auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch, so dass es ohne eine systematische Untersuchung nicht möglich ist, eine für ein gegebenes Fahrzeugnutzungsprofil optimale Antriebslösung zu benennen.

Struktureller Antriebsaufbau (Bild: A. Lohner, TH Köln)

Um eine optimale Auswahl, Auslegung und Abstimmung von traktionsrelevanten Komponenten in Anlehnung an ein bestimmtes Fahrzeugnutzungsprofil zu gewährleisten, ist im Rahmen eines Projektes ein parametrierbares, modulares Modell eines hybriden Antriebsstranges entwickelt worden, mit dem eine Fahrzeugentwicklung konzeptionell unterstützt werden kann. Dieses Projekt ist vom Institut für Automatisierungstechnik der TH Köln und vom Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) der RWTH Aachen gemeinsam durchgeführt und von der Karl-Vossloh-Stiftung finanziell unterstützt worden.

In dem Projekt sind auf dem Antriebsmodell aufbauend optimierte Fahrzeugnutzungsstrategien und Energiemanagementverfahren in Abhängigkeit unterschiedlicher Anforderungs- und Lastprofile entwickelt und durch Simulationen bewertet worden. Weiterhin sind Abhängigkeiten und Einflussfaktoren verschiedener Parameter aufgezeigt und quantifiziert worden.

Der an ein bestimmtes Fahrzeugkonzept, z. B. einen urbanen Bus, und dessen spezifisches Nutzungsprofil angepasste Hybridantrieb birgt dem konventionellen Dieselantrieb mit Schalt- oder Automatikgetriebe gegenüber signifikante Energieeinsparpotentiale im urbanen Betrieb.