Energiemanagement im Kraftfahrzeug

Mobilität ist eine elementare Voraussetzung für den wirtschaftlichen Erfolg unserer Gesellschaft. Dieser wirtschaftliche Erfolg basiert auf der Erschließung verzweigter nationaler und internationaler Märkte und einer arbeitsteiligen Gesellschaft. Diese Wirtschaftsordnung funktioniert nur, weil die Menschen mobil sind. Mobilität ist damit ein Schlüsselfaktor für Wachstum und Beschäftigung und sichert unseren Wohlstand. Mobilität vermittelt außerdem ein Gefühl von Freiheit und Unabhängigkeit. Mobilität ermöglicht es uns, in andere Länder zu reisen und anderen Menschen zu begegnen. Mobilität öffnet Horizonte. Diese individuelle Mobilität trägt in hohem Maße zur Lebensqualität der Menschen bei. Wir verdanken diese Mobilität Kraftstoffen, Verbrennungsmotoren und Turbinen, die Fahrzeuge, Schiffe und Flugzeuge antreiben. Ein über die letzten gut hundert Jahre eingeschwungenes System, das bis auf wenige, dafür aber spürbare Störungen bei der Versorgung mit Erdöl funktionierte.

Die Anforderungen an das Energiemanagement also insbesondere an den Verbrauch der Fahrzeuge standen lange Zeit bei der Entwicklung von Automobilen im Hintergrund. Es werden die wichtigsten Anforderungen an den Kraftstoffverbrauch von Pkw dargestellt. Diese Ziele sollten als Grundlage für die Auslegung von neuen Pkw dienen.

Inzwischen gibt es eine Vielzahl von gesetzlichen Anforderungen, welche aufgrund der teilweise erheblichen finanziellen Auswirkungen für die Hersteller beziehungsweise Kunden berücksichtigt werden sollten. Die Gesetzesanforderungen werden nach drei Kategorien unterschieden:

• Lokale Anforderungen für Einzelfahrzeuge mit Steuer- oder Abgabenbegünstigung

• Länderspezifische Anforderungen für Einzelfahrzeuge mit Steuer- oder Abgabenbegünstigung

• Länderspezifische Anforderungen für Fahrzeugflotten mit Strafzahlungen oder Verkaufseinschränkungen

Darüber hinaus werden die darüber hinaus gehenden Kundenanforderungen Realverbrauch, soziale Akzeptanz und Wettbewerbsfähigkeit erläutert.

Die Summe der dargestellten Anforderungen sollten bei der Zieldefinition im Lastenheft von Pkw berücksichtigt werden.

Energieträger sind die Grundlage für die Fortbewegung aller Kraftfahrzeuge. In der Energiebilanz bei der Fahrzeuganalyse und –entwicklung wird meistens nur die Systemgrenze um das Fahrzeug gezogen und somit der Erzeugung des Energieträgers nicht betrachtet. Hier wächst allerdings zunehmend der Druck, alternative Energieträger mitzubetrachten aufgrund der Verknappung und Verteuerung fossiler Energieträger. Um regenerative Energieträger gesamthaft bewerten zu können, ist es wichtig, auch die gesamte Kette der Entstehung und Verwertung zu analysieren. Im folgenden werden die wichtigsten konventionellen und alternativen Energieträger gegenübergestellt.

Die folgenden Kapitel beschreiben die Komponenten

- Verbrennungsmotoren,

- Getriebe,

- Nebenaggregate,

- Elektromaschinen,

- Energiespeicher,

- Leistungselektronik

von typischen Energiesystemen in heutigen Kraftfahrzeugen und gehen auf deren wesentliche Eigenschaften ein.

Bei der Auslegung von Kraftfahrzeugen und deren Teilsystemen insbesondere des Antriebs ist eine Vielzahl von Anforderungen und Vorgaben zu berücksichtigen. Von besonderer Bedeutung sind hierbei zum einen die Fahrleistungen, die das Fahrzeug erreichen soll. Hierzu zählen Kriterien wie die Höchstgeschwindigkeit sowie das Beschleunigungs- und Steigvermögen. Zum anderen spielen der Energieverbrauch sowie das Emissionsverhalten eine ebenfalls wichtige Rolle bei der Auslegung eines Fahrzeugs. In diesem Kapitel werden die Grundlagen zur Auslegung von Kraftfahrzeugantrieben vermittelt. Neben den fahrzeugseitigen Widerständen werden die bei Verbrennungsmotoren sowie Elektro- und Hybridantrieben zu beachtenden Aspekte und Möglichkeiten erläutert. Die praktische Anwendung wird abschließend an einigen ausgewählten Fahrzeugbeispielen veranschaulicht.

In diesem Kapitel wird ein vereinfachtes Motor-Verbrauchs-Modell vorgestellt, das den Gesamtverbrauch des Motors aufteilt auf einen Nullleistungsverbrauch für das lastlose Halten der Drehzahl und einen Verbrauch für die effektiv abgegebene Leistung. Die abgegebene Leistung wird mit einem relativ konstanten Differenzwirkungsgrad erzeugt, mit dessen Hilfe insbesondere Verbrauchs- und CO2-Differenzen ohne Kenntnis der Verbrauchskennfelder hinreichend genau abgeschätzt werden können. Für den NEFZ werden die Energiebedarfe im Fahrzyklus für die typischen Fahrwiderstände, für Komponenten wie Getriebe, Gelenkwellen, Bremsen und für elektrische oder mechanische Nebenverbraucher ermittelt. Mit Hilfe des vereinfachten Motor-Modells werden daraus Verbrauchskennzahlen für die verschiedenen Widerstände ermittelt, mit denen die Konstrukteure der verschiedensten Fachrichtungen frühzeitig die Verbrauchs- und CO2-Auswirkung ihrer Maßnahme quantifizieren können. Mit Hilfe dieser Verbrauchskennzahlen wird unter Berücksichtigung des Nullleistungsverbrauchs eine anschauliche verursachergerechte Aufteilung des Gesamtverbrauchs ermöglicht.

Für die schnelle vergleichende Beurteilung der Verbrauchs- und Höchstgeschwindigkeitsangabe von Fahrzeugen werden ein Gesamtfahrzeug-Wirkungsgrad und ein Höchstgeschwindigkeits-Gütegrad hergeleitet. Mit diesen Kenngrößen kann bei der Auswahl von Fahrzeugen für einen Wettbewerbsvergleich vorab auf Grund der Fahrzeugdaten beurteilt werden, ob die absoluten Daten auch einen hohen Effizienzgrad aufweisen.

Das Verfahren zur Messung des Kraftstoffverbrauchs auf einem Rollenprüfstand mit seinen wichtigsten gesetzlich vorgeschriebenen Randbedingungen wird erläutert. Schwerpunkte sind die Festlegung der Fahrzeugmasse, der Ausrollversuch zur Bestimmung der Fahrwiderstände und das Verfahren zur Übertragung der Fahrwiderstände auf den Rollenprüfstand. Die in USA, Japan und Europa gültigen Fahrzyklen und die daraus generierten Verbrauchsangaben werden vorgestellt. Der erste offizielle Entwurf der im Rahmen der neuen europäischen Verbrauchsprozedur WLTP entwickelten neuen Fahrzyklen (WLTC) wird detailliert beschrieben und bewertet. Für alle Zyklen werden Kennzahlen erarbeitet, die Auskunft darüber geben, wieviel Energie für die drei Hauptfahrwiderstände in den Zyklen aufgebracht werden muss. Das nach Abzug der natürlichen Rekuperation verbleibende Rekuperationspotenzial der Zyklen für elektrifizierte Antriebe wird quantifiziert. Alle energetischen Kennwerte und Zyklus-Kenngrößen werden tabellarisch aufgeführt und erlauben einen detaillierten Vergleich der Fahrzyklen.

Die Ursachen für das bekannte Spannungsfeld zwischen Katalogangaben und Realverbrauch vor Kunde werden auch anhand von eigenen Messungen zu Verbrauchseinflüssen aufgezeigt und erklärt. Die Erkenntnisse können wichtige Hinweise für die Ausgestaltung der neuen Verbrauchsprozedur WLTP geben.

Viele Erkenntnisse aus der langjährigen Arbeit im Bereich Energiemanagement von Kraftfahrzeugen lassen sich übertragen auf die Optimierung des Kraftstoffverbrauchs im täglichen Fahrbetrieb. Im Gegensatz zu den Fahrzyklen, die Grundlage für die Effizienzsteigerung von Pkw im Produktentstehungsprozess sind, ist hierbei allerdings die Situation insofern verändert, als dass die Betriebsstrategie des Fahrzeugs weitestgehend feststeht und das große Potenzial zur Verbrauchsreduzierung durch die Fahrstrategie kommt.

Es wird beschrieben, welche auch im täglichen Fahrbetrieb einfach umsetzbaren Betriebsstrategieelemente zur wesentlichen Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs führen können. Nach kurzer Darstellung der im Allgemeinen bekannten Fahrhinweise folgt eine detailliertere Beschreibung der darüber hinausgehenden Kraftstoffsparmaßnahmen mit Beispielen aus dem realen Fahrbetrieb.

Warum benötigt man eine Betriebsstrategie? Meist sind für einen Anwendungsfall bei komplexen Systemen mehrere Betriebspunkte möglich, indem das System zu betreiben wäre. Welcher der möglichen Betriebspunkte ist nun sinnvoll? Welcher ist effizient? Welcher ist für den Fahrer angebracht? Wo ist die Bauteilbelastung akzeptabel?

Die Betriebsstrategie hat die Aufgabe, nach übergeordneten Zielen die sinnvollsten Betriebsmöglichkeiten auszuwählen und das System zu steuern.

Eine Betriebsstrategie steuert und regelt somit komplexe Systeme oder mehrere Systeme mit Wechselwirkungen, da der Fahrer selbst damit überfordert wäre oder sich nicht mit dieser Aufgabe belasten möchte.

In diesem Kapitel wird ein Überblick über Betriebsstrategien in modernen KFZ gegeben. Im Vordergrund steht die Energieeffizienz. Aber andere Kriterien wie Fahrbarkeit, Nachvollziehbarkeit und Bauteilschutz werden berücksichtigt. Die Ausführung startet mit einfachen Anwendungen und endet bei prädiktiven Gesamtfahrzeug-Betriebsstrategien, die zukünftige Ereignisse prognostizieren und berücksichtigen.

Die Simulation ermöglicht das vereinfachte Nachbilden eines gesamten Systems oder von Teilen eines Systems. Zudem ist die Umgebung im Simulationsmodell definierbar. Dadurch ist das Systemverhalten reproduzierbar, und damit einfacher analysierbar.

In diesem Kapitel wird eine kurze Einführung in die Simulation im Allgemeinen gegeben und der Aufbau von Energie-Management-Simulationen zur Fahrleistungs- und Verbrauchssimulation erläutert. Zudem werden interessante Beispiele aus dem Gebiet des Energiemanagements diskutiert.

Dieses Kapitel soll ein Nachschlagewerk für Mitarbeiter in der Fahrzeugentwicklung sein, die in der täglichen Praxis mit den Themen Verbrauch und Fahrleistung zu tun haben. Für die Kennwerte effektiver Mitteldruck, v1000-Wert, n/v-Wert und Umrechnung von Verbrauch in Reichweite werden die formelmäßigen Zusammenhänge hergeleitet. Für die schnelle Abschätzung des Leistungsbedarfs für die typischen Fahrwiderstände werden die erforderlichen Leistungen in Tabellen und Diagrammen dargestellt. Für drei Beispielfahrzeuge werden die Gesamt-Antriebsleistungen aufgelistet. Mit diesen Daten lässt sich beispielsweise ein realistischer Prognosewert für die Höchstgeschwindigkeit sehr schnell abschätzen.

Mit Hilfe des vereinfachten Motormodells werden Teilverbräuche für den Nullleistungsverbrauch und für die einzelnen Fahrwiderstände ermittelt und in Tabellen und Diagrammen dargestellt. Damit lässt sich für ein beliebiges Fahrzeug der Konstantfahrverbrauch aus der Summe der Teil-Verbräuche abschätzen. Der Differenzverbrauch für die Überwindung einer Höhendifferenz wird bis zu einer maximalen Steigung von 5 % ermittelt.