Optimale Antriebsstrangkonfigurationen für Elektrofahrzeuge

In der vorliegenden Arbeit wird ein methodisches Vorgehen zur Ermittlung optimaler Antriebstopologien, Komponententypen und Komponenteneigenschaften von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen (BEV) vorgestellt. Für die objektive Bewertung aller in dem Versuchsraum betrachteten Fahrzeugkonfigurationen werden verschiedene Kennparameter berücksichtigt, die den Energiebedarf, die Fahrleistungseigenschaften und die Antriebsstrangkosten betreffen und in eine gewichtete Bewertungsfunktion überführt werden. Da die optimalen Eigenschaften eines Fahrzeugs mit dem Einsatzzweck und den daraus resultierenden Anforderungen eng verbunden sind, wird die 3F-Methodik verwendet. Diese ermöglicht die Erstellung repräsentativer Kundenzyklen auf Basis einer umfangreichen Messdatenbasis, welche fahrer-, fahrzeug- und fahrumgebungsspezifische Eigenschaften des Kundeneinsatzraums berücksichtigt. Solche im Rahmen dieser Arbeit generierten Kundenzyklen werden zur Ermittlung des Fahrzeug-Energiebedarfs verwendet. Dieser und weitere Kennparameter werden in der für den Zweck der Optimierung entwickelten Simulationsumgebung für alle Fahrzeugkonfigurationen systematisch und automatisiert berechnet. Da der Versuchsraum mehrere Millionen Konfigurationen umfasst, liegt der Fokus auf einer rechenzeiteffizienten Gestaltung der Simulationsumgebung mit Versuchsplänen, Mathematischen Modellen und einem genetischen Optimierungsalgorithmus. Die vorgestellten Berechnungswerkzeuge werden für die Optimierung eines Stadtfahrzeugs der Kleinstwagenklasse genutzt. In den Ergebnissen sind ausschließlich Zentralantriebe mit Mehrganggetrieben auf den vorderen Rängen. BEV mit teils sehr guten Energiebilanzen wie Zentralantriebe mit Einganggetriebe, Radnaben- oder Tandemantriebe, können aufgrund ihrer hohen Antriebsleistungen nur bei einer Verringerung der Kosten- Gewichtung eine bessere Bewertung erlangen. BEV mit Mehrganggetrieben haben hingegen ein vorteilhaftes Verhalten bei Fahrleistungsparametern wie der Höchstgeschwindigkeit, der Anfahrsteig- oder der Beschleunigungsfähigkeit. Aus diesem Grund sind in einem Marktvergleich, bei dem den Fahrleistungsparametern durch Verschiebung der Gewichtungsfaktoren und der Mindestanforderungen eine höhere Relevanz zugeordnet ist, abermals Mehrganggetriebe auf den ersten Plätzen. Bei Variation von Getriebe- oder E-Maschineneigenschaften ist zudem eine geringere Sensitivität hinsichtlich der Energiebilanz durch Verwendung eines Mehrganggetriebes zu erkennen. Schließlich zeigt sich, dass mit Mehrganggetrieben Skaleneffekte bei unterschiedlichen Marktanforderungen zu erzielen sind: Die Nutzung von Gleichteilen wird dadurch erleichtert, dass ein marktübergreifender Kompromiss in den optimalen Getriebeeigenschaften einfacher zu finden ist.