evTrailer

Forschungsprojekt evTrailer

 

Gefördert durch: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Projektträger: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Förderzeitraum: 01.01.2016 – 31.12.2018

Abbildung 1: evTrailer Konsortium
Abbildung 1: evTrailer Konsortium
 

Hintergrund

Der Straßengüterverkehr in Deutschland befindet sich in einem Zustand konstanten Wachstums. Bereits heute werden über 70 % aller Güter per LKW auf der Straße transportiert und aktuelle Studien sagen eine weitere Steigerung der Verkehrsleistung in den nächsten Jahren voraus. Dies führt dazu, dass der Nutzfahrzeugsektor, trotz der geringen Anzahl an Fahrzeugen, einen Anteil von etwa 30 % der gesamten CO2-Emissionen des Verkehrs in Deutschland ausmacht (Nachzulesen in [1]). Um die zukünftigen Klimaschutzziele der Bundesregierung zu erreichen, werden daher Maßnahmen zur deutlichen Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und damit der CO2-Emissionen von Nutzfahrzeugen notwendig. Im PKW-Sektor hat sich die Hybridisierung des Antriebsstrangs als vielversprechende Maßnahme zur Reduktion von Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission etabliert und wird dort bereits in Serie eingesetzt. Im Nutzfahrzeug-Sektor stellt die Hybridisierung jedoch noch eine Nischentechnologie dar und ist besonders im Langstreckenverkehr noch nicht existent.

Aus diesem Grund wird im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Forschungsprojekts „evTrailer – autarkes elektrisches Antriebskooperationskonzept für LKW-Trailer und Fahrzeuganhänger“ ein Hybrid-System für den Einsatz im Fernverkehr entwickelt. Kern des Konzepts ist dabei die Elektrifizierung eines Trailers für 40 t-Sattelzüge mit konventionell betriebener Zugmaschine. Alle Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs, Elektromotoren, Traktionsbatterie, Leistungselektronik und entsprechende Steuergeräte sind dabei auf dem Trailer angebracht. Weiterhin wird der Zugsattelzapfen (Kingpin), der die Kräfte zwischen Zugmaschine und Trailer überträgt, mit einer speziell entwickelten, sensorischen Schicht versehen und kann somit als Kraftsensor eingesetzt werden. Im Zusammenspiel mit der Betriebsstrategie bietet das System auf diese Weise das Potenzial, den evTrailer autark, ohne Kommunikation mit der Zugmaschine zu betreiben. Das Funktionsprinzip des evTrailers ist in Abbildung 2 dargestellt: Detektiert der sensorische Kingpin eine Zugkraft, beispielsweise bei einer Bergauffahrt oder einer Beschleunigung, wird die elektrische Traktionsunterstützung aktiviert und die Elektromotoren treiben die Trailerachse an. Dadurch wird die benötigte Verbrennungsmotorleistung der Zugmaschine und damit der Kraftstoffverbrauch bzw. der CO2-Ausstoß unter Einsatz elektrischer Energie verringert. Stellt der Sensor im Gegenzug eine Druckkraft fest, beispielsweise bei einer Bergabfahrt mit Retarder-Bremsung, werden die Elektromotoren in den Generatorbetrieb geschaltet, dadurch kinetische Energie rekupertiert und die Batterie geladen.

Abbildung 2: Funktionsprinzip evTrailer
Abbildung 2: Funktionsprinzip evTrailer

Ziele, Anforderungen und Ergebnisse

Zentrales Ziel in der Entwicklung des evTrailer-Antriebsstrangs ist die Reduktion des Kraftstoffverbrauchs gegenüber einem konventionell angetriebenen Fahrzeug. Auf diese Weise kann sowohl der CO2-Ausstoß des Fahrzeugs als auch die Total Cost of Ownership (TCO) reduziert werden. Einige Entwicklungsziele und sich aus dem Konzept ableitende Vorteile des Systems sind in folgender Aufzählung zusammengefasst:

  • Reduktion des Kraftstoffverbrauchs: 16 – 24 %
    • Potenzial: Reduktion der CO2-Emissionen um 20 Tonnen pro Jahr und Fahrzeug bzw. 4 Millionen Tonnen pro Jahr in Deutschland
  • Höhere Geschwindigkeit bei Bergauffahrten möglich
  • Autarkes Rangieren des Trailers ohne Zugmaschine möglich
  • Lärmreduktion besonders bei niedrigen Geschwindigkeiten
  • Verbesserte Traktion beim Anfahren auf rutschigem Untergrund

Dabei gilt es folgende Anforderungen zu erfüllen:

  • Amortisation des Hybrid-Systems innerhalb der Abschreibungsdauer
  • Lebensdauer des Hybridsystems: >700.000 km

In der ersten Phase des Projekts wurden am Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe (VKM) die Antriebsstrangkomponenten Elektromotor und Traktionsbatterie mittels Simulationen dimensioniert. Als Optimierungsergebnis bezüglich Kraftstoffverbrauch und zusätzlich anfallenden Kosten wurde folgende Konfiguration ausgewählt [2, 3]:

  • Elektromotorleistung: 2 x 75 kW peak
  • Batteriekapazität: 100 kWh

Inhalt der aktuellen Projektphase am VKM ist die Entwicklung der Betriebsstrategie, die zusätzlich zur Regelung der Zugkraft prädiktive Elemente besitzt. Durch Kenntnis der vor dem Fahrzeug liegenden Strecke können somit streckenspezifisch optimale Ergebnisse erzielt werden.

Im zukünftigen Verlauf des Projekts wird darüber hinaus ein Demonstratorfahrzeug aufgebaut, um die Funktion des Systems im realen Straßenbetrieb zu überprüfen.

Weitere Informationen: www.evtrailer.de

Literaturverzeichnis

[1] ADOLF, Jörg (Hrsg.): Diesel oder alternative Antriebe – womit fahren LKW und Bus morgen? : Shell Nutzfahrzeug-Studie : Fakten, Trends und Perspektiven bis 2040. Hamburg : Shell Deutschland Oil GmbH, 2016

[2] DAUTFEST, Alexander ; THIEM, Mikula ; BEIDL, UNIV.-PROF. DR. TECHN. CHRISTIAN: Entwicklung eines Batteriesystems für elektrifizierte LKW-Anhänger. In: Forum Elektromobilität e.V. (Hrsg.): KONGRESS Elektromobilität 2017, 2017

[3] ECKERT, Martin ; THIEM, Mikula ; BEIDL, UNIV.-PROF. DR. TECHN. CHRISTIAN: Development of an Electric Powertrain System for Truck Trailers. In: Verein Deutscher Ingenieure (VDI) (Hrsg.): 14. International Conference Commercial Vehicles 2017, 2017