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Methodische Entwicklung und Bewertung von Elektrifizierungskonzepten für innerstädtische Nutzfahrzeuge
Vorstellung eines innovativen Entwicklungsansatzes am Beispiel des Entsorgungsverkehrs
Gräbener, Sven
Der Einsatz elektrischer und hybridisierter Antriebe ermöglicht die Energieeffizienz von Fahrzeugen zu steigern und gleichzeitig lokale Emissionen zu senken. Insbesondere innerstädtisch tragen schwere Nutzfahrzeuge durch hohe Kraftstoffverbräuche und starke Geräuschentwicklung auf anspruchsvollen Einsatzprofilen besonders zu auftretenden Emissionen bei. Bei Pkw und Linienbussen existieren bereits serienreife Fahrzeuge sowie verschiedene Ansätze für die Entwicklung und Bewertung alternativer Antriebe. Vorrangig durch energieintensive Arbeitsaggregate sowie erhöhte Komplexität, haben elektrifizierte Nutzfahrzeuge einen deutlich niedrigeren Technologiereifegrad und bestehende Methoden für den Produktentstehungsprozess sind ohne signifikante Änderungen nicht anwendbar.
In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Konzeptentwicklung elektrifizierter Nutzfahrzeuge vorgestellt. Basierend auf etablierten Vorgehensmodellen und Methoden in der Produktentstehung sowie den technischen Rahmenbedingungen der Elektro- und Hybridfahrzeuge wird eine strukturierte Methodik zur anwendungsorientierten Entwicklung von Fahrzeugsystemarchitekturen erarbeitet.
Zunächst wird eine umfangreiche fahrzeugspezifische Anforderungsanalyse in enger Abstimmung mit den Flottenbetreibern durchgeführt, um die Entwicklungsziele sowie Anforderungen an die Fahrzeuge durch Technologie, Flottenbetreiber und Fahrzeugeinsatzbeschreibung konkret zu identifizieren. Unterstützt wird die Auswertung durch Untersuchungen realer Fahrprofile und Energiebedarfssimulationen. Anschließend wird ein allgemeingültiger Lösungsraum für elektrifizierte Nutzfahrzeugsystemarchitekturen definiert und Fahrzeugkonzepte systematisch für einen spezifischen Fahrzeugtypen anhand der Anforderungsprofile entwickelt. Die ausgearbeiteten Konzepte werden in einem dritten Schritt einer mehrdimensionalen Bewertung unter Einbeziehung von Wirtschaftlichkeit, Umwelteinflüssen, technologischen Potentialen, betrieblichen Faktoren sowie der Bedeutung für das Unternehmens-Image unterzogen. Dabei werden sowohl Einzelkomponenten der Fahrzeuge als auch Antriebssystemstrukturen analysiert.
Die entwickelte Methodik wird in der vorliegenden Arbeit zunächst generisch beschrieben und auf deren wissenschaftlichen Neuheitsgrad eingegangen. Anschließend wird die Methode auf ein Papierkorbsammelfahrzeug und eine Großkehrmaschine für den innerstädtischen Betrieb angewendet sowie unterscheidende Charakteristika herausgestellt.
Besonders bei der Anwendung in interdisziplinären Teams erwies sich der vorgestellte Ansatz als effektives Hilfsmittel zur Identifikation geeigneter und umsetzbarer Konzepte für die Elektrifizierung von Nutzfahrzeugfuhrparks. Mit den Ergebnissen können die Erarbeitung einer unternehmensinternen Einführungsstrategie bei Flottenbetreibern gefördert und die Entwicklung anwendungsorientierter Fahrzeuggesamtsysteme bei Fahrzeugherstellern unterstützt werden.
Electric and hybrid drivetrains are a proven path towards higher energy efficiency and lower emissions for road vehicles. In the urban environment in particular, commercial vehicles significantly contribute to these emissions due to their high fuel consumption and noise generation. Consequently, there are production-ready electric and hybrid vehicles as well as applicable development and evaluation methodologies for passenger cars and public buses today. However, alternative commercial vehicles exhibit a much lower technology readiness level due to their energy-intensive auxiliaries, complex drivetrains as well as the absence of applicable product development processes for the specific vehicles.
Therefore, this dissertation introduces a new approach to the concept development of electric and hybrid commercial vehicles. Refining established product development models, a structured methodology for the application-oriented development of vehicle system architectures based on the technical framework of electrified vehicles is presented.
Firstly, an extensive analysis of vehicle-specific requirements is carried out in close collaboration with fleet operators, so as to define development objectives as well as requirements for utilized technology, fleet management and vehicle operation. The analysis is supported by the interpretation of real drive cycles and the results of energy consumption simulations. Secondly, a universal solution space for electric and hybrid commercial vehicle system architectures is defined. In that regard, vehicle concepts are systematically developed conforming to specific vehicle applications. Thirdly, the established concepts are evaluated in a multi-dimensional approach, including factors such as economic feasibility, environmental impact, technological benefits, operational effects and relevance to a company’s reputation. The assessment incorporates individual vehicle components as well as drivetrain system structures.
In this scientific thesis, the presented methodology is introduced universally, whilst its characteristics are described in-depth. The approach is then demonstrated on urban commercial vehicles for waste basket collection and street sweeping.
The methodology proved to be an effective tool to identify applicable and feasible concepts for electromobility in commercial vehicle fleets, especially when working in interdisciplinary teams. The results can support fleet operators formulating in-house implementation strategies and OEMs developing application-oriented electric and hybrid vehicle systems.
