Im Rahmen dieser Arbeit beschäftigt sich der Autor mit der Erstellung eines technischen Konzeptes für die Elektrifizierung eines Nutzfahrzeuges, genauer mit einer Straßenkehrmaschine.
Die Arbeit beginnt mit der Ermittlung der Anforderungen an die Leistung, die ein solches Nutzfahrzeug bereitstellen können muss. Hier wird besonders auf die notwendige Antriebsleistung zum Fortbewegen des Fahrzeuges und die Leistung für den Betrieb der Besen der Kehrmaschine eingegangen. Die Werte werden, wenn auch vereinfacht, neu errechnet, um auf ein Minimum der Leistung zu kommen und nicht durch vorangegangene Überdimensionierungen durch Sicherheitsfaktoren oder ähnliches eine "unnötig" hohe Anforderung zu haben. Anschließend wird eine Möglichkeit für die Elektrifizierung des Antriebsstranges herausgearbeitet, bei der auch Komponenten von dem aktuellen Stand der Technik eingearbeitet werden. Es soll aufgezeigt werden, ob die Entwicklung in diesem Bereich auf einem bereits ausreichenden Stand ist, um von einer erfolgreichen Realisation eines solchen Projektes ausgehen zu können. Darauf folgend wird auf den Bereich der Energiespeicherung eingegangen. Da die Leistungsaufnahme während einem täglichen Betrieb ausschlaggebend für eine mögliche, erfolgreiche Realisierung ist, wird diese mit der Leistung verglichen, die mit heutigen Speichermöglichkeiten bereitgestellt werden kann.
Mit dem Ergebnis der Arbeit soll aufgezeigt werden, dass die bereits vorhandene Technik reif ist für eine erfolgreiche Umsetzung eines solchen Projektes. Dadurch sollen Hersteller zur Realisierung einer elektrifizierten Straßenkehrmaschine angeregt werden, um im Bereich der Nutzfahrzeuge verstärkt zu einem umweltschonenden Betrieb zu gelangen.
Inhaltsverzeichnis
9 Einleitung
9.1 Motivation
9.2 Zielsetzung
9.3 Aufbau der Arbeit
10 Anforderungen
10.1 Technische Daten - konventionelle Motorisierung
10.2 Leistungsanforderung
10.2.1 Fahrleistung
10.2.1.1 Fahrleistung Fahrbetrieb
10.2.1.2 Fahrleistung Kehrbetrieb
10.2.1.3 Maximal- und Momentanleistung
10.2.2 Kehrleistung
10.2.3 Luftabsaugung
10.2.4 Hydraulikleistung
10.2.4.1 Kehrgutbehälter
10.2.4.2 Beseneinheit
10.2.4.3 Lenkung
10.2.4.4 Berechnung Hydraulikleistung
10.2.5 Hochdruckreiniger
10.2.6 Klimatisierung
10.2.6.1 Heizung
10.2.6.2 Klimaanlage
10.2.7 Sonstige Verbraucher
10.3 Nutzungsprofil
11 Konzept
11.1 Antriebsstrang
11.1.1 Grundlagen Elektromotor
11.1.1.1 Gleichstrommotoren Funktionsweise
11.1.1.2 Wechselstrommotor Funktionsweise
11.1.1.3 Motorenauswahl Antriebsmotoren
11.1.1.4 Motorenauswahl Bürsten
11.1.2 Elektrozylinder
11.1.3 Bordnetz
11.1.4 Leistungselektronik
11.1.4.1 Transistor
11.1.4.2 Gleichspannungswandler
11.1.4.3 Gleichrichter
11.2 Ladungsanforderung
11.3 Komponentenwechsel
11.3.1 Wegfallende Komponenten
11.3.2 Hinzukommende Komponenten
11.4 Konstruktiver Aufbau
11.4.1 Konventionelle Variante
11.4.2 Elektrifizierte Variante
11.4.3 Gegenüberstellung
12 Leistungsbilanz technische Anforderungen
13 Energiemanagement
13.1 Energiespeicher
13.1.1 Definition Akkumulator
13.1.2 Speichermöglichkeiten
13.1.3 Auswahl Energiespeicher
13.1.3.1 Vorteile eines Lithium-Ionen-Akkumulators
13.1.3.2 Nachteile eines Lithium-Ionen-Akkumulators
13.2 Batteriemanagement
13.3 Ladedauer
13.3.1 Normales Laden
13.3.2 Schnellladen
13.3.3 Induktive Lademöglichkeit
13.3.4 Rekuperation
13.3.4.1 Funktionsweise
13.3.4.2 Supercap
13.3.4.3 Beitrag zur Energieversorgung
13.4 Optimierung des Energieverbrauchs
13.4.1 Optimierung bei der Klimatisierung
13.4.2 Optimierung bei der Steuerungselektronik
13.4.3 Weitere Optimierungspotenziale
14 Leistungsbilanz Energiespeicher
15 Fazit / Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit verfolgt das Ziel, ein tragfähiges technisches Konzept für die vollständige Elektrifizierung einer kommunalen Straßenkehrmaschine (Beispielobjekt: Titan 740 DCR) zu entwickeln. Dabei steht die Überprüfung im Fokus, ob aktuelle Technologien ausreichen, um den täglichen Einsatzbetrieb ohne Einbußen bei der Leistungsfähigkeit zu gewährleisten.
- Ermittlung der notwendigen Leistungsanforderungen für Antrieb und Kehrbetrieb
- Entwurf eines elektrischen Antriebsstrangs und Auswahl geeigneter Komponenten
- Analyse der Energiespeicher- und Lademöglichkeiten unter Berücksichtigung von BMS
- Gegenüberstellung konventioneller und elektrifizierter Antriebssysteme
- Untersuchung von Optimierungspotenzialen zur Steigerung der Energieeffizienz
Auszug aus dem Buch
10.2.1.1 Fahrleistung Fahrbetrieb
Die Grafik in Abbildung 2 Kräfte - Antriebsleistung veranschaulicht in welche Richtung die Kraft für den Antrieb wirken muss und welche ihr entgegenwirken.
cw = 0,9 (LKW)4. Für diese Art Fahrzeug wurde in der Literatur kein cw-Wert gefunden, der Wert für einen LKW, sollte diesem aber ähnlich sein.
A = 1084 mm * 1969 mm = 1,084 m * 1,969 m = 2,13 m2
ρ = 1,29 kg/m3 (Dichte der Luft im Normzustand)5
FReibung (Reifen-Boden) = μFahren * FN(Fahrzeug) = 0,05 * 13,73 kN = 0,69 kN
μFahren = 0,05 (Fahrwiderstandszahl: Auto auf Pflaster)6
FN(Fahrzeug) = cos α * FGFahrzeug = 1 * (m * g) = 1400 kg * 9,81 m/s2 = 13734 N = 13,73 kN
Da von einer geraden Ebene ausgegangen wird ist cos α = 1.
FG = m * g
m = 1400 kg
Zusammenfassung der Kapitel
9 Einleitung: Die Arbeit motiviert die Elektrifizierung von Kommunalfahrzeugen, definiert die Zielsetzung der Umrüstung einer Kehrmaschine und erläutert den Aufbau der Thesis.
10 Anforderungen: Es werden die technischen Daten des Basismodells sowie die Leistungsanforderungen für Antrieb, Kehrbetrieb, Hydraulik und Hilfsverbraucher präzise berechnet und in Szenarien zusammengefasst.
11 Konzept: Der technische Entwurf umfasst die Auswahl von Komponenten für den elektrischen Antriebsstrang, das Bordnetz, die Leistungselektronik sowie den konstruktiven Aufbau inklusive des Komponentenwechsels.
12 Leistungsbilanz technische Anforderungen: Die ermittelten Leistungsbedarfe werden den Werten verfügbarer Komponenten gegenübergestellt, um die prinzipielle Machbarkeit aus technischer Sicht zu belegen.
13 Energiemanagement: Dieses Kapitel behandelt die Dimensionierung des Energiespeichers, Batteriemanagementsysteme, Ladeverfahren, Rekuperation sowie Ansätze zur Optimierung der Energieeffizienz.
14 Leistungsbilanz Energiespeicher: Auf Basis der vorangegangenen Daten wird bilanziert, ob die Energiekapazität und die Ladeleistung für den geforderten täglichen Arbeitseinsatz ausreichen.
15 Fazit / Ausblick: Die Arbeit schließt mit dem Ergebnis, dass eine technische Realisierung mit dem aktuellen Stand der Technik möglich ist, und empfiehlt weiterführende Wirtschaftlichkeitsanalysen.
Schlüsselwörter
Elektrifizierung, Straßenkehrmaschine, Antriebsstrang, Radnabenmotor, Lithium-Ionen-Akkumulator, Leistungsbilanz, Energiemanagement, Batteriemanagementsystem, Rekuperation, Elektromobilität, Nutzfahrzeug, DC/DC-Wandler, Schnellladen, Induktives Laden, Energieeffizienz
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht die technische Machbarkeit der Umrüstung einer kommunalen Straßenkehrmaschine vom konventionellen Dieselantrieb auf einen vollelektrischen Antriebsstrang.
Was sind die zentralen Themenfelder der Analyse?
Zentrale Themen sind die Ermittlung des Leistungsbedarfs, die Auswahl elektrischer Antriebskomponenten, das Design des Bordnetzes sowie die Dimensionierung eines passenden Energiespeichers.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die Erstellung eines technischen Konzepts, um nachzuweisen, dass heute verfügbare elektrische Komponenten ausreichen, um eine Kehrmaschine für einen sechs-Stunden-Arbeitstag zu betreiben.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Leistungsbestimmung verwendet?
Der Autor nutzt eine rechnerische Ermittlung auf Basis physikalischer Grundformeln (z.B. Kräfte- und Leistungsbilanz), unter Einbeziehung technischer Datenblätter und anwendungsspezifischer Auslastungsfaktoren.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Bedarfsanalyse (Leistungsanforderungen), das Konzept für den elektrischen Antriebsstrang (Motoren, Zylinder, Elektronik) und das Energiemanagement (Batterie, Laden, Rekuperation).
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich die Arbeit am besten charakterisieren?
Zu den wichtigsten Begriffen gehören Elektrifizierung, Straßenkehrmaschine, Radnabenmotor, Lithium-Ionen-Technologie, Leistungsbilanz und Energiemanagement.
Warum wird für den Antrieb ein Hochvolt-Bereich in Betracht gezogen?
Ein Hochvolt-Bereich ist notwendig, um bei hohem Leistungsbedarf die Stromstärke niedrig zu halten, was wiederum die erforderliche Kapazität (Ah) und die Kabelquerschnitte reduziert.
Welche Rolle spielt die Rekuperation in diesem Konzept?
Die Rekuperation dient der Energierückgewinnung beim Bremsen, um die Effizienz des Fahrzeugs zu steigern, wobei der Autor auch Superkondensatoren (Supercaps) als Alternative für die schnelle Aufnahme hoher Energien diskutiert.
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- Markus Netter (Author), 2016, Technisches Konzept für die Elektrifizierung eines kommunalen Nutzfahrzeuges, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/454008
