Lösungsraumanalyse für Plug-In-Hybridfahrzeuge hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Bauraumkonzept

Description

Ein verändertes Umfeld für individuelle Mobilität lässt neben Elektrofahrzeugen auch PlugIn-Hybridfahrzeuge (PHEVs) in den Fokus der Öffentlichkeit rücken. Für die Entwicklung solcher Fahrzeugkonzepte existiert ein technischer Lösungsraum, der sich in Maßkonzept, Topologie, Komponententyp und -auslegung gliedert. In einem strukturierten Vorgehen wird der große technische Lösungsraum mit geeigneten Prämissen eingegrenzt. Der Lösungsraum aus Energieinhalt des elektrochemischen Hochvolt-Speichers (HV-Speicher) und Leistung der elektrischen Maschine wird hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Bauraumkonzept analysiert. In der Wirtschaftlichkeitsanalyse von PHEVs aus Käufersicht werden die Mehrkosten in der Anschaffung den reduzierten Verbrauchskosten bei der Nutzung eines PHEVs im Vergleich zu einem rein verbrennungsmotorischen Fahrzeug gegenübergestellt. Die Reduzierung der Verbrauchskosten resultiert aus der Kraftstoffverbrauchseinsparung eines PHEVs, ermittelt mit dem neuen europäischen Fahrzyklus und mit monatelang aufgezeichneten Realfahrten verschiedener Fahrer. Die Wirtschaftlichkeitsanalyse zeigt, dass ein PHEV für Käufer ein attraktives Angebot darstellt, vor allem zukünftig sowie abhängig vom Fahr- und Nutzungsprofil. Außerdem wird der optimale Auslegungsbereich des elektrischen Systems eines PHEVs identifiziert. Für das Optimum darf der Energieinhalt des HV-Speichers nicht zu klein gewählt werden aufgrund eines hohen Grundbetrags an zusätzlichen Herstellkosten für Automobilhersteller, der im Rahmen von Mehrkosten an Käufer weitergegeben wird. HVSpeicher mit eher höherem Energieinhalt sind auch außerhalb des Optimums wegen der stärker steigenden Mehrkosten im Vergleich zum geringer zunehmenden Verbrauchsvorteil. Der Schwerpunkt der Bauraumkonzeptanalysen liegt auf der geometrischen Integration des HV-Speichers in das Gesamtfahrzeug. Dies stellt eine große Herausforderung dar aufgrund der geringen Energiedichte des HV-Speichers im Vergleich zu Benzin. Die Bauraumanalyse identifiziert bevorzugte Integrationsmöglichkeiten bei PHEVs im Tunnel- und Tankbereich sowie deren Kombination. Der in diesen Bauräumen mögliche Energieinhalt wird durch die HV-Speicheranalyse festgelegt. Der ermittelte optimale Auslegungsbereich im Lösungsraum des elektrischen Systems hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit aus Käufersicht wird unter geometrischen Randbedingungen aus der Bauraumkonzeptanalyse weiter eingegrenzt. Der Kern des ganzheitlichen Ansatzes sind entwickelte parametrische Modelle für die Anwendung in der frühen Entwicklungsphase auf Komponenten- und Gesamtfahrzeugebene in MATLAB, MS Excel und CATIA V5. Neben den Ergebnissen für das Jahr 2011/12 zeigen Prognosen die Entwicklungen bis in die Jahre 2020 und 2025. Sensitivitätsanalysen zeigen die Auswirkungen von Variation der Parameter und Prämissen. Der interdisziplinäre Ansatz mit der erstmaligen Kombination von Kosten, Verbrauch und Bauraumkonzept eines PHEVs zur optimalen Auslegung des elektrischen Systems stellt den wissenschaftlichen Beitrag dar.