Im Rahmen der hier vorgestellten, von der FFG geförderten Forschungstätigkeiten wurden unterschiedliche Betriebsstrategien für ein Parallel- Hybrid-Antriebskonzept für Non-Road-Anwendungen unter kundenrelevanten Einsatzprofilen entwickelt und untersucht. Die Bewertung erfolgte hinsichtlich Reduktion des Kraftstoffverbrauchs bzw. CO₂-Ausstoßes und der Emissionen zur Einhaltung der aktuellen gesetzlichen Rahmenbedingungen.

Bei konventionellen mobilen Arbeitsmaschinen werden heute überwiegend Dieselmotoren eingesetzt. Die Verbesserung der Effizienz spielt bei der Entwicklung eines neuen, alternativen Antriebskonzepts die zentrale Rolle, da der Kraftstoffverbrauch aufgrund der zu erfüllenden Arbeitsaufgaben der Maschinen absolut gesehen, im Vergleich zum Pkw, sehr hoch ist. Im Speziellen wurde der Einsatz eines elektrifizierten Parallel-Hybrid-Antriebssystems, bestehend aus einem 6-Zylinder-Dieselmotor entsprechend der aktuellen Europäischen Emissions-Gesetzgebungsstufe Euro IV (Richtlinie 2004/26/EG) in Verbindung mit einer elektrischen Motor/Generator-Einheit und einer Hochvolt-Traktionsbatterie untersucht. Als Basis für die Optimierungsaufgaben dienten reale Arbeitszyklen eines Radladers der Leistungsklasse 215 kW, die direkt bei verschiedenen Kundinnen und Kunden eines österreichischen Radlader- Herstellers aufgenommen wurden.

Simulationsumgebung

Der Betrieb eines Hybridantriebs erfordert die Koordination der einzelnen Antriebskomponenten. Die optimale Aufteilung der Antriebsleistung auf Verbrennungsmotor und elektrische Maschine sowie die Regelung des Betriebsdrehzahlniveaus in Abhängigkeit vom aktuellen Lastniveau erfolgt über ein zentrales Hybrid-Control-System (HCU), welches das Energiemanagement sowie die Betriebsstrategie beinhaltet. Die Entwicklung der dafür erforderlichen Funktions-Software erfolgte mithilfe einer virtuellen Entwicklungsumgebung in Form einer echtzeitfähigen Abbildung des Systemverhaltens des Hybridantriebs. Die Software-Funktionsentwicklung der HCU zur Steuerung, Regelung und Überwachung des Antriebs forderte, im Hinblick auf kurze Entwicklungszeiten und schnelle Erreichung der definierten Ziele, die Möglichkeit einer simulationsunterstützten vollständigen Überprüfung des Quellcodes. Durch eine CAE-gestützte Softwareentwicklung konnten Testmöglichkeiten in MiL, SiL und HiL (Model-, Software- und Hardware- in-the-Loop) eröffnet und genutzt werden. Der Zeitaufwand zur Erreichung eines hohen Reifegrades der Software konnte durch Nutzung dieser Entwicklungswerkzeuge und Methodik kurz gehalten werden. Auch der experimentelle Testaufwand in der anschließenden Validierungsphase am Motorprüfstand kann dadurch erheblich reduziert werden. Zeitaufwendige Entwicklungsschleifen durch Fehler in den Softwarefunktionen können bereits in frühen Entwicklungsstadien erkannt und behoben werden. Das Gesamtmodell des Antriebsstrangs wie auch der Hybrid-Regler sowie das Energiemanagement wurden im Programmpaket MathWorks MATLAB/SIMULINK umgesetzt.

Experimentelle Untersuchungen

Für die experimentellen Untersuchungen war der dieselelektrische Parallelhybridantrieb auf einem transienten Motorprüfstand innerhalb einer dafür entwickelten HiL-Umgebung (Hardware-in-the- Loop-Umgebung) mit RP-System (Rapid-Prototyping- System) und Batteriesimulator (BattSim) am Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik aufgebaut. Als RP-Werkzeug war eine durchgängige Produktkette von ETAS in Verwendung. Mit einer Integrationssoftware erfolgte die Vernetzung der Software mit der vorhandenen Hardware. Die Kommunikation zwischen den Komponenten innerhalb der HiL-Umgebung wurde über CAN-Busse realisiert. Die Beschreibung dieser Schnittstellen sowie die Parametrierung des Echtzeit- Betriebssystems (RTOS) und das Kompilieren des Maschinencodes wurden ebenfalls mit der Integrationssoftware durchgeführt. Als RP-Hardware kam eine kompakte Echtzeitplattform mit entsprechendem Schnittstellenmodul zum Einsatz.

Bewertung

Zur Bewertung des dieselelektrischen Parallelhybridantriebs wurden zunächst die Arbeitszyklen sowie der Gesetzgebungszyklus zur Ermittlung der Referenzniveaus mit dem Versuchsmotor im rein dieselmotorischen Betrieb am Prüfstand vermessen. Im Anschluss folgten die Untersuchungen mit dem Hybridantrieb und den unterschiedlichen Betriebsstrategien. Mit den im Rahmen dieses Forschungsprojekts entstandenen Ergebnissen konnte gezeigt werden, dass mit einem dieselelektrischen Parallelhybridantrieb in mobilen Arbeitsgeräten Verbrauchseinsparungen unter Einhaltung der gesetzlichen Rahmenbedingungen von bis zu 10 Prozent möglich sind. Aus wirtschaftlicher Sicht werden auch im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen die Mehrkosten für den komplexeren Antrieb und die effektiv mögliche Einsparung an Betriebskosten darüber entscheiden, inwieweit hybride Antriebslösungen vonseiten der Kundinnen und Kunden Akzeptanz finden.