Verbrauch

Vergleich der Simulationsmodelle

In Tabelle Tabelle 1 werden geregelte Simulationsmodelle mit ungeregelten, fahrwiderstandsbasierte Berechnungen verglichen.

Tabelle 1: Vergleich der Simulationsmodelle

Aspekt	Geregeltes Simulationsmodell	Ungeregelte, fahrwiderstandsbasierte Berechnung
Modellansatz	Physikalisch geregeltes Längsdynamikmodell	Rein mathematische Fahrwiderstandsberechnung
Fahrer / Regelung	Expliziter Fahrerregler (PI-Regler)	Kein Fahrer – oder Regelungsmodell
Modellabtastrate	Hochfrequent 1kHz Zeitschritt: 0.001 s	Niedrigfrequent (1Hz, wie rekonstruiertes Signal) Zeitschritt: 1s
Fahrdynamik	Vollständig abgebildet (Beschleunigen, Bremsen, Rekuperation)	Implizit über Geschwindigkeit, keine Dynamikbegrenzung
Physikalische Grenzen	Berücksichtigt (Leistung, Drehmoment, Masse)	Nicht explizit berücksichtigt
Unrealistische Fahrsituationen	Physikalisch ausgeschlossen	Können in Einzelfällen auftreten
Fahrwiderstände	Vollständig berücksichtigt	Vollständig berücksichtigt
Energieverbrauch	Sehr realitätsnah	Näherungsweise, abhängig von Eingangsdaten
Batterie-SOC	Detaillierte SOC-Simulation	Vereinfachte energetische Abschätzung
Rechenaufwand	Höher	Sehr gering
Einsatzgebiet	Validierung, Detailanalysen, realitätsnahe Simulation	Schnelle Abschätzungen, Flotten- und Szenarioanalysen

Geregeltes Simulationsmodel

Das geregelte Simulationsmodell, siehe Abbildung 1, dient zur detaillierten Berechnung von Energieverbrauch und Batterieladezustand (SOC) auf Basis der rekonstruierten Strecken- und Fahrdaten. Der Schwerpunkt liegt auf einer realitätsnahen Abbildung des Fahrzeugverhaltens bei gleichzeitig akzeptabler Rechenzeit.

• Die Längsdynamik des Elektrobusses wird über eine physikalische Regelschleife abgebildet, bestehend aus Fahrerregler, Antrieb und Fahrzeugdynamik.
• Die Simulation erfolgt mit einem hochfrequenten Zeitschritt (XX ms?), wodurch Beschleunigungs-, Brems- und Rekuperationsvorgänge detailliert aufgelöst werden.
• Das Fahrzeugverhalten ist dabei durch die physikalischen Grenzen des Elektrobusses (Leistung, Drehmoment, Masse) limitiert.
• Unrealistische oder nicht fahrbare Fahrsituationen können somit nicht entstehen.

Dieses Modell eignet sich insbesondere für validierungsnahe Analysen, detaillierte Fahrdynamikbetrachtungen und die Bewertung realer Betriebsstrategien. Grundidee und Modellansatz:

• Referenzfahrzeug: MAN Lion’s City 12 E, da hierfür Validierungsdaten aus dem realen Flottenbetrieb vorliegen
• Das Modell ist parametrisierbar und kann auf andere Bustypen angepasst werden
• Verwendet wird ein rein longitudinales Fahrdynamikmodell
  • ausreichend genau für Energiebetrachtungen
  • kurze Rechenzeiten, keine detaillierte Abbildung einzelner Antriebskomponenten
• Elektrischer Antriebsstrang wird wirkungsgradbasiert über Kennfelder modelliert

Abbildung 1: Simulationsmodell

Eingangsdaten des Modells:

• Rekonstruiertes Geschwindigkeitsprofil \(v_{\text{por}}(t)\) (zeitabhängig, 1 Hz)
• Steigungsprofil der Straße \(\lambda (t)\) (wegabhängig)
• Außentemperatur (Einfluss auf HVAC-Verbrauch)

Die Rekonstruktion der Strecke (Geschwindigkeit und Steigung) erfolgt über die zuvor beschriebene Map-Matching-, Resampling- und POR-Methodik.

Fahrer- und Antriebsmodell:

• Geschwindigkeitsregelung über einen PI-Fahrerregler (Driver Controller)
• Der Regler erzeugt Gas- und Bremssignale, um der Sollgeschwindigkeit zu folgen
• Motordrehmoment wird aus:
  • Fahrpedalstellung
  • sowie Motordrehzahl (aus Fahrzeuggeschwindigkeit & Übersetzung) bestimmt
  • und durch ein Drehmomentkennfeld der E-Maschine begrenzt
• Rekuperation wird explizit berücksichtigt
• Mechanische Bremse ergänzt die Rekuperation bei starken Verzögerungen

Berücksichtigte Fahrwiderstände: Das Modell berücksichtigt alle wesentlichen physikalischen Widerstände:

• Rollwiderstand
• Luftwiderstand
• Steigungswiderstand (aus Höhenprofil der Route)
• Trägheitswiderstand (Massenbeschleunigung inkl. Rotierender Massen)

Aus dem gestellten Motordrehmoment (vorgegeben durch Fahrerregler welcher dem Rekonstruiertem Geschwindigkeitsprofil verfolgt) und den Fahrwiderständen ergibt sich die resultierende Fahrzeugbewegung die wiederum an den Fahrerregler rückgeführt wird.

Leistungs und Energieberechnung: Die benötigte Antriebsleistung wird aus:

• Motorkraft \(F_{\text{motor}}\)
• Und Fahrzeuggeschwindigkeit berechnet \(v_{\text{vehicle}}\)
• Die Rekuperationsleistung sowie Wirkungsgrade von Motor, Getriebe und Leistungselektronik werden berücksichtigt.
• Zusätzlich fließen ein:
  • HVAC-Leistungsbedarf \(P_{\text{HVAC}}\) (Temperaturabhängig über Kennfeld)
  • Nebenverbraucher \(P_{\text{aux}}\) (z.B. Türen, Anzeigen, Konpressoren)
• Durch Integration der Gesamtleistung \(P_{\text{total}}\) wird der Energieverbrauch der Fahrt \(E_{\text{use}}\) bestimmt.

Batteriemodell und SOC-Berechnung:

• Verwendung eines kennfeldbasierten Batteriemodells
• Modelliert werden:
  • Open-Circuit-Voltage (abhängig von SOC & Temperatur)
  • Innenwiderstand (abhängig von SOC & Temperatur)
• Batteriedaten orientieren sich an einem NMC-Zellmodell
• Annahmen für den MAN-BUS:
  • 800V-Systemspannung
  • 480 kWh Gesamtenergie
  • Ca. 65% nutzbare Kapazität
• Batteriestrom wird aus der Gesamtleistung und der aktueller Batteriespannung berechnet
• Daraus ergibt sich der SOC-Verlauf über die gesamte Route

Ergebnis:

• Simulation von beliebigen Streckenabschnitten möglich
• Berechnung von:
  • Energieverbrauch
  • Leistungsflüssen
  • Batterieladezustand (SOC)
• Direkte Kopplung mit realen, rekonstruierten Flottendaten ermöglicht praxisnahe Bewertung von Reichweite, Topografie-Einfluss und Betriebsstrategien

Ungeregelte, fahrwiderstandsbasierte Berechnung

Das ungeregelte Modell verfolgt einen deutlich vereinfachten, rein mathematischen Ansatz zur Abschätzung des Energieverbrauchs entlang der rekonstruierten Strecke.

• Die Berechnung basiert ausschließlich auf den physikalischen Fahrwiderständen, die sich aus:
  • Fahrzeugmasse
  • Geschwindigkeit
  • Straßensteigung
  • Luft- und Rollwiderstand ergeben.
• Auf eine explizite Fahrer- oder Regelungsmodellierung wird bewusst verzichtet.
• Die Berechnung erfolgt direkt auf Basis der rekonstruierten Geschwindigkeit mit 1-Hz-Abtastrate, was den Modellaufbau und die Rechenzeit deutlich reduziert.
• Aufgrund der fehlenden physikalischen Regelschleife können in Einzelfällen nicht realisierbare Fahrsituationen auftreten (z. B. unrealistisch hohe Beschleunigungen).
• Diese Effekte werden im geregelten Modell automatisch durch die Fahrzeugdynamik begrenzt.

Das ungeregelte Modell eignet sich besonders für schnelle Abschätzungen, großskalige Flottenanalysen oder Sensitivitätsstudien, bei denen Rechenzeit wichtiger ist als eine exakte fahrdynamische Abbildung.