Elektrifizierung des Schwerlastverkehrs –
Enabling Green Logistics

Elektrifizierung des Schwerlastverkehrs – Enabling Green Logistics

Elektrifizierung des Schwerlastverkehrs – Enabling Green Logistics

Das Fahrzeug

Das Fahrzeug

Das Thermomanagementsystem ist das komplexeste Teilsystem eines Brennstoffzellen-Lkw. Die Herausforderung besteht zum einen in der großen Anzahl von Fahrzeug-Komponenten, die innerhalb eines bestimmten und häufig engen Temperaturbereichs gehalten werden müssen. Zum anderen lassen sich nicht alle Komponenten in einen Kühlkreislauf kombinieren, denn beispielsweise unterscheiden sich die zulässigen Temperaturniveaus der einzelnen Komponenten voneinander, oder die Kühlmedien sind unterschiedlich beschaffen. Trotz dieser Herausforderungen besteht das Entwicklungsziel darin, ein System zu finden, das sowohl wirtschaftlich herzustellen ist als auch aus möglichst wenigen und einfachen Komponenten besteht. Im Projekt „SeLv“ wird das durch die geschickte Kopplung von drei Kühlkreisläufen erreicht. So gelingt es, die Wärme zwischen den Kreisläufen auszutauschen, Bauteile einzusparen und die Effizienz zu optimieren, was die Reichweite des Fahrzeugs erhöht. Das Team forscht außerdem an einem prädiktiven Thermomanagement, das GPS-Daten nutzt, um sich an die Fahrbedingungen anzupassen und dadurch ebenfalls die Effizienz zu steigern.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten, ein Brennstoffzellensystem für einen Lkw auszulegen. Beispielsweise lässt es sich so dimensionieren, dass es den Großteil der benötigten Antriebsleistung bereitstellt. In diesem Fall werden die Brennstoffzellen äußerst dynamisch betrieben – und damit sehr ähnlich zum Dieselmotor aus konventionellen Fahrzeugen. Das „SeLv“-Projekt verfolgt einen anderen Ansatz, indem es die Brennstoffzellen als Reichweitenverlängerer nutzt. So können sie kleiner dimensioniert und mit konstanter Leistung betrieben werden. Das erhöht die Lebensdauer und Effizienz der Brennstoffzelle und senkt die Fahrzeug- und Betriebskosten. Außerdem lassen sich Pkw-Brennstoffzellen verwenden, was durch den Skaleneffekt die Anschaffungskosten deutlich vermindert.
Die Nebenaggregate bilden im „SeLv“-Projekt zusammen mit einem Großteil des Thermomanagementsystems und dem Brennstoffzellensystem eine Montageeinheit. Damit ergibt sich eine Einheit, die einem Verbrennungsmotor ähnelt, an dem ebenfalls alle relevanten Nebenaggregate angebunden werden, und die sich daher bestmöglich für die Umrüstung bestehender Fahrzeuge eihnet. Darüber hinaus wird eine weitreichende Vormontage zahlreicher Komponenten ermöglicht, was den Aufbau des Fahrzeugs beschleunigt und eine Serienfertigung erlaubt.
Um dem Fahrzeug ausreichend Leistung zur Verfügung zu stellen, baut „SeLv“ auf Batterien mit einem Energiegehalt von 367,58 Kilowattstunden – ein Setup für optimale Kosteneffizienz. Ist nur eine geringe Reichweite gefordert, macht es das Prinzip des modularen Antriebsstrang-Baukastens zudem möglich, auf die Brennstoffzelle zu verzichten, ohne weitere Änderungen am Antriebssystem vornehmen zu müssen. Die derzeitige Masse der Batterien wird sich mit dem erwartbaren Technologiefortschritt in den kommenden Jahren massiv reduzieren. Mit der Verwendung von Lithium-Eisenphosphat-Batterien hat „SeLv“ außerdem bereits eine Zellchemie ausgewählt, die weniger seltene Erden und kritische Rohstoffe beinhaltet. Darüber hinaus sind die Akkus langlebiger als die herkömmlichen Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Batterien. Die Energieaufnahme über Batterien ist nach aktuellem Stand der Technik günstiger als diejenige über Wasserstoff-Komponenten. Da das gleiche auch für die Komponentenpreise gilt, ist das „SeLv“-Konzept besonders kosteneffizient und seriennah.
Das Tanksystem hat die Aufgabe, das Brennstoffzellensystem mit ausreichend Wasserstoff zu versorgen. Durch die kleine Dimensionierung der Brennstoffzellen können bei Leistungen, Filtern und Ventilen auch in diesem Bereich kostengünstige Standardkomponenten aus dem Pkw verwendet werden. Im „SeLv“-Projekt kommen drei unterschiedliche Tanksysteme zum Einsatz, diese sich in Volumen und Druck-Niveau voneinander unterscheiden, um jeder Anwendung gerecht zu werden. So lässt sich je nach geforderter Reichweite und verfügbarer Tankstellen-Infrastruktur immer das passende System auswählen. Fahrzeuge mit Wasserstofftanks hinter der Kabine sind länger als konventionelle Fahrzeuge – zumindest, wenn sie über die gleiche Ladungsfläche verfügen sollen. Dieses Problem ist dem Gesetzgeber bekannt, so dass derzeit an einer regulatorischen Lösung gearbeitet wird. Denkbar ist daher, dass solchen Fahrzeugen künftig eine entsprechende Überlänge erlaubt wird, wie es beim Gesamtgewicht bereits der Fall ist. Batterieelektrisch betriebene Fahrzeuge dürfen schon heute zwei Tonnen schwerer sein als konventionelle Fahrzeuge, um deren Nutzlastnachteil auszugleichen. Alle anderen alternativen Antriebe dürfen aktuell nur eine Tonne schwerer sein. Eine Anpassung zugunsten der Brennstoffzelle als Reichweitenverlängerer ist also erstrebenswert.
Die „Power Distribution Unit“ (PDU) fungiert als Verteilereinheit im Hochspannungsbordnetz des Fahrzeugs. Bei „SeLv“ steht die Anbindung der Batterie und der Brennstoffzelle als versorgende Komponenten sowie der Antriebseinheit als Hauptverbraucher im Fokus. Auch Nebenverbraucher wie die Kühlsysteme oder das Niederspannungsbordnetz werden über die PDU mit elektrischer Energie versorgt. Darüber hinaus versorgt die PDU Komponenten zur Überwachung von Strom, Spannung und Isolation.
Der Fahrantrieb wird Im Projekt „SeLv“ durch zwei Inverter und zwei Elektromotoren sowie ein Drei-Gang-Schaltgetriebe realisiert. Die Motoren sind auf der Antriebswelle gekoppelt, so dass sie – vereinfacht gesagt – gemeinsam einen großen Motor bilden. Durch den Einsatz zweier gekoppelter Motoren ergeben sich unterdessen einige Vorteile. Zum einen wird so dem Baukasten-Gedanken Rechnung getragen: Für Fahrzeuge mit weniger Leistungsbedarf kann einfach ein Motor entfallen, ohne weitere Änderungen am Gesamtsystem notwendig zu machen. Zum anderen lässt sich bei leistungsstarken Fahrzeugen, die beide Motoren nutzen, im Teillastbereich die Effizienz durch eine Lastpunktverschiebung zwischen den Motoren weiter steigern. Der „SeLv“-Lkw wäre im Gegensatz zu einem Diesel-Fahrzeug auch ohne Schaltgetriebe einsetzbar. Allerdings lassen sich vor allem bei 41 Tonnen Zuggesamtgewicht mit einem Schaltgetriebe sowohl eine bessere Steigfähigkeit als auch ein niedrigerer Energieverbrauch bei hohen Fahrgeschwindigkeiten erreichen. Ohne Schaltgetriebe wäre die Auslegung immer ein Kompromiss zwischen beiden Eigenschaften.

Das Thermomanagementsystem ist das komplexeste Teilsystem eines Brennstoffzellen-Lkw. Die Herausforderung besteht zum einen in der großen Anzahl von Fahrzeug-Komponenten, die innerhalb eines bestimmten und häufig engen Temperaturbereichs gehalten werden müssen. Zum anderen lassen sich nicht alle Komponenten in einen Kühlkreislauf kombinieren, denn beispielsweise unterscheiden sich die zulässigen Temperaturniveaus der einzelnen Komponenten voneinander, oder die Kühlmedien sind unterschiedlich beschaffen. Trotz dieser Herausforderungen besteht das Entwicklungsziel darin, ein System zu finden, das sowohl wirtschaftlich herzustellen ist als auch aus möglichst wenigen und einfachen Komponenten besteht. Im Projekt „SeLv“ wird das durch die geschickte Kopplung von drei Kühlkreisläufen erreicht. So gelingt es, die Wärme zwischen den Kreisläufen auszutauschen, Bauteile einzusparen und die Effizienz zu optimieren, was die Reichweite des Fahrzeugs erhöht. Das Team forscht außerdem an einem prädiktiven Thermomanagement, das GPS-Daten nutzt, um sich an die Fahrbedingungen anzupassen und dadurch ebenfalls die Effizienz zu steigern.

Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten, ein Brennstoffzellensystem für einen Lkw auszulegen. Beispielsweise lässt es sich so dimensionieren, dass es den Großteil der benötigten Antriebsleistung bereitstellt. In diesem Fall werden die Brennstoffzellen äußerst dynamisch betrieben – und damit sehr ähnlich zum Dieselmotor aus konventionellen Fahrzeugen. Das „SeLv“-Projekt verfolgt einen anderen Ansatz, indem es die Brennstoffzellen als Reichweitenverlängerer nutzt. So können sie kleiner dimensioniert und mit konstanter Leistung betrieben werden. Das erhöht die Lebensdauer und Effizienz der Brennstoffzelle und senkt die Fahrzeug- und Betriebskosten. Außerdem lassen sich Pkw-Brennstoffzellen verwenden, was durch den Skaleneffekt die Anschaffungskosten deutlich vermindert.
Die Nebenaggregate bilden im „SeLv“-Projekt zusammen mit einem Großteil des Thermomanagementsystems und dem Brennstoffzellensystem eine Montageeinheit. Damit ergibt sich eine Einheit, die einem Verbrennungsmotor ähnelt, an dem ebenfalls alle relevanten Nebenaggregate angebunden werden, und die sich daher bestmöglich für die Umrüstung bestehender Fahrzeuge eihnet. Darüber hinaus wird eine weitreichende Vormontage zahlreicher Komponenten ermöglicht, was den Aufbau des Fahrzeugs beschleunigt und eine Serienfertigung erlaubt.
Um dem Fahrzeug ausreichend Leistung zur Verfügung zu stellen, baut „SeLv“ auf Batterien mit einem Energiegehalt von 367,58 Kilowattstunden – ein Setup für optimale Kosteneffizienz. Ist nur eine geringe Reichweite gefordert, macht es das Prinzip des modularen Antriebsstrang-Baukastens zudem möglich, auf die Brennstoffzelle zu verzichten, ohne weitere Änderungen am Antriebssystem vornehmen zu müssen. Die derzeitige Masse der Batterien wird sich mit dem erwartbaren Technologiefortschritt in den kommenden Jahren massiv reduzieren. Mit der Verwendung von Lithium-Eisenphosphat-Batterien hat „SeLv“ außerdem bereits eine Zellchemie ausgewählt, die weniger seltene Erden und kritische Rohstoffe beinhaltet. Darüber hinaus sind die Akkus langlebiger als die herkömmlichen Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Batterien. Die Energieaufnahme über Batterien ist nach aktuellem Stand der Technik günstiger als diejenige über Wasserstoff-Komponenten. Da das gleiche auch für die Komponentenpreise gilt, ist das „SeLv“-Konzept besonders kosteneffizient und seriennah.
Das Tanksystem hat die Aufgabe, das Brennstoffzellensystem mit ausreichend Wasserstoff zu versorgen. Durch die kleine Dimensionierung der Brennstoffzellen können bei Leistungen, Filtern und Ventilen auch in diesem Bereich kostengünstige Standardkomponenten aus dem Pkw verwendet werden. Im „SeLv“-Projekt kommen drei unterschiedliche Tanksysteme zum Einsatz, diese sich in Volumen und Druck-Niveau voneinander unterscheiden, um jeder Anwendung gerecht zu werden. So lässt sich je nach geforderter Reichweite und verfügbarer Tankstellen-Infrastruktur immer das passende System auswählen. Fahrzeuge mit Wasserstofftanks hinter der Kabine sind länger als konventionelle Fahrzeuge – zumindest, wenn sie über die gleiche Ladungsfläche verfügen sollen. Dieses Problem ist dem Gesetzgeber bekannt, so dass derzeit an einer regulatorischen Lösung gearbeitet wird. Denkbar ist daher, dass solchen Fahrzeugen künftig eine entsprechende Überlänge erlaubt wird, wie es beim Gesamtgewicht bereits der Fall ist. Batterieelektrisch betriebene Fahrzeuge dürfen schon heute zwei Tonnen schwerer sein als konventionelle Fahrzeuge, um deren Nutzlastnachteil auszugleichen. Alle anderen alternativen Antriebe dürfen aktuell nur eine Tonne schwerer sein. Eine Anpassung zugunsten der Brennstoffzelle als Reichweitenverlängerer ist also erstrebenswert.
Die „Power Distribution Unit“ (PDU) fungiert als Verteilereinheit im Hochspannungsbordnetz des Fahrzeugs. Bei „SeLv“ steht die Anbindung der Batterie und der Brennstoffzelle als versorgende Komponenten sowie der Antriebseinheit als Hauptverbraucher im Fokus. Auch Nebenverbraucher wie die Kühlsysteme oder das Niederspannungsbordnetz werden über die PDU mit elektrischer Energie versorgt. Darüber hinaus versorgt die PDU Komponenten zur Überwachung von Strom, Spannung und Isolation.
Der Fahrantrieb wird Im Projekt „SeLv“ durch zwei Inverter und zwei Elektromotoren sowie ein Drei-Gang-Schaltgetriebe realisiert. Die Motoren sind auf der Antriebswelle gekoppelt, so dass sie – vereinfacht gesagt – gemeinsam einen großen Motor bilden. Durch den Einsatz zweier gekoppelter Motoren ergeben sich unterdessen einige Vorteile. Zum einen wird so dem Baukasten-Gedanken Rechnung getragen: Für Fahrzeuge mit weniger Leistungsbedarf kann einfach ein Motor entfallen, ohne weitere Änderungen am Gesamtsystem notwendig zu machen. Zum anderen lässt sich bei leistungsstarken Fahrzeugen, die beide Motoren nutzen, im Teillastbereich die Effizienz durch eine Lastpunktverschiebung zwischen den Motoren weiter steigern. Der „SeLv“-Lkw wäre im Gegensatz zu einem Diesel-Fahrzeug auch ohne Schaltgetriebe einsetzbar. Allerdings lassen sich vor allem bei 41 Tonnen Zuggesamtgewicht mit einem Schaltgetriebe sowohl eine bessere Steigfähigkeit als auch ein niedrigerer Energieverbrauch bei hohen Fahrgeschwindigkeiten erreichen. Ohne Schaltgetriebe wäre die Auslegung immer ein Kompromiss zwischen beiden Eigenschaften.