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-LKWs. Die Herausforderung besteht zum einen in der großen Anzahl an Fahrzeug-Komponenten, die in einem bestimmten Temperaturbereich gehalten werden müssen. Zum anderen stellen all diese Komponenten teils widersprüchliche Anforderungen an das Gesamtsystem. So unterscheiden sich z.B. die zulässigen Temperaturniveaus der Komponenten oder die Kühlmedien sind unterschiedlich. Das Entwicklungsziel ist daher trotz dieser Herausforderungen ein System zu finden, welches sowohl wirtschaftlich herstellbar ist, also aus möglichst wenigen und einfachen Komponenten besteht. In SeLv gelingt dies durch die geschickte Kopplung von drei Kühlkreisen. Dadurch kann Wärme zwischen den Kreisen ausgetauscht, Bauteile eingespart und die Effizienz gesteigert werden.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten ein Brennstoffzellensystem für einen LKW auszulegen. Es kann so dimensioniert werden, dass es den Großteil der benötigten Antriebsleistung bereitstellt. In diesem Fall werden die Brennstoffzellen sehr dynamisch betrieben, sehr ähnlich also zum Dieselmotor in konventionellen Fahrzeugen. Bei SeLv wurde ein anderer Ansatz gewählt. Hier werden die Brennstoffzellen als Reichweitenverlängerer eingesetzt. So können Sie kleiner dimensioniert und mit konstanter Leistung betrieben werden. Dies erhöht die Lebensdauer und Effizienz der Brennstoffzelle und senkt so die Fahrzeug und Betriebskosten. Außerdem können PKW-Brennstoffzellen verwendet werden, was durch den Skaleneffekt die Anschaffungskosten deutlich senkt.
Die Nebenaggregate bilden in SeLv zusammen mit einem Großteil des Thermomanagementsystems und dem Brennstoffzellensystem eine Montageeinheit. So ergibt sich ein Package, das einem Verbrennungsmotor (an dem ebenfalls alle relevanten Nebenaggregate angebunden werden) ähnelt und daher hervorragend für die Umrüstung bestehender Fahrzeuge eingesetzt werden kann. Auch wird so eine weitreichende Vormontage vieler Komponenten ermöglicht, was den Aufbau des Fahrzeugs entsprechend beschleunigt und eine Serienfertigung ermöglicht.
Um trotz verhältnismäßig kleinen Brennstoffzellen dem Fahrantrieb ausreichend Leistung zur Verfügung stellen zu können, werden Batterien mit vergleichsweiser großer Energiekapazität eingesetzt. Dies bringt mehrere Vorteile mit sich. So entsteht zum einen ein Modularer Baukasten, denn in Anwendungen, nur wenig Reichenweite fordern, kann auf die Brennstoffzelle verzichtet werden, ohne weitere Änderungen am Antriebssystem. Ein sehr großer Vorteil liegt jedoch in der Möglichkeit Energie zu Rekuperieren. Dies setzt eine ausreichend leistungsfähige Batterie voraus, wie sie in SeLv daher auch eingesetzt wird. Neben diesen Vorteilen ist sicherlich die Masse der Batterien ein möglicher Kritikpunkt. Dieser wird sich mit dem Fortschreiten der Batterietechnologie in den nächsten Jahren signifikant reduzieren.
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 hier Standardkomponenten aus dem PKW-Bereich eingesetzt und so kosten gespart werden. Die Tanks selbst fallen natürlich deutlich größer aus als im PKW. In SeLv kommen drei unterschiedliche Tanksysteme zum Einsatz, um auch hier jeder Anwendung gerecht werden zu können. Diese unterscheiden sich in Volumen und Druck-Niveau. So kann je nach geforderter Reichweite und verfügbarer Tankstelleninfrastruktur immer das passende System ausgewählt werden. Natürlich ist ein Fahrzeug mit Wasserstofftanks hinter der Kabine länger als ein konventionelles Fahrzeug – zumindest wenn es die gleiche Ladungsfläche haben soll.
Dieses Problem ist dem Gesetzgeber jedoch bereits bekannt und es wird an einer Lösung gearbeitet. Es ist denkbar, dass es für solche Fahrzeuge erlaubt wird, entsprechend länger zu sein – ganz ähnlich wie es bereits dem Gesamtgewicht der Fall ist. Batterieelektrische Fahrzeuge dürfen schon heute 2t schwerer sein als konventionelle Fahrzeuge, um deren Nutzlastnachteil auszugleichen. Übrigens: Alle anderen alternativen Antriebe dürfen nur 1t schwerer sein, hier wäre ein Anpassung zu Gunsten der Brennstoffzelle als Reichweitenverlängerer wünschenswert.
Die Power Distribution Unit (PDU) dient als Verteilereinheit im Hochspannungsbordnetz des Fahrzeugs. Die Hauptanschlüsse sehen die Anbindung der Batterie und der Brennstoffzelle als versorgende Komponenten sowie den Motor als Hauptverbraucher vor. Zusätzlich werden auch Nebenverbraucher wie die Kühlsysteme oder das Niederspannungsbordnetz über die PDU mit elektrischer Energie versorgt.
Der Fahrantrieb wird in SeLv durch zwei Inverter und zwei Elektromotoren, sowie einem Schaltgetriebe realisiert. Die Motoren sind auf der Antriebswelle gekoppelt, sodass sie vereinfacht gesagt gemeinsam einen großen Motor abbilden. Dennoch ergeben sich durch den Einsatz zweier gekoppelter Motoren 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 durchführen zu müssen. Zum anderen kann (bei leistungsstarken Fahrzeugen die beide Motoren nutzen) im Teillastbereich die Effizienz durch eine Lastpunktverschiebung zwischen den Motoren weiter gesteigert werden. Das SeLv-Fahrzeug wäre (im Gegensatz zu einem Diesel-Fahrzeug) auch ohne Schaltgetriebe einsetzbar. Jedoch können vor allem bei 41t Zuggesamtgewicht, mit einem Schaltgetriebe sowohl eine bessere Steigfähigkeit als auch ein niedriger Energieverbrauch bei hohen Fahrgeschwindigkeiten erreicht werden. Ohne Schaltgetriebe wäre die Auslegung immer ein Kompromiss zwischen beiden Eigenschaften.
Das Thermomanagementsystem ist das komplexeste Teilsystem eines Brennstoffzellen-LKWs.
Die Herausforderung besteht zum einen in der großen Anzahl an Fahrzeug-Komponenten, die in einem bestimmten Temperaturbereich gehalten werden müssen. Zum anderen stellen all diese Komponenten teils widersprüchliche Anforderungen an das Gesamtsystem. So unterscheiden sich z.B. die zulässigen Temperaturniveaus der Komponenten oder die Kühlmedien sind unterschiedlich.
Das Entwicklungsziel ist daher trotz dieser Herausforderungen ein System zu finden, welches sowohl wirtschaftlich herstellbar ist, also aus möglichst wenigen und einfachen Komponenten besteht.
In SeLv gelingt dies durch die geschickte Kopplung von drei Kühlkreisen. Dadurch kann Wärme zwischen den Kreisen ausgetauscht, Bauteile eingespart und die Effizienz gesteigert werden.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten ein Brennstoffzellensystem für einen LKW auszulegen. Es kann so dimensioniert werden, dass es den Großteil der benötigten Antriebsleistung bereitstellt. In diesem Fall werden die Brennstoffzellen sehr dynamisch betrieben, sehr ähnlich also zum Dieselmotor in konventionellen Fahrzeugen. Bei SeLv wurde ein anderer Ansatz gewählt. Hier werden die Brennstoffzellen als Reichweitenverlängerer eingesetzt. So können Sie kleiner dimensioniert und mit konstanter Leistung betrieben werden.
Dies erhöht die Lebensdauer und Effizienz der Brennstoffzelle und senkt so die Fahrzeug und Betriebskosten. Außerdem können PKW-Brennstoffzellen verwendet werden, was durch den Skaleneffekt die Anschaffungskosten deutlich senkt.
Die Nebenaggregate bilden in SeLv zusammen mit einem Großteil des Thermomanagementsystems und dem Brennstoffzellensystem eine Montageeinheit. So ergibt sich ein Package, das einem Verbrennungsmotor (an dem ebenfalls alle relevanten Nebenaggregate angebunden werden) ähnelt und daher hervorragend für die Umrüstung bestehender Fahrzeuge eingesetzt werden kann. Auch wird so eine weitreichende Vormontage vieler Komponenten ermöglicht, was den Aufbau des Fahrzeugs entsprechend beschleunigt und eine Serienfertigung ermöglicht.
Um trotz verhältnismäßig kleinen Brennstoffzellen dem Fahrantrieb ausreichend Leistung zur Verfügung stellen zu können, werden Batterien mit vergleichsweiser großer Energiekapazität eingesetzt.
Dies bringt mehrere Vorteile mit sich. So entsteht zum einen ein Modularer Baukasten, denn in Anwendungen, nur wenig Reichenweite fordern, kann auf die Brennstoffzelle verzichtet werden, ohne weitere Änderungen am Antriebssystem.
Ein sehr großer Vorteil liegt jedoch in der Möglichkeit Energie zu Rekuperieren. Dies setzt eine ausreichend leistungsfähige Batterie voraus, wie sie in SeLv daher auch eingesetzt wird. Neben diesen Vorteilen ist sicherlich die Masse der Batterien ein möglicher Kritikpunkt. Dieser wird sich mit dem Fortschreiten der Batterietechnologie in den nächsten Jahren signifikant reduzieren.
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 hier Standardkomponenten aus dem PKW-Bereich eingesetzt und so kosten gespart werden. Die Tanks selbst fallen natürlich deutlich größer aus als im PKW.
In SeLv kommen drei unterschiedliche Tanksysteme zum Einsatz, um auch hier jeder Anwendung gerecht werden zu können. Diese unterscheiden sich in Volumen und Druck-Niveau. So kann je nach geforderter Reichweite und verfügbarer Tankstelleninfrastruktur immer das passende System ausgewählt werden. Natürlich ist ein Fahrzeug mit Wasserstofftanks hinter der Kabine länger als ein konventionelles Fahrzeug – zumindest wenn es die gleiche Ladungsfläche haben soll.
Dieses Problem ist dem Gesetzgeber jedoch bereits bekannt und es wird an einer Lösung gearbeitet. Es ist denkbar, dass es für solche Fahrzeuge erlaubt wird, entsprechend länger zu sein – ganz ähnlich wie es bereits dem Gesamtgewicht der Fall ist.
Batterieelektrische Fahrzeuge dürfen schon heute 2t schwerer sein als konventionelle Fahrzeuge, um deren Nutzlastnachteil auszugleichen. Übrigens: Alle anderen alternativen Antriebe dürfen nur 1t schwerer sein, hier wäre ein Anpassung zu Gunsten der Brennstoffzelle als Reichweitenverlängerer wünschenswert.
Die Power Distribution Unit (PDU) dient als Verteilereinheit im Hochspannungsbordnetz des Fahrzeugs.
Die Hauptanschlüsse sehen die Anbindung der Batterie und der Brennstoffzelle als versorgende Komponenten sowie den Motor als Hauptverbraucher vor. Zusätzlich werden auch Nebenverbraucher wie die Kühlsysteme oder das Niederspannungsbordnetz über die PDU mit elektrischer Energie versorgt.
Der Fahrantrieb wird in SeLv durch zwei Inverter und zwei Elektromotoren, sowie einem Schaltgetriebe realisiert.
Die Motoren sind auf der Antriebswelle gekoppelt, sodass sie vereinfacht gesagt gemeinsam einen großen Motor abbilden.
Dennoch ergeben sich durch den Einsatz zweier gekoppelter Motoren 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 durchführen zu müssen. Zum anderen kann (bei leistungsstarken Fahrzeugen die beide Motoren nutzen) im Teillastbereich die Effizienz durch eine Lastpunktverschiebung zwischen den Motoren weiter gesteigert werden.
Das SeLv-Fahrzeug wäre (im Gegensatz zu einem Diesel-Fahrzeug) auch ohne Schaltgetriebe einsetzbar.
Jedoch können vor allem bei 41t Zuggesamtgewicht, mit einem Schaltgetriebe sowohl eine bessere Steigfähigkeit als auch ein niedriger Energieverbrauch bei hohen Fahrgeschwindigkeiten erreicht werden. Ohne Schaltgetriebe wäre die Auslegung immer ein Kompromiss zwischen beiden Eigenschaften.