Die EEBC-Methode:
Analyse – Problemdefinition – Lösung

Umfassende Analyse als Grundlage zur Elektrifizierung einer Fahrzeugflotte

Ausschlaggebend für den sinnvollen und wirtschaftlichen Betrieb von Elektrofahrzeugen ist die genaue Kenntnis über die Ist-Situation der Fahrzeugflotte und deren Streckenführung unter der Berücksichtigung technischer Anforderungen.

EEBC erfasst aus diesem Grund – auf Basis wissenschaftlicher Methoden – alle relevanten Betriebsdaten im laufenden Betrieb für eine umfassende Analyse. Unsere Vorgehensweise wird im folgenden Beispiel anhand der Elektrifizierung der Buslinie M von Musterstadt veranschaulicht.

Diese Methodik kann auch auf Analysen für andere Elektrofahrzeuge und Einsatzgebiete angewendet werden.

 

Simulationsablauf Musterstadt: Datenbasis und Betrachtungsumfang

Bereits im Vorfeld zur Simulation werden im Rahmen der Analyse neben vielen anderen Daten auch genaue Streckendaten und Beförderungskapazitäten in der Musterstadt erfasst. Die Linienführung der Buslinie M wird als GPS Profil inklusive aller Haltestellen und verkehrsbedingten Stopps aufgenommen und später als Datenbasis zur Simulation genutzt. Selbstverständlich werden an dieser Stelle auch Geschwindigkeitsbeschränkungen und andere verkehrstechnische Besonderheiten vor Ort aufgenommen.

Stadtplan Musterstadt und Streckenplan Muster-Buslinie M

Stadtplan Musterstadt und Streckenplan Muster-Buslinie M

Im vorliegenden Beispiel sind Hin- und Rückweg der Buslinie M unterschiedlich gestaltet. Pro Umlauf der 13,4 km langen Linie werden 34 Haltestellen angefahren. Über den gesamten Tag werden 14 Fahrten durchgeführt und damit eine Gesamtstrecke von 188 km im Linienbetrieb umgesetzt.

Für den Energieverbrauch eines Fahrzeuges sind neben den Fahrstrecken vor allem die zu überwindenden Höhendifferenzen ausschlaggebend. Um auch hier eine verlässliche Datenbasis zu erlangen wird anhand der GPS Daten auch ein genaues Höhenprofil der gesamten Linie erstellt.

Höhenprofil Muster-Buslinie M

Höhenprofil der Muster-Buslinie M

Im Beispiel wünscht der Kunde die ausschließliche Betrachtung von Buslinie M. Als Randbedingung soll jedwede Ladeinfrastruktur auf der Linie vermieden werden. Als Konzept-Entwurf soll ein rein batterie-elektrisches System mit Batterie-Extender simuliert werden. Natürlich lassen sich auch andere Konzepte, wie induktive oder konduktive Nachladung an ausgewählten Haltestellen, wie im Beispiel simulieren. Dafür werden die Streckendaten und Simulationsparameter entsprechend angepasst.

 

Simulation und Berechnung des Energiebedarfs

Die EEBC Simulations-Methode erlaubt es neben vielen anderen Aspekten den Energiebedarf zu berechnen, unterschiedliche Ladekonzepte zu studieren, die für eine Linie optimale Abstimmung von Batterie und Antrieb zu ermitteln und sogar den Einfluss des Fahrerverhaltens auf den Verbrauch quantitativ zu bestimmen. An dieser Stelle wird nur das Grundprinzip stark vereinfacht dargestellt.

Auf Basis der gewonnenen Daten wird die Linienführung mit Fahrstrecken und Höhenprofil als Bewegungsprofil im Fahrsimulator programmiert. Neben Geschwindigkeitsbeschränkungen, Haltestellen und verkehrsbedingten Stopps werden natürlich auch die Fahrten von Depot zur Linie und Parameter wie beispielsweise das Fahrgastaufkommen (Zuladung) berücksichtigt. Das von installierter Batteriekapazität stark abhängige Fahrzeugleergewicht wird ebenfalls als Parameter eingepflegt. Nach entsprechender Simulation wird das Geschwindigkeitsprofil im Linienverlauf genau berechnet. Im nachfolgenden Diagramm wird es (blaue Kurve) im Kontrast zum Höhenprofil dargestellt.

Geschwindigkeitsprofil Muster-Buslinie M

Geschwindigkeitsprofil der Muster-Buslinie M

Anhand der bisher gewonnenen Informationen werden der Energieverbrauch des Fahrzeuges und der Ladezustand der installierten Batteriekapazität über die 14 Linienumläufe pro Tag berechnet und aufgezeichnet. Das Geschwindigkeitsprofil wird im Simulator so oft durchfahren, bis die Batterie den minimal zulässigen Ladezustand (hier: 5 %) erreicht. Die Berechnung beginnt im Beispiel vor Linienaufnahme mit einem Ladezustand von 95%.

Die Simulations-Parameter "installierte Batteriekapazität" (Fahrzeug und Batterie-Extender) und davon abhängig "Fahrzeugleergewicht" werden iterativ optimiert, bis der Tagesumlauf inklusive notwendiger Reserven mit dem angedachten Konzept umgesetzt werden kann.

Im folgenden Diagramm werden Geschwindigkeitsprofil (blau), Ladezustand der Batterie (grün) und Batterietemperatur (rot) gegeneinander aufgezeichnet. Dank ausreichend dimensionierter Batteriekapazität erhöht sich die Temperatur des Speichers im Tagesverlauf kaum.

Ladezustand der Batterie der Muster-Buslinie M

Ladezustand der Batterie der Muster-Buslinie M

Simulations-Ergebnis

Im Beispiel Musterstadt kann der Busbetrieb auf Linie M ohne Nachladeinfrastruktur auf der Strecke elektrisch umgesetzt werden. Eine elektrische Reichweite von über 200 km (Tagesumlauf & Reserve) kann bei ausreichender Personenkapazität mit dem Batterie-Extender gewährleistet werden. Im Beispiel würde ein 12m E-Bus mit installierter Batteriekapazität von 138 kWh um einen Batterie Range Extender mit 207 kWh zusätzlicher Kapazität bei einem Gewicht von ca. 18t ergänzt. Jegliche Ladeinfrastruktur bliebe auf das Fahrzeugdepot beschränkt (Ladung über Nacht).

Im Anschluss an die Simulation erfolgt eine Kostenprognose des Gesamtprojektes (E-Bus Anschaffung und Betrieb) durch EEBC anhand der gewonnenen Daten und Erkenntnisse. In Absprache mit dem Kunden werden an dieser Stelle auch alternative Konzepte simuliert und berechnet. Damit können verschiedene Konzepte hinsichtlich Kosten, Aufwand und Nutzen miteinander verglichen und bewertet werden. Zum Beispiel könnten Konzepte mit Nachladung im Streckenverlauf simuliert werden und inklusive Kostenaufwand dem bereits berechneten Batterie-Extender Konzept gegenüber gestellt werden.

Wünschen Sie eine Simulation anhand Ihrer Streckendaten? Sprechen Sie uns an!