Optimierung der Wärmebereitstellung in Thermomanagementsystemen elektrisch betriebener Stadtbusse

Im öffentlichen Personennahverkehr trägt der Einsatz von Elektromobilität durch Reduzierung von CO2-Emissionen zur Erreichung globaler Klimaziele bei.
Die Reichweite von batterieelektrischen Bussen ist dabei ein entscheidender Faktor für deren wirtschaftliche und praktische Einsetzbarkeit bei Verkehrsunternehmen. Nach dem Antriebsstrang ist das Heizen, Lüften und Klimatisieren der Stadtbusse der zweitgrößte Energieverbraucher.

Eine Analyse des Thermomanagementsystems ergibt Optimierungspotenziale beim Beheizen des Fahrzeugs, welche einerseits auf den höheren Energiebedarf im Vergleich zum Kühlen zurückzuführen sind. ... mehrDa die Wärmebereitstellung im Thermomanagementsystem durch eine Kombination aus verschiedenen Wärmequellen erfolgt, ergibt sich andererseits die Möglichkeit, den Gesamtenergieverbrauch durch eine übergreifende Regelung zu reduzieren.

Der derzeitige Stand der Technik hat die Regelungen des Thermomanagementsystems größtenteils vom konventionellen Dieselbus übernommen. Diese sind darauf ausgelegt, bestimmte Temperaturvorgaben einzuhalten, ohne jedoch die Energieeffizienz des Systems zu optimieren.

Diese Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung sowohl aktueller als auch potenziell zukünftiger Wärmequellen, um deren Eigenschaften und Beitrag zur Wärmebereitstellung zu verstehen.
Im weiteren Verlauf wird ein Konzept für den Betrieb dieses Systems aus Wärmequellen entwickelt, das darauf abzielt, die Wärmequellen im Betrieb mit maximaler elektrischer Effizienz zu regeln. Dafür wird eine Modellprädiktive Regelung implementiert, die neben der Energieeffizienz auch den thermischen Komfort der Fahrgäste berücksichtigt und durch den flexiblen Aufbau des Systemmodells für unterschiedliche Fahrzeugmodelle und -varianten anwendbar ist.

In local public transport, the use of electromobility helps to achieve global climate targets by reducing CO2 emissions. The range of battery-electric buses is a decisive factor for their economical and practical usability by transport companies. The heating, ventilation and air conditioning of city buses is the second largest energy consumer after the drivetrain.

An analysis of the thermal management system reveals potential for optimization in heating the vehicle, which can be attributed to the higher energy requirement compared to cooling. Since heat is provided in the thermal management system by a combination of different heat sources, there is also the possibility of reducing overall energy consumption through comprehensive control.
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The current state of the art has largely adopted the controls of the thermal management system from the conventional diesel bus. These are designed to maintain certain temperature specifications without optimizing the energy efficiency of the system.

This thesis deals with the characterization of both current and potential future heat sources in order to understand their properties and contribution to the heat supply.
Afterwards a concept for the operation of this system of heat sources is developed, which aims to control the heat sources with maximum electrical efficiency. For this purpose, a model predictive control is implemented that takes into account not only energy efficiency but also the thermal comfort of the passengers and can be applied to different vehicle models and variants thanks to the flexible structure of the system model.