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M. Kiesenhofer:
"Betriebsstrategien einer 48v-Mildhybridisierung am Nutzfahrzeug";
Supervisor, Reviewer: H. Eichlseder, B. Geringer; Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik | TU Graz / IFA. TU Wien, 2021.

Within the European Union strict reduction of carbon dioxide emissions for commercial vehicles (categories N2 and N3) will come into force in 2025 and will be tightened again in 2030. In order to achieve these limits for new commercial vehicle registrations, a number of fuel saving measures will be necessary, which commercial vehicle manufacturers will have to implement over the next few years. One feasible approach is the hybridization of the drive train. In the passenger car sector, a large number of various hybrid systems are already available on the market. The 48V technology could also contribute to lower fleet consumption, because the components are cheap and powerful. Another advantage is the lower hazard potential compared to high voltage hybrid systems. In the course of this doctoral thesis a complete 48V mild hybrid system was built on the diesel engine test bench to identify the maximum fuel saving potential. Therefore, smart operating strategies were utilized and optimized with a MATLAB®/Simulink® simulation model. The 48V mild hybrid system consists of the following components:

 motor/generator for boosting and recuperation
 electrical coolant pump
 electrical air-conditioning compressor
 Lithium-ion battery
 DC-to-DC converter (48V/24V)

In the realized concept the 48V motor/generator is connected via a power take-off (PO topology) to support the diesel engine (boosting) or to convert excess kinetic or potential energy into electrical energy (recuperation) and provide it to the 48V-system. The numerous component measurements on the test bench and the validation measurements in a representative driving cycle were finally transferred to a MATLAB®/Simulink® simulation model. Eight different driving cycles were examined by means of the simulation model, which also includes a variation of smart operating strategies. Due to variation of certain parameters and optimization processes the maximum fuel saving potential for each driving cycle was determined. The results show that the fuel saving potential depends on the driving cycle and the recuperation time. lf breaking phases are utilized for recuperation exclusively, fuel savings of up to 1.48 % (1 MGU) or up to 2.48 % (2 MGU) are achievable. However, the 48V mild hybrid system causes an increased fuel consumption in certain driving cycles and configurations (1 MGU and high-power consumption of the electric air-conditioning compressor). lf both breaking phases and "overrun phases before breaking phases" are utilized for recuperation fuel saving potential of up to 1.68 % (1 MGU) or up to 3.38 % (2 MGU) are feasible. Fuel savings of up to 1.34 % (1 MGU) or 2.12 % can be achieved in the MAN-internal reference cycle.

Innerhalb der Europäischen Union werden im Jahr 2025 strenge Grenzwerte für den Ausstoß an Kohlenstoffdioxid für Nutzfahrzeuge der Kategorien N2 und N3 in Kraft treten und im Jahr 2030 noch
weiter verschärft werden. Um diese Grenzwerte für die Neuzulassung von Nutzfahrzeugen zu erreichen, sind eine Reihe von kraftstoffverbrauchsreduzierenden Maßnahmen notwendig, die von den Nutzfahrzeugherstellern in den nächsten Jahren realisiert werden müssen. Eine Möglichkeit ist die
Hybridisierung des Antriebsstranges. Um den Flottenverbrauch zu senken, existiert im PKW-Sektor mittlerweile eine große Anzahl an unterschiedlichen Hybridkonzepten und viele davon befinden sich
bereits in Serienproduktion. Durch die günstigen und leistungsstarken 48V-Komponenten und das geringere Gefahrenpotenzial im Vergleich zu Hochvoltsystemen, können zukünftige Nutzfahrzeuge ebenso von der 48V-Technologie profitieren und einen Beitrag zur Senkung des Flottendurchschnittsverbrauchs leisten.

Aus diesem Grund wurde im Zuge der Dissertation ein komplettes 48V-Mildhybridsystem am Dieselmotorprüfstand aufgebaut, vermessen und mit intelligenten Betriebsstrategien, die mithilfe einer MATLAB®-/Simulink®-Simulation optimiert worden sind, auf das maximal mögliche Kraftstoffeinsparpotenzial in einem Fernverkehrsnutzfahrzeug untersucht. Das 48V-Mildhybridsystem besteht aus folgenden Komponenten:

 Motor/Generator für Boosten und Rekuperation
 elektrische Kühlmittelpumpe
 elektrischer Klimakompressor
 Lithium-Ionen-Akkumulator
 DC/DC-Wandler (48V/24V)

Im untersuchten Konzept ist der 48V-Motor/Generator über einen mechanischen Nebenabtrieb mit
dem Dieselmotor gekoppelt (PO-Topalgie) und kann diesen unterstützen (Boosten) bzw. bei überschüssiger kinetischer oder potentieller Energie dem 48V-Mildhybridsystem durch Rekuperation
elektrische Energie zur Verfügung stellen. Die zahlreichen Komponentenvermessungen am Prüfstand
und die Validierungsmessungen in einem repräsentativen Fahrzyklus wurden schließlich in ein MATLAB®-/Simulink®-Simulationsmodell übergeführt. Mit diesem Simulationsmodell, das unter anderem auch unterschiedlichste Betriebsstrategien beinhaltet, wurden insgesamt acht verschiedenartige Fahrzyklen untersucht. Durch Variantensimulationen und Optimierungsvorgänge konnten für jeden Fahrzyklus in allen Einstellungsvarianten die höchsten Kraftstoffeinsparpotenziale ermittelt werden. Dabei zeigt sich, dass das Kraftstoffeinsparpotenzial sehr stark vom Fahrprofil und der Dauer der vorhandenen Rekuperationsphasen abhängig ist. Werden nur die Bremsphasen für die
Energierückgewinnung genützt, können Kraftstoffeinsparpotenziale von bis zu 1,48 % (ein 48V-Motor/
Generator) bzw. bis zu 2,48 % (zwei 48V-Motoren/Generatoren) erzielt werden. Allerdings gibt es auch Fahrzyklen und Systemkonfigurationen, bei denen durch das 48V-Mildhybridsystem (ein 48V-Motor/Generator) - vor allem bei hohen Leistungsanforderungen des Klimakompressors - ein Kraftstoffmehrverbrauch verursacht wird. Werden zusätzlich zu den Bremsphasen auch noch die "Schub- vor Bremsphasen" für die Rekuperation verwendet, können Kraftstoffeinsparpotenziale von
bis zu 1,68 % (ein 48V-Motor/Generator) bzw. bis zu 3,38 % (zwei 48V-Motoren/Generatoren) realisiert werden. Im MAN-internen Referenzzyklus sind in diesem Fall bis zu 1,34 % (ein 48V-Motor/
Generator) bzw. bis zu 2, 12 % an Kraftstoffeinsparung erzielbar.