Während der bisherigen Verbrauchsoptimierung konventioneller Nutzfahrzeuge lag der Fokus verstärkt auf der Reduktion des Energiebedarfs für die Traktionsaufgabe. Dieser zielte vor allem auf die Verbesserung der Effizienz des Antriebstrangs. Einen bisher wenig betrachteten Ansatz bietet auch die Optimierung des Energiebedarfs der Nebenaggregate. Ziel dieser Arbeit war die Optimierung der Betriebsstrategien verschiedener Nebenaggregate am Beispiel typischer 12 m und 18 m Stadtbusse. Dabei waren folgende Randbedingungen zu erfüllen: • Die entwickelten Strategien sollten auf aktuellen Fahrzeugsteuergeräten umgesetzt werden können. • Am Fahrzeug sollten möglichst geringe technische Änderungen vorgenommen werden. • Es sollte kein hybrider Ansatz mit verändertem Antriebstrang oder zusätzlichen elektrischen Maschinen verfolgt werden. Basis für alle durchgeführten Optimierungsaufgaben bildete ein Multi-Domänen-Fahrzeugmodell, in dem neben dem konventionellen Antriebsstrang alle betrachteten Nebenaggregatesysteme inklusive derer Steuerung physikalisch modelliert integriert sind. Ausgehend von gemessenen und nachsimulierten realen Fahrprofilen liefert dieses Gesamtfahrzeugmodell die zeitlichen Verläufe der Verbrennungsmotorbetriebspunkte und den Energiebedarf der verschiedenen Nebenaggregatesysteme. Für diese Systeme wurden im Anschluss mit Hilfe der Dynamischen Programmierung nach Bellmann optimale Steuersequenzen berechnet. Diese legten unter dem Gesichtspunkt minimalen Kraftstoffeinsatzes unter anderem die Ein- und Ausschaltzeitpunkte sowie die Betriebspunkte des Kompressors, der Lichtmaschinen sowie des Hauptlüfters fest. Die resultierenden Steuergesetze bilden, mathematisch bewiesen, das absolute Optimum, deren dazugehöriger Kraftstoffverbrauch nicht mehr unterboten werden kann und dienen somit als Referenz. Da diese Methodik mit sehr rechenaufwendigen Algorithmen aktuell nicht echtzeitfähig in ein Fahrzeugsteuergerät implementiert werden kann, wurden aus dem optimalen Systemverhalten verschiedene heuristische Regeln abgeleitet, die dann anhand der Referenz bewertet und gegebenenfalls noch verbessert werden konnten. So entstanden implementierbare heuristische Regeln die auf allen analysierten Linien weit über 90 % des maximal möglichen Einsparpotentials ausschöpften.

Während der bisherigen Verbrauchsoptimierung konventioneller Nutzfahrzeuge lag der Fokus verstärkt auf der Reduktion des Energiebedarfs für die Traktionsaufgabe. Dieser zielte vor allem auf die Verbesserung der Effizienz des Antriebstrangs. Einen bisher wenig betrachteten Ansatz bietet auch die Optimierung des Energiebedarfs der Nebenaggregate. Ziel dieser Arbeit war die Optimierung der Betriebsstrategien verschiedener Nebenaggregate am Beispiel typischer 12 m und 18 m Stadtbusse. Dabei waren folgende Randbedingungen zu erfüllen: • Die entwickelten Strategien sollten auf aktuellen Fahrzeugsteuergeräten umgesetzt werden können. • Am Fahrzeug sollten möglichst geringe technische Änderungen vorgenommen werden. • Es sollte kein hybrider Ansatz mit verändertem Antriebstrang oder zusätzlichen elektrischen Maschinen verfolgt werden. Basis für alle durchgeführten Optimierungsaufgaben bildete ein Multi-Domänen-Fahrzeugmodell, in dem neben dem konventionellen Antriebsstrang alle betrachteten Nebenaggregatesysteme inklusive derer Steuerung physikalisch modelliert integriert sind. Ausgehend von gemessenen und nachsimulierten realen Fahrprofilen liefert dieses Gesamtfahrzeugmodell die zeitlichen Verläufe der Verbrennungsmotorbetriebspunkte und den Energiebedarf der verschiedenen Nebenaggregatesysteme. Für diese Systeme wurden im Anschluss mit Hilfe der Dynamischen Programmierung nach Bellmann optimale Steuersequenzen berechnet. Diese legten unter dem Gesichtspunkt minimalen Kraftstoffeinsatzes unter anderem die Ein- und Ausschaltzeitpunkte sowie die Betriebspunkte des Kompressors, der Lichtmaschinen sowie des Hauptlüfters fest. Die resultierenden Steuergesetze bilden, mathematisch bewiesen, das absolute Optimum, deren dazugehöriger Kraftstoffverbrauch nicht mehr unterboten werden kann und dienen somit als Referenz. Da diese Methodik mit sehr rechenaufwendigen Algorithmen aktuell nicht echtzeitfähig in ein Fahrzeugsteuergerät implementiert werden kann, wurden aus dem optimalen Systemverhalten verschiedene heuristische Regeln abgeleitet, die dann anhand der Referenz bewertet und gegebenenfalls noch verbessert werden konnten. So entstanden implementierbare heuristische Regeln die auf allen analysierten Linien weit über 90 % des maximal möglichen Einsparpotentials ausschöpften.:Inhalt 1 Einleitung 1.1 Zielsetzung und Randbedingungen 2 Stand der Technik / Grundlagen 2.1 Physikalische Modellierung 2.2 Signalbasierte Modellierung 2.3 Einbettung von Modellen mit C-Code in Simulink 2.4 Ereignisdiskrete Zustandsautomaten 2.5 Methoden der Optimierung 2.6 Erläuterungen zur Dynamischen Programmierung 3 Entwicklung des Gesamtfahrzeugmodells 3.1 Erfassung von repräsentativen Fahrzyklen 3.2 Modell des Antriebstrangs 3.3 Fahrzeugchassis 3.4 Fahrermodell / Geschwindigkeits- und Gangwahl 3.5 Entwicklung der Nebenaggregatmodelle 3.7 Nicht betrachtete Nebenaggregate 4 Anwendung der Optimierung und Ableitung heuristischer Betriebsstrategien 4.1 Optimierung von Systemen mit Speicherverhalten 4.2 Adaption des gewählten Algorithmus an das Druckluftsystem 4.3 Adaption des Algorithmus an das elektrische Bordnetz 4.4 Adaption des Algorithmus an das Kühlsystem des Fahrzeugs 4.5 Betriebsstrategien für Systeme ohne Speicherverhalten 4.6 Angepasstes Antriebskonzept für Nebenaggregate im Modell 5 Ergebnisse 5.1 Plausibilitätsanalyse und Validierung des Modells 5.2 Anwendung der Prozesskette für die Entwicklung heuristischer Betriebsstrategien für Nebenaggregate 5.3 Simulationen mit optimierten Betriebsstrategien 5.4 Allgemeine Ergebnisse 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Literaturverzeichnis

In today's versatile requirements for reducing fuel consumption, a lot of different approaches are in development like hybridization, reducing the amount of cylinders with the same power as before or operating point-independent components and auxiliaries. Within this thesis, one of the approaches is shown: electrified auxiliaries including an operation strategy. Replacing conventional auxiliaries with electrified ones, the need of more electrical power becomes bigger. Due to the limits within the 12V power net, the 48V approach is the logical conclusion in terms of cost benefit and availability of the needed resources to use the electrified components. The 48V power net introduces new or modified parts to the vehicle including a new power net topology. Fuzzy logic was chosen to control the auxiliaries, because of the number of input variables, the flexibility of using it for different cars and being robust during the usage. The results showed a significant improvement of fuel consumption with the developed control strategy for the selected power net topology. This improvement was evident in all cycles, which were discussed within this thesis. In this thesis a new approach for reducing fuel consumption was shown, which includes several electrified auxiliaries and the operation strategy to control them within the vehicle during different cycles. The necessary models for the approach were developed including the auxiliaries, the controller and the needed parts for the power net. / In der heutigen Zeit mit den steigenden Ansprüchen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs sind viele verschiedene Ansätze und Technologien in der Entwicklung, wie zum Beispiel Hybridisierung, Zylinderreduktion mit der gleichen Leistungsausbeute wie zuvor oder auch vom Verbrennungsmotor unabhängigen Komponenten und Nebenaggregaten. Innerhalb dieser Arbeit wurde einer dieser Ansätze näher erläutert: elektrifizierte Nebenaggregate inklusive einer Betriebsstrategie. Durch den Austausch der konventionellen Nebenaggregate mit den elektrifizierten Nebenaggregaten steigt der Bedarf an mehr elektrischer Leistung. Durch die Limitierungen im 12V Bordnetz, ist der 48V Ansatz der nächste logische Schritt hinsichtlich des Kosten/Nutzen-Verhältnis und der Ressourcenverfügbarkeit für die Nutzung der elektrifizierten Komponenten. Das 48V Bordnetz benötigt neue bzw. modifizierte Komponenten inclusive einer neuen Bordnetztopologie. Fuzzy-Logik wurde zur Regelung der Nebenaggregate ausgewählt. Grund hierfür waren: Anzahl an Eingangsvariablen, Flexibilität in der Übertragung auf andere Fahrzeuge und dem robusten Verhalten in der Anwendung. Die Ergebnisse zeigten ein signifikantes Einsparpotential durch die Verwendung der entwickelten Betriebsstrategie für die ausgewählte Bordnetztopologie. Die Einsparung war in allen diskutierten Zyklen deutlich zu sehen. In dieser Arbeit wurde ein neuer Ansatz zur Verbrauchsreduktion gezeigt inklusive elektrifizierter Nebenaggregate und der benötigten Betriebsstrategie, um diese im Fahrzeug in verschiedenen Zyklen zu steuern. Die benötigten Modelle wurden entwickelt, wie zum Beispiel die Nebenaggregate, der Regler und den Bordnetzkomponenten.