Bachelor-Arbeit Univ. St. Gallen, 2005.

Im Zuge strenger werdender Emissionsrichtlinien und steigender Kraftstoffpreise spielt die Energieeffizienz mobiler Arbeitsmaschinen eine zunehmend wichtigere Rolle. Die Firma Gottwald Port Technology GmbH hat in diesem Zusammenhang einen hybriden Antriebsstrang für einen Hafenmobilkran (HMK) in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Dresden erforscht und umgesetzt. Bei diesem Hybridsystem wird die kinetische und potentielle Energie aus dem elektrischen Hub- und Drehwerk des Krans, welche zuvor im Bremswiderstand in Wärme umgewandelt wurde, durch einen elektrischen Energiespeicher zurückgewonnen. Im Gegensatz dazu ist das hydraulisch betriebene Wippwerk noch nicht rückspeisefähig. Ziel dieser Arbeit ist die Identifikation einer technischen Lösung zur Energierückgewinnung aus der hydraulischen Anlage eines HMK und die Bewertung des erreichbaren Kraftstoffeinsparpotentials. Zunächst wird das bestehende hydraulische System untersucht, um die Anforderungen an das rückspeisefähige Konzept zu ermitteln. Dazu werden Modelle der Kinematik und Kinetik des Wippwerks abgeleitet. Anhand einer Entscheidungsanalyse wird ein hydraulisches Konzept aus einem Katalog verfügbarer Alternativen ausgewählt. Im Anschluss daran wird ein energieflussbasiertes Modell des Konzepts in Matlab/Simulink erstellt und in das bestehende Simulationsmodell integriert. Die Simulationsergebnisse zeigen ein großes Einsparpotential an Dieselkraftstoff durch den Einsatz des rückspeisefähigen Hydrauliksystems. / Due to stricter emission restrictions and rising fuel costs energy efficiency of mobile work machines is getting more important. In cooperation with Dresden University of Technology, Gottwald Port Technology GmbH has developed a mobile harbour crane with a hybrid drive train. This system can recuperate the kinetic and potential energy from the electrical slewing and hoisting gear, which was formerly dissipated to heat. This paper deals with the identification of a technical solution to recuperate energy form the hydraulic luffing gear to determine the potential reduction of fuel consumption. At first, the actual hydraulic system is analyzed to estimate the requirements of the new recuperation system. For that purpose, models of the kinematics and kinetics of the luffing gear are created. With the help of weighted criteria, a hydraulic concept is chosen of several alternatives. Afterwards, an energy flow based model in Simulink/Matlab is created and integrated in the existing simulation model of the crane. The simulation results confirm a considerable reduction of diesel fuel due to the application of hydraulic recuperation system.

Im Zuge strenger werdender Emissionsrichtlinien und steigender Kraftstoffpreise spielt die Energieeffizienz mobiler Arbeitsmaschinen eine zunehmend wichtigere Rolle. Die Firma Gottwald Port Technology GmbH hat in diesem Zusammenhang einen hybriden Antriebsstrang für einen Hafenmobilkran (HMK) in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Dresden erforscht und umgesetzt. Bei diesem Hybridsystem wird die kinetische und potentielle Energie aus dem elektrischen Hub- und Drehwerk des Krans, welche zuvor im Bremswiderstand in Wärme umgewandelt wurde, durch einen elektrischen Energiespeicher zurückgewonnen. Im Gegensatz dazu ist das hydraulisch betriebene Wippwerk noch nicht rückspeisefähig. Ziel dieser Arbeit ist die Identifikation einer technischen Lösung zur Energierückgewinnung aus der hydraulischen Anlage eines HMK und die Bewertung des erreichbaren Kraftstoffeinsparpotentials. Zunächst wird das bestehende hydraulische System untersucht, um die Anforderungen an das rückspeisefähige Konzept zu ermitteln. Dazu werden Modelle der Kinematik und Kinetik des Wippwerks abgeleitet. Anhand einer Entscheidungsanalyse wird ein hydraulisches Konzept aus einem Katalog verfügbarer Alternativen ausgewählt. Im Anschluss daran wird ein energieflussbasiertes Modell des Konzepts in Matlab/Simulink erstellt und in das bestehende Simulationsmodell integriert. Die Simulationsergebnisse zeigen ein großes Einsparpotential an Dieselkraftstoff durch den Einsatz des rückspeisefähigen Hydrauliksystems. / Due to stricter emission restrictions and rising fuel costs energy efficiency of mobile work machines is getting more important. In cooperation with Dresden University of Technology, Gottwald Port Technology GmbH has developed a mobile harbour crane with a hybrid drive train. This system can recuperate the kinetic and potential energy from the electrical slewing and hoisting gear, which was formerly dissipated to heat. This paper deals with the identification of a technical solution to recuperate energy form the hydraulic luffing gear to determine the potential reduction of fuel consumption. At first, the actual hydraulic system is analyzed to estimate the requirements of the new recuperation system. For that purpose, models of the kinematics and kinetics of the luffing gear are created. With the help of weighted criteria, a hydraulic concept is chosen of several alternatives. Afterwards, an energy flow based model in Simulink/Matlab is created and integrated in the existing simulation model of the crane. The simulation results confirm a considerable reduction of diesel fuel due to the application of hydraulic recuperation system.

In AP 1.4 wurde ein Verfahren zur Schaltzeitprognose verkehrsabhängiger Lichtsignalanlagen entwickelt, welches auf eine Vielzahl weiterer Lichtsignalanlagen anwendbar ist. Weiterhin wurden (AP.1.4.5) im Bereich der spurgenauen Ortung, die auf Basis von GPS ermittelten Positionen durch Fusion mit anderen Sensordaten, wie der axialen Beschleunigungen und den Drehraten um die Fahrzeughochachse sowie der Einbeziehung einer digitalen Karte (Digital Enhanced Map), diese hinsichtlich einer Spurdetektion weiterhin verbessert. Im Bereich der Datenübertragung (LSA-Fzg.) konnte die erste Teilstrecke von der Verkehrsmanagementzentrale zum Serviceprovider im Labor untersucht werden. In AP 2.1 wurde eine auf der optimalen Steuerung basierte Methode zum Energiemanagement von seriellen Hybriden entwickelt. Die optimale Ansteuerung von Motor-Start-Stopp, Gangwahl und Momentenaufteilung wird modellprädiktiv unter Beachtung des Kraftstoffverbrauchs und der Schademissionen berechnet. Nach Anpassung auf praktische Randbedingungen, lässt sich diese Methode in zukünftigen Hybridfahrzeugen als optimales Energiemanagement nutzen. Die in AP 3.1 entwickelte Softwareumgebung zur gekoppelten Fahrzeug und Verkehrssimulation wurde an Beispielszenarien getestet. Für ein Modell der Versuchsstrecke wurde umfangreiche Analysen des Ampelassistenzfunktion in komplexen Verkehrsszenarien durchgeführt. Für eine Variation verschiedener Parameter, wie Wirkreichweite, Verkehrsstärke, usw. konnten Aussagen über das Potential getroffen werden. In Zusammenarbeit mit AP 3.3 wurde ein Ampelassistenzsystem und die Ansteuerung des Active-Force-Feedback Pedals im Demonstrator implementiert. In AP 3.3 wurde ein Konzept zur Darstellung von LSA-Daten im Fahrzeug erarbeitet. Dieses wurde in einem Versuchsträger umgesetzt. Dazu wurde der Versuchsträger hardwareseitig ertüchtigt, und für die Untersuchung verschiedener Varianten der Darstellung eingesetzt.

In AP 1.4 wurde ein Verfahren zur Schaltzeitprognose verkehrsabhängiger Lichtsignalanlagen entwickelt, welches auf eine Vielzahl weiterer Lichtsignalanlagen anwendbar ist. Weiterhin wurden (AP.1.4.5) im Bereich der spurgenauen Ortung, die auf Basis von GPS ermittelten Positionen durch Fusion mit anderen Sensordaten, wie der axialen Beschleunigungen und den Drehraten um die Fahrzeughochachse sowie der Einbeziehung einer digitalen Karte (Digital Enhanced Map), diese hinsichtlich einer Spurdetektion weiterhin verbessert. Im Bereich der Datenübertragung (LSA-Fzg.) konnte die erste Teilstrecke von der Verkehrsmanagementzentrale zum Serviceprovider im Labor untersucht werden. In AP 2.1 wurde eine auf der optimalen Steuerung basierte Methode zum Energiemanagement von seriellen Hybriden entwickelt. Die optimale Ansteuerung von Motor-Start-Stopp, Gangwahl und Momentenaufteilung wird modellprädiktiv unter Beachtung des Kraftstoffverbrauchs und der Schademissionen berechnet. Nach Anpassung auf praktische Randbedingungen, lässt sich diese Methode in zukünftigen Hybridfahrzeugen als optimales Energiemanagement nutzen. Die in AP 3.1 entwickelte Softwareumgebung zur gekoppelten Fahrzeug und Verkehrssimulation wurde an Beispielszenarien getestet. Für ein Modell der Versuchsstrecke wurde umfangreiche Analysen des Ampelassistenzfunktion in komplexen Verkehrsszenarien durchgeführt. Für eine Variation verschiedener Parameter, wie Wirkreichweite, Verkehrsstärke, usw. konnten Aussagen über das Potential getroffen werden. In Zusammenarbeit mit AP 3.3 wurde ein Ampelassistenzsystem und die Ansteuerung des Active-Force-Feedback Pedals im Demonstrator implementiert. In AP 3.3 wurde ein Konzept zur Darstellung von LSA-Daten im Fahrzeug erarbeitet. Dieses wurde in einem Versuchsträger umgesetzt. Dazu wurde der Versuchsträger hardwareseitig ertüchtigt, und für die Untersuchung verschiedener Varianten der Darstellung eingesetzt.:I. Versionsübersicht 4 II. Kurze Darstellung 5 1. Aufgabenstellung 5 2. Voraussetzungen 6 3. Planung und Ablauf des Vorhabens 7 4. Wissenschaftlicher und technischer Stand 8 5. Bekannte Konstruktionen, Verfahren und Schutzrechte 9 6. verwendete Fachliteratur und Informations- und Dokumentationsdienste 9 7. Zusammenarbeit mit anderen Stellen 10 III. Eingehende Darstellung 11 1. Arbeitsinhalte und erzielte Ergebnisse 11 AP 1.4: Datenmanagement 11 AP 2.1: Range-Extender-Betriebsstrategien 40 AP 3.1: Fahrstrategie 63 AP 3.3: Mensch-Maschine-Interface 73 2. Nutzen der Ergebnisse 81 3. Fortschritt bei anderen Stellen 82 4. Veröffentlichungen und studentische Arbeiten 83 Vorträge 83 Publikationen 83 Studentische Arbeiten 84 IV. Literaturverzeichnis 86