AUTOREN

DIPL.-ING. MICHA LESEMANN war verantwortlich für die Gesamt-

koordination des Deliver-Projekts und ist Oberingenieur des Instituts für

Kraftfahrzeuge (ika) der RWTH Aachen University.

DIPL.-ING. THOMAS WELFERS ist Projektleiter und wissen-

schaftlicher Mitarbeiter im Bereich Fahrzeugkonzepte des Instituts für

Kraftfahrzeuge (ika) der RWTH Aachen University.

DIPL.-ING. BJÖRN MOHRMANN ist Teamleiter Funktionsentwicklung und Applikation im Bereich Antrieb

des Instituts für Kraftfahrzeuge (ika) der RWTH Aachen University.

UNIV.-PROF. DR.-ING. LUTZ ECKSTEIN

ist Leiter des Instituts für Kraftfahrzeuge (ika) der RWTH

Aachen University.

ENTWICKLUNG ELEKTROANTRIEBE

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Elektroantriebe

FORTSCHREITENDE URBANISIERUNG

Mit fortschreitender Verstädterung geht in den meisten Fällen eine sinkende Lebensqualität einher. Dies begründet sich unter anderem im zunehmenden und oftmals dichten Verkehr auf begrenz-tem Raum. Gleichzeitig sorgen Entwick-lungen wie überregionale bis globale Warenströme dafür, dass der Lieferver-kehr in bewohnten Bereichen insgesamt ansteigt. Zunehmendes Online-Shopping ist ein Grund für eine deutliche Steige-rung des individuellen Lieferverkehrs durch Zustelldienste [1].

Städtischen Lieferverkehren ist in den meisten Fällen gemein, dass sie auf mehr oder weniger festen Routen und

von einem festen Depot aus erfolgen. Die erforderlichen Reichweiten sind begrenzt und können auf Basis der heute verfügbaren Batterietechnik er-reicht werden. Aus technischer Sicht stellen sie daher ein ideales Anwen-dungsfeld für die Elektromobilität dar und tragen durch ihren lokal emissions-freien Betrieb zur Steigerung der Lebens-qualität im urbanen Raum bei. Die Partner im europäischen Verbundprojekt Deliver haben sich daher im Jahr 2011 unter der Koordination des ika der RWTH Aachen University der Aufgabe gestellt, ein effizientes und überzeugen-des Elektrofahrzeugkonzept für den dar-gestellten Anwendungsfall zu konzipie-ren, zu entwickeln und als Demonstra-torfahrzeug aufzubauen.

ZIELSETZUNG

Zwei wesentliche Ziele lagen dem Projekt zugrunde: eine Steigerung der Energie-effizienz um 40 % verglichen mit einem konventionellen Fahrzeug gleicher Klasse sowie eine deutliche Steigerung der Transporteffizienz. Verdeutlicht werden sollte dies ferner durch ein zeitgemäßes und außergewöhnliches Design.

Die Steigerung der energetischen Effi-zienz um 40 % erfordert fast zwangsläu-fig einen elektrischen Antrieb, insbeson-dere um die Wandlungsverluste im Fahr-zeug deutlich zu reduzieren. Weitere Vorteile sind der sehr leise Antrieb sowie die Freiheiten bei der Gesamtfahrzeug-konzeption, zu denen Radnabenantriebe einen deutlichen Beitrag leisten.

KONZEPTION UND AUFBAU EINES ELEKTRISCHEN LIEFERFAHRZEUGSDer städtische Lieferverkehr stellt ein ideales Anwendungsfeld für die Elektromobilität dar. Gründe sind die

besonderen Anforderungen an die Reduktion von Schadstoff- und Geräuschemissionen sowie der Betrieb der

Fahrzeuge als Flotte mit festen Depots und begrenzten Aktionsradien. Im europäischen Verbundforschungs-

projekt Deliver, koordiniert durch das Institut für Kraftfahrzeuge (ika) der RWTH Aachen University, wurde ein

elektrischer Lieferwagen mit Radnabenantrieb und schwenkbarem Fahrersitz konzipiert und aufgebaut.

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Elektroantriebe

Heutzutage werden üblicherweise Lieferfahrzeuge eingesetzt, die sich von Pkw-Modellen ableiten oder klassische Kleintransporter in Kastenbauweise. Speziell auf den Anwendungsfall zuge-schnittene Fahrzeugkonzepte kommen, zumindest in Europa, nur sehr vereinzelt zum Einsatz. Für den Fahrer ergeben sich daraus gewisse Handicaps. Daher war es Ziel des Deliver-Projekts, auch hinsichtlich der Ergonomie, der Gestal-tung des Laderaums und der Transport-möglichkeiten, zusammengefasst als Transporteffi zienz, eine deutliche Ver-besserung zu erzielen.

Der Charakter eines Fahrzeugs wird maßgeblich durch sein Exterieurdesign geprägt. Für Unternehmen stellen Fahr-zeuge deshalb ein Aushängeschild dar, insbesondere wenn sie im städtischen Verkehr dauerhaft präsent sind. Daher wurde im Rahmen des Projekts auch dem Design von Exterieur und Interieur große Bedeutung beigemessen. Der Wagen sollte auf den ersten Blick als modernes, innovatives und „anderes“ Fahrzeug erkannt werden.

Beim hier beschriebenen Anwen-dungsfall des städtischen Lieferverkehrs handelt es sich um eine maßgebliche Anforderung an diese Fahrzeugklasse. Viele weitere Nutzungen (zum Beispiel durch Handwerker oder als Kleinbusse)

sind üblich und wurden im Rahmen einer Untersuchung weiterer Derivatfahr-zeuge betrachtet. Abgerundet wurde das Projekt durch ökonomische Überlegun-gen, wie sich ein solches Fahrzeug, zunächst als Kleinserie, wirtschaftlich darstellen ließe.

ENTWICKLUNG DES FAHRZEUGKONZEPTS

Das methodische Vorgehen bei der Kon-zeptentwicklung ist angelehnt an das Vor-gängerprojekt namens Advanced Electric Vehicle Architectures (Elva) [2]. Zuerst wurden die Anforderungen und Verwen-dungs szenarien für diese leichten Nutz-fahrzeuge analysiert. Hierzu wurden unter anderem Interviews mit Logistik-unternehmen durchgeführt, die als Mit-glieder des Beirats das Projekt unterstütz-ten. Ferner griffen die Partner auf Erfahrun-gen beispielsweise mit dem elektrischen Lieferfahrzeug der Firma Modec und aus Vorgängerprojekten wie dem VW eT zurück. Um eine Verkürzung des Ent-wicklungsprozesses durch eine schnelle Design-Technik-Konvergenz zu erreichen, erfolgten technische Entwicklung und Design weitgehend parallel und in enger Abstimmung der beteiligten Partner.

Die Anforderungsanalyse hat ergeben, dass Lieferfahrzeuge meist lokal an ein

Verteilerdepot gebunden eingesetzt werden. Der Betrieb erfolgt nach einem regelmäßigen Arbeitsplan mit längeren Standzeiten über Nacht, geringen Schwankungen der erforderlichen Nutzlast und häufi gen Stopp- und Start-vorgängen. Die jährliche Laufl eistung beträgt zwischen 3000 und 25.000 km während einer Nutzungsphase von rund acht Jahren. Die durchschnittliche Geschwindigkeit liegt bei 33 km/h. Auf-grund dieser Anforderungen ist die Ver-wendung eines elektrischen Antriebs-strangs vielversprechend [3].

Hinsichtlich der Gestaltung der Fahrer-kabine ist zu beachten, dass Postdienste die Zustellung von Briefen und Paketen häufi g kombinieren. Beifahrer sind nur gelegentlich an Bord. Daher wird der Beifahrersitz oft als Ablagemöglichkeit für Briefe und kleinere Pakete genutzt. Viele Fahrzeuge verfügen gar nicht über einen Beifahrersitz. Die Beladung der Fahrzeuge ist nicht standardisiert und wird von jedem Fahrer selbst in Abhän-gigkeit von der individuellen Route durch-geführt. Pro Schicht führt ein Zusteller bis zu 400 Lieferungen durch [4]; dem-entsprechend hoch sind die durch Ein- und Ausstieg verursachte körperliche Belastung und der Zeitdruck. Nur 16 % der Fahrer fühlen sich frei von Hetze, jeder neunte Fahrer empfi ndet extremen

➋ Aufbauschritte des Demonstrators (von links nach rechts)

➊ Simulationsergebnisse für den Frontalaufprall mit 40 % Überdeckung (links) und den seitlichen Pfahlaufprall (rechts)

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Konstruiert, um Großes zu bewegen.

Kleiner Verbrauch Große Reichweite

Zeitdruck, und weitere 34 % geben an, der Zeitdruck belaste sie sehr [5].

Insbesondere Zusteller von Postbetrie-ben wünschen sich eine Möglichkeit, auf beiden Seiten des Fahrzeugs ein- und aussteigen zu können, um unnötige Wege um das Fahrzeug herum minimie-ren und so Zeit sparen zu können [4]. Diese Maßnahme würde zusätzlich einen Sicherheitsvorteil bringen, da sich der Fahrer beim Ein- und Ausstieg nicht auf der dem Verkehr zugewandten Seite aufhalten müsste.

Diese und weitere Randbedingungen resultierten in einem Fahrzeugkonzept, das im Hinblick auf einen vollelektri-schen Antriebsstrang und die speziellen Bedürfnisse des Fahrers von Grund auf neu entwickelt wurde. Zentrale Merk-male des Antriebs sind die gut geschützte Position der Hochvoltbatterie mittig im Fahrzeugboden und die Radnabenmoto-ren mit Zweiganggetriebe an der Hinter-achse. Durch dieses Package entstehen Designfreiheiten im Bereich des Vorder-wagens, die zur Verbesserung der pas-siven Sicherheit genutzt wurden. Groß-flächige, energieabsorbierende Elemente führen dazu, dass im Fall eines Frontal-aufpralls der Lastpfad über die Vorder-räder und den Seitenschweller im Tür-bereich nicht mehr notwendig ist. Daher konnte auf die Seitenschweller verzichtet werden, was den Ein- und Ausstieg ver-einfacht.

Des Weiteren ist aufgrund der Konst-ruktion des sogenannten Rolling Chassis in Stahl-Spaceframe-Bauweise und der Antriebsgestaltung kein Mitteltunnel vor-handen. Eine schwenkbar ausgeführte Aufnahme des Fahrersitzes nutzt diese Tatsache, um den einfachen Ein- und Ausstieg des Fahrers auf der Beifahrer-seite zu ermöglichen.

Die Absicherung hinsichtlich der pas-siven Sicherheit dieses neuartigen Kabi-nenkonzepts erfolgte im ersten Schritt anhand der besonders kritischen Last-fälle Frontalaufprall mit 40 % Überde-ckung und seitlicher Pfahlaufprall (beide nach Euro NCAP), ➊. Das Deformations-verhalten beim Frontalaufprall zeigt, dass die Fahrzeugstruktur intakt bleibt und den Überlebensraum in der Kabine sicherstellt. Die Ergebnisse des seitlichen Pfahlaufpralls lassen erkennen, dass der für die Hochvoltbatterie vorgesehene Bauraum frei von Verformung bleibt.

Dieses gute Ergebnis kommt dadurch zustande, dass die strukturelle Funktion

des fehlenden Türschwellers bei diesem Lastfall durch ein energieabsorbierendes Element im unteren Bereich der Fahrer-tür kompensiert wird. Ziel der Optimie-rung war es, die auftretenden Beschleu-nigungen und Intrusionen in die Fahrer-kabine zu minimieren.

REALES DEMONSTRATORFAHRZEUG

Basierend auf dem virtuellen Fahrzeugmo-dell wurde ein fahrfertiges Demonstrator-fahrzeug aufgebaut. Dieses Fahrzeug ent-spricht hinsichtlich seiner Konzepteigen-schaften und -funktionen dem virtuellen Modell, jedoch wurde die Konstruktion prototypengerecht angepasst und teilweise

vereinfacht. Es stellt zudem nur eine Vari-ante aus einem Lösungsbaukasten dar, der im Rahmen der Konzeptentwicklung ent-standen ist und sich durch unterschiedli-che Ausprägungen des Antriebsstrangs und der Aufbauformen gestalten lässt.

Der Aufbau des Demonstrators erfolgte teils parallel, indem zunächst der Rahmen mit dem elektrischen Antrieb zu einem Rolling Chassis gefügt wurde. Sofern in Bezug auf die wichtigsten Projektziele keine Auswirkungen erwartet wurden, kamen Übernahmeteile aus Serienfahr-zeugen zum Einsatz. Anschließend er-folgte die Integration der Traktionsbatte-rie mit dem Ergebnis eines sogenannten Driving Chassis. Im letzten Schritt wurde die Struktur des Aufbaus ergänzt und be-plankt, bevor der Innenausbau folgte, ➋. Die Daten des Demonstrators sind in ➌ zusammengefasst.

Der Antrieb des Fahrzeugs erfolgt über zwei als permanent erregte Synchronma-schinen ausgeführte Radnabenmotoren an der Hinterachse. Jeder Motor verfügt über eine Maximalleistung von 57 kW und ein maximales Drehmoment von 42 Nm. Die maximale Drehzahl liegt bei 16.300/min. Die Konstruktion dieser sogenannten Motorized Wheels von Michelin beinhaltet zusätzlich ein zweistufiges Getriebe, dank dessen in allen Fahrsituationen ein ausreichendes Antriebsmoment zur Verfügung steht und die Höchstgeschwindigkeit von über 100 km/h erreicht werden kann.

Das Hochvoltbatterie-Paket besteht aus 80 prismatischen Li-NiMnCo-Zellen. Der gesamte Energieinhalt beträgt 21,6 kWh, um die Reichweitenanforderung sicher-zustellen. Das Fahrzeug ist mit einem Bordladegerät ausgestattet, das an einer

MERKMAL WERT

Länge 4485 mm

Breite 1885 mm

Höhe 2000 mm

Radstand 2750 mm

Leergewicht 1500 kg

Zulässiges Gesamtgewicht 2200 kg

Zuladung 700 kg

Ladevolumen 4 m3

Höchstgeschwindigkeit 100 km/h

Mindestreichweite 120 km

➌ Technische Daten des Demonstratorfahrzeugs

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09I2014 116. Jahrgang 39

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230-V-Steckdose verwendet werden kann. Das 12-V-Netz des Fahrzeugs wird über einen 3,5-kW-DC/DC-Konverter von der Hochvoltbatterie versorgt.

Nach erfolgreicher Inbetriebnahme im April 2014 folgte eine Messkampagne, die von verschiedenen Projektpartnern auf unterschiedlichen Prüfgeländen durchgeführt wurde, ➍.

Hierbei standen die Themen Fahrdyna-mik, Energieeffi zienz, Akustik (NVH), elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und Ergonomie im Fokus der Untersu-chungen. Die virtuellen Ergebnisse aus dem Entwicklungsprozess konnten dabei weitgehend bestätigt werden.

ZUSAMMENFASSUNG

Die Forderungen der Emissionssenkung des städtischen Lieferverkehrs lassen sich durch elektrisch angetriebene Fahr-zeuge weitgehend erfüllen. Sie sind lokal schadstofffrei zu betreiben und emittie-ren deutlich weniger Lärm als verbren-nungsmotorisch angetriebene Modelle. Die heute verfügbare elektrische Antriebs- und Batterietechnik reicht aus, um die Bedarfe an Reichweite und Leistung zu erfüllen. Weiterentwicklungen auf die-sen Gebieten wirken sich unmittelbar positiv auf Effi zienz und Kosten aus, bei-spielsweise durch eine Reduzierung der Masse des Batteriesystems.

Neben einer anwendungsgerechten Konzipierung hinsichtlich der Fahrleis-

tungen hat das Deliver-Projekt der täg-lichen Nutzung durch Mitarbeiter der Postdienste besonderes Augenmerk geschenkt. Das Ergebnis ist eine voll-ständig neugestaltete und ergonomisch optimierte Fahrerkabine. Ein schwenk-barer Fahrersitz ermöglicht einen einfa-chen Ausstieg auf der Beifahrerseite. Der Verzicht auf Beifahrersitz und Schweller sowie die hohe Sitzposition erleichtern den Ein- und Ausstieg erheblich.

Dank des Demonstratorfahrzeugs konnten die theoretischen Überlegungen und Entwicklungen im realen Versuch erprobt werden. Es ist ein nicht zuletzt auch optisch auffallender Beleg für die Kompetenz und gute Zusammenarbeit aller europäischen Partner, die an die-sem Projekt beteiligt waren.

LITERATURHINWEISE[1] Nerlich, M.; Schiffner, F.; Vogt, W.; Rauh, J.; Breidenbach, P.: Berechnung verkehrlicher Substi-tutionseffekte im Personenverkehr bei Online-Shop-ping. In: Produktion – Distribution – Konsum, S. 117-132, Springer Verlag, Berlin/Heidelberg, 2010[2] Lesemann, M.; Faßbender, S.; Stein, J. et al.: Kundenanforderungen an Elektrofahrzeuge. In: ATZ 115 (2013), Nr. 11, S. 22-27[3] Welfers, T.; Lesemann, M. et al.: Deliver – Ent-wicklung eines leichten E-Nutzfahrzeugs zur Redu-zierung der negativen Umwelteinflüsse. Vortrag, Strategien des Karosseriebaus, Bad Nauheim, 2013[4] Koch J. et al.: Konzipierung und Gestaltung elektromobiler Dienstleistungen im innerstädtischen Raum. Band 1 – Projektbericht. Institut für Trans-portation Design, HBK Braunschweig, 2011[5] Ellinghaus, D.; Steinbrecher, J.: Lkw im Straßen-verkehr. Uniroyal-Verkehrsuntersuchung 27, Conti-nental AG, Hannover, 2002

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DANKE

Das europäische Forschungsprojekt Deliver

wurde vom Institut für Kraftfahrzeuge (ika) der

RWTH Aachen (D) koordiniert. Weitere Partner

waren Centro Ricerche Fiat (I), Volkswagen-

Konzernforschung (D), Liberty Electric Cars

(GB), Michelin Recherche et Technique (CH),

Polis Network (B), SP Technical Research

Institute of Sweden (S), HPL Prototypes (GB)

sowie die Firmen Cadem (TR) und Mobit (TR).

Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit

wurden durch das Siebte Forschungsrahmen-

programm (7. FRP/2007-2013) der Europäi-

schen Kommission unter der Vertragsnummer

285296 gefördert. Diese Veröffentlichung

stellt ausschließlich die Sicht der Autoren dar.

Die Europäische Kommission übernimmt keine

Haftung für die Nutzung der hier aufgeführten

Informationen.

➍ Testfahrten mit dem Demonstrator auf dem Aldenhoven Testing Center

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