In der Arbeit wird ein durchgängiges Verfahren zur Auslegung von dieselelektrischen Lokomotiven mit Energiespeichern im Personenverkehr dargestellt. Im Fokus liegt dabei der Einsatz von Optimierungsalgorithmen zur Verbesserung des Generatorsystems und des elektrischen Energiespeichers im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch und die Lebenszykluskosten. Dafür wurde ein Berechnungsprogramm zur Zugfahrt- und Energieflusssimulation entwickelt und für die Grundkonfiguration validiert. Die gewählte Abbildungstiefe erlaubt Aussagen über die erreichbare Fahrzeit und den fahrzeitabhängigen Kraftstoffverbrauch für spezifische Strecken und Zugkonfigurationen. Das erstellte Berechnungsprogramm bietet die Basis zur Untersuchung verschiedener Strategien für die Fahrtgestaltung unter Berücksichtigung der Fahrzeitreserven, den Betrieb des Energiespeichers und der Steuerung von Anlagen mit mehreren Dieselmotorgeneratorsätzen. Neben der Nutzung regelbasierter Strategien werden dabei auch vorausschauende Betriebsstrategien eingesetzt, welche die Möglichkeiten der bei Schienenfahrzeugen im Vorfeld bekannten Streckengeschwindigkeiten und -topologie nutzen. Die lebenszykluskostenbasierte Konfigurationsoptimierung wird durch ein Modul realisiert, welches unter Berücksichtigung der Lokkonfiguration und der Energiesimulation für ein vorgegebenes Streckenprofil die Verbrauchs-, Instandhaltungs- und Anschaffungskosten für das Fahrzeug berechnet. Die Kalkulation basiert darauf, dass ein Grundbetrag für die Anschaffungs- und Instandhaltungskosten angesetzt wird und nur die Differenzkosten durch die Konfigurationsänderung des Generatorsatzes und des Energiespeichers berücksichtigt werden. Bei der Evaluation möglicher Speichertechnologien haben sich Doppelschichtkondensatoren und High-Energy-Li-Ionen-Speicher als geeignet herausgestellt. Diese haben sich bereits in Fahrzeuganwendungen bewährt. Sie weisen jedoch suboptimale Ladezeiten auf, was zu relativ hohen Speichermassen für eine bestimmte angestrebte Kraftstoffeinsparung führt High-Power-Li-Ionen-Speicher können diese Lücke schließen, sind jedoch noch nicht auf dem Markt verbreitet. Deshalb wurden alle genannten Speichertypen in die Untersuchung einbezogen. Die energiesparende Fahrweise und der Betrieb von Energiespeichern hängen eng zusammen. Zum einen reduzieren Ausrollphasen die verfügbare Bremsarbeit, da die kinetische Energie zur Überwindung der Fahrwiderstände oder zum Betrieb der Nebenaggregate genutzt werden kann. Zum anderen kann eine angepasste Fahrweise zur besseren Ausnutzung von Energiespeichern mit spezifischer Leistung geringer beitragen, da die Rekuperationszeiten wesentlich verlängert werden können. Für die Erstellung einer angepassten Fahrstrategie wird die sukzessive Approximation in Kombination mit den Fahrregimen "Ausrollen", "Rekuperatives Verzögern" und "Reduktion der Fahrgeschwindigkeit" verwendet, welche sich gegenüber der vollständigen Prädiktion mit Hilfe der dynamischen Programmierung durch geringere Berechnungszeiten und eine einfache Kopplung an die Optimierung der Speicherstrategien auszeichnet. Bei High-Energy-Li-Ionen-Batterien kann eine speicheroptimale Rekuperation in Ausrollphasen den Kraftstoffverbrauch gegenüber dem klassischen Ausrollen um ca. drei Prozentpunkte reduzieren. Für den effizienten Speicherbetrieb ist die Verwendung vorrausschauender Strategien zweckmäßig, welche mit Hilfe der dynamischen Programmierung ermittelt werden. Der Algorithmus kann zum einen direkt in die Fahrzeugsteuerung implementiert oder aber zur Minirnierung des Rechenaufwands für die Offline-Optimierung regelbasierter Betriebsstrategien genutzt werden. Durch die Optimierung werden der Speicherwirkungsgrad angehoben, die Verluste minimiert und die Möglichkeiten der Lastpunktverschiebung ausgeschöpft. Von großer Bedeutung ist einsolche Funktion vor allem für Downsizingkonzepte, bei denen die Unterstützung der Batterie zur Abdeckung der Leistungsanforderungen benötigt wird und der dafür vorzuhaltende Energievorrat im Speicher prädiziert werden kann. Das Verbrauchseinsparpotential beträgt hier bis zu 18 Prozent, da die Rekuperation der Bremsarbeit wesentlich gefördert wird. Unter dem Gesichtspunkt der Rentabilität eines Speichersystems spielt jedoch nicht nur die erzielte Kraftstoffeinsparung, sondern auch die Speicheralterung eine Rolle. Der zyklenbasierte Speicherverschleiß ist im Wesentlichen durch den auftretenden Ladungsumsatz gekennzeichnet, welcher in die Optimierung der Betriebsstrategien durch äquivalente Kosten einbezogen werden kann.
Optimierung des Betriebsverhaltens und der Konfiguration von dieselelektrischen Lokomotiven
Optimization of the in-service behavior and the configuration of diesel-electric locomotives
2013
219 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen
Theses
German
Lokomotive , dieselelektrischer Antrieb , Dieselgeneratoranlage , Energiespeicher , Kraftstoffeinsparung , Lebenszykluskosten , Fahrbereich , Fahrdynamik , Fahrbatterie , Lithium-Ionen-Akkumulator , Hochenergiebatterie , Ladezeit (Aufladezeit) , Bremsenergie , regeneratives Bremsen , Fahrgeschwindigkeit , Fahrplan , Fahrsimulation , Berechnungsprogramm , Optimierungsalgorithmus , dynamische Programmierung , Betriebsanalyse , Kostenanalyse , Anschaffungskosten , Instandhaltungsplanung
Optimierung des Betriebsverhaltens und der Konfiguration von dieselelektrischen Lokomotiven
SLUB | 2012
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