Auto/Motor

Autonom fahrende LKW werden in der Zukunft auf den Straßen unterwegs sein.
Dabei stellt sich die Frage, wie der technisch einwandfreie Zustand des
Trailers vor Fahrtantritt überprüft werden kann, wenn es keinen Fahrer
mehr gibt. Dies betrifft insbesondere die Komponenten, die für die
Verkehrssicherheit und fahrdynamische Stabilität verantwortlich sind. Auch
die Fahreigenschaften des Gespanns, die der Fahrer während der Fahrt
erfühlt und seine Fahrweise darauf einstellt, müssen automatisiert erfasst
und durch den Autopiloten berücksichtigt werden. Im Forschungsprojekt
»IdenT« unter Federführung der BPW Bergische Achsen KG haben Forscherteams
eine Lösung für diese Fragestellungen erarbeitet.

Der Kern der Lösung ist ein EDGE Device auf dem Trailer, der mithilfe
eines Sensornetzwerks verschiedene Messgrößen wie Beschleunigungen,
Drücke, oder Kamerabilder erfasst. Auf dem Rechner läuft ein digitaler
Online-Zwilling, der die Daten in Echtzeit in einem Fahrdynamikmodell des
Trailers verarbeitet. Besondere Fahrsituationen, die einer umfassenderen
Analyse bedürfen, werden erkannt und automatisch an einen Cloud-basierten
Offline-Zwilling zur detaillierteren Auswertung übergeben.

Entwicklung von MKS-Modellen für digitalen Offline-Zwilling

Forschende aus dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und
Systemzuverlässigkeit LBF haben im Forschungsprojekt »IdenT -
Identifikation dynamik- und sicherheitsrelevanter Trailerzustände für
automatisiert fahrende Lastkraftwagen« Mehrkörpersimulation (MKS)-Modelle
für einen digitalen Offline-Zwilling entwickelt und implementiert. Er
dient zur numerischen Simulation betriebsfestigkeitsrelevanter
Fahrsequenzen, die von dem Online-Zwilling während der Fahrt auf Basis
spezifischer Messsignale identifiziert werden. Gemessene und vom Online-
Zwilling identifizierte Zeitreihen und Parameter werden auf ein Cloud-
System gesendet, auf dem der gesamte Prozess des Offline-Zwillings
getriggert wird. Dieser besteht aus verschiedenen Funktionen, die von den
Projektpartnern entwickelt und zusammen in eine Prozesskette integriert
wurden. Zentrales Element ist ein detailliertes MKS-Modell des LKW-
Trailers, das für die Simulation jedes Abschnittes automatisiert an den
aktuellen identifizierten Zustand des realen Fahrzeugs mit entsprechenden
Funktionen angepasst wird. Im Anschluss jeder Simulation berechnen
zusätzliche Funktionen die Prognose des Betriebsfestigkeitszustandes
ausgewählter Komponenten.

Wesentliche Größen für die Validierung des digitalen Zwillings sind die
Kopplungskräfte am King Pin, über den der Trailer an die Zugmaschine
angehängt wird. Die Modelle wurden mit diesen Messdaten abgeglichen, so
dass diese Schnittkräfte zukünftig durch Modelle zuverlässig bestimmt
werden.

Schnittkraftmessung am King Pin

Im Rahmen von »IdenT« wurde eine Messplattform aufgebaut, die die
angreifenden Kräfte und Momente am King Pin im Fahrbetrieb erfasst. Die
Messplattform besteht aus Kraftmesszellen und ist dafür vorgesehen im
Entwicklungsprozess oder zu Validierungszwecken eingesetzt zu werden.
Beispielsweise werden mit dem Messaufbau Belastungsdaten ermittelt oder
genaue Daten zur Abstimmung der Bremssysteme des Trailers erfasst.

KI-basierte Identifikationsalgorithmen monitoren Elastomerlager

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Fraunhofer LBF
befassten sich auch mit der Identifikation des Zustands der Fahrwerk-
Elastomerlager und verfolgten zwei parallele Ansätze. Auf einer Seite
wurden Physik-basierte Identifikationsalgorithmen entwickelt, die ein
vereinfachtes mechanisches Modell der Achse mit Algorithmen zur Parameter-
Identifikation kombinieren. Das ermöglicht die Schätzung der mechanischen
Eigenschaften der Elastomerlager, die im Zusammenhang mit dem Zustand der
Elastomerlager stehen. Auf der anderen Seite wurden KI-basierte
Identifikationsalgorithmen implementiert, die einen direkten Zusammenhang
zwischen verfügbaren Messdaten und dem Elastomerlager-Zustand bilden.
Beide Ansätze lieferten im Projekt die gewünschten Informationen.

Autarke Sensoren aus dem Fraunhofer LBF

Ein Teil des Sensornetzwerkes ist ein Modul, das als Achskapsel eines
Trailer-Rades installiert wird. Ein kleiner Generator, der durch die
Raddrehung gespeist wird, liefert genug Energie für die Versorgung von
Sensoren, einem leistungsstarken Controller und verschiedenen
Funkschnittstellen wie Bluetooth oder LoRaWAN. Der Achskapselsensor kann
als Teil des Sensornetzes Daten für die digitalen Zwillinge sammeln oder
als Stand-Alone Einheit Sensordaten erfassen, auswerten und per Funk
verschicken.

BMWK fördert großen Pilotbetrieb zur Entwicklung des bidirektionalen
Lademanagements der nächsten Generation mit über elf Mio. Euro.

München, 21.11.2023: Das Forschungskonsortium „BDL Next“ - direkter
Nachfolger des Projekts Bidirektionales Lademanagement (BDL) - hat im
November 2023 seine Arbeit aufgenommen. Im Zentrum des Projekts steht ein
mehrstufiger Feldversuch zur Erprobung der Massentauglichkeit und
Massenintegration des bidirektionalen Ladens von Elektrofahrzeugen.
Gefördert wird das dreijährige Vorhaben vom Bundesministerium für
Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) mit über elf Mio. Euro.

Träger des Verbundprojekts ist das Deutsche Zentrum für Luft- und
Raumfahrt (DLR). Nach drei Jahren Projektlaufzeit sollen bidirektionale
Serienfahrzeuge mithilfe standardisierter Technologien vollständig in
energiewirtschaftliche Marktprozesse, den Netzbetrieb und das
Energieökosystem der Kund:innen integrierbar sein. Die Leitung des
dreijährigen Forschungsprojektes übernimmt die FfE aus München.

Am Projekt beteiligen sich der Automobilhersteller BMW, die Netzbetreiber
Bayernwerk Netz und TenneT und das Energieunternehmen E.ON. KEO und
Compleo decken die Bereiche EEBUS-Kommunikationstechnik und
Ladeinfrastruktur ab. Komplettiert wird das Konsortium mit dem KIT, der
Universität Passau und der EBZ Business School, die sich im Rahmen der
wissenschaftlichen Begleitung beteiligen.

Das Vorgängerprojekt BDL hat gezeigt, dass Elektrofahrzeuge ein
vielfältiges Potenzial für markt-, netz- und systemdienliche Zwecke sowie
für Anwendungen im Interesse der Letztverbraucher bieten. Voraussetzung
hierfür ist, dass die Fahrzeuge Strom sowohl intelligent beziehen als auch
rückspeisen können. Beispielhaft dafür stehen die
Eigenverbrauchsoptimierung bei privaten PV-Anwendungen oder die
Bereitstellung von Energie zum Ausgleich von Frequenzschwankungen im
Stromnetz.

Zum aktuellen Zeitpunkt bestehen weiterhin sowohl technologische als auch
rechtlich-regulatorische und prozesstechnische Lücken, die eine nahtlose
Überführung in den massenfähigen Realbetrieb von bidirektionalen
Ladestrategien bislang verhindern. Genau hier setzt BDL Next an: Kern des
Projekts ist die Weiterentwicklung technischer Lösungen, um die Systeme
stärker mit etablierten Prozessen der Energiewirtschaft bei der
Vermarktung von Energiemengen an der Strombörse oder
Systemdienstleistungen zu verzahnen.

Gleichzeitig wird auch am netzorientierten Betrieb bidirektionaler
Fahrzeuge gearbeitet, damit diese zukünftig integraler Bestandteil unseres
robusten und intelligenten Stromnetzes werden. Mit einem mehrstufigen
Feldversuch sollen die Erfahrungen aus dem Realbetrieb genutzt werden, um
Schwachstellen der Konzeption und technischen Entwicklung offenzulegen,
ökonomische und ökologische Mehrwerte des bidirektionalen Ladens weiter zu
steigern und die Integration der Technologie aus Kundenperspektive weiter
zu vereinfachen.

Mehrstufiger Pilotbetrieb

Zur Erprobung und Demonstration der neuentwickelten Lösungen wird ein
dreistufiger Pilotbetrieb angestrebt. Im ersten Schritt werden virtuell
die Vermarktungs- und Betriebsstrategien weiterentwickelt und getestet.
Anschließend kommen einige Pilotfahrzeuge des Vorgängerprojekts zum
Einsatz, um die Prozesse zu implementieren und zu prüfen. Abschließend
findet ein Wechsel auf bidirektionale Serienfahrzeuge statt, um die
Massentauglichkeit der Technologie zu demonstrieren.

„Wir freuen uns sehr, mit BDL Next auf den Erfahrungen und Erfolgen aus
dem BDL-Projekt aufzubauen und das bidirektionale Laden massentauglich zu
machen. Eine gute Zusammenarbeit aller beteiligten Stakeholder ist hierfür
entscheidend, weswegen ich sehr glücklich über die Fortsetzung im Rahmen
dieses breiten Konsortiums bin“, so Dr.-Ing. Mathias Müller,
Gesamtprojektleiter.

Fünf Schwerpunkte der Technologienentwicklung & wissenschaftliche
Begleitung

Neben dem gemeinsamen Pilotbetrieb arbeiten die Partner in verschiedenen
Arbeitspaketen an der technologischen Weiterentwicklung der benötigten
Schnittstellen und Prozesse, um die verschiedenen Use Cases des
bidirektionalen Ladens nahtlos in bestehende Systeme zu integrieren:

• Die beteiligten Unternehmen entwickeln eine Aggregations-Plattform, die
es ermöglicht, Elektrofahrzeuge und andere Flexibilitäten effizient zu
verbinden und zu steuern. Ziel ist es, dass diese im alltäglichen Betrieb
sowohl zur Stabilisierung des Stromnetzes beitragen als auch auf
Marktanforderungen reagieren können.

• Die gesammelten Anforderungen der Use Cases werden detailliert in
technischen Dokumentationen der einzelnen unterschiedlichen
Kommunikationsstrecken beschrieben und an die entsprechenden
Standardisierungsgruppen überführt. Aus den jeweiligen technischen
Dokumentationen werden Software-Lösungen für die einzelnen Endgeräte
entwickelt, mit dem Ziel der interoperablen Kommunikation.

• Im Rahmen der Netzintegration werden die Entwicklung, der Aufbau und der
Betrieb einer konzeptionellen Niederspannungsnetzleitwarte, aufbauend auf
Erkenntnissen und Ergebnissen der Vorgängerprojekte, umgesetzt. Der Fokus
liegt dabei auf Monitoring, Bewertung, Prognose sowie auf der Steuerung
von Flexibilitäten.

• Unter dem Titel Marktintegration streben die Partner eine Anbindung der
Aggregationsplattform an die Energiemärkte an. Dabei werden
Handelsstrategien zur Vermarktung der verfügbaren Flexibilitäten eines
Aggregators über die verschiedenen erschließbaren Marktkanäle entwickelt
und ein transparentes und effizientes Abrechnungs- und Messkonzept
aufgestellt. Zudem sind eine einfache, verständliche Integration sowie die
Bereitstellung der Soft- und Hardware beim Nutzer wichtige Bausteine,
welche ebenfalls innerhalb dieses Arbeitspakets untersucht werden.

• Im Arbeitspaket Systemintegration werden Prozesse entwickelt, die eine
skalierbare Integration von bidirektionalen Elektrofahrzeugen in das
Energiesystem zur Erbringung von Regelleistung und Redispatch ermöglichen
– unter Beachtung und ggf. Weiterentwicklung des regulatorischen Rahmens.

• Begleitend forschen die beteiligten Hochschulen und Institute zu den
Themen Kundenerlebnis, Nutzerverhalten, Optimierungspotenzialen des
Energiemanagements, sowie zu Rückwirkungen der Technologie auf die
Stromnetze und das Energiesystem. Aufbauend auf den Potenzialen der
Elektrofahrzeuge werden im Rahmen der Begleitforschung unterschiedliche
Use Cases sowie Multi Use Anwendungen, auch unter Verwendung eines Heim-
Energiemanagementsystems aus Nutzersicht, umfassend analysiert.

Lastwagen und landwirtschaftliche Maschinen machen es wegen ihrer
besonderen Leistungsanforderungen Ingenieur:innen noch immer nicht leicht,
sie in das Elektro-Zeitalter zu überführen. Forschende der Technischen
Universität München (TUM) zeigen nun auf der Agrarfachmesse Agritechnica,
wie ein Entwicklungsbaukasten für elektrische Traktoren aussehen kann. Die
Plattform bietet Module für verschiedene Zwecke und bei Bedarf auch eine
Art Powerbank als Wechselakku.

Die Landwirtschaft ist einer der Bereiche der Wirtschaft, die die
Auswirkungen des Klimawandels am unmittelbarsten zu spüren bekommen.
Extremwetterereignisse beschneiden die Erträge auf den Feldern und machen
die Planung für die Landwirt:innen zunehmend schwierig. Traktoren und
Landmaschinen werden allerdings weiterhin flächendeckend mit Diesel
angetrieben. Ein Problem, das viele Hersteller von Landmaschinen aufgrund
von verschiedenen Herausforderungen, wie beispielsweise dem Kostendruck
oder fehlendem Zugang zu Technologie, bislang noch nicht für die Breite
lösen konnten. Hier setzt das Forschungsprojekt TUMtrac an. Forschende der
TUM erarbeiten einen modularen Entwicklungsbaukasten für vollelektrische
Traktoren. Ziel ist es, Landmaschinenproduzenten markenübergreifend bei
der Entwicklung neuer Traktoren-Konzepte zu unterstützen. Eine mögliche
Variante zeigen sie auf der Fachmesse Agritechnica.

Dabei konzentriert sich das Team auf kleine bis mittlere Traktoren, wie
sie beispielsweise im Obstanbau verwendet werden. „Wir sehen die
Möglichkeit der Elektrifizierung vor allem bei Traktoren, die zwar viele
Arbeitsstunden abzuleisten haben, dabei aber konstante Leistung liefern
müssen. Hier sind die Hopfenernte oder das Pflücken von Früchten ideale
Beispiele. Unser Traktor-Baukasten soll dank seines modularen Aufbaus ganz
unterschiedliche Traktorenkonzepte simulieren und bewerten können“,
erklärt Korbinian Götz, Projektleiter des Forschungsprojekts am Lehrstuhl
für Fahrzeugtechnik der TUM. Ab 1.000 Betriebsstunden pro Jahr soll sich
Traktoren, die mit dem Baukasten konstruiert werden können, besonders gut
eignen.

Modularer Aufbau des Funktionsträgers mit Wechselakku

Das Besondere bei TUMtrac ist der modulare Aufbau, der je nach
Anwendungsgebiet individuell angepasst werden kann. Der auf der Messe
ausgestellte Funktionsträger zeigt, wie ein Gesamtkonzept später aussehen
könnte. Eine einheitliche Bodengruppe bildet hier die Basis des Traktors.
Diese wird durch einen Wechselakku ergänzt, der je nach Aufgabenfeld vorne
oder hinten auf dem Fahrzeug platziert werden kann. Damit dient der Akku
als Stromquelle und gleichzeitig als Gegengewicht für Anbauten wie
Mähwerke oder Schneepflüge.

Zum einen senkt der Wechselakku das Fahrzeuggewicht, da er kleiner als ein
festverbauter Akku sein kann und somit nur der Strom mitgeführt wird, der
auch wirklich benötigt wird. Zum anderen können die Akkus auch als eine
Art riesige Powerbank fungieren. So kann Strom, den die Landwirt:innen
selbst über Photovoltaik oder Windkraft erzeugen, gepuffert und für die
eigene Arbeit verwendet werden. „Was im Pkw-Bereich aktuell noch eine
Randerscheinung ist, können wir im Agrarsektor gezielt für die Auslegung
unseres Traktorensystems nutzen. Der Wechselakku kann landwirtschaftlichen
Betrieben durch mehr Flexibilität bei der Anwendung einen echten Mehrwert
bieten“, sagt Prof. Markus Lienkamp, Leiter des Lehrstuhls für
Fahrzeugtechnik an der TUM.

Soft- und Hardware aus einer Hand

Neben der Hardware konzentriert sich das Forschungsteam auch auf die
Entwicklung einer auf das Gesamtkonzept angepassten Software. Mit ihrer
Hilfe lassen sich nach Eingabe der gewünschten Anforderungen
unterschiedliche Traktorkonzepte auf ihre Wirtschaftlichkeit für den
Agrarbetrieb bewerten. Die ganzheitliche Herangehensweise soll den
modularen Ansatz der Plattform unterstützen, da die Herausforderungen im
jeweiligen Arbeitsumfeld schnell aufgegriffen werden können. Damit nehmen
sich die Forschenden der immer komplexer werdenden Arbeitsrealität in der
Landwirtschaft an. Sich stetig verändernde Rahmenbedingungen fordern mehr
Flexibilität bei den Gerätschaften. Hier könnte TUMtrac einen Beitrag zur
Dekarbonisierung im Agrarsektor leisten – und das weltweit.

Weitere Informationen:

Webseite des Forschungsprojekts: http://go.tum.de/228132