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Dec 18, 2023

Die Anhängerelektrifizierung ist ein Schritt hin zu mehr Effizienz und Stabilität

Der Weg zur vollständigen Trailerelektrifizierung wird lang, aber sicher sein

Der Weg zur vollständigen Elektrifizierung von Anhängern wird ein langer sein, aber bestimmte Technologien, die die Gesamteffizienz verbessern, sind näher, als wir vielleicht denken. Anhänger, die mit elektrischen Achsen und Nabenmotoren ausgestattet sind, können zur Zugkraft eines Motors beitragen und so den Kraftstoffverbrauch senken. Auch die Fahrzeugstabilität und Bremsleistung können durch den Einsatz fortschrittlicherer Systeme verbessert werden.

Wolfgang Hahn, Systeminnovationsleiter bei ZF Group North America, erklärte den Teilnehmern der Jahrestagung der Canadian Transportation Equipment Association (CTEA) in Victoria, dass es vor allem um die Rückgewinnung ansonsten ungenutzter kinetischer Energie aus der Fahrzeugbewegung gehe.

„Nur ein kleiner Teil des Gesamtenergiegehalts eines Liters Dieselkraftstoff trägt tatsächlich zur Vorwärtsbewegung des Lkw bei“, sagte Hahn und nannte interne Motorreibung, Pumpverluste und elektrische Lasten als erhebliche Energiefresser.

„Die mit Abstand größten Verluste, die es zu überwinden gilt, sind der Fahrwiderstand: Luftwiderstand, Reifenrollwiderstand, Beschleunigungswiderstand und Bergauffahren – mit anderen Worten, die Überwindung der Trägheit“, sagte er. „Verlust ist vielleicht nicht das richtige Wort. Energie geht nie verloren. Sie kann in eine andere Form umgewandelt werden, aber sie geht für unsere Nutzung verloren.“

Energiesenken wie Luftwiderstand und Rollwiderstand können gemildert, aber niemals beseitigt werden. Andererseits ist es möglich, einen Teil der Verluste auszugleichen, indem ein gewisser Prozentsatz der kinetischen Energie zurückgewonnen wird, die beim Bergabbremsen oder im Leerlauf durch Hitze und Metallverschleiß verloren geht.

Laut Hahn gibt es enorme Möglichkeiten zur Energierückgewinnung, indem elektrische Generatoren in Anhängerachsen oder -rädern zum Abbremsen des Fahrzeugs eingesetzt werden, anstatt herkömmliche Kompressions- und Reibungsbremsen zu verwenden. Die zurückgewonnene Energie kann in Batterien gespeichert und später zur Entlastung des Motors beim Beschleunigen und bei Spitzenlastbedarf genutzt werden.

„Praktisch könnte dies dazu führen, dass wir weniger Motorleistung verbrauchen und somit kraftstoffeffizienter arbeiten“, sagte Hahn.

Motorkompressionsbremsen oder Abgasbremsen sind nützlich, um der Bergabbeschleunigung entgegenzuwirken, insbesondere auf langen Steigungen, was Hahn als Dauerbremsung bezeichnet, aber sie tragen nicht zur Rekuperationsleistung bei. Wenn jedoch die primäre Dauerbremsstrategie die E-Achse des Anhängers mit einem Motor/Generator wäre, könnte ein hoher Prozentsatz dieser kinetischen Energie einfach und kostengünstig zurückgewonnen werden, argumentierte Hahn. Die Motorbremse würde dann zur zweiten Stufe der Geschwindigkeitsregelung bei Dauerbremsungen werden und die Betriebsbremsen für den Schluss aufheben.

Was kann man also mit all dieser „kostenlosen“ Energie anfangen?

„Typischerweise sehen wir das bei herkömmlichen Traktoren in Kombination mit Anhängern, die mit E-Achsen und Batterien zur Energiespeicherung ausgestattet sind“, sagte er. „Die Energie wird häufig dazu verwendet, den Motor, der den Kompressor antreibt, durch Kühlung zu ersetzen.“

ConMet eMobility hat in den letzten Jahren an der Entwicklung eines solchen Systems gearbeitet. ConMet, eHub genannt, hat einen radinternen Elektromotor mit seiner ConMet PreSet Plus-Nabenbaugruppe kombiniert, um kinetische Energie zu erfassen und in Elektrizität umzuwandeln. Der Strom wird in einer, wie das Unternehmen es nennt, „leichten Hochleistungsbatterie“ gespeichert, die unter einem Anhänger sitzt. Bei der gemeinsamen Nutzung mit einem Transportkühlsystem reicht die zurückgewonnene Energie laut ConMet aus, um den Dieselmotor zu ersetzen, der früher zum Antrieb des Kühlkompressors verwendet wurde.

Dank einer Partnerschaft mit Carrier Transicold, Great Dane Trailers und dem Foodservice-Vertriebsunternehmen Sysco Corp. sind in Kalifornien derzeit Einheiten im Einsatz.

Solche Konfigurationen seien in Europa bereits seit 20 Jahren im Einsatz, sagte Hahn und räumte ein, dass der Einsatz in großem Maßstab in Nordamerika noch einige Zeit auf sich warten lassen werde.

Die europäischen und nordamerikanischen Technologiepfade gingen vor einigen Jahren auseinander, wobei die Länder der Europäischen Union elektronische Steuerungen und eine stärkere Integration von Sattelzugmaschinen und Anhängern einführten. Gleichzeitig beschlossen nordamerikanische Lkw-Hersteller, verbesserte Sensor- und Netzwerkfunktionen für ihre Traktoren zu entwickeln.

Hier gibt es seit 2019 große Anstrengungen zur Entwicklung einer neuen Sattelzugmaschine-Anhänger-Schnittstelle, die diese Ebene der Fahrzeugintegration ermöglichen soll. Es ist ein langsamer Prozess, aber fast jeder erkennt an, dass wir über den siebenpoligen J-560-Stecker hinausgehen müssen, sobald dies möglich und praktikabel ist.

Wie viel Energie kann rekuperiert werden? Das hängt von der Anwendung und dem Arbeitszyklus ab. Offensichtlich führen Anwendungen mit einer höheren Anzahl an anhaltenden Verzögerungsereignissen zu höheren Erträgen. Im Jahr 1999 hat die EU ein Testprogramm eingeführt, das eine Standardmessung des Energieverbrauchs und der Emissionen in verschiedenen Szenarien ermöglichen soll.

Basierend auf einem regionalen Verteilungsmodell mit einer vorgegebenen 100-km-Strecke mit unterschiedlichen Straßensteigungen und Start-Stopp-Zyklen verbrauchte der Test-Lkw 42 Liter Kraftstoff und produzierte eine errechnete mögliche rekuperierte Bremsenergie von 42,3 kWh.

Der Test mit dem mit E-Achsen ausgestatteten, aber nicht vollständig in die Zugmaschine integrierten Anhänger verbrauchte fünf Liter weniger Kraftstoff (eine Kraftstoffeinsparung von 16 %) und erzeugte durch rekuperatives Bremsen 33,4 kWh Energie – etwa 79 % der berechneten potenziellen Energie .

„Das geschah nur mit Kontrollen am Anhänger“, fügte Hahn hinzu. „Es war ein Prototyp, kein vollständig optimiertes Fahrzeug. Da der Anhänger nicht in den Motor integriert ist, kann man nur etwa 50–60 % der Energiemenge zurückgewinnen, die möglich wäre, wenn die beiden Einheiten enger integriert wären.“

Im Idealfall wären Zugmaschine und Anhänger tief und breit miteinander verbunden, sodass die Antriebsstrangsteuerungen der Zugmaschine die Energierückgewinnung und die Antriebsfähigkeiten des Anhängers steuern könnten. Obwohl wir noch nicht einmal so weit sind, lobt Hahn bereits die Vorteile des ultimativen Ablegers einer tieferen Fahrzeugintegration: elektronische Bremssteuerungen.

„Die elektronische Bremssteuerung für Lastkraftwagen und Anhänger wäre ein großer Fortschritt in Bezug auf Fahrzeugstabilität und Bremsleistung“, sagte er.

Einfach ausgedrückt würden elektronische Bremssysteme das CAN-Netzwerk zur Steuerung der Bremsbetätigung nutzen und nicht die heute verwendeten pneumatischen Steuerleitungen. Die offensichtlichen Vorteile der elektronischen Betätigungssteuerung sind eine präzisere Bremskraftmodulation, ein schnelleres und gleichzeitiges Ansprechen aller Fahrzeugbremsen sowie eine höhere Fahrzeugstabilität bei Bremsmanövern.

Aufgrund der Zeit, die erforderlich ist, um in der Steuerleitung ausreichend Druck aufzubauen, um die Bremsen zu betätigen – und darüber hinaus, bis der Druck am Bremsaktuator den gewünschten Betätigungsdruck erreicht – kann es laut Hahn bis zu zwei Sekunden dauern, bis die Bremsen aktiviert sind Erreichen Sie den vollen Anpressdruck an der hintersten Achse eines Fahrzeugs mit langer Fahrzeugkombination (LCV).

„Durch die elektronische Steuerung kann auch die E-Achse des Anhängers in die Bremsleistung einbezogen werden, was insgesamt zu kürzeren Bremswegen führen kann“, betonte er.

Hahn ging nicht auf die Frage der elektrischen Bremsaktuatoren im Vergleich zu den aktuellen pneumatischen Aktuatoren ein. Heutige pneumatische Bremsen könnten einfach und problemlos durch elektronische Signale an den Modulatorventilen statt durch Luftdruck gesteuert werden. Die Umrüstung der Aktuatoren selbst von pneumatisch auf elektromechanisch ist eine andere Sache.

Bremsenexperten prüfen natürlich die Möglichkeit und testen solche Systeme. Mit Blick auf den Tag, an dem batterieelektrische Fahrzeuge immer häufiger eingesetzt werden, würde der Austausch von Druckluftbremsen durch elektrische Bremsen den Bedarf an Luftkompressoren und einer ganzen Menge Rohrleitungen überflüssig machen.

Lkw werden sich irgendwann in diese Richtung bewegen, und Hahns Präsentation auf der Jahrestagung der CTEA letzte Woche in Victoria berührt nur das volle Potenzial der Anhängerelektrifizierung.

Jim Park war von 1978 bis 1998 CDL-Fahrer und Besitzer-Betreiber, als er seine zweite Karriere als LKW-Journalist begann. Während dieses beruflichen Übergangs moderierte er über Nacht eine Radiosendung bei einem Radiosender in Hamilton, Ontario, und moderierte später die Trucking-Nachrichten im Road Dog Trucking-Kanal von SiriusXM. Jim schreibt regelmäßig Beiträge für Today's Trucking und Trucknews.com und produziert Focus On- und On the Spot-Testfahrtvideos.

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