Minimal design of battery storage for electric vehicles

Abstract

Für die Transportmittel gibt es ehrgeizige Ziele um Treibhausgasemissionen (GHG) zu verringern. Vielversprechende Antriebstechnologien, die Elektrizität als Energiequelle nutzen, sollten sie effizienter machen und dazu beitragen, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Batteriebetriebene elektrische Fahrzeuge weisen Merkmale zur Verbesserung der Transportsysteme auf. Jedoch stellt die Batteriekomponente, aufgrund der hohen Produktionskosten und ihrer Auswirkung auf den Gesamtfahrzeugpreis, eine Herausforderung dar, die es wert ist, analysiert zu werden. Die vorliegende Masterarbeit gibt einen Überblick über batteriebetriebene elektrische Fahrzeuge (BEV) und legt fest, dass einige Elektrofahrzeuge Batterien verwenden, die größer sind als zur Erfüllung ihrer Aufgaben erforderlich ist. Die Verwendung einer minimalen Batteriekapazität, bei der die Reichweite den Anforderungen des Fahrzeugbetreibers entspricht, wäre mit den verfügbaren Ressourcen viel freundlicher und könnte den Anschaffungspreis senken. Mit der Abstraktion von drei Fahrzeugklassen (Personenkraftwagen, Busse und LKWs) ist es möglich, eine Methode zu definieren und zu entwerfen, die die Mindestkapazität der benötigten Batterien beschreibt. Bei dieser Methode werden die Kundenspezifikationen für das gewünschte Fahrzeug, die Fahrleistung und -verteilung sowie die Batteriedegradation berücksichtigt, um die zuvor festgelegte Fahrleistung am Ende der Fahrzeuglebensdauer zu erreichen. Grundlage der Masterarbeit war die Festlegung der wichtigsten Parameter für die verschiedenen Fahrzeugklassen und die Anwendung einer linearen Regression für die Beschreibung des Energieverbrauchs. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Personenkraftwagen die Fahrleistung aller heutigen Personen in verschiedenen europäischen Ländern von allen bewerteten Elektroautos erreicht und meist übertroffen werden. Für manche Busgrößen ist die Batteriekapazität nicht ausreichend, aber mit der Verwendung zusätzlicher Infrastruktur kann sie für unterschiedliche Streckenlängen optimiert werden. Für die Klasse der Lastkraftwagen werden die Kategorien Last-Mile und der Shorthaul von allen gelisteten Fahrzeugen erfüllt. Die Longhaul-kategorie der LKWs ist hingegen immer noch ein Problem, da die für diese Kategorie erforderliche Fahrleistung sehr hoch ist. Der Einsatz bei höheren Fahrleitsungen könnte implementiert werden, wenn sich die Batteriekapazität verbessert und die Ladeinfrastruktur erweitert. Darüber hinaus wurden Empfehlungen für Originalausrüstungshersteller (Original Equipment Manufacturers, OEMs) entwickelt, um modulare Batteriekapazitätsgrößen zu verwenden und somit unterschiedliche Fahreranforderungen zu erfüllen.

There are ambitious greenhouse gas emission (GHG) targets for the means of transport. Promising powertrain technologies using electricity as an energy source should made they more efficient and would help to reduce the GHG emissions. Battery electric vehicles show features to improve the transportation system. However, the battery component due to the high production cost and its effect on the total vehicle price make it a challenge worthy to be analyse. The present master thesis gives an overview of battery electric vehicles (BEV) and setted that some electric vehicles use batteries larger than necessary to perform their tasks. The use of a minimum battery capacity where the range matches correctly drivers needs, would be much more friendly with the available resources and could reduce the acquisition price. With the abstraction of three vehicles classes (Passenger cars, Buses and Freight trucks) it is possible to define and design a method that describes the minimum capacity of batteries needed. This method takes into consideration driver specifications for the desired vehicle, mileage quantity and distribution and battery degradation for the fulfilment of the previously defined mileage at the end of the vehicles lifespan. The basis of the master thesis was to set the most important parameter for the different vehicle classes. As well an application of a linear regression for the description of energy consumption. The results show that for passenger cars, the mileage requirements of all nowadays persons in different European countries could be met by all evaluated electric cars and in the most cases surpass it. For all bus sizes the battery capacity are low but with the use of extra infrastructure can be optimized for met different routes length. In the freight vehicles mode, the last-mile and the short-haul mode in logistic are met by all listed vehicles. The long-haul still a problem since the mileage demanded for this category is very high but the use could be implemented as batteries improve and charging infrastructure expands. In addition, recommendations for Original Equipment Manufacturers (OEMs) to use modular sizes of battery capacities have been developed to meet different driver requirements.