Forschungsdatenblätter

PILOTPROJEKTE ZUR NACHHALTIGEN STADTLOGISTIK DURCH KEP-DIENSTE MIT DEM MIKRO-DEPOT-KONZEPT AUF DEM GEBIET DER STADT NÜRNBERG

Das hohe Verkehrsaufkommen ist maßgeblich für die Schadstoffbelastung in Großstädten verantwortlich. Vor allem Stickoxide und Feinstaub haben gesundheitliche Auswirkungen. Viele deutsche Städte haben deshalb Umweltzonen eingeführt, die wegen mangelnder Kontrollen umstritten sind. Durch das Mikro- Depot-Konzept soll eine neue Möglichkeit zur Verringerung der Luftverschmutzung in der Stadt Nürnberg getestet werden. Dabei sollen sowohl in der Nürnberger Innenstadt als auch in einem Wohngebiet die Zustellung von Paketen emissionsfrei durch Lastenfahrräder verwirklicht werden.

NACHHALTIGE LOGISTISCHE MEHRWERTDIENSTE FÜR DEN STATIONÄREN EINZELHANDEL UND FÜR APOTHEKEN DURCH KOOPERATIVE RESSOURCENNUTZUNG IN LOGISTISCHEN NETZWERKEN

Im „Pilotprojekt zur Nachhaltigen Stadtlogistik durch KEP-Dienste mit dem Mikro-Depot Konzept auf dem Gebiet der Stadt Nürnberg“ wurde durch den Einsatz von Lastenfahrrädern die emissionsfreie, nachhaltige und effiziente Zustellung und Abholung von Paketen ermöglicht. Durch die erfolgreiche Konzeption sind die teilnehmenden Unternehmen überzeugt, dass sich das Mikro-Depot-Konzept auch nach Ablauf der Pilotphase vollständig etabliert hat und fortgeführt wird. Desweiteren können die Ergebnisse auf andere Städte übertragen werden. Um die Potenziale des Konzepts zur Nachhaltigkeit noch stärker auszuschöpfen werden im hier vorgestellten Folgeprojekt innovative und nachhaltige Logistikprozesse mit kooperativer Ressourcennutzung erarbeitet.

NÜRNBERGER MIKRO-DEPOT-KONZEPT IN DER KEP-BRANCHE: ÜBERTRAGUNG AUF ANDERE STÄDTE UND INTEGRATION VON INNOVATIVEN SAME-DAY-DELIVERY-KONZEPTEN

Die Kurier-, Express- und Paket-Branche (KEP-Branche) wächst in Deutschland deutlich schneller als der Logistikmarkt insgesamt. Große Teile der Abholung und Zustellung findet in städtischen Ballungsräumen statt. Der dadurch entstehende Lieferverkehr trägt nicht nur zum hohen Verkehrsaufkommen in den Städten bei, sondern belastet auch die Umwelt. Deshalb wurde im aktuell laufenden Projekt in Nürnberg eine Methodik entwickelt um den Lieferverkehr einzuschränken. Dabei werden die Pakete in Mikro-Depots vorsortiert und anschließend mit Lastenfahrrädern ausgeliefert. Das wirtschaftliche und umweltfreundliche Konzept überzeugt nicht nur die Projektpartner, weswegen, neben einer vollständigen Etablierung nach Ablauf der Pilotphase und einer Ausweitung auf andere Stadtgebiete, angestrebt wird das Konzept auf andere Städte zu übertragen. Im Vorlaufforschungsprojekt sollen deshalb Voruntersuchungen durchgeführt werden, die es ermöglichen das Konzept auch auf andere Städte und KEP-Marktsegmente auszuweiten.

DYNAMISCHE ABHÄNGIGKEIT IM DC-ZWISCHENKREIS

Die steigende Verbreitung von Elektrofahrzeugen führt zu immer größeren Variationen in der Umsetzung des elektrischen Antriebsstrangs. Diese reichen von E-Fahrzeugen mit einem oder mehreren Antrieben, über unterschiedlichste Hybridsysteme, bis zu Brennstoffzellenfahrzeugen. Bedingt durch die Fahrsituation und unterschiedliche Frequenzen bei taktenden Verbrauchern entstehen Lastwechsel, die im DC-Kreis zu Wechselwirkungen zwischen den verbunden Komponenten führen. Diese sind über einen DC-Zwischenkreis mit einer Hochvoltbatterie gekoppelt. Vor allem der Antriebsstrang muss hochdynamisch auf aktuelle Anforderungen der jeweiligen Fahrsituation reagieren. Durch die fluktuierende Leistungsabgabe der Antriebsmaschinen werden starke Spannungsschwingungen angeregt, die an allen angeschlossenen Komponenten wirken. Je nach eingesetzter Batterie führen bereits kleine Schwankungen der Spannung zu starken Stromschwankungen. Für eine wirtschaftliche und technisch optimierte Auslegung des elektrischen Antriebsstrangs sind Kenntnisse über die dynamischen Wechselwirkungen im Antriebsstrang wichtig. Jedoch sind viele Einflussgrößen an den Schnittstellen bisher nicht genau spezifiziert und können zusätzlich in gegenseitiger Wechselwirkung stehen. Deshalb soll im Forschungsprojekt „Dynamische Abhängigkeit im DC Zwischenkreis“ ein Simulationsbaukasten  entwickelt werden, welcher die physikalischen Zusammenhänge im Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs nachbildet und unterschiedliche Fahrsituationen abbilden kann.

LANGZEITSTABILE ELEKTRODEN FÜR DIE POLYMERELEKTROLYTBRENNSTOFFZELLE

Elektromobilität nimmt eine immer wichtiger werdende Rolle in der Automobilindustrie ein. Als Antrieb kann entweder eine Batterie oder eine Brennstoffzelle eingesetzt werden. Letztere haben Reichweiten und Tankzeiten die mit konventionellen Antrieben vergleichbar sind. Obwohl die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen (PEM) mit möglichst reinem Wasserstoff betrieben werden müssen, sind sie jedoch platzsparender und kostengünstiger als Batterien. Eine wesentliche Komponente der PEM-Zellen sind die Elektroden, die aus einer Katalysatorschicht, einer mikroporösen Schicht und einer Gasdiffusionsschicht bestehen. Die Elektroden leiten die Elektronen ab, müssen aber gleichzeitig das Brenngas zum eigentlichen Ort der Reaktion leiten und das entstehende Wasser in die entgegengesetzte Richtung ableiten. Als Material für die Elektroden werden derzeit kohlenstoffbasierte Werkstoffe verwendet. Ein großer Nachteil dieses Materials ist die hohe Korrosionsanfälligkeit. Reagiert der Kohlenstoff mit dem Wasser, kann er sich zu Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid umsetzen. Dadurch verändert sich die Oberflächeneigenschaft der Elektroden, was zu einer Verminderung der Zellleistung und schließlich zur Zerstörung der PEM-Zelle führt. Im Projekt „Langzeitstabile Elektroden für die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle“ sollen deshalb Titanoxid-Nanoröhren als Material für die Elektroden untersucht werden.

UNTERSUCHUNG DER 3D-ULTRASCHALLTECHNOLOGIE ZUR PERSONENERKENNUNG BEIM RANGIEREN VON EISENBAHNEN

Vom Einzelhandel bis hin zur industriellen Produktion – ohne den Güterverkehr würden viele Bereiche des Alltags zusammenbrechen. Täglich werden mehrere Millionen Tonnen über Straßen, Schienen, Luft und Wasser befördert. Allein im Schienengüterverkehr wurden im Jahr 2016 laut Angaben des statistischen Bundesamts 364 Millionen Tonnen transportiert. Die Güterwagen werden dabei mehrmals rangierdienstlich behandelt. Neben dem Be- und Entladen im Start und Zielbahnhof werden die einzelnen Wagen auf Rangierbahnhöfen zu Güterzügen mit derselben Endstation zusammengefasst. Um diesen Rangierbetrieb effizienter zu gestalten läuft derzeit ein Projekt am Institut für Fahrzeugtechnik der TH Nürnberg zur Automatisierung des Betriebs am Rangierbahnhof München Nord. Dabei soll eine Rangierlokomotive vollautomatisch an Güterzüge ansetzten und die Wagen entsprechend ihres Ziels neu sortieren. Das modular aufgebaute System besteht dabei aus einem Sensormodul und einer Zentralsteuerung. Im Laufe des Projekts stellte sich heraus, dass die Sensorik zu Wagenerkennung um eine Sensorik zur Personenerkennung im Gefahrbereich unmittelbar vor der Lokomotive erweitert werden muss. Hierfür soll im Projekt eine neuartige 3D Ultraschallsensorik im Eisenbahnumfeld getestet werden.

MULTI-CORE SAFE AND SOFTWARE-INTENSIVE SYSTEMS IMPROVEMENT COMMUNITY

Eingebettete Systeme sind eine der treibenden Technologien des Wirtschaftsstandorts Deutschland. 90 % aller Innovationen in der Industrie – zum Beispiel der Automobil- und Avionikbranche – kommen aus dem Bereich der eingebetteten Systeme. Allein in der Automobilbranche trägt die  Softwareentwicklung dieser Systeme mittlerweile Rechnung für über 50 % der   Gesamtentwicklungskosten. Steigende Forderungen nach immer anspruchsvolleren Funktionen, zum Beispiel automatisiertes oder autonomes Fahren, führten zu einem Paradigmenwechsel im Bereich der eingesetzten Prozessoren. Nahezu alle führenden Halbleiterhersteller richten ihre Strategie nunmehr auf sogenannte Multi- und Many-Core Prozessoren aus.Diese Systeme bieten durch ihre parallele Arbeitsweiseerhebliche Vorteile in punkto Rechenleistung. Jedoch bringt die Entwicklung neuer Technologien  immer auch Herausforderungen mit sich, die es zu bewältigen gilt. So gehen Experten von einer viermal so teuren Entwicklung, einer 25 % längeren Projektlaufzeit und einem notwendigen Einsatz von dreimal so vielen Ingenieuren durch den Umstieg von der Single- zur Multi-Core-Architektur aus. Vor diesem Hintergrund will das  Forschungsvorhaben „FORMUS³IC“ ein ganzheitliches Lösungskonzept für die Bewältigung der entstehenden Herausforderungen für Automotive- und Avionik-Anwendungen entwickeln. Die gesamte Software und Hardware für Automotive und Avionik soll hierbei gemeinsam über unterschiedliche Abstraktionsebenen hinweg betrachtet werden, um die Bereiche Planung,  Energieeffizienz und Sicherheit in Automotive und Avionik-Applikationen zu optimieren.

INTEGRIERTE KÄFIG-STATOR-MASCHINE

Energieeffiziente Elektromotoren und Antriebssysteme sind ein wichtiger Bestandteil der Energiewende. Solche elektrische Maschinen weisen einzelne Spulen mit mehreren Windungen als Leiter auf, die zu einem Strang geschaltet sind und über den Umfang der Maschine verteilt sind. Dieses festgelegte Wicklungssystem definiert in entscheidender Weise das Betriebskennfeld der Maschine. Allerdings ändert sich dadurch die Anzahl der Paare von magnetischen Polen (Polpaarzahl) im Luftspaltfeld (Statorfeld) nicht und kann daher nicht für die Anpassung an verschiedene Anwendungen genutzt werden. Durch die elektronische Einstellung der Polpaarzahl des Statorfeldes liese sich das Betriebskennfeld jedoch erweitern. Im Vorlaufforschungsprojekt iKSM soll deshalb eine elektrische Maschine untersucht werden, die es erlaubt die Polzahl des Luftspaltfeldes einzustellen und während des Betriebs zu ändern.

ENTWICKLUNG EINES NEUARTIGEN FREI PROGRAMMIERBAREN LED-WECHSELVERKEHRSZEICHENS MIT EINTEILIGEM LINSENSYSTEM UND CLUSTERBASIERTER LED- UND TREIBERÜBERWACHUNG, AUF BASIS VON INNOVATIVEN ANSTEUERUNGS- UND LINSENSYSTEMEN

Um auch bei Baustellen, Unfällen und anderen Vorkommnissen einen sichern und fließenden Verkehr zu gewährleisten, ist es notwendig die Verkehrsregeln schnell und regelgerecht zu aktualisieren. Eine Möglichkeit bieten LED-Wechselverkehrszeichen (WVZ). Durch ihre Variabilität und besonders guten optischen Eigenschaften bieten sie selbst bei schlechtem Wetter hinreichende Sicherheit. Jedoch sind WVZ in ihrer Zeichendarstellung begrenzt. Dies liegt vor allem daran, dass sie unter hohem Zeitaufwand manuell mit Leuchtdioden bestückt werden. Auch führt Sonneneinstrahlung und der resultierende Wärmeeintrag durch überstehende LED´s zu einer Verkürzung der Lebensdauer. Zusätzlich kann Feuchtigkeit durch die Fügespalten eintreten, wodurch sich Linsenteile herauslösen können. Deshalb sollen im Projekt FAMA in Kooperation mit der Firma Bremicker weltweit erstmals ein vollautomatisch fertigbares und freiprogrammierbares LED-Wechselverkehrszeichen für den Straßenverkehr entwickelt werden.

LOW RPM OBSERVER MIT SINGLE-SHUNT STROM-MESSUNG

Insbesondere bei kostengetriebenen Antriebsanwendungen, wie z.B. Lüfter im Automotivebereich, wird versucht Bauteilkosten zu reduzieren und deren Funktion durch intelligente Softwarealgorithmen zu ersetzen. Ein gängiges Verfahren bei permanenterregten Synchronmaschinen (PMSM) ist der Verzicht auf einen Rotorlagegeber und die Verwendung eines Algorithmus zur Bestimmung der Rotorlage aus den drei gemessenen Phasenströmen. Prinzip bedingt funktionieren diese Algorithmen nicht bei Stillstand der Maschine und die erreichbare Minimaldrehzahl hängt von der Signalgüte der gemessenen Ströme ab. Ziel des Projekts ist es nun die benötigten Ströme für die geberlose Regelung nicht mehr direkt zu messen, sondern lediglich mit einer einzigen Messstelle und intelligenter Algorithmik alle benötigten Ströme zu rekonstruieren. Das Verfahren bringt jedoch eine Verschlechterung der Signalqualität mit sich. Zentrale Herausforderung ist es daher, dennoch einen zuverlässigen geregelten Betrieb der Motoren bis weit in den unteren Drehzahlbereich zu gewährleisten. Im Projekt soll deshalb in Kooperation mit der Firma eonas IT-Beratung und Entwicklung GmbH ein Beobachtungsverfahren zur Ermittlung der Rotorposition entstehen, das ohne Rotorpositionssensor arbeitet und die Phasenströme aus einer einzigen Strommessstelle rekonstruiert.

NEUARTIGES AUSLEGUNGS- UND FERTIGUNGSVERFAHREN FÜR RETROFLEKTOREN IN DER FAHRZEUGBELEUCHTUNG

Ein PKW darf in Deutschland ohne Rückstrahler nicht im öffentlichen Straßenverkehr betrieben werden. Jeder dieser Retroreflektor besteht dabei aus einer Vielzahl von Tripelspiegeln, die in Rückstrahlrichtung angeordnet sind und mit Hilfe von Totalreflektion das auftreffende Licht in Richtung der Lichtquelle zurückwerfen. Für die Herstellung von Retroreflektoren müssen derzeit, auf Grund der hohen Anforderungen an die Oberfläche und die Winkeltoleranz, Retroreflektor-Werkzeugeinsätze mit geschliffenen Pin-Paketen hergestellt werden. Das auf galvanischer Abformung basierende Verfahren stellt drei Pins zusammen, die dann die Oberfläche eines Tripelspiegels bilden. Erst dann kann mit dem Spritzgussverfahren der eigentliche Retroreflektor hergestellt werden. Das Verfahren zur Herstellung  der Werkzeugeinsätze hat jedoch einige gravierende Nachteile. Durch das Just-in-Time-Konzept bei der Automobilherstellung können Verspätungen bei der Lieferung den ganzen Herstellungsprozess blockieren. So werden Rückstrahler meist deutlich überdimensioniert produziert um bei auftretenden Problemen keine Terminverschiebungen zu riskieren. Im Verbundprojekt „Neuartiges Auslegungs- und Fertigungsverfahren für Retroreflektoren in der Fahrzeugbeleuchtung“ sollen neuartige Methoden zur Auslegung und Herstellung von Retroreflektoren entwickelt werden, die eine Verbesserung der heutigen Methoden darstellt.

BEGLEITFORSCHUNG FÜR DIE ENTWICKLUNG EINES ZULASSUNGSFREIEN LEV (LIGHT ELECTRIC VEHICLE) FÜR EINE NACHHALTIGE STADTLOGISTIK, INSBESONDERE FÜR DAS MIKRO-DEPOT-KONZEPT IN DER KEP-BRANCHE

Im „Pilotprojekt zur Nachhaltigen Stadtlogistik durch KEP-Dienste mit dem Mikro-Depot-Konzept auf dem Gebiet der Stadt Nürnberg“ sollen Pakete durch Pedelec-Lastenfahrräder durch die KEP-Unternehmen DPD und GLS emissionsfrei und kostengünstig zugestellt werden. Jedoch stellte sich bereits in den ersten Projektphasen heraus, dass auf dem Markt keine geeigneten Lastenfahrräder zur Verfügung stehen. Im hier vorgestellten Folgeprojekt soll deshalb gemeinsam mit dem Projektpartner b&p engineering mobility GmbH ein Schwerlast-Lastenfahrrad entwickelt werden, das unter anderem den Anforderungen der KEP-Branche entspricht.

INTELLIGENTER PARCOURS FÜR AUTONOM FAHRENDE MODELLFAHRZEUGE

Der aktuelle Forschungsaufwand zu den sogenannten Car-2-X-Anwendungen sowie zum autonomen Fahren zeugt von großen Bemühungen, selbststeuernde Fahrzeuge in naher Zukunft in den bestehenden Straßenverkehr zu integrieren. Jedoch stellen intelligente Fahrassistenz- sowie autonome Fahrsysteme komplexe Hardware- und Software-Systeme dar, die hohen Anforderungen entsprechen müssen. Diese in Machbarkeitsstudien zu erforschen, ist Ziel des Projekts „OHM Runner“ der Technischen Hochschule Nürnberg. Im Rahmen des Projekts wird ein selbststeuerndes Modellfahrzeug durch einen eigens zu entwickelnden Umgebungsparcours rangieren. Die Besonderheit des OHM Runner liegt dabei in den eingesetzten Hardware- und Softwarekomponenten, die den tatsächlichen industriellen Rahmenbedingungen entsprechen. Hierdurch hebt sich das Projekt von anderen Anwendungen (bspw. dem Freescale Cup) sowie von bisherigen Forschungsprototypen (etwa dem Google Self-driving Car Project) ab, da diese keine unmittelbare Grundlage für die Übertragung der Ergebnisse auf die realen Bedingungen der Automobilindustrie bieten.

Erfassung des Zustandes der Straßenbefestigung mittels Schwingungsüberwachung

Um die Wertschöpfungskette der globalisierten Welt zu gewährleisten, sind Individual-, Güter- sowie öffentlicher Personennahverkehr auf eine funktionierende Infrastruktur angewiesen. Für landgebundene Transportmittel sind Straßen ein wichtiger Bestandteil dieses Systems und deren Zustandserfassung und Erhalt von grundlegender Bedeutung. In Deutschland basiert die Straßenerfassung derzeit auf messtechnischen und visuellen Verfahren. Die Aufnahme von Längs- und Querebenheit erfolgt dabei mittels Laserabtastung, von Oberflächenschäden durch visuelle Auswertung und von Oberflächengriffigkeit durch Reibungsmessung. Da es sich hierbei um eine Momentaufnahme handelt, unterliegt diese Bestimmung gewissen Einflüssen, wie Witterung, Tageszeit, die Nutzung der Straße sowie die persönlichen Fähigkeiten des Erfassers. Ein kontinuierlicher, objektiver Überblick über die Zustandsentwicklung der Straßenbefestigung ist aus diesen Gründen nicht gegeben. Eine Fehleinschätzung der Restnutzungsdauer bis zur Notwendigen Instandsetzungsmaßnahme haben hohe Erhaltungskosten zur Folge. Im Rahmen des Projekts „Erfassung des Zustandes der Straßenbefestigung mittels Schwingungsüberwachung“ soll daher eine Methode entwickelt und geprüft werden, wodurch mit Hilfe kontinuierlich gewonnener Erfassungsdaten die Entwicklung der Fahrbahneigenschaften treffender vorhergesagt werden.

MODELLBILDUNG, SIMULATION UND VALIDIERUNG DES BETRIEBS ENERGIEEFFIZIENTER ANTRIEBE FÜR RANGIERLOKOMOTIVEN MIT HYBRIDANTRIEB

Längst hat die Frage nach energieeffizienten und emissionsarmen Antrieben das Entwicklungsfeld der Schienenfahrzeuge zum Umdenken bewegt. Aufgrund verschärfter Umweltanforderungen stehen die Betreiber von Diesellokomotiven unter dem Druck, Emissionen wie Schadstoff und Lärm zu verringern. Neue Strategien zur Kraftstoffeinsparung sind erforderlich, um vor allem die CO2-Emissionen zu vermindern.Dies ist notwendig,da dieselbetriebene Rangierlokomotiven aufgrund der Vielzahl ihrer Einsatzmöglichkeiten auch weiterhin eine wichtige Rolle im Bahnverkehr einnehmen werden. Der Einsatzbereich reicht dabei vom Rangierverkehr an Personen- und Güterbahnhöfen bis zu Fahrten auf Strecken im mittelschweren Dienst, die für den elektrischen Fahrbetrieb nicht geeignet sind. Die Wichtigkeit der Rangierlokomotiven im Bereich Güterverkehr, bei Überführungsfahrten sowie im Zustellund Werkstattbetrieb, wird von den aktuellen Zahlen der schweren Rangierlokomotiven bestätigt, die in den letzten Jahren nahezu konstant geblieben ist.Der Rangierverkehr dieser Schienenfahrzeuge nimmt jedoch einen deutlichen Anteil am gesamten Energieverbrauch des dieselbetriebenen Bahnverkehrs ein. So entstehen allein 12 % aller CO2-Emissionen der Deutschen Bahn AG durch Rangiertätigkeiten - Werksbahnen, mit wesentlich größerem Rangieranteil, sind dabei nicht berücksichtigt. Hier lässt sich durch Einsparung im Kraftstoffbereich ein wichtiger Beitrag zur gesamten CO2-Minderung sowie zur Verringerung von Schadstoffemissionen erzielen.