Eine moderne Elektrobus-Flotte: Modellierung auf Systemebene für einen besseren öffentlichen Nahverkehr

Um die Vorteile eines besseren öffentlichen Nahverkehrs für Umwelt und Gesellschaft auszuschöpfen, arbeitet das National Research Council of Canada (NRC) daran, die bestehenden Strukturen mit Hilfe neuer Technologien zu optimieren. Ein Teil dieser Forschung konzentriert sich auf die Analyse des Betriebs der Fahrzeugflotte mit Hilfe modellorientierter Ansätze zur Planung der Nahverkehrstechnologie. Durch den Einsatz einer physikbasierten Modellierung als Kern seiner Analysemethoden kann das NRC die Auswirkungen der Einführung neuer Technologien auf der Systemebene genauer vorhersagen. Auf der Suche nach Möglichkeiten zur Verbesserung der Flexibilität und der Konfigurierbarkeit der vorhandenen Werkzeuge suchte man beim NRC nach einer Möglichkeit zur Migration der Modellierungsplattform hin zu den von Maplesoft entwickelten Modellierungs- und Simulationswerkzeugen.

Als erster Schritt zu einer Migration der Fähigkeiten hat das Modellierungsteam beim NRC mit dem Team von Maplesoft Engineering Solutions zusammengearbeitet, um ein hochpräzises Modell der Dynamik batteriebetriebener Elektrobusse unter Berücksichtigung einer Vielzahl verschiedener Faktoren, die sich auf die operativen Entscheidungen auswirken, zu erstellen. Diese Faktoren sind dazu erforderlich, eine Reihe von Fragestellungen der Verkehrsbetriebe bei der Umstellung auf ein Nahverkehrssystem eines neuen Typs zu berücksichtigen. So müssen die Verkehrsunternehmen z.B. die zeitliche Verfügbarkeit eines Elektrobusses im Vergleich zu einem Dieselbus kennen, um die Fahrpläne zu erstellen und den Betrieb zu optimieren.  Das erfordert sowohl ein detailliertes Verständnis des Ladevorgangs der Batterien der Busse als auch eine realistische Bestimmung des Energieverbrauchs, wenn der Bus eine bestimmte Linie befährt. Weitere Punkte, die die Unternehmen bei ihren betrieblichen Erwägungen interessieren, sind die mit batterieelektrischen Bussen erreichbaren Einsparungen an CO₂-Emissionen, die äquivalenten Einsparungen beim Dieselverbrauch und die Kosten für das Laden der Busse in einem typischen Einsatz. Das vom NRC und Maplesoft entwickelte Modell auf Systemebene hilft dabei, diese Informationen zu ermitteln, um die damit zusammenhängenden Fragen bereits früh im Beschaffungsprozess der Fahrzeuge anzugehen.

Das Modell des batterieelektrischen Busses besteht auf einer Vielzahl von Untersystemen, die zur Simulation und Entwicklung in einem gemeinsamen System zusammengefasst werden. Dieses Modell wurde mit MapleSim, dem Werkzeug von Maplesoft zur Modellierung und Simulation auf Systemebene, erstellt. Es berücksichtigt die Wechselwirkungen verschiedener Teile des Elektrobussystems, z.B. die Dynamik des Fahrzeugaufbaus, die Leistung des Elektromotors, detaillierte Batteriemodelle und Einzelheiten zur Anzahl und dem Gewicht der Fahrgäste, wenn der Bus eine bestimmte Linie befährt. Dieses Modell wurde mit physikalischen Standardkomponenten aus MapleSim und kundenspezifischen Komponenten erstellt, mit denen sich die genauen Merkmale von Fahrzeug und Strecke einbringen ließen. Mit dem so vervollständigten Modell kann das NRC nun das gesamte Fahrzeugsystem simulieren. Es liefert Informationen zum Verhalten des Systems bei allen Punkten, die die Ingenieure untersuchen wollen.

Mit dem fertigen Modell des batterieelektrischen Busses haben NRC und Maplesoft anschließend zusammengearbeitet, um zusätzliche Werkzeuge für den einfachen Import einer Vielzahl von Linien sowie Werkzeuge zu erstellen, um schnell und einfach Einblicke in die Leistung der verschiedenen Linien und Buskonfigurationen zu erhalten. Die Genauigkeit der mit diesen Analysen erhaltenen Ergebnisse liegt weit über denen, die mit anderweitig eingesetzten Techniken erzielt werden und gewöhnlich nur Leistungsberechnungen auf der Grundlage durchschnittlicher Fahrgeschwindigkeiten und des durchschnittlichen Energieverbrauchs auf einer bestimmten Entfernung liefern. MapleSim, die fortschrittliche Software zur Modellierung auf Systemebene von Maplesoft, erzeugt Modelle auf Systemebene in einer symbolischen, parametrierten Umgebung, sodass leicht Änderungen eingebracht werden können, um den Bus zu modifizieren oder bestimmte Parameter für eine gewünschte Leistungscharakteristik zu optimieren. Tyson McWha, der technische Leiter des Programms beim NRC, dem das Team zur Flottenoptimierung untersteht, schätzt besonders die Flexibilität, die das Busmodell für die Evaluierungsprozesse bietet: „Hauptvorteil einer fortschrittlichen Simulationsplattform für die Bewertung des Einsatzes batterieelektrischer Busse ist, dass wir nun spezifische Parameter des Fahrzeugs oder der Infrastruktur ändern und sehr schnell ermitteln können, wie sie sich auf das gesamte System auswirken.“

Mit dem modellorientierten Ansatz verfügt das NRC nun über die Fähigkeit, eine bestimmte Linie und einen Elektrobus vorzugeben und mit den Simulations- und Analysewerkzeugen automatisch alle wichtigen Informationen zu bestimmen, die Verkehrsbetriebe und andere Entscheidungsträger benötigen. Sie erhalten so genaue Angaben zum Bedarf des Fahrzeugs an gespeicherter Energie für bestimmte Buslinien. Das hilft dabei, die korrekte Mischung von Technologien für die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Linie auszuwählen.

Das NRC arbeitet ständig an der Verfeinerung seines Modells eines batterieelektrischen Busses und der Verbesserung seiner Fähigkeiten. Hierzu bringt es Leistungsdaten aus dem praktischen Betrieb und andere Umgebungsvariablen wie Wetter- und Verkehrsverhältnisse in die Simulation ein. Die physikbasierte Modellierungsplattform MapleSim hat ihnen ein intuitives Werkzeug an die Hand gegeben, das von ihren Fachleuten für Nahverkehrstechnologien effektiv eingesetzt werden kann. Zu den Möglichkeiten, das Busmodell weiter zu verbessern, erklärte McWha, wie die Modellierung auf Systemebene beim Team zur Optimierung der Flotte eingesetzt wird: „Die Migration unserer Modellierung auf die MapleSim-Plattform gibt unseren Forschern mehr Möglichkeiten, ihr individuelles Fachwissen in alle Aspekte der Modelle von Fahrzeug und Infrastruktur einzubringen.  Im Ergebnis erhalten wir ein benutzerfreundlicheres Werkzeug, das mehr Flexibilität und eine höhere Genauigkeit bietet.“

Das NRC forscht weiter zur idealen Konfiguration batterieelektrischer Busse in Städten aller Regionen Kanadas und setzt moderne Entwicklungsmethoden dazu ein, Fragen mit höherer Genauigkeit als je zuvor zu beantworten, damit die Verkehrsbetriebe fundierte Entscheidungen treffen können. Mit dem Einsatz eines modellbasierten Ansatzes für die technische Entwicklung hilft das NRC dabei, für Kanada einen emissionsfreien öffentlichen Nahverkehr zu schaffen, der an die Bedürfnisse jeder einzelnen Kommune angepasst ist.