Hybridfahrzeuge (eBook)

Dr. Peter Hofmann ist Associate Professor am Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Kraftfahrzeugbau der Technischen Universität Wien und hält dort die Vorlesung „Hybridfahrzeuge“. Seit 2003 ist er Leiter des Kompetenznetzwerkes „Antriebssysteme der Zukunft“ (K-net KFZ), welches sich mit der Entwicklung von Hybridantriebssystemen beschäftigt.

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Vorwort 5
Table of Contents 7
Abkürzungsverzeichnis 10
Kapitel 1 Einleitung 15
1.1 Verkehr und seine Auswirkungen auf die Umwelt 15
1.2 Historie von Hybridfahrzeugen 20
1.3 Prognosen für Hybridfahrzeuge 26
Kapitel 2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte 30
2.1 Serieller Hybrid 31
Klassische Auslegung 31
Plug-In-Hybridfahrzeuge mit Range Extender 33
Vor- und Nachteile des Serienhybridantriebs 33
2.2 Parallelhybrid 34
Vor- und Nachteile des Parallelhybridantriebes 35
2.3 Leistungsverzweigter Hybrid 36
Geometrische Beziehungen und Definitionen [21] 41
Kinematische Beziehungen 42
Dynamische Gleichungen 42
Getriebestufen 48
Betriebsbereiche 49
2.4 Micro-Hybrid 55
2.5 Mild-Hybrid 57
2.6 Full-Hybrid 58
2.7 Plug-In-Hybrid 59
2.8 Zusammenfassung – Hybridsysteme 65
Kapitel 3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen 68
3.1 Gesetzliche Rahmenbedingungen 68
3.1.1 Situation in Kalifornien/USA 70
3.1.2 Situation in Europa 78
Städtische Einfahrtbeschränkungen 83
3.1.3 Zusammenfassung 83
3.2 Kraftstoffverbrauch 84
3.2.1 Lastpunktanhebung 85
3.2.2 Start /Stopp 88
3.2.3 Elektrisches Fahren 90
3.2.4 Rekuperation 95
3.2.5 Zusammenfassung Kraftstoffverbrauchseinsparungspotenzial 100
3.3 Emissionen und Lärm 102
3.3.1 Elektrisch emissionsfrei fahren 102
3.3.2 Lastpunktverschiebung 102
3.3.3 Start /Stopp 106
3.4 Funktionalität 107
3.4.1 E4WD – Elektrischer Allradantrieb 107
Leichtallradantrieb 107
High End- Allradantrieb 107
3.4.2 Torque Vectoring 107
Torque-Vectoring-Funktion 110
3.4.3 Spannungsversorgung – Power Station 112
Kapitel 4 Hybridkomponenten 114
4.1 Verbrennungskraftmaschinen 114
4.1.1 Ottomotoren 114
4.1.2 Dieselmotoren 115
4.1.3 Zweitaktmotoren 115
Vorteile 116
Nachteile 117
4.1.4 Rotationskolbenmotoren 117
Funktion und Aufbau 117
Vorteile 118
Nachteile 118
4.1.5 Stirlingmotor 119
Aufbau 120
Funktion 121
Vorteile 122
Nachteile 122
4.1.6 Gasturbinen 122
Nachteile 123
4.1.7 Brennstoffzellen 123
Vorteile 125
Nachteile 125
4.2 Elektromaschinen 126
4.2.1 Betriebsgrenzen und Kennlinien 127
Betriebsgrenzen 127
Charakteristik 128
4.2.2 Gleichstrommaschinen 131
Funktionsprinzip 131
Verschaltungsmöglichkeiten für die Gleichstrommaschine 132
4.2.3 Drehstrommaschinen 132
4.2.4 Asynchronmaschine 134
4.2.5 Synchronmaschinen 135
4.2.6 Permanenterregte Synchronmaschinen 135
Aufbau 136
4.2.7 Geschaltete Reluktanzmaschine 137
4.2.8 Permanenterregte Transversalfl ussmaschinen 139
Bauformen der Transversalflussmaschine 140
4.2.9 Vergleich der verschiedenen Elektromaschinen 142
4.2.10 Ausführungsformen 143
4.2.11 Getriebeintegration 145
Kurbelwellen-Starter-Generatoren (KSG) 145
Vorgelegegetriebe 145
Automatikgetriebe 148
Stufenlose Getriebe 149
4.3 Leistungselektronik (Stromrichter) 152
4.3.1 Halbleiter-Elemente 154
4.3.2 Leistungselektronische Schaltungen 155
4.4 Energiespeicher 159
4.4.1 Allgemeines 159
4.4.2 Sekundärelemente 164
Energetische Betrachtungen 166
Kenngrößen von Batterien 167
4.4.3 Blei-Batterien (Pb/PbO2) 170
Funktion [87] 170
Aufbau 170
4.4.4 Nickel-Cadmium-Batterien 173
Aufbau 173
4.4.5 Nickel-Metallhydrid-Batteriesysteme 173
Funktion [84] 173
Bauformen von Nickel-Metallhydrid-Zellen 174
NiMH-Batterien für den Fahrzeugeinsatz 175
Zusammenfassung der generellen Eigenschaften des NiMH-Systems 176
4.4.6 Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) 177
Funktion [84] 177
Bauformen von Li-Ionen-Zellen 178
Li-Ionen-Batteriesysteme 179
Generelle Eigenschaften 180
4.4.7 Na-NiCl-Batterie ( Zebra) 181
4.4.8 Natrium-Schwefel-Batterie 181
4.4.9 Superkondensatoren 181
4.4.10 Schwungradspeicher 186
4.4.11 Hydropneumatische Speicher 189
Blasenspeicher 191
Kolbenspeicher 192
Membranspeicher 192
Auslegung und Kenngrößen 192
Zustände bzw. Zustandsänderungen 194
Hydrostatische Fahrantriebe 196
Hydraulische Kenngrößen des verlustfreien Antriebs [93] 198
4.4.12 Vergleich der Energiespeichersysteme 203
Elektrische Energiespeicher 203
Vergleich aller möglichen Speicherformen 207
4.5 Nebenaggregate 208
4.5.1 Hydraulische Impulsspeicher HIS® 209
4.5.2 Elektrische Servolenkung 212
4.5.3 Heizung und Klimatisierung 215
Zuheizsysteme 215
Klimatisierung 215
Kältespeicher 216
Kapitel 5 Antriebsstrangmanagement 219
5.1 Betriebszustände von Hybridfahrzeugen 220
5.2 Betriebsstrategien 221
5.2.1 Einteilung von Betriebsstrategien 222
Nicht kausale Betriebsstrategien 222
„Kausale“ Betriebsstrategien 223
Optimale Betriebsstrategien 223
Statische Optimierung 223
Numerische Optimierungsmethoden 224
Analytische Optimierungsmethoden 224
Suboptimale Betriebsstrategien 224
Heuristische Steuerungsstrategien 224
5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen 225
5.3.1 Modellierung eines Hybridfahrzeugs 226
Mechanische Verbindung (rotatorisch) 227
Fahrer 228
Zyklus 229
HCU 229
Ergebnisse 229
Fahrzeugbus 230
Fahrzeug 230
Schlupf 231
Hinterachse (Vorderachse) 232
VKM 232
K2+Getriebe 233
GBCU 234
CCU 234
EStorageCU 234
ElectricStorage 234
EUnit 235
5.3.2 Beispiel Betriebsstrategie 235
Lastpunktanhebung (LPA) im Stillstand 236
Motor aus (Start/Stopp) 237
Rekuperation 237
Lastpunktanhebung (LPA) 238
Elektrisches Fahren (E- Fahren) 243
Boosten 244
Reiner VKM-Betrieb 245
5.3.3 Beispiel für Dimensionierung der E-Komponenten 245
5.3.4 Betriebsstrategien unter Einbeziehung des Thermomanagements 249
Betriebsstrategien für schnellen Warmlauf – ohne Vernetzung der Kühlkreisläufe 252
Betriebsstrategien für schnellen Warmlauf – mit Vernetzung der Kühlkreisläufe 254
5.4 Betriebsstrategien mit Prognosefunktionen 255
Vorausschauende Fahrerassistenzsysteme 256
Fahrstreckenerkennung und Prognose 257
Kapitel 6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte 261
6.1 Toyota Prius 261
Toyota Prius III 271
6.2 Lexus RX400 h und RX450h 273
Lexus RX450h 276
6.3 Lexus GS450h 278
6.4 Lexus LS600h 282
6.5 Integrated Motor Assist (IMA)-Hybridsystem von Honda 287
6.6 Mercedes-Benz S 400 HYBRID 297
Start /Stopp 301
Rekuperation 301
Boost/Lastpunktverschiebung 302
6.7 Mercedes-Benz ML 450 Hybrid 304
AHS-C-Two-Mode-Hybridgetriebe 305
E-Maschinen 307
NiMH- Hochvoltbatterie 308
Emissionskonzept 308
6.8 BMW X6 ActiveHybrid 309
Betriebsstrategien und Hybridfunktionen 313
6.9 Magna HYSUV 315
6.10 VW Touareg Hybrid 317
Hybridmodul 319
Getriebe 320
Elektromaschine 321
Trennkupplung „K0“ 321
Batterie 322
Hybridsteuerung 323
Instationärausgleich 324
Boost 325
Elektrisches Fahren 325
Motorstart 326
Lastpunktverschiebung 326
Rekuperation 327
6.11 AVL ECO Target 327
Funktionalitäten von ECO TARGET 330
6.12 AVL Turbohybrid 330
6.13 Opel Flextreme und Ampera 337
6.14 VW twinDrive 340
Geschwindigkeitsbereich unter 50 km/h 345
Geschwindigkeitsbereich über 50 km/h 345
6.15 Toyota Supra HV-R (Hybrid) 345
6.16 Piaggio MP3 Hybrid 346
Kapitel 7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte 351
7.1 Hybridbusse 356
7.1.1 Orion VII HybriDrive 356
7.1.2 Mitsubishi Fuso Aero 358
7.1.3 Mercedes-Benz Citaro G BlueTec Hybrid 359
7.1.4 MAN Hybridbusse 361
7.1.5 Hess Doppelgelenk-Hybridbus 366
7.1.6 7700 parallel Hybrid Volvo I-SAM 367
7.1.7 IVECO – Irisbus Hynovis 369
7.1.8 Solaris Urbino 18 370
7.1.9 Scania Hybrid Concept Bus 371
7.2 Hybrid-Lkw 374
7.2.1 Mercedes-Benz Sprinter Plug-In-Hybrid 374
7.2.2 MAN Verteiler-Lkw 377
7.2.3 Mitsubishi Fuso Canter Eco Hybrid 381
7.2.4 Mercedes-Benz Freightliner M2 384
7.2.5 Mercedes-Benz Atego BlueTec Hybrid 385
7.2.6 Volvo FE Abfallentsorgungsfahrzeug 387
7.2.7 Abfallsammelfahrzeug mit hydrostatisch-regenerativem Bremssystem (HRB) 388
Kapitel 8 Ausblick 390
Kapitel 9 Literatur 392
Sachverzeichnis 402