Elektrifizierung des Antriebsstrangs (eBook)

Vorwort 6
Autoren- und Herausgeberverzeichnis 8
Inhaltsverzeichnis 12
TEIL 1. Motivation, Definitionen, Grundlagen 21
1 Motivation 22
1.1 Einleitung 22
1.2 CO?-Emissionen des Verkehrssektors 23
1.3 Schadstoffemissionen und Luftqualität 25
1.4 Prognosen zum Antriebswandel 26
1.5 Energiebedarf und Stromerzeugung 28
1.6 Lade-Infrastruktur 30
1.7 Ressourcenverbrauch 31
1.8 Fazit 33
Literaturhinweise 34
2 Definitionen, Architekturen und Topologien 36
2.1 Hybridantriebe 36
2.1.1 Einleitung 36
2.1.2 Definitionen 36
2.1.3 Zusammenfassung 43
2.2 Range Extender 44
2.2.1 Einleitung 44
2.2.2 Definition 44
2.2.3 Anforderungen 45
2.2.4 Lösungsmöglichkeiten 47
2.2.5 Zusammenfassung 48
Literaturhinweise 48
3 Elektrotechnische Grundlagen 50
3.1 Einleitung 50
3.2 Definitionen, Grundfunktionen 50
3.3 Elektrische Antriebe 51
3.4 Bordnetz 53
3.5 Stromversorgungen, Ladegeräte 54
3.6 Zusammenfassung 55
Literaturhinweise 55
TEIL 2. Komponenten 57
4 Elektrische Maschinen 58
4.1 Einleitung 58
4.2 Grundlagen der elektrischen Energiewandlung 58
4.3 Elektrische Maschinen für Elektro- und Hybridfahrzeuge 60
4.4 Steuerung und Regelung 65
4.5 Zusammenfassung 68
Literaturhinweise 69
5 Leistungselektronik 70
5.1 Einleitung 70
5.2 Definitionen, Grundfunktionen 70
5.3 Leistungselektronische Schaltungen im Fahrzeug 72
5.4 Leistungselektronische Bauelemente 75
5.5 Zusammenfassung 77
Literaturhinweise 77
6 Speicherung der elektrischen Energie 78
6.1 Grundlagen und Übersicht 78
6.1.1 Einleitung 78
6.1.2 Prinzipieller Aufbau von elektrochemischen Speichern 78
6.1.3 Batterieklemmenspannung 80
6.1.4 Verschiedene Batterietechnologien und typische Einsatzbereiche im Automobilbereich 83
6.1.5 Zusammenfassung 87
6.2 Lithium-Ionen-Batterien 87
6.2.1 Einleitung 87
6.2.2 Aufbau und Funktionsweise 88
6.2.3 Alterung 92
6.2.4 Zusammenfassung 95
6.3 Superkondensatoren 95
6.3.1 Einleitung 95
6.3.2 Aufbau und Funktionsweise 96
6.3.3 Elektrisches Verhalten 99
6.3.4 Alterung 101
6.3.5 Aufbau von Modulen 102
6.3.6 Zukünftige Entwicklungen 103
6.3.7 Zusammenfassung 103
6.4 Batteriesystemtechnik 104
6.4.1 Einleitung 104
6.4.2 Aufbau von Batteriesystemen 104
6.4.3 Auslegung von Batteriesystemen 105
6.4.4 Flexibilität, Zuverlässigkeit, Standardisierung, Servicefreundlichkeit und Lebensdauer 108
6.4.5 Batteriemanagementsystem und Sicherheit 109
6.4.6 Zusammmenfassung 112
Literaturhinweise 113
7 Brennstoffzelle 116
7.1 Grundlagen der Brennstoffzellentechnik 116
7.1.1 Einleitung 116
7.1.2 Geschichte und Motivation 117
7.1.3 Definition, Funktion und Einordnung 118
7.1.4 Brennstoffzellentypen 119
7.1.5 Zusammenfassung 124
7.2 Gesamtsystem im Fahrzeug 124
7.2.1 Einleitung 124
7.2.2 Antriebsstrang mit Brennstoffzelle 124
7.2.3 Wasserstoffinfrastruktur 128
7.2.4 Gesamtwirkungsgrad 131
7.2.5 Zusammenfassung 132
Literaturhinweise 133
8 Getriebe 134
8.1 Einleitung 134
8.2 Aufgaben der Getriebe im Triebstrang 134
8.2.1 Aufgaben der Anfahraggregate 134
8.2.2 Aufgabe der Getriebe 135
8.3 Kinematik der Kennungswandler durch Getriebe 135
8.3.1 Auslegung der größten Übersetzung 137
8.3.2 Auslegung der Übersetzung zum Erreichen der Höchstgeschwindigkeit 138
8.3.3 Auslegung der Overdrive-Übersetzungen 139
8.3.4 Auswahl der Zwischenübersetzungen 140
8.4 Zusammenfassung 143
Literaturhinweise 143
9 Aktorik 144
9.1 Einleitung 144
9.2 Aktorik im Wandel der Antriebsstrang-Landschaft 144
9.3 Aktorsystem – Auswahl 144
9.4 Herausforderungen für Aktoren 147
9.4.1 Anforderungen an effiziente Aktoren 147
9.4.2 Beispiele für effiziente Aktorsysteme 149
9.4.2.1 Getriebebetätigung: Active Interlock-Getriebeaktor und E-Achsen-Aktor 149
9.4.2.2 Aktoren für das automatisierte Fahren und smarte Interieurlösungen 149
9.4.2.3 Hydrostatischer Kupplungssteller 150
9.4.2.4 Modularer Kupplungsaktor 151
9.4.2.5 Smart Hydraulik-Kit 151
9.5 Zusammenfassung 152
Literaturhinweise 153
TEIL 3. Fahrantriebe 154
10 Mikro-Hybrid oder P0-Mild-Hybrid 155
10.1 Einleitung 155
10.2 P0-Mild-Hybrid als effiziente Integrationsstrategie 155
10.2.1 Auswirkungen auf das System Riementrieb 156
10.2.2 Weiterentwickelung von Komponenten für künftige Anforderungen 160
10.3 Systemverhalten im Antrieb 161
10.4 Systemintegration Fahrzeug 164
10.5 Maximale Effizienz 166
10.6 Zusammenfassung 167
Literaturhinweise 167
11 Mild-Hybrid (48-Volt-Hybrid) 168
11.1 Einleitung 168
11.2 Einordnung und Funktionalität des 48-Volt-Hybrid 168
11.3 P0-Hybridisierung 169
11.4 P1-Hybridisierung 170
11.5 P2-Hybridisierung 171
11.6 P3-Hybridisierung 171
11.7 P4-Hybridisierung 172
11.8 Verbrauchseinsparungen 172
11.9 Praxisbeispiele 174
11.9.1 P0-System 174
11.9.2 P1-System 175
11.9.3 P2-System 175
11.9.4 P3-System 177
11.9.5 P4-System, Elektrische Achsen 178
11.10 Zusammenfassung 179
12 Voll- und Plug-in-Hybrid (HEV / PHEV) 180
12.1 Einleitung 180
12.2 Parallelhybrid 180
12.3 Plug-in-Hybrid (PHEV) 184
12.4 Zusammenfassung 185
13 Dedizierte Hybridgetriebe 187
13.1 Einleitung 187
13.2 Dedizierter Hybrid mit stufenlosem Getriebe (CVT) 188
13.3 Dediziertes Hybridgetriebe auf Basis automatisierter Schaltgetriebe 192
13.4 Seriell-paralleler Hybrid – dedizierter Hybrid mit zwei elektrischen Maschinen 194
13.5 Zusammenfassung und Ausblick 197
Literaturhinweise 198
14 Radnabenantriebe 199
14.1 Einleitung 199
14.2 Potenzial des Radnabenantriebs 199
14.3 Radnabenantriebe in klassischen Fahrzeugkonzepten 199
14.3.1 Radnabenantrieb ohne Getriebe 200
14.3.2 Fahrdynamik und Sicherheitskonzept 201
14.4 Radnabenantrieb in autonomen Stadtfahrzeugen 203
14.4.1 Intelligent Corner Module 204
14.4.2 Radnabenantrieb mit Getriebe 204
14.5 Zusammenfassung 205
Literaturhinweise 206
15 Elektrische Fahrantriebe 207
15.1 Einleitung 207
15.2 Historie des elektrischen Antriebs 207
15.3 Der Wandel vom Verbrenner zum E-Motor 208
15.4 Der elektrische Antrieb im Fahrzeug 209
15.4.1 Überblick 209
15.4.2 Auslegung elektrischer Achsantriebssysteme 211
15.4.3 Integration der elektrischen Achse in komplexe Fahrzeugbauräume 213
15.4.4 Elektrische Achsantriebssysteme in koaxialer Anordnung 215
15.4.5 Schaltbare Systeme in koaxialen Antrieben 219
15.4.6 Elektrische Achsantriebssysteme in achsparalleler Anordnung 221
15.4.7 Schaltbare Systeme in achsparallelen Antrieben 222
15.4.8 Lastschaltfähige elektrische Achsantriebssysteme 223
15.4.9 Radnahe elektrische Antriebssysteme 226
15.5 Zusammenfassung 228
Literaturhinweise 228
16 Formel E 229
16.1 Einleitung 229
16.2 Reglement 230
16.3 Entwicklungsanforderungen 232
16.3.1 Basissensitivitäten 232
16.3.2 Energieumsatzlimitierung 233
16.3.3 Motor-Generator-Unit (MGU) 235
16.3.4 Getriebe 237
16.3.4.1 Anforderungen an ein Formel E Getriebe 237
16.3.4.2 Einganggetriebe 238
16.3.4.3 Mehrganggetriebe 238
16.3.4.4 Getriebetopologien für Formel E 238
16.4 Technologietransfer 241
16.4.1 MGU und Inverter 241
16.4.2 Konzeptfahrzeug 242
16.5 Zusammenfassung 243
Literaturhinweise 244
17 Sensorik und Regelqualität 246
17.1 Einleitung 246
17.2 Messgrößen im elektrischen Antriebssystem 246
17.2.1 Systemverhalten und Modellbildung von Drehstrommaschinen 247
17.2.2 Drehmomenterzeugung in elektrischen Maschinen 249
17.2.3 Systemübersicht, gemessene Größen und deren Funktionen für die Regelung des Antriebs 250
17.2.4 Signalverarbeitung – vom physikalischen Effekt zum digitalen Wert 253
17.3 Messung elektrischer Größen 256
17.3.1 Hall-Sensoren 256
17.3.1.1 Hall-Effekt 256
17.3.1.2 Hall-Sensoren ohne Magnetkern 257
17.3.1.3 Hall-Sensoren mit integriertem, magnetischen Konzentrator (IMC) 258
17.3.1.4 Ungeregelter Stromwandler (Open-Loop Hall) 260
17.3.1.5 Kompensationsstromwandler (Closed-Loop-Hall) 260
17.3.2 Magnetoresistive Stromsensorik (xMR) 261
17.3.2.1 Anisotroper Magneto-Resistiver Effekt (AMR) 262
17.3.2.2 Gigantischer Magneto-Resistiver Effekt (GMR) 262
17.3.2.3 Messschaltung zur Auswertung von magnetoresistiven Stromsensoren 262
17.3.3 Widerstandsbasierte Strommessung 263
17.3.3.1 Vierleitermessung 264
17.3.3.2 Verlustberechnung 264
17.3.3.3 Elektrische Isolation 265
17.3.4 Spannungsmessung 265
17.3.4.1 Spannungsteiler 265
17.3.4.2 Verarbeitung der Teilerspannung 265
17.3.4.3 Weitere Funktionen der Spannungsmessung 266
17.3.5 Fehler bei der Messung elektrischer Größen 266
17.3.5.1 Offsetfehler 266
17.3.5.2 Verstärkungsfehler 267
17.3.5.3 Nichtlinearitäten 267
17.3.5.4 Hysteresefehler 267
17.3.5.5 Dynamischer Fehler 268
17.4 Winkel- und Drehzahlmessung 268
17.4.1 Resolver als Rotorlagegeber 269
17.4.2 Resolver mit reluktanzbasierter Signalgenerierung 271
17.4.3 Auswerteprinzipien bei Signalen und Elektronik 272
17.4.3.1 Demodulation 272
17.4.3.2 Angular Tracking Observer (ATO) 273
17.4.4 Messunsicherheiten bei Drehgebern mit Sinus-, Cosinusauswertung 274
17.4.5 Wirbelstromsensoren (Eddy Current Sensors) 276
17.4.6 Magnetische Inkrementalgeber 276
17.5 Temperaturmessung 277
17.5.1 Übersicht der Messprinzipien zur Temperaturerfassung 279
17.5.1.1 Widerstandsveränderliche Prinzipien 279
17.5.1.2 Thermoelemente 281
17.5.1.3 Halbleiterbasierende Prinzipien 283
17.5.2 Temperaturmessung durch NTC-Widerstände 283
17.5.2.1 Auswertung von NTC Kennlinien 283
17.5.2.2 Praktische Beispiele 284
17.5.3 Temperaturschätzung in E-Maschinen 285
17.5.3.1 I²t – Verfahren 285
17.5.3.2 Temperaturmodell 286
17.6 Drehmomenterzeugung – Einflüsse durch Sensorfehler 287
17.6.1 Spannungsmessfehler der Zwischenkreisspannung 287
17.6.2 Fehler in der Strommessung 288
17.6.2.1 Offsetfehler 289
17.6.2.2 Verstärkungsfehler 290
17.6.3 Fehler in der Winkelmessung 291
17.6.4 Fehler bei der Drehzahlermittlung 293
17.6.5 Fehler in der Temperaturmessung 295
17.7 Zusammenfassung 295
Literaturhinweise 296
TEIL 4. Gesamtsystem, Anwendungen 299
18 Thermomanagement 300
18.1 Einleitung 300
18.2 Wärmeströme im Elektrofahrzeug 300
18.3 Elektrifizierungsgrad und Klimatisierung des Innenraums 302
18.4 Effizienzsteigerung der Klimatisierung 303
18.5 Thermomanagement von Lithium-Ionen-Batterien 306
18.6 Zusammenfassung 309
Literaturhinweise 309
19 Typgenehmigung 310
19.1 Einleitung 310
19.2 Ablauf, Gesetzgebung und Testverfahren 310
19.3 Länderspezifische Prüfungen für die Typgenehmigung 312
19.4 Zusammenfassung und Ausblick 317
Literaturhinweise 317
20 Akustik 318
20.1 Einleitung, Ziele, Grundlagen und Gesetzgebung 318
20.1.1 Ziele und Strategien für Außen- und Innengeräuschgestaltung 319
20.1.2 Grundlagen und Definitionen 319
20.1.3 Gesetzgebung für Fahrzeugaußengeräusche 323
20.1.4 Akustik von Elektro- und Hybridfahrzeugen 323
20.1.5 AVAS (Acoustic Vehicle Alerting System) 329
20.2 Fahrzeuginnengeräuschgestaltung 332
20.2.1 Studie zur Wahrnehmung von Innengeräuschen in Elektrofahrzeugen 333
20.3 Bedeutung der Psychoakustik für die Innen- und Außengeräusche von Elektrofahrzeugen 334
20.3.1 Einleitung 334
20.3.2 Bedeutung der Psychoakustik 335
20.3.3 Fahrzeuggeräusche von Elektrofahrzeugen 340
20.3.3.1 Fahrzeuginnengeräusche von E-Fahrzeugen 342
20.3.3.2 Fahrzeugaußengeräusche von E-Fahrzeugen 342
20.4 Zusammenfassung 345
20.5 Akustik der Komponenten im elektrischen Antriebsstrang 346
20.5.1 Einleitung 346
20.5.2 E-Maschine 350
20.5.3 Wälzlager 359
20.5.4 Getriebe 360
20.6 Gesamtfahrzeug 370
20.7 Zusammenfassung 371
Literaturverzeichnis 372
21 Elektromagnetische Verträglichkeit 375
21.1 Einleitung 375
21.2 Definition 375
21.3 Störquellen und Störsenken im Elektro- und Hybridfahrzeug 376
21.4 Koppelmechanismen 377
21.5 Gegenmassnahmen 380
21.6 Nachweis der elektromagnetischen Verträglichkeit 382
21.7 Zusammenfassung 384
Literaturhinweise 384
22 Funktionale und elektrische Sicherheit 385
22.1 Einleitung 385
22.2 Funktionale Sicherheit 386
22.2.1 Einleitung 386
22.2.2 Funktionale Sicherheit von elektrischen Antriebssträngen 387
22.2.3 Zusammenfassung 393
22.3 Elektrische Sicherheit 393
22.3.1 Einleitung 393
22.3.2 Arbeitsschutz 393
22.3.3 Batteriesicherheit 396
22.3.4 Fahrzeugzulassung 397
22.3.5 Zusammenfassung 403
23 Ladetechnik 404
23.1 Einleitung 404
23.2 Ladeverfahren und deren technische Umsetzung 404
23.3 Konventionelles kontaktgebundenes Laden 405
23.4 Spezielles kontaktgebundenes Laden 406
23.5 Ladesteckverbindungen 408
23.6 Lademodi des Typ2- und Combo2-Steckers 409
23.7 Kontaktloses induktives Laden 410
23.8 Stationäre Ladezenarien 412
23.9 Dynamische Ladeszenarien 413
23.10 Ausblick 414
23.11 Zusammenfassung 415
Literaturhinweise 415
TEIL 5. Schlussfolgerungen 417
24 Auswirkungen auf den Verbrennungsmotor 418
24.1 Einleitung 418
24.2 Arten der Hybridisierung 418
24.3 Ottomotoren im elektrifizierten Antriebsstrang 419
24.3.1 48V-Mild-Hybrid-Systeme für Otto-Motoren 419
24.3.2 Voll-Hybrid-Systeme für Otto-Motoren 422
24.3.3 Plug-in-Hybrid-Systeme für Otto-Motoren 423
24.4 Dieselmotor im elektrifizierten Antriebsstrang 423
24.5 Zusammenfassung 425
Literaturhinweise 425
25 Ausblick 426
Literaturhinweise 428
Sachwortregister 429