Kraftfahrzeug-Hybridantriebe: Grundlagen, Komponenten, Systeme, Anwendungen ; mit 44 Tabellen
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Wiesbaden
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2012
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INHALTSVERZEICHNIS
MITARBEITERVERZEICHNIS XIII
1 EINLEITUNG 1
KONRAD REIF, KARL E. NOREIKAT UND KAI BORGEEST 1.1 DEFINITION, EINSATZ,
ANFORDERUNGEN 1
1.1.1 VORTEILE DES HYBRIDANTRIEBS 2
1.1.1.1 WENIGER C0 2 -AUSSTOSS DURCH HYBRIDFAHRZEUGE 2
1.1.1.2 MEHR FAHRDYNAMIK UND FAHRKOMFORT DURCH HYBRIDFAHRZEUGE 3
1.1.1.3 HYBRIDFAHRZEUGE ALS ZWISCHENSCHRITT ZU ELEKTROFAHRZEUGEN 3
1.1.2 TECHNISCHE NEUENTWICKLUNGEN 3
1.2 GESCHICHTE 4
1.2.1 FRUEHE MOTIVATION 4
1.2.2 UMWELTBEWUSSTSEIN UND OELPREIS 4
1.2.3 FAHRZEUGE 6
LITERATUR 6
2 HYBRIDE ANTRIEBSSTRUKTUREN 7
SIEGFRIED SAENGER-ZETINA UND MARKUS WAGNER 2.1 UEBERSICHT UEBER DIE
KOMPONENTEN 7
2.1.1 EINFUEHRUNG 7
2.1.2 KOMBINATION VON WANDLERN UND SPEICHERN 8
2.1.2.1 ENERGIEWANDLER 8
2.1.2.2 ENERGIESPEICHER 9
2.1.2.3 DREHZAHL-UND DREHMOMENTWANDLER 13
2.2 VORTEILE EINES HYBRIDANTRIEBS 14
2.2.1 TECHNISCHE VORTEILE 15
2.2.1.1 ELEKTRISCHES FAHREN 17
2.2.1.2 REKUPERATIVES BREMSEN 17
2.2.1.3 LASTPUNKTVERSCHIEBUNG 21
VII
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IMAGE 2
VIII
I N H A L T S V E R Z E I C H N I S
2.2.1.4 BOOSTEN 23
2.2.1.5 START-STOPP-FUNKTION 24
2.2.1.6 KRAFTSTOFFVERBRAUCH UND WIRKUNGSGRAD IM TESTZYKLUS.. . 25 2.2.2
SUBJEKTIVE VORTEILE 26
2.2.2.1 FAHR-UND SCHALTKOMFORT 26
2.2.2.2 GERAEUSCH- UND SCHWINGUNGSVERHALTEN 27
2.3 KONZEPTE UND BETRIEBSWEISEN 27
2.3.1 SERIELLE HYBRIDE 28
2.3.1.1 KONSTRUKTIVE MERKMALE 28
2.3.1.2 VARIANTEN DES SERIELLEN HYBRIDANTRIEBS 29
2.3.1.3 BEISPIELE VON SERIELLEN HYBRIDEN 30
2.3.2 PARALLELE HYBRIDE 31
2.3.2.1 KONSTRUKTIVE MERKMALE 31
2.3.2.2 AUSPRAEGUNGEN VON PARALLELHYBRIDEN 33
2.3.2.3 BEISPIELE VON PARALLELHYBRIDEN 39
2.3.3 LEISTUNGSVERZWEIGTE HYBRIDE 39
2.3.3.1 KONSTRUKTIVE MERKMALE 39
2.3.3.2 BEISPIEL VON LEISTUNGSVERZWEIGUNGEN 52
2.3.3.3 BEISPIELE VON LEISTUNGSVERZWEIGTEN HYBRIDANTRIEBEN . . . . 56
2.4 KLASSIFIZIERUNG NACH FUNKTIONALITAET 62
2.4.1 ANFORDERUNGEN 62
2.4.2 START-STOPP-SYSTEME 62
2.4.2.1 DIE START-STOPP-FUNKTION 63
2.4.2.2 STARTEINRICHTUNGEN FUER START-STOPP-SYSTEME 65
2.4.3 HYBRID-FUNKTIONEN 67
2.4.3.1 MIKRO-HYBRID 67
2.4.3.2 MILD-HYBRID 67
2.4.3.3 VOLL-HYBRID 67
2.4.4 EXTERN AUFLADBARE HYBRIDE 68
2.4.4.1 HINTERGRUND 68
2.4.4.2 VARIANTEN 68
2.4.4.3 LADEMOEGLICHKEITEN VON BATTERIEN 69
LITERATUR * 72
3 KOMPONENTEN DES HYBRIDANTRIEBS 75
NOTKER AMANN, MATTHIAS BECK, OTMAR BITSCHE, PEDRO CASALS, BERND
CEBULSKI, CHRISTINE EHRET, JOCHEN FASSNACHT, ANDREAS GREFF, FRANZ
GRETZMEIER, GUEN TER GUTMANN, FRANK HENTSCHEL, MARKUS VAN HEYDEN, MARKUS
G. KLIFFKEN, DIETER KRAFT, AXEL MUELLER, ROLAND NORDEN, ROBERT
STAWIARSKI, MARKUS WAGNER, TONI VISCIDO UND HARALD WEILER
3.1 AUSLEGUNG DES VERBRENNUNGSMOTORS 75
3.1.1 OTTOMOTOR 78
IMAGE 3
I N H A L T S V E R Z E I C H N I S IX
3.1.2 DIESELMOTOR 82
3.1.3 ALTERNATIVE ANTRIEBE 85
3.1.3.1 STIRLINGMOTOR 85
3.1.3.2 DAMPFMOTOR 88
3.1.3.3 GASTURBINE 90
3.1.4 ZUSAMMENFASSUNG 92
3.2 ELEKTRISCHE MASCHINEN 93
3.2.1 UEBERBLICK 93
3.2.1.1 ALLGEMEINES ZU ELEKTRISCHEN MASCHINEN 93
3.2.1.2 PRINZIPIEN DER PHYSIKALISCHEN WIRKUNGSWEISE 94 3.2.1.3 GRUNDZUEGE
DER DREHFELDTHEORIE 97
3.2.1.4 WERKSTOFFE 105
3.2.2 SYNCHRONMASCHINEN 107
3.2.2.1 PRINZIPIELLER STAENDERAUFBAU 107
3.2.2.2 PRINZIPIELLE LAEUFERBAUFORMEN 108
3.2.2.3 SONDERFORM TRANSVERSALFLUSSMASCHINE 113
3.2.2.4 WIRKUNGSWEISE 115
3.2.2.5 AUSFUEHRUNGSBEISPIELE 119
3.2.2.6 VOR-UND NACHTEILE BEI HYBRIDFAHRZEUGEN 121
3.2.3 ASYNCHRONMASCHINEN 122
3.2.3.1 EINLEITUNG 122
3.2.3.2 PRINZIPIELLER AUFBAU DER DREHSTROM-ASYNCHRONMASCHINE MIT
KAEFIGLAEUFER 123
3.2.3.3 WIRKUNGSWEISE 125
3.2.3.4 BETRIEBSVERHALTEN 127
3.2.3.5 VOR- UND NACHTEILE BEI HYBRIDFAHRZEUGEN 130
3.2.3.6 ANWENDUNGSBEISPIELE 130
3.2.3.7 AUSFUEHRUNGSBEISPIELE 132
3.2.4 FELDORIENTIERTE REGELUNG DER PERMANENTERREGTEN SYNCHRONMASCHINE
134
3.2.4.1 EINFUEHRUNG 134
3.2.4.2 MATHEMATISCHES MODELL DER PERMANENTERREGTEN SYNCHRONMASCHINE 135
3.2.4.3 AUFBAU DER FELDORIENTIERTEN REGELUNG 138
3.2.4.4 SENSORIK 141
3.2.4.5 SONSTIGE REGELUNGSELEMENTE FUER HYBRIDFAHRZEUGE 142 3.3 ELEKTRIK
UND ELEKTRONIK 143
3.3.1 ENERGIEBORDNETZ 144
3.3.1.1 BORDNETZTOPOLOGIEN 144
3.3.1.2 BORDNETZSICHERHEIT 160
3.3.2 STEUERGERAETE UND KOMMUNIKATION 163
3.3.2.1 FUNKTIONSORIENTIERTE VERNETZUNGSSTRATEGIE 164
IMAGE 4
X I N H A L T S V E R Z E I C H N I S
3.3.2.2 ZONENORIENTIERTE VERNETZUNGSSTRATEGIE 166
3.3.2.3 ARCHITEKTUREN 168
3.3.2.4 BUSSYSTEME 169
3.3.2.5 ANBINDUNG DES FAHRZEUGS AN INFRASTRUKTUREN 173 3.3.3
LEISTUNGSELEKTRONIK 174
3.3.3.1 GRUNDLAGEN UND SYSTEMEINORDNUNG 174
3.3.3.2 TECHNIK UND BAUELEMENTE 174
3.3.3.3 TOPOLOGIEN UND SCHALTUNGSTECHNIK 176
3.3.3.4 ZUSAETZLICHE ANFORDERUNGEN 179
3.3.3.5 AKTUELLE ENTWICKLUNGEN 180
3.4 ENERGIESPEICHER 184
3.4.1 UEBERBLICK: ROLLE DER ENERGIESPEICHER 184
3.4.2 BLEIBATTERIE 185
3.4.2.1 ELEKTROCHEMIE DES BLEIAKKUMULATORS 185
3.4.2.2 AUFBAU DES BLEIAKKUMULATORS 188
3.4.2.3 BAUARTEN 194
3.4.2.4 EIGENSCHAFTEN VON BLEIBATTERIEN 196
3.4.2.5 STAND DER TECHNIK 201
3.4.2.6 ENTWICKLUNGSTENDENZEN BEI BLEIAKKUMULATOREN FUER FAHRZEUGE 205
3.4.3 ELEKTROCHEMISCHE DOPPELSCHICHTKONDENSATOREN 207
3.4.4 NICKEL-METALLHYDRID-AKKUMULATOREN 212
3.4.4.1 ELEKTROCHEMIE 213
3.4.4.2 STAND DER TECHNIK 215
3.4.4.3 ZELLENDESIGN 215
3.4.4.4 BETRIEBS- UND ALTERUNGSVERHALTEN 220
3.4.5 LITHIUM-IONEN-BATTERIEN 222
3.4.5.1 ELEKTROCHEMIE 225
3.4.5.2 STAND DER TECHNIK 226
3.4.5.3 ZELLENKOMPONENTEN 228
3.4.5.4 ZELLENDESIGN 232
3.4.6 ANWENDUNG ELEKTROCHEMISCHER SPEICHER IN KRAFTFAHRZEUGEN . . . .
235 3.4.6.1 BORDNETZ 235
3.4.6.2 ELEKTROCHEMISCHE SPEICHERSYSTEME FUER HYBRIDFAHRZEUGE . 238
3.4.6.3 AUSBLICK 242
3.4.7 HYDRAULISCHE HYBRIDANTRIEBE UND ENERGIESPEICHER 242
3.4.7.1 ABGRENZUNG ZUM ELEKTRISCHEN HYBRID 242
3.4.7.2 AUFBAU UND SYSTEMKOMPONENTEN DES HYDROSTATISCH-REGENERATIVEN
BREMSSYSTEMS 245 3.4.7.3 ERGEBNISSE AN EINEM ABFALLSAMMELFAHRZEUG MIT
HYDROSTATISCH-REGENERATIVEM BREMSSYSTEM 247
IMAGE 5
I N H A L T S V E R Z E I C H N I S XI
3.4.7.4 ERGEBNISSE AN EINEM ABFALLSAMMELFAHRZEUG
MIT HYDROSTATISCH-REGENERATIVEM BREMSSYSTEM 249 3.4.8 SCHWUNGRAEDER 249
3.5 FAHRZEUGGETRIEBE 253
3.5.1 GRUNDLAGEN 253
3.5.2 GETRIEBEARTEN 259
3.5.2.1 GETRIEBE MIT ZUGKRAFTUNTERBRECHUNG 260
3.5.2.2 GETRIEBE OHNE ZUGKRAFTUNTERBRECHUNG 265
3.5.3 EINFLUSS DER HYBRIDISIERUNG AUF DAS GETRIEBE 274
3.6 NEBENAGGREGATE 279
3.6.1 EINLEITUNG 279
3.6.2 MECHANISCHER UND ELEKTRISCHER ANTRIEB 279
3.6.3 EINSATZ VON NEBENAGGREGATEN IN UNTERSCHIEDLICHEN ANTRIEBSSTRAENGEN
280
3.6.3.1 KONVENTIONELLER ANTRIEBSSTRANG 281
3.6.3.2 TEILWEISE ELEKTRIFIZIERTER ANTRIEBSSTRANG 281
3.6.3.3 VOLLSTAENDIG ELEKTRIFIZIERTER ANTRIEBSSTRANG 284
3.6.4 AGGREGATE IM HYBRIDFAHRZEUG 286
3.6.4.1 ELEKTRISCHE MASCHINE 286
3.6.4.2 LENKKRAFTUNTERSTUETZUNG 287
3.6.4.3 DC/DC-WANDLER ZUR BORDNETZVERSORGUNG 290
3.6.4.4 POTENTIALTRENNENDER DC/DC-WANDLER ZUR BORDNETZSTABILISIERUNG 291
3.6.5 BETRIEB VON NEBENAGGREGATEN IM TRAKTIONSNETZ 291
3.6.6 ENERGIEMANAGEMENT 292
LITERATUR 293
4 BETRIEBSSTRATEGIEN 301
JAN-WELM BIERMANN UND CHRISTIAN RENNER 4.1 EINLEITUNG 301
4.2 ANTRIEBSKOMPONENTEN 302
4.2.1 VERBRENNUNGSMOTOR 302
4.2.2 ELEKTRISCHE MASCHINE 303
4.2.3 ENERGIESPEICHER 304
4.2.4 NEBENAGGREGATE 305
4.3 ENTWURF VON BETRIEBSSTRATEGIEN 306
4.3.1 BASISANFORDERUNGEN 306
4.3.1.1 START-STOPP-BETRIEB 307
4.3.1.2 BOOSTEN 307
4.3.1.3 REKUPERATION 308
4.3.1.4 ELEKTRISCHES FAHREN 309
4.3.1.5 LASTPUNKTANHEBUNG UND LASTPUNKTVERLAGERUNG 311
IMAGE 6
XII I N H A L T S V E R Z E I C H N I S
4.3.2 ENTWICKLUNGSPROZESS 315
4.4 ANWENDUNGSBEISPIEL 317
4.4.1 FAHRZEUG 317
4.4.2 BETRIEBSSTRATEGIE 318
4.4.3 PRAEDIKTIVE BETRIEBSSTRATEGIE 321
LITERATUR 323
5 SIMULATION UND AUSLEGUNG 325
DIETER KRAFT, THOMAS HUBER UND SANDRA STERZING-OPPEL 5.1 MODELLIERUNG
UND SIMULATION 325
5.2 VALIDIERUNG DER SIMULATIONSMODELLE 328
5.3 OPTIMALE AUSLEGUNG VON HYBRIDFAHRZEUGEN 330
5.3.1 BESTIMMUNG VON ZIELGROESSEN 330
5.3.2 OPTIMIERUNG EINER EINZELNEN ZIELGROESSE 331
5.3.3 OPTIMIERUNG MEHRERER ZIELGROESSEN 332
5.3.4 DATENBASIERTE MODELLIERUNG 333
5.4 ERGEBNISSE DER OPTIMALEN AUSLEGUNG 335
5.4.1 AUSGANGSPUNKT UND ZIELE 335
5.4.2 MODELLIERUNG 336
5.4.3 OPTIMIERUNG 338
5.4.4 VERGLEICH VON HYBRIDKONZEPTEN 338
5.4.5 VALIDIERUNG DER ERGEBNISSE 338
LITERATUR 339
SACHVERZEICHNIS 341
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