Hofmann Hybridfahrzeuge

Ein alternatives Antriebskonzept für die Zukunft
1. Auflage 2011
ISBN: 978-3-211-89191-9
Verlag: Springer Vienna
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 407 Seiten

Im Laufe seiner über 100-jährigen Geschichte wurde das Automobil kontinuierlich weiterentwickelt. Dennoch ist das Verbesserungspotenzial nicht ausgeschöpft. Auf der Suche nach Antrieben mit geringem CO2-Ausstoß ist die Forschung im Bereich Hybridfahrzeuge weit vorangeschritten. Dazu liefert das Buch einen aktuellen Überblick. Das prototypische Hybridfahrzeug vereint dabei das Beste aus allen Welten: dynamische, leistungsstarke Fahrzeuge, weniger Verbrauch und Emissionen, geringere Umweltbelastung und reduzierte Fertigungskosten.

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.

Autoren/Hrsg.

Hofmann, Peter

Inhaltsverzeichnis

1;Title Page;3
2;Copyright Page;4
3;Vorwort;5
4;Table of Contents;7
5;Abkürzungsverzeichnis;10
6;Kapitel 1 Einleitung;15
6.1;1.1 Verkehr und seine Auswirkungen auf die Umwelt;15
6.2;1.2 Historie von Hybridfahrzeugen;20
6.3;1.3 Prognosen für Hybridfahrzeuge;26
7;Kapitel 2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte;30
7.1;2.1 Serieller Hybrid;31
7.1.1;Klassische Auslegung;31
7.1.2;Plug-In-Hybridfahrzeuge mit Range Extender;33
7.1.3;Vor- und Nachteile des Serienhybridantriebs;33
7.2;2.2 Parallelhybrid;34
7.2.1;Vor- und Nachteile des Parallelhybridantriebes;35
7.3;2.3 Leistungsverzweigter Hybrid;36
7.3.1;Geometrische Beziehungen und Definitionen [21];41
7.3.2;Kinematische Beziehungen;42
7.3.3;Dynamische Gleichungen;42
7.3.4;Getriebestufen;48
7.3.5;Betriebsbereiche;49
7.4;2.4 Micro-Hybrid;55
7.5;2.5 Mild-Hybrid;57
7.6;2.6 Full-Hybrid;58
7.7;2.7 Plug-In-Hybrid;59
7.8;2.8 Zusammenfassung – Hybridsysteme;65
8;Kapitel 3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen;68
8.1;3.1 Gesetzliche Rahmenbedingungen;68
8.1.1;3.1.1 Situation in Kalifornien/USA;70
8.1.2;3.1.2 Situation in Europa;78
8.1.2.1;Städtische Einfahrtbeschränkungen;83
8.1.3;3.1.3 Zusammenfassung;83
8.2;3.2 Kraftstoffverbrauch;84
8.2.1;3.2.1 Lastpunktanhebung;85
8.2.2;3.2.2 Start /Stopp;88
8.2.3;3.2.3 Elektrisches Fahren;90
8.2.4;3.2.4 Rekuperation;95
8.2.5;3.2.5 Zusammenfassung Kraftstoffverbrauchseinsparungspotenzial;100
8.3;3.3 Emissionen und Lärm;102
8.3.1;3.3.1 Elektrisch emissionsfrei fahren;102
8.3.2;3.3.2 Lastpunktverschiebung;102
8.3.3;3.3.3 Start /Stopp;106
8.4;3.4 Funktionalität;107
8.4.1;3.4.1 E4WD – Elektrischer Allradantrieb;107
8.4.1.1;Leichtallradantrieb;107
8.4.1.2;High End- Allradantrieb;107
8.4.2;3.4.2 Torque Vectoring;107
8.4.2.1;Torque-Vectoring-Funktion;110
8.4.3;3.4.3 Spannungsversorgung – Power Station;112
9;Kapitel 4 Hybridkomponenten;114
9.1;4.1 Verbrennungskraftmaschinen;114
9.1.1;4.1.1 Ottomotoren;114
9.1.2;4.1.2 Dieselmotoren;115
9.1.3;4.1.3 Zweitaktmotoren;115
9.1.3.1;Vorteile;116
9.1.3.2;Nachteile;117
9.1.4;4.1.4 Rotationskolbenmotoren;117
9.1.4.1;Funktion und Aufbau;117
9.1.4.2;Vorteile;118
9.1.4.3;Nachteile;118
9.1.5;4.1.5 Stirlingmotor;119
9.1.5.1;Aufbau;120
9.1.5.2;Funktion;121
9.1.5.3;Vorteile;122
9.1.5.4;Nachteile;122
9.1.6;4.1.6 Gasturbinen;122
9.1.6.1;Nachteile;123
9.1.7;4.1.7 Brennstoffzellen;123
9.1.7.1;Vorteile;125
9.1.7.2;Nachteile;125
9.2;4.2 Elektromaschinen;126
9.2.1;4.2.1 Betriebsgrenzen und Kennlinien;127
9.2.1.1;Betriebsgrenzen;127
9.2.1.2;Charakteristik;128
9.2.2;4.2.2 Gleichstrommaschinen;131
9.2.2.1;Funktionsprinzip;131
9.2.2.2;Verschaltungsmöglichkeiten für die Gleichstrommaschine;132
9.2.3;4.2.3 Drehstrommaschinen;132
9.2.4;4.2.4 Asynchronmaschine;134
9.2.5;4.2.5 Synchronmaschinen;135
9.2.6;4.2.6 Permanenterregte Synchronmaschinen;135
9.2.6.1;Aufbau;136
9.2.7;4.2.7 Geschaltete Reluktanzmaschine;137
9.2.8;4.2.8 Permanenterregte Transversalfl ussmaschinen;139
9.2.8.1;Bauformen der Transversalflussmaschine;140
9.2.9;4.2.9 Vergleich der verschiedenen Elektromaschinen;142
9.2.10;4.2.10 Ausführungsformen;143
9.2.11;4.2.11 Getriebeintegration;145
9.2.11.1;Kurbelwellen-Starter-Generatoren (KSG);145
9.2.11.2;Vorgelegegetriebe;145
9.2.11.3;Automatikgetriebe;148
9.2.11.4;Stufenlose Getriebe;149
9.3;4.3 Leistungselektronik (Stromrichter);152
9.3.1;4.3.1 Halbleiter-Elemente;154
9.3.2;4.3.2 Leistungselektronische Schaltungen;155
9.4;4.4 Energiespeicher;159
9.4.1;4.4.1 Allgemeines;159
9.4.2;4.4.2 Sekundärelemente;164
9.4.2.1;Energetische Betrachtungen;166
9.4.2.2;Kenngrößen von Batterien;167
9.4.3;4.4.3 Blei-Batterien (Pb/PbO2);170
9.4.3.1;Funktion [87];170
9.4.3.2;Aufbau;170
9.4.4;4.4.4 Nickel-Cadmium-Batterien;173
9.4.4.1;Aufbau;173
9.4.5;4.4.5 Nickel-Metallhydrid-Batteriesysteme;173
9.4.5.1;Funktion [84];173
9.4.5.2;Bauformen von Nickel-Metallhydrid-Zellen;174
9.4.5.3;NiMH-Batterien für den Fahrzeugeinsatz;175
9.4.5.4;Zusammenfassung der generellen Eigenschaften des NiMH-Systems;176
9.4.6;4.4.6 Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion);177
9.4.6.1;Funktion [84];177
9.4.6.2;Bauformen von Li-Ionen-Zellen;178
9.4.6.3;Li-Ionen-Batteriesysteme;179
9.4.6.4;Generelle Eigenschaften;180
9.4.7;4.4.7 Na-NiCl-Batterie ( Zebra);181
9.4.8;4.4.8 Natrium-Schwefel-Batterie;181
9.4.9;4.4.9 Superkondensatoren;181
9.4.10;4.4.10 Schwungradspeicher;186
9.4.11;4.4.11 Hydropneumatische Speicher;189
9.4.11.1;Blasenspeicher;191
9.4.11.2;Kolbenspeicher;192
9.4.11.3;Membranspeicher;192
9.4.11.4;Auslegung und Kenngrößen;192
9.4.11.5;Zustände bzw. Zustandsänderungen;194
9.4.11.6;Hydrostatische Fahrantriebe;196
9.4.11.7;Hydraulische Kenngrößen des verlustfreien Antriebs [93];198
9.4.12;4.4.12 Vergleich der Energiespeichersysteme;203
9.4.12.1;Elektrische Energiespeicher;203
9.4.12.2;Vergleich aller möglichen Speicherformen;207
9.5;4.5 Nebenaggregate;208
9.5.1;4.5.1 Hydraulische Impulsspeicher HIS®;209
9.5.2;4.5.2 Elektrische Servolenkung;212
9.5.3;4.5.3 Heizung und Klimatisierung;215
9.5.3.1;Zuheizsysteme;215
9.5.3.2;Klimatisierung;215
9.5.3.3;Kältespeicher;216
10;Kapitel 5 Antriebsstrangmanagement;219
10.1;5.1 Betriebszustände von Hybridfahrzeugen;220
10.2;5.2 Betriebsstrategien;221
10.2.1;5.2.1 Einteilung von Betriebsstrategien;222
10.2.1.1;Nicht kausale Betriebsstrategien;222
10.2.1.2;„Kausale“ Betriebsstrategien;223
10.2.1.3;Optimale Betriebsstrategien;223
10.2.1.4;Statische Optimierung;223
10.2.1.5;Numerische Optimierungsmethoden;224
10.2.1.6;Analytische Optimierungsmethoden;224
10.2.1.7;Suboptimale Betriebsstrategien;224
10.2.1.8;Heuristische Steuerungsstrategien;224
10.3;5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen;225
10.3.1;5.3.1 Modellierung eines Hybridfahrzeugs;226
10.3.1.1;Mechanische Verbindung (rotatorisch);227
10.3.1.2;Fahrer;228
10.3.1.3;Zyklus;229
10.3.1.4;HCU;229
10.3.1.5;Ergebnisse;229
10.3.1.6;Fahrzeugbus;230
10.3.1.7;Fahrzeug;230
10.3.1.8;Schlupf;231
10.3.1.9;Hinterachse (Vorderachse);232
10.3.1.10;VKM;232
10.3.1.11;K2+Getriebe;233
10.3.1.12;GBCU;234
10.3.1.13;CCU;234
10.3.1.14;EStorageCU;234
10.3.1.15;ElectricStorage;234
10.3.1.16;EUnit;235
10.3.2;5.3.2 Beispiel Betriebsstrategie;235
10.3.2.1;Lastpunktanhebung (LPA) im Stillstand;236
10.3.2.2;Motor aus (Start/Stopp);237
10.3.2.3;Rekuperation;237
10.3.2.4;Lastpunktanhebung (LPA);238
10.3.2.5;Elektrisches Fahren (E- Fahren);243
10.3.2.6;Boosten;244
10.3.2.7;Reiner VKM-Betrieb;245
10.3.3;5.3.3 Beispiel für Dimensionierung der E-Komponenten;245
10.3.4;5.3.4 Betriebsstrategien unter Einbeziehung des Thermomanagements;249
10.3.4.1;Betriebsstrategien für schnellen Warmlauf – ohne Vernetzung der Kühlkreisläufe;252
10.3.4.2;Betriebsstrategien für schnellen Warmlauf – mit Vernetzung der Kühlkreisläufe;254
10.4;5.4 Betriebsstrategien mit Prognosefunktionen;255
10.4.1;Vorausschauende Fahrerassistenzsysteme;256
10.4.2;Fahrstreckenerkennung und Prognose;257
11;Kapitel 6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte;261
11.1;6.1 Toyota Prius;261
11.1.1;Toyota Prius III;271
11.2;6.2 Lexus RX400 h und RX450h;273
11.2.1;Lexus RX450h;276
11.3;6.3 Lexus GS450h;278
11.4;6.4 Lexus LS600h;282
11.5;6.5 Integrated Motor Assist (IMA)-Hybridsystem von Honda;287
11.6;6.6 Mercedes-Benz S 400 HYBRID;297
11.6.1;Start /Stopp;301
11.6.2;Rekuperation;301
11.6.3;Boost/Lastpunktverschiebung;302
11.7;6.7 Mercedes-Benz ML 450 Hybrid;304
11.7.1;AHS-C-Two-Mode-Hybridgetriebe;305
11.7.2;E-Maschinen;307
11.7.3;NiMH- Hochvoltbatterie;308
11.7.4;Emissionskonzept;308
11.8;6.8 BMW X6 ActiveHybrid;309
11.8.1;Betriebsstrategien und Hybridfunktionen;313
11.9;6.9 Magna HYSUV;315
11.10;6.10 VW Touareg Hybrid;317
11.10.1;Hybridmodul;319
11.10.2;Getriebe;320
11.10.3;Elektromaschine;321
11.10.4;Trennkupplung „K0“;321
11.10.5;Batterie;322
11.10.6;Hybridsteuerung;323
11.10.7;Instationärausgleich;324
11.10.8;Boost;325
11.10.9;Elektrisches Fahren;325
11.10.10;Motorstart;326
11.10.11;Lastpunktverschiebung;326
11.10.12;Rekuperation;327
11.11;6.11 AVL ECO Target;327
11.11.1;Funktionalitäten von ECO TARGET;330
11.12;6.12 AVL Turbohybrid;330
11.13;6.13 Opel Flextreme und Ampera;337
11.14;6.14 VW twinDrive;340
11.14.1;Geschwindigkeitsbereich unter 50 km/h;345
11.14.2;Geschwindigkeitsbereich über 50 km/h;345
11.15;6.15 Toyota Supra HV-R (Hybrid);345
11.16;6.16 Piaggio MP3 Hybrid;346
12;Kapitel 7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte;351
12.1;7.1 Hybridbusse;356
12.1.1;7.1.1 Orion VII HybriDrive;356
12.1.2;7.1.2 Mitsubishi Fuso Aero;358
12.1.3;7.1.3 Mercedes-Benz Citaro G BlueTec Hybrid;359
12.1.4;7.1.4 MAN Hybridbusse;361
12.1.5;7.1.5 Hess Doppelgelenk-Hybridbus;366
12.1.6;7.1.6 7700 parallel Hybrid Volvo I-SAM;367
12.1.7;7.1.7 IVECO – Irisbus Hynovis;369
12.1.8;7.1.8 Solaris Urbino 18;370
12.1.9;7.1.9 Scania Hybrid Concept Bus;371
12.2;7.2 Hybrid-Lkw;374
12.2.1;7.2.1 Mercedes-Benz Sprinter Plug-In-Hybrid;374
12.2.2;7.2.2 MAN Verteiler-Lkw;377
12.2.3;7.2.3 Mitsubishi Fuso Canter Eco Hybrid;381
12.2.4;7.2.4 Mercedes-Benz Freightliner M2;384
12.2.5;7.2.5 Mercedes-Benz Atego BlueTec Hybrid;385
12.2.6;7.2.6 Volvo FE Abfallentsorgungsfahrzeug;387
12.2.7;7.2.7 Abfallsammelfahrzeug mit hydrostatisch-regenerativem Bremssystem (HRB);388
13;Kapitel 8 Ausblick;390
14;Kapitel 9 Literatur;392
15;Sachverzeichnis;402