Hybridfahrzeuge : [ein alternatives Antriebskonzept für die Zukunft

Im Laufe seiner ?ber 100-j?hrigen Geschichte wurde das Automobil kontinuierlich weiterentwickelt. Dennoch ist das Verbesserungspotenzial nicht ausgesch?pft. Auf der Suche nach Antrieben mit geringem CO2-Aussto? ist die Forschung im Bereich Hybridfahrzeuge weit vorangeschritten. Dazu liefert das Buch einen aktuellen ?berblick. Das prototypische Hybridfahrzeug vereint dabei das Beste aus allen Welten: dynamische, leistungsstarke Fahrzeuge, weniger Verbrauch und Emissionen, geringere Umweltbelastung und reduzierte Fertigungskosten. Cover 1 Hybridfahrzeuge 3 ISBN 9783211891902 4 Vorwort 6 Table of Contents 8 Abkürzungsverzeichnis 12 Kapitel 1 Einleitung 18 1.1 Verkehr und seine Auswirkungen auf die Umwelt 18 1.2 Historie von Hybridfahrzeugen 23 1.3 Prognosen für Hybridfahrzeuge 29 Kapitel 2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte 34 2.1 Serieller Hybrid 35 Klassische Auslegung 35 Plug-In-Hybridfahrzeuge mit Range Extender 37 Vor- und Nachteile des Serienhybridantriebs 37 2.2 Parallelhybrid 38 Vor- und Nachteile des Parallelhybridantriebes 39 2.3 Leistungsverzweigter Hybrid 40 Geometrische Beziehungen und Definitionen [21] 45 Kinematische Beziehungen 46 Dynamische Gleichungen 46 Getriebestufen 52 Betriebsbereiche 53 2.4 Micro-Hybrid 59 2.5 Mild-Hybrid 61 2.6 Full-Hybrid 62 2.7 Plug-In-Hybrid 63 2.8 Zusammenfassung – Hybridsysteme 69 Kapitel 3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen 72 3.1 Gesetzliche Rahmenbedingungen 72 3.1.1 Situation in Kalifornien/USA 74 3.1.2 Situation in Europa 82 Städtische Einfahrtbeschränkungen 87 3.1.3 Zusammenfassung 87 3.2 Kraftstoffverbrauch 88 3.2.1 Lastpunktanhebung 89 3.2.2 Start /Stopp 92 3.2.3 Elektrisches Fahren 94 3.2.4 Rekuperation 99 3.2.5 Zusammenfassung Kraftstoffverbrauchseinsparungspotenzial 104 3.3 Emissionen und Lärm 106 3.3.1 Elektrisch emissionsfrei fahren 106 3.3.2 Lastpunktverschiebung 106 3.3.3 Start /Stopp 110 3.4 Funktionalität 111 3.4.1 E4WD – Elektrischer Allradantrieb 111 Leichtallradantrieb 111 High End- Allradantrieb 111 3.4.2 Torque Vectoring 111 Torque-Vectoring-Funktion 114 3.4.3 Spannungsversorgung – Power Station 116 Kapitel 4 Hybridkomponenten 118 4.1 Verbrennungskraftmaschinen 118 4.1.1 Ottomotoren 118 4.1.2 Dieselmotoren 119 4.1.3 Zweitaktmotoren 119 Vorteile 120 Nachteile 121 4.1.4 Rotationskolbenmotoren 121 Funktion und Aufbau 121 Vorteile 122 Nachteile 122 4.1.5 Stirlingmotor 123 Aufbau 124 Funktion 125 Vorteile 126 Nachteile 126 4.1.6 Gasturbinen 126 Nachteile 127 4.1.7 Brennstoffzellen 127 Vorteile 129 Nachteile 129 4.2 Elektromaschinen 130 4.2.1 Betriebsgrenzen und Kennlinien 131 Betriebsgrenzen 131 Charakteristik 132 4.2.2 Gleichstrommaschinen 135 Funktionsprinzip 135 Verschaltungsmöglichkeiten für die Gleichstrommaschine 136 4.2.3 Drehstrommaschinen 136 4.2.4 Asynchronmaschine 138 4.2.5 Synchronmaschinen 139 4.2.6 Permanenterregte Synchronmaschinen 139 Aufbau 140 4.2.7 Geschaltete Reluktanzmaschine 141 4.2.8 Permanenterregte Transversalfl ussmaschinen 143 Bauformen der Transversalflussmaschine 144 4.2.9 Vergleich der verschiedenen Elektromaschinen 146 4.2.10 Ausführungsformen 147 4.2.11 Getriebeintegration 149 Kurbelwellen-Starter-Generatoren (KSG) 149 Vorgelegegetriebe 149 Automatikgetriebe 152 Stufenlose Getriebe 153 4.3 Leistungselektronik (Stromrichter) 156 4.3.1 Halbleiter-Elemente 158 4.3.2 Leistungselektronische Schaltungen 159 4.4 Energiespeicher 163 4.4.1 Allgemeines 163 4.4.2 Sekundärelemente 168 Energetische Betrachtungen 170 Kenngrößen von Batterien 171 4.4.3 Blei-Batterien (Pb/PbO2) 174 Funktion [87] 174 Aufbau 174 4.4.4 Nickel-Cadmium-Batterien 177 Aufbau 177 4.4.5 Nickel-Metallhydrid-Batteriesysteme 177 Funktion [84] 177 Bauformen von Nickel-Metallhydrid-Zellen 178 NiMH-Batterien für den Fahrzeugeinsatz 179 Zusammenfassung der generellen Eigenschaften des NiMH-Systems 180 4.4.6 Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) 181 Funktion [84] 181 Bauformen von Li-Ionen-Zellen 182 Li-Ionen-Batteriesysteme 183 Generelle Eigenschaften 184 4.4.7 Na-NiCl-Batterie ( Zebra) 185 4.4.8 Natrium-Schwefel-Batterie 185 4.4.9 Superkondensatoren 185 4.4.10 Schwungradspeicher 190 4.4.11 Hydropneumatische Speicher 193 Blasenspeicher 195 Kolbenspeicher 196 Membranspeicher 196 Auslegung und Kenngrößen 196 Zustände bzw. Zustandsänderungen 198 Hydrostatische Fahrantriebe 200 Hydraulische Kenngrößen des verlustfreien Antriebs [93] 202 4.4.12 Vergleich der Energiespeichersysteme 207 Elektrische Energiespeicher 207 Vergleich aller möglichen Speicherformen 211 4.5 Nebenaggregate 212 4.5.1 Hydraulische Impulsspeicher HIS® 213 4.5.2 Elektrische Servolenkung 216 4.5.3 Heizung und Klimatisierung 219 Zuheizsysteme 219 Klimatisierung 219 Kältespeicher 220 Kapitel 5 Antriebsstrangmanagement 224 5.1 Betriebszustände von Hybridfahrzeugen 225 5.2 Betriebsstrategien 226 5.2.1 Einteilung von Betriebsstrategien 227 Nicht kausale Betriebsstrategien 227 „Kausale“ Betriebsstrategien 228 Optimale Betriebsstrategien 228 Statische Optimierung 228 Numerische Optimierungsmethoden 229 Analytische Optimierungsmethoden 229 Suboptimale Betriebsstrategien 229 Heuristische Steuerungsstrategien 229 5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen 230 5.3.1 Modellierung eines Hybridfahrzeugs 231 Mechanische Verbindung (rotatorisch) 232 Fahrer 233 Zyklus 234 HCU 234 Ergebnisse 234 Fahrzeugbus 235 Fahrzeug 235 Schlupf 236 Hinterachse (Vorderachse) 237 VKM 237 K2+Getriebe 238 GBCU 239 CCU 239 EStorageCU 239 ElectricStorage 239 EUnit 240 5.3.2 Beispiel Betriebsstrategie 240 Lastpunktanhebung (LPA) im Stillstand 241 Motor aus (Start/Stopp) 242 Rekuperation 242 Lastpunktanhebung (LPA) 243 Elektrisches Fahren (E- Fahren) 248 Boosten 249 Reiner VKM-Betrieb 250 5.3.3 Beispiel für Dimensionierung der E-Komponenten 250 5.3.4 Betriebsstrategien unter Einbeziehung des Thermomanagements 254 Betriebsstrategien für schnellen Warmlauf – ohne Vernetzung der Kühlkreisläufe 257 Betriebsstrategien für schnellen Warmlauf – mit Vernetzung der Kühlkreisläufe 259 5.4 Betriebsstrategien mit Prognosefunktionen 260 Vorausschauende Fahrerassistenzsysteme 261 Fahrstreckenerkennung und Prognose 262 Kapitel 6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte 266 6.1 Toyota Prius 266 Toyota Prius III 276 6.2 Lexus RX400 h und RX450h 278 Lexus RX450h 281 6.3 Lexus GS450h 283 6.4 Lexus LS600h 287 6.5 Integrated Motor Assist (IMA)-Hybridsystem von Honda 292 6.6 Mercedes-Benz S 400 HYBRID 302 Start /Stopp 306 Rekuperation 306 Boost/Lastpunktverschiebung 307 6.7 Mercedes-Benz ML 450 Hybrid 309 AHS-C-Two-Mode-Hybridgetriebe 310 E-Maschinen 312 NiMH- Hochvoltbatterie 313 Emissionskonzept 313 6.8 BMW X6 ActiveHybrid 314 Betriebsstrategien und Hybridfunktionen 318 6.9 Magna HYSUV 320 6.10 VW Touareg Hybrid 322 Hybridmodul 324 Getriebe 325 Elektromaschine 326 Trennkupplung „K0“ 326 Batterie 327 Hybridsteuerung 328 Instationärausgleich 329 Boost 330 Elektrisches Fahren 330 Motorstart 331 Lastpunktverschiebung 331 Rekuperation 332 6.11 AVL ECO Target 332 Funktionalitäten von ECO TARGET 335 6.12 AVL Turbohybrid 335 6.13 Opel Flextreme und Ampera 342 6.14 VW twinDrive 345 Geschwindigkeitsbereich unter 50 km/h 350 Geschwindigkeitsbereich über 50 km/h 350 6.15 Toyota Supra HV-R (Hybrid) 350 6.16 Piaggio MP3 Hybrid 351 Kapitel 7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte 356 7.1 Hybridbusse 361 7.1.1 Orion VII HybriDrive 361 7.1.2 Mitsubishi Fuso Aero 363 7.1.3 Mercedes-Benz Citaro G BlueTec Hybrid 364 7.1.4 MAN Hybridbusse 366 7.1.5 Hess Doppelgelenk-Hybridbus 371 7.1.6 7700 parallel Hybrid Volvo I-SAM 372 7.1.7 IVECO – Irisbus Hynovis 374 7.1.8 Solaris Urbino 18 375 7.1.9 Scania Hybrid Concept Bus 376 7.2 Hybrid-Lkw 379 7.2.1 Mercedes-Benz Sprinter Plug-In-Hybrid 379 7.2.2 MAN Verteiler-Lkw 382 7.2.3 Mitsubishi Fuso Canter Eco Hybrid 386 7.2.4 Mercedes-Benz Freightliner M2 389 7.2.5 Mercedes-Benz Atego BlueTec Hybrid 390 7.2.6 Volvo FE Abfallentsorgungsfahrzeug 392 7.2.7 Abfallsammelfahrzeug mit hydrostatisch-regenerativem Bremssystem (HRB) 393 Kapitel 9 Literatur 398 Sachverzeichnis 408 3211891900,9783211891902 Springer 2010 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.