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Hybridkraftfahrzeuge: Grundlagen und Anwendungen mit Perspektiven für die Praxis

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Hybridkraftfahrzeuge: Grundlagen und Anwendungen mit Perspektiven für die Praxis

Chris Mi, M. Abul Masrur, David Wenzhong Gao

ISBN: 978-3-527-67808-2 January 2015 542 Pages

Vorwort zur englischen Ausgabe XV

Die Autoren XIX

1 Einleitung 1

1.1 Nachhaltigkeit im Transportwesen 3

1.1.1 Bevölkerung, Energie und Transportwesen 4

1.1.2 Umwelt 6

1.1.3 Wirtschaftswachstum 7

1.1.4 Neue Kraftstoffeffizienzvorgaben 8

1.2 Kurze Beschreibung der Entwicklung von HEVs 9

1.3 Gründe für Aufkommen und Misserfolg von EVs in den 1990er-Jahren und was daraus gelernt werden kann 12

1.4 Konfigurationen von HEVs 13

1.4.1 Serien-HEVs 14

1.4.2 Parallel-HEVs 16

1.4.3 Serien-parallel-HEVs 18

1.4.4 Komplexe HEVs 18

1.4.5 Diesel-Hybridfahrzeuge 19

1.4.6 Andere Konzepte der Hybridisierung von Fahrzeugen 20

1.4.7 Hybridisierungsgrad 20

1.5 Das fachbereichsübergreifendeWesen von HEVs 21

1.6 Stand der Technik bei HEVs 22

1.6.1 Der Toyota Prius 23

1.6.2 Der Honda Civic 25

1.6.3 Der Ford Escape 25

1.6.4 Das Two-Mode-Hybridsystem 26

1.7 Herausforderungen und Schlüsseltechnologie bei HEVs 27

1.8 Die „unsichtbare Hand“ und Unterstützung durch die Regierung 28

Literatur 31

2 Konzept der Automobil-Hybridisierung 33

2.1 Fahrzeuggrundlagen 33

2.1.1 Wesentliche Komponenten eines konventionellen Fahrzeugs 33

2.1.2 Fahrzeug und Fahrwiderstand 35

2.1.3 Fahrzyklen und -gelände 36

2.2 Grundlagen der EVs 38

2.2.1 Warum EV? 38

2.2.2 Wesentliche Komponenten eines EV 39

2.2.3 Fahrzeug und Antriebslasten 41

2.3 Grundlagen des HEV 42

2.3.1 Wozu HEV? 42

2.3.2 Wesentliche Komponenten eines HEV 43

2.4 Grundlagen des Plug-in-Hybrid-elektrischen Fahrzeugs (PHEV) 44

2.4.1 Wozu PHEV? 44

2.4.2 Wesentliche Komponenten eines PHEV 45

2.4.3 Vergleich zwischen HEV und PHEV 46

2.5 Grundlagen von Brennstoffzellenfahrzeugen (FCVs) 47

2.5.1 Wozu FCV? 47

2.5.2 Wesentliche Komponenten eines FCV 47

2.5.3 Einige Probleme im Zusammenhang mit Brennstoffzellen 47

Literatur 48

3 HEV-Grundlagen 49

3.1 Einleitung 49

3.2 Fahrzeugmodell 50

3.3 Fahrzeug-Performance 53

3.4 Dimensionierung/Auslegung der Komponenten des Antriebsstrangs von EVs 56

3.5 Serielle Hybridfahrzeuge 61

3.6 Parallele Hybridfahrzeuge 67

3.6.1 Das elektrisch unterstützende Hybridkonzept 68

3.6.2 Eigenschaften des Verbrennungsmotors 75

3.6.3 Anforderung hinsichtlich Steigfähigkeit 75

3.6.4 Wahl der Übersetzung von Verbrennungsmotor zum Rad 76

3.7 Dynamik des Reifenschlupfs 77

Literatur 80

4 Moderne HEV-Konfigurationen und Dynamik

des HEV-Antriebsstrangs 81

4.1 Prinzip von Planetengetrieben 81

4.2 Hybridantrieb des Toyota Prius und des Ford Escape 84

4.3 Two-Mode-Hybridantrieb von GM 88

4.3.1 Betriebsweise des Two-Mode-Triebstrangs 89

4.3.2 Betriebsart 0: Anfahren vorwärts wie rückwärts 90

4.3.3 Modus 1: Geringe Geschwindigkeiten 91

4.3.4 Modus 2: Oberer Drehzahl-/Geschwindigkeitsbereich 92

4.3.5 Modus 3: Regeneratives Bremsen 93

4.3.6 Übergang von Modus 0 zu Modus 3 93

4.4 Doppelkupplung-Hybridgetriebe 97

4.4.1 Konventionelle DCT-Technologie 97

4.4.2 Schaltpunktsteuerung 98

4.4.3 DCT-basierte Hybridtriebstränge 100

4.4.4 Betrieb eines DCT-basierten Hybridtriebstrangs 100

4.5 Die von Zhang et al. vorgeschlagene Hybrid-Kraftübertragung 103

4.5.1 Rein elektromotorischer Antrieb 104

4.5.2 Betriebsart kombinierte Leistung 105

4.5.3 Rein verbrennungsmotorischer Betrieb 105

4.5.4 Elektrischer Antrieb mit stufenlosem Getriebe 106

4.5.5 Betriebsmodus zur Energierückgewinnung 106

4.5.6 Stillstandsbetriebsmodus 107

4.6 Der Renault IVT-Hybridantrieb 107

4.7 Two-Mode-Hybrid-Kraftübertragung von Timken 108

4.7.1 Modus 0: Anfahren und Rückwärtsfahrt 109

4.7.2 Modus 1: Betrieb mit geringer Geschwindigkeit 109

4.7.3 Modus 2: Betrieb mit hoher Geschwindigkeit 109

4.7.4 Modus 4: Serieller Betriebsmodus 110

4.7.5 Betriebsmodusübergänge 111

4.8 Die Hybrid-Kraftübertragung von Tsai 112

4.9 Hybrid-Kraftübertragung mit Drehzahlund Drehmoment-Kopplungsmechanismus 114

4.10 Der Toyota Highlander und Toyota Lexus Hybrid, elektrischer Vierradantrieb 116

4.11 Der Toyota-Camry-Hybridantrieb 118

4.12 Der Chevy-Volt-Antriebsstrang 119

4.13 Dynamik von Kraftübertragungen auf der Basis von Planetenradgetrieben 121

4.13.1 Nicht idealisierte Zahnräder im Planetenradsystem 121

4.13.2 Dynamik der Kraftübertragung 122

4.14 Fazit 123

Literatur 124

5 Plug-in-Hybrid-elektrische Fahrzeuge 125

5.1 Vorstellung von PHEVs 125

5.1.1 PHEVs und EREVs 125

5.1.2 Blended-PHEVs 126

5.1.3 Wozu PHEV? 126

5.1.4 Elektrische Energie für die Nutzung in PHEVs 129

5.2 PHEV-Konfigurationen 129

5.3 Äquivalente elektrische Reichweite von Blended-PHEVs 131

5.4 Kraftstoffeffizienz von PHEVs 132

5.4.1 Well-to-Wheel-Effizienz 132

5.4.2 Kraftstoffeffizienz von PHEVs 133

5.4.3 Nutzungsfaktor 134

5.5 Leistungsmanagement von PHEVs 135

5.6 PHEV-Auslegung und Dimensionierung der Komponenten 138

5.7 Dimensionierung von Komponenten von EREVs 138

5.8 Dimensionierung/Auslegung von Komponenten von Blended-PHEVs 140

5.9 HEV-Umbauten zu PHEVs 140

5.9.1 Ersetzen des bestehenden Batteriepakets 141

5.9.2 Hinzufügen eines Zusatzbatteriepakets 143

5.9.3 Umrüstung von konventionellen Fahrzeugen zu PHEVs 144

5.10 SonstigeThemenbereiche zu PHEVs 144

5.10.1 Nutzung von „ausgemusterten“ Batterien zur Unterstützung des elektrischen Stromnetzes 144

5.10.2 Emissionsreduktion beim Kaltstart bei PHEVs 145

5.10.3 Leistungsfähigkeit von Batteriepaketen in PHEVs bei kaltem und warmemWetter 145

5.10.4 Wartung von PHEVs 146

5.10.5 Sicherheit von PHEVs 146

5.11 Vehicle-to-Grid-Technologie 147

5.11.1 Laden der Batterie beim PHEV 148

5.11.2 Auswirkungen der G2V-Technologie 150

5.11.3 Das V2G-Konzept 155

5.11.4 Vorteile des V2G-Konzeptes 156

5.11.5 Fallstudien für V2G 156

5.12 Fazit 160

Literatur 160

6 Spezielle Hybridfahrzeuge 163

6.1 Hydraulische Hybridfahrzeuge 163

6.1.1 Regeneratives Bremsen bei HHVs 166

6.2 Gelände-HEVs 169

6.3 Diesel-HEVs 175

6.4 Elektrische oder Hybrid-Schiffe,

-Luftfahrzeuge und -Lokomotiven 176

6.4.1 Schiffe 177

6.4.2 Luftfahrzeuge 179

6.4.3 Lokomotiven 183

6.5 Sonstige Industrie-Nutzfahrzeuge 187

Literaturhinweise 187

Literatur 188

7 HEV-Anwendungen fürMilitärfahrzeuge 189

7.1 Warum HEVs für militärische Anwendungen vorteilhaft sein können 189

7.2 Landfahrzeuganwendungen 190

7.2.1 Architekturen – serielle, parallele, komplexe Strukturen 190

7.2.2 Fahrzeuge mit maximalem Nutzen 193

7.3 Militärische Anwendungen für Nicht-Landfahrzeuge 196

7.3.1 Elektromagnetische Raketenwerfer 197

7.3.2 Schiffe mit Hybridbetrieb? 198

7.3.3 Luftfahrzeuganwendungen 199

7.3.4 Dismounted-Soldier-Anwendungen 199

7.4 Robustheit von Geräten 201

Literaturhinweise 203

Literatur 204

8 Diagnose, Prognostik, Betriebssicherheit, EMV und andere Themenbereiche rund um HEVs 205

8.1 Diagnose und Prognostik bei HEVs und EVs 205

8.1.1 Onboard-Diagnose 206

8.1.2 Prognostik 208

8.2 Betriebssicherheit von HEVs 211

8.2.1 Analyse der Zuverlässigkeit von HEV-Architekturen 212

8.2.2 Zuverlässigkeit und Teilausfall 215

8.2.3 Software-Zuverlässigkeitsprobleme 217

8.3 EMV-Probleme 221

8.4 NVH-Effekte, elektromechanische und sonstige Probleme 223

8.5 Probleme im Zusammenhang mit dem Lebensdauerende 226

Literaturhinweise 227

Literatur 227

9 Leistungselektronik in HEVs 229

9.1 Einleitung 229

9.2 Grundprinzip der Leistungselektronik 232

9.3 Gleichrichter in HEVs 233

9.3.1 Ideale Gleichrichter 233

9.3.2 Reale Gleichrichter 234

9.3.3 Einphasen-Gleichrichter 235

9.3.4 Restwelligkeit der Spannung 237

9.4 In HEVs verwendete Abwärtswandler 241

9.4.1 Funktionsweise 241

9.4.2 Nichtlineares Modell 242

9.5 Nicht isolierte bidirektionale DC/DC-Wandler 243

9.5.1 Funktionsweise 243

9.5.2 Beibehalten des Konstant-Aufrechterhalten des

Konstantmomentbereichs und des Leistungsvermögens 245

9.5.3 Reduzierung der Stromwelligkeit in der Batterie 246

9.5.4 Regeneratives Bremsen 249

9.6 Wechselrichter 249

9.7 Stromrichter 251

9.8 Bidirektionale DC/DC-Wandler mit galvanischer Trennung 251

9.8.1 Grundprinzip und stationäre Betriebszustände 252

9.8.2 Spannungsrestwelligkeit 257

9.9 PWM-Gleichrichter in HEVs 263

9.9.1 Gleichrichterbetrieb des Inverters 263

9.10 Batterieladegeräte für EVs und PHEVs 264

9.10.1 Durchfluss-/Sperrwandler 266

9.10.2 Halbbrücken-DC/DC-Wandler 267

9.10.3 Vollbrücken-DC/DC-Wandler 267

9.10.4 Leistungsfaktorkorrekturstufe 267

9.10.5 Bidirektionale Batterieladegeräte 269

9.10.6 Sonstige Ladegerättopologien 271

9.10.7 Induktives Laden 271

9.10.8 Drahtloses Laden 272

9.11 Modellierung und Simulation von HEV-Leistungselektronik 274

9.11.1 Simulation auf Geräteebene 275

9.11.2 Systemebenenmodell 275

9.12 Neu entwickelte Leistungselektronikgeräte 276

9.13 Schaltkreisgehäuse 276

9.14 Wärmemanagement in der HEV-Leistungselektronik 277

9.15 Fazit 280

Literatur 280

10 Elektrische Maschinen und Antriebe in HEVs 283

10.1 Einleitung 283

10.2 Asynchronmotorantriebe 284

10.2.1 Funktionsprinzip von Asynchronmotoren 284

10.2.2 Ersatzschaltbild des Asynchronmotors 287

10.2.3 Drehzahlsteuerung einer Asynchronmaschine 289

10.2.4 Asynchronmotoren durch variable Frequenzsteuerung und variable Spannungssteuerung 291

10.2.5 Wirkungsgrad und Verluste von Asynchronmaschinen 293

10.2.6 Zusatzverlust in Asynchronmotoren aufgrund der PWM-Versorgungsspannung 294

10.2.7 Feldorientierte Regelung von Asynchronmaschinen 305

10.3 Permanentmagnetmotorantriebe 312

10.3.1 Grundsätzlicher Aufbau von PM-Motoren 312

10.3.2 Funktionsprinzip und Betriebsweise von PM-Motoren 314

10.3.3 Analyse desMagnetkreises von IPM-Motoren 319

10.3.4 Dimensionierung/Auslegung der Magneten in PM-Motoren 329

10.3.5 Wirbelstromverluste in denMagneten von PM-Maschinen 334

10.4 Geschaltete Reluktanzmotoren 336

10.5 DSPM-Maschinen 337

10.6 Auslegung und Dimensionierung von Traktionsmotoren 342

10.6.1 Auswahl von A und B 343

10.6.2 Drehzahlbemessung des Traktionsmotors 343

10.6.3 Bestimmung der inneren Leistung 343

10.7 Thermische Analyse und Modellierung von Traktionsmotoren 344

10.7.1 DerWärmewiderstand des Luftspalts Rls 345

10.7.2 Radiale Leitung desWärmewiderstands des Rotorkerns Rrs 346

10.7.3 Die radiale Leitung desWärmewiderstands der Pole Rmr 347

10.7.4 DerWärmewiderstand derWelle RWelle 347

10.7.5 Die radiale Leitung desWärmewiderstands der Statorzähne Rst 348

10.7.6 Die radiale Leitung desWärmewiderstands des Statorjochs Rsj 348

10.7.7 Die Leitung desWärmewiderstands zwischenWicklungen und Stator Rws 349

10.7.8 Konvektionswärmewiderstand zwischen den außenliegenden Wicklungen des Stators und der angrenzenden Luft Rwl 349

10.8 Fazit 351

Literatur 352

11 Batterien, Superkondensatoren, Brennstoffzellen und Steuerungen 359

11.1 Einleitung 359

11.2 Kennzeichnung von Batterien 361

11.2.1 Kapazität (C) 361

11.2.2 Gespeicherte Energie (E) 362

11.2.3 Ladezustandswert 362

11.2.4 Entladungstiefe (DOD) 363

11.2.5 Spezifische Energie 364

11.2.6 Energiedichte 364

11.2.7 Spezifische Leistung und Leistungsdichte 364

11.2.8 Amperestundenwirkungsgrad oder Ladewirkungsgrad 365

11.2.9 Energieeffizienz 365

11.2.10 Anzahl der „tiefen Zyklen“ und Batterielebensdauer 365

11.3 Vergleich von unterschiedlichen Energiespeichertechnologien für HEVs 367

11.3.1 Bleisäurebatterie 368

11.3.2 Nickel-Metallhydrid-Batterie 369

11.3.3 Lithium-Ionen-Batterie 369

11.3.4 Superkondensatoren 370

11.4 Modellierung anhand elektrischer Ersatzschaltbilder 372

11.4.1 Batteriemodellierung 372

11.4.2 Beispiel eines Batteriemodells 374

11.4.3 Modellierung von Superkondensatoren 376

11.4.4 Beispiel einer Batteriemodellierung für eine Hybrid-Batterie und einen Superkondensator 378

11.5 Batterieladesteuerung 383

11.6 Lademanagement von Energiespeichervorrichtungen 385

11.7 Schwungrad-Energiespeichersystem 389

11.8 Hydraulische Energiespeichersysteme 393

11.9 Brennstoffzellen und hybrides Brennstoffzellen-Energiespeichersystem 394

11.9.1 Vorstellung der Brennstoffzellen 394

11.9.2 Modellierung von Brennstoffzellen 399

11.9.3 Hybrid-Brennstoffzellen-Energiespeichersysteme 402

11.9.4 Regelstrategie eines Hybrid-Brennstoffzellen-Energiesystems 406

11.10 Fazit und Diskussion 411

Literatur 412

12 Modellierung und Simulation von Elektro- und Hybridfahrzeugen 415

12.1 Einleitung 415

12.2 Grundprinzipien der Modellierung von Fahrzeugsystemen 417

12.3 HEV-Modellierung mit ADVISOR 419

12.4 HEV-Modellierung mit PSAT 423

12.5 Physikalische Modellierung 424

12.5.1 RCF-Modellierungsverfahren 424

12.5.2 Hybridtriebstrangmodellierung 425

12.5.3 Modellierung einer Gleichstrommaschine 426

12.5.4 Modellierung eines DC/DC-Aufwärtswandlers 427

12.5.5 Modellierung der Fahrzeugdynamik 428

12.5.6 Radschlupfmodell 429

12.6 Bondgraphen und andereModellierungsverfahren 433

12.6.1 Bondgraphenmodellierung für HEVs 433

12.6.2 HEV-Modellierung mit PSIM 434

12.6.3 HEV-Modellierung mit Simplorer und V-Elph 435

12.7 Betrachtung der numerischen Integrationsverfahren 437

12.8 Fazit 437

Literatur 438

13 Dimensionierung/Auslegung und Design-Optimierung von HEV-Komponenten 441

13.1 Einleitung 441

13.2 Globale Optimierungsalgorithmen für die HEV-Auslegung 442

13.2.1 DIRECT 443

13.2.2 Simulated Annealing (SA) 448

13.2.3 Genetische Algorithmen 451

13.2.4 Partikelschwarmoptimierung 453

13.2.5 Vor- und Nachteile der verschiedenen Optimierungsalgorithmen 455

13.3 Model-in-the-Loop-Designoptimierungsprozess 457

13.4 Beispiel für die Designoptimierung eines Parallel-HEV 458

13.5 Beispiel einer Designoptimierung eines seriellen HEV 464

13.5.1 Steuerungs-Framework eines seriellen HEV-Antriebsstrangs 464

13.5.2 Parameteroptimierung eines seriellen HEV 466

13.5.3 Optimierungsergebnisse 468

13.6 Fazit 471

Literatur 472

14 Leistungsregelstrategie und Energiemanagement für Fahrzeuge 475

14.1 Generisches Framework, Definition und Bedarfe 475

14.2 Methodologie der Implementierung 477

14.2.1 Methodik der Optimierung 484

14.2.2 Optimierung der Kostenfunktion 487

14.3 Vorteile des Energiemanagements 494

Literaturhinweise 495

Literatur 495

15 Kommerzialisierung und Standardisierung von HEV-Technologie und Zukunft des Transportwesens 497

15.1 Was bedeutet Kommerzialisierung und welche Bedeutung kommt ihrbei HEVs zu? 497

15.2 Vorteile, Nachteile und Auslöser der Kommerzialisierung 497

15.3 Standardisierung und Kommerzialisierung 499

15.4 Probleme der Kommerzialisierung und Auswirkungen auf zahlreiche Typen von Fahrzeugen 500

15.5 Kommerzialisierung und Zukunft der HEVs und des Transportwesens 500

Literaturhinweise 502

Stichwortverzeichnis 503