ATZ/MTZ-Fachbuch Diekomplexe TechnikheutigerKraftfahrzeugeundMotorenmachteinenimmergrößer werdenden Fundus an Informationen notwendig, um die Funktion und die Arbeitswei- sevonKomponentenoderSystemenzuverstehen.DenraschenundsicherenZugriffauf dieseInformationenbietet dieregelmäßig aktualisierte ReiheATZ/MTZ-Fachbuch, wel- chediezumVerständniserforderlichenGrundlagen,DatenundErklärungenanschaulich, systematischundanwendungsorientiertzusammenstellt. DieReihewendetsichanFahrzeug-undMotoreningenieuresowieStudierende,dieNach- schlagebedarfhabenundimZusammenhangFragestellungenihresArbeitsfeldesverstehen müssenundanProfessorenundDozentenanUniversitätenundHochschulenmitSchwer- punkt Kraftfahrzeug- undMotorentechnik. Sie liefert gleichzeitig dastheoretische Rüst- zeugfürdasVerständniswieauchdieAnwendungen,wiesiefürGutachter,Forscherund EntwicklungsingenieureinderAutomobil-undZulieferindustriesowiebeiDienstleistern benötigtwerden. ⋅ ⋅ Konrad Reif Karl E. Noreikat Kai Borgeest Herausgeber Kraftfahrzeug- Hybridantriebe Grundlagen, Komponenten, Systeme, Anwendungen Mit 266 Abbildungen und 44 Tabellen Herausgeber Prof.Dr.KonradReif Prof.KarlE.Noreikat DualeHochschuleBaden-Württemberg NorConScientificConsulting Friedrichshafen,Deutschland Esslingen, Deutschland [email protected] [email protected] Prof.Dr.KaiBorgeest HochschuleAschaffenburg Aschaffenburg, Deutschland [email protected] ISBN978-3-8348-0722-9 ISBN978-3-8348-2050-1(eBook) DOI10.1007/978-3-8348-2050-1 DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;de- tailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. UmschlagBildquelle:DaimlerAG MitfreundlicherUnterstützungvonDaimler SpringerVieweg ©Vieweg+TeubnerVerlag|SpringerFachmedienWiesbaden2012 DiesesWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtaus- drücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Dasgilt insbesonderefürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEinspei- cherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen. DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkbe- rechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinneder Warenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermann benutztwerdendürften. GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier. Springer ViewegisteineMarkevon SpringerDE.Springer DEistTeilderFachverlagsgruppeSpringer Science+BusinessMedia www.springer-vieweg.de Vorwort Hybridantriebe sind inzwischen ein fester Bestandteil der Serienprodukte eines Fahr- zeugherstellers.DamitistdiesesFachgebietzueinemwichtigenBestandteilderFahrzeug- technikgeworden,deminderAus-undWeiterbildungfürallekraftfahrzeugtechnischen und verwandten Berufe Rechnung getragen werden muss. Dies betrifft zum einen die LehrinhalteandenHochschulen,beruflichenSchulenundindenAusbildungsabteilungen der Fahrzeug- und Zulieferfirmen, zum anderen aber auch die Weiterbildung der ein- zelnenIngenieure undFachleute inder Praxis,diein FormvonLehrgängen oderdurch Selbststudiumerfolgenkann. AndieserStellewilldasBuch„Kraftfahrzeug-Hybridantriebe“unterstützen.Esbehan- deltalleThemen,diefürAufbauundFunktionvonHybridantriebenwichtigsind.Dabei wurdeauffachlichfundierteDarstellung,guteVerständlichkeitundanwendungsnahePra- xisrelevanzgroßerWertgelegt.Diesistdadurchmöglich,dassdieeinzelnenAbschnittevon einerVielzahlanFachleutenerarbeitetwurden,dieinderFahrzeug-undZulieferindustrie sowieimHochschulbereichandendargestelltenThemenarbeiten. ZieldesBuchesistes,diegrundlegendenPrinzipienzuerklären.DamitdasBuchfür denLeserineinerbegrenztenZeitlesbarist,musstedasMaterialbeschränktundbeiden ThemenSchwerpunktegesetztwerden.Dieserfolgteunter zweiPrämissen:Wichtigsind einerseitsdieThemen,diefürdasVerständnisdesHybridantriebsunabdingbarsind,wie z.B.dieAntriebsstrukturen.Andererseitswurdeaberauchaufeineausführlicheundde- taillierteDarstellungderThemenWertgelegt,diespezifischfürHybridfahrzeugesind,wie z.B.elektrischeMaschinen,ElektronikundvorallemdieEnergiespeicher. DieGliederungwurdesogewählt,dassbeimLesendesBuchssukzessiveeinumfassen- desVerständnisaufgebautwird.BeimanchenengzusammenhängendenThemenmusste eine sinnvolle Trennung gefunden werden. So hängen beispielsweise die Antriebsstruk- turenengmitdenGetriebenzusammen:DiePlanetengetriebezurLeistungsverzweigung werdenindiesemBuchbeidenAntriebsstrukturenbehandelt,derAbschnittüberGetrie- bebehandeltdagegendie„normalenFahrzeuggetriebe“undderenHybridisierung.Ebenso hängtdasKapitelüberdieBetriebsstrategie mitdemüberdieSimulation unddieAusle- gung eng zusammen. Sie erklären aber die Sachverhalte aus verschiedenen Sichtweisen. DieFragestellungderBetriebsstrategielautet:WiefunktionierteinHybridfahrzeuginop- timaler Weise? Und die der Simulation und Auslegung: Wie entwirft man ein optimal V VI Vorwort funktionierendesHybridfahrzeug?AußerdemwareszumTeilnotwendig,inmanchenKa- pitelneinigeInhaltevorweginKurzformzubehandeln,beispielsweisemancheInhalteder Betriebsstrategie,umdenAufbauunddieFunktiondesAntriebszuerklären. DasBuchrichtetsichanStudentenderIngenieurwissenschaften,inderPraxisstehende IngenieureundFachleutedieAufbau,Funktion,KomponentenundSystemedesHybrid- antriebsvonKraftfahrzeugenkennenlernenwollen. Unser Dankgilt der FirmaDaimler AG,ohnederen finanzielleundfachliche Unter- stützungdasBuchindieserFormnichthätterealisiertwerdenkönnen. Beiträgevon25Autorenhabenesmöglichgemacht,dassdiesesBuchentstehenkonnte. IhnengiltunserbesondererDank.SiehabenihrwertvollesFachwissenzurVerfügungge- stellt.FürfachlicheUnterstützung,voralleminderEndphasederBuchentstehung,danken wirHerrnDr.N.Amann,HerrnProf.Dr.-Ing.J.Biermann,HerrnProf.Dr.-Ing.S.Engel- king,HerrnDipl.-Ing.F.GretzmeierundHerrnDr.D.Kraft. FernerdankenwirdemVerlagSpringerViewegfürdieAnregungzudiesemBuchund diehervorragendeZusammenarbeitbeiderprofessionellenRealisierungdesBuchprojek- tes. Friedrichshafen,Esslingen,AschaffenburgimOktober2012 KonradReif KarlE.Noreikat KaiBorgeest Inhaltsverzeichnis Mitarbeiterverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII 1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 KonradReif,KarlE.NoreikatundKaiBorgeest 1.1 Definition,Einsatz,Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 VorteiledesHybridantriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.1.1 WenigerCO -AusstoßdurchHybridfahrzeuge . . . . . . . 2 2 1.1.1.2 MehrFahrdynamikundFahrkomfort durchHybridfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.1.3 HybridfahrzeugealsZwischenschritt zuElektrofahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.2 TechnischeNeuentwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Geschichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.1 FrüheMotivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.2 UmweltbewusstseinundÖlpreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.3 Fahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 HybrideAntriebsstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 SiegfriedSaenger-ZetinaundMarkusWagner 2.1 ÜbersichtüberdieKomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.1 Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2 KombinationvonWandlernundSpeichern. . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2.1 Energiewandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2.2 Energiespeicher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.2.3 Drehzahl-undDrehmomentwandler . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 VorteileeinesHybridantriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1 TechnischeVorteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.1.1 ElektrischesFahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1.2 RekuperativesBremsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1.3 Lastpunktverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 VII VIII Inhaltsverzeichnis 2.2.1.4 Boosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2.1.5 Start-Stopp-Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.1.6 KraftstoffverbrauchundWirkungsgradimTestzyklus. . . 25 2.2.2 SubjektiveVorteile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2.2.1 Fahr-undSchaltkomfort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2.2.2 Geräusch-undSchwingungsverhalten . . . . . . . . . . . . . 27 2.3 KonzepteundBetriebsweisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.3.1 SerielleHybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.1.1 KonstruktiveMerkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.1.2 VariantendesseriellenHybridantriebs . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.1.3 BeispielevonseriellenHybriden . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.3.2 ParalleleHybride. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.2.1 KonstruktiveMerkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.2.2 AusprägungenvonParallelhybriden. . . . . . . . . . . . . . . 33 2.3.2.3 BeispielevonParallelhybriden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.3.3 LeistungsverzweigteHybride. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.3.3.1 KonstruktiveMerkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.3.3.2 BeispielvonLeistungsverzweigungen . . . . . . . . . . . . . . 52 2.3.3.3 BeispielevonleistungsverzweigtenHybridantrieben. . . . 56 2.4 KlassifizierungnachFunktionalität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.4.1 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.4.2 Start-Stopp-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.4.2.1 DieStart-Stopp-Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.4.2.2 StarteinrichtungenfürStart-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 ExternaufladbareHybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.4.4.1 Hintergrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.4.4.2 Varianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.4.4.3 LademöglichkeitenvonBatterien. . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3 KomponentendesHybridantriebs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 NotkerAmann,MatthiasBeck,OtmarBitsche,PedroCasals,BerndCebulski, ChristineEhret,JochenFaßnacht,AndreasGreff,FranzGretzmeier,Gün- ter Gutmann,FrankHentschel,MarkusvanHeyden,MarkusG.Kliffken, DieterKraft,AxelMüller,RolandNorden,RobertStawiarski,MarkusWagner, ToniViscidoundHaraldWeiler 3.1 AuslegungdesVerbrennungsmotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.1.1 Ottomotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Inhaltsverzeichnis IX 3.1.2 Dieselmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.1.3 AlternativeAntriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 ElektrischeMaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.2.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.2.1.1 AllgemeineszuelektrischenMaschinen . . . . . . . . . . . . 93 3.2.1.2 PrinzipienderphysikalischenWirkungsweise . . . . . . . . 94 3.2.1.3 GrundzügederDrehfeldtheorie. . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.2.1.4 Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.2.2 Synchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.2.2.1 PrinzipiellerStänderaufbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.2.2.2 PrinzipielleLäuferbauformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 3.2.2.3 SonderformTransversalflussmaschine . . . . . . . . . . . . . 113 3.2.2.4 Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 3.2.2.5 Ausführungsbeispiele. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 3.2.2.6 Vor-undNachteilebeiHybridfahrzeugen . . . . . . . . . . . 121 3.2.3 Asynchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 3.2.3.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 3.2.3.2 PrinzipiellerAufbauderDrehstrom-Asynchronmaschine mitKäfigläufer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 3.2.3.3 Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 3.2.3.4 Betriebsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 3.2.3.5 Vor-undNachteilebeiHybridfahrzeugen . . . . . . . . . . . 130 3.2.3.6 Anwendungsbeispiele. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 3.2.3.7 Ausführungsbeispiele. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 3.2.4 FeldorientierteRegelung derpermanenterregtenSynchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . 134 3.2.4.1 Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 3.2.4.2 MathematischesModell derpermanenterregtenSynchronmaschine . . . . . . . . . . 135 3.2.4.3 AufbauderfeldorientiertenRegelung. . . . . . . . . . . . . . 138 3.2.4.4 Sensorik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 3.2.4.5 SonstigeRegelungselementefürHybridfahrzeuge . . . . . 142 3.3 ElektrikundElektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 3.3.1 Energiebordnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 3.3.1.1 Bordnetztopologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 3.3.1.2 Bordnetzsicherheit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 3.3.2 SteuergeräteundKommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 3.3.2.1 FunktionsorientierteVernetzungsstrategie . . . . . . . . . . 164 X Inhaltsverzeichnis 3.3.2.2 ZonenorientierteVernetzungsstrategie . . . . . . . . . . . . . 166 3.3.2.3 Architekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 3.3.2.4 Bussysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 3.3.2.5 AnbindungdesFahrzeugsanInfrastrukturen . . . . . . . . 173 3.3.3 Leistungselektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 3.3.3.1 GrundlagenundSystemeinordnung. . . . . . . . . . . . . . . 174 3.3.3.2 TechnikundBauelemente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 3.3.3.3 TopologienundSchaltungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . 176 3.3.3.4 ZusätzlicheAnforderungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 3.3.3.5 AktuelleEntwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 3.4 Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 3.4.1 Überblick:RollederEnergiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 3.4.2 Bleibatterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 3.4.2.1 ElektrochemiedesBleiakkumulators . . . . . . . . . . . . . . 185 3.4.2.2 AufbaudesBleiakkumulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 3.4.2.3 Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 3.4.2.4 EigenschaftenvonBleibatterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 3.4.2.5 StandderTechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 3.4.2.6 EntwicklungstendenzenbeiBleiakkumulatoren fürFahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 3.4.3 ElektrochemischeDoppelschichtkondensatoren . . . . . . . . . . . . 207 3.4.4 Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 3.4.4.1 Elektrochemie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 3.4.4.2 StandderTechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 3.4.4.3 Zellendesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 3.4.4.4 Betriebs-undAlterungsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . 220 3.4.5 Lithium-Ionen-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 3.4.5.1 Elektrochemie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 3.4.5.2 StandderTechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 3.4.5.3 Zellenkomponenten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 3.4.5.4 Zellendesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 3.4.6 AnwendungelektrochemischerSpeicherinKraftfahrzeugen . . . . 235 3.4.6.1 Bordnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 3.4.6.2 ElektrochemischeSpeichersystemefürHybridfahrzeuge . 238 3.4.6.3 Ausblick. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 3.4.7 HydraulischeHybridantriebeundEnergiespeicher. . . . . . . . . . . 242 3.4.7.1 AbgrenzungzumelektrischenHybrid . . . . . . . . . . . . . 242 3.4.7.2 AufbauundSystemkomponenten deshydrostatisch-regenerativenBremssystems . . . . . . . 245 3.4.7.3 ErgebnisseaneinemAbfallsammelfahrzeug mithydrostatisch-regenerativemBremssystem . . . . . . . 247
Description: