Hybridkraftfahrzeuge

Grundlagen und Anwendungen mit Perspektiven für die Praxis

Chris Mi, M. Abul Masrur, David Wenzhong Gao

• Verlag: Wiley-VCH
• Jahr: 2015
• ISBN drucken:
  9783527336623
• eBook-ISBN:
  9783527678082
• Auflage: 1
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Maschinenbau Allgemein

Hybridkraftfahrzeuge und Elektroautos spielen für die Automobilindustrie eine immer wichtigere Rolle. Begrenzte Ressourcen und steigende Kraftstoffpreise prägen die Ansprüche von Verbrauchern. Durch energie- und umweltpolitische Vorgaben wird das Interesse an alternativen Antriebsformen zusätzlich gesteigert.

Auch in der Lehre an Universitäten und Hochschulen nimmt die die Technologie einen größeren Stellenwert ein, neben klassischen Themen der Fahrzeugtechnik gewinnen moderne Hochleistungselektronik und die Entwicklung neuer Materialien für die Batterie- und Motortechnik an Bedeutung.

Leicht nachvollziehbar und mit der langjährigen Erfahrung aus Industrieforschung, Unternehmensfortbildung und akademischer Lehre vermitteln die Autoren Grundwissen und weiterführende Aspekte.

* Grundlagen der Hybridtechnik
* Einführung in Speicherelemente wie Batterien, Kondensatoren und Brennstoffzellen
* Überblick über gängige Hybridisierungskonzepte in Kraftfahrzeugen
* Leistungselektronik, Elektromotoren und elektrische Maschinen
* Komponentenauslegung und Designoptimierung
* Leistungs- und Energiemanagement im Fahrzeug
* Zuverlässigkeit, elektromagnetische Verträglichkeit und Lebensdauer
* Entwicklungen bei fortgeschrittenen Architekturen des Hybrid-Antriebsstrangs wie Planetengetriebe, Doppelkopplungsgetriebe und Two-Mode-Hybridsysteme
* Modellierung und Simulation auf Basis von MATLAB/Simulink

Am Beispiel von Zügen, Flugzeugen, Schiffen und weiteren Transportmitteln wird der Einsatz von Hybridtechnik außerhalb der Automobilindustrie erläutert. Fragen zu Kommerzialisierung und Standardisierung geben einen Ausblick auf die wirtschaftliche Entwicklung.

Das erste in sich abgeschlossene Lehrbuch über alles, was man alles, was man zu Konzeption und Betrieb von Hybridfahrzeugen wissen muss.

1

Einleitung

Die moderne Gesellschaft ist hinsichtlich ihrer wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung extrem von dem auf fossilen Brennstoffen basierenden Transportwesen abhängig – nur so ist die uneingeschränkte Beförderung von Gütern und Personen möglich. Nach einer Schätzung des US Department of Transportation gibt es weltweit rund 800 Millionen Autos, und rund 250 Millionen Kraftfahrzeuge werden auf US-amerikanischen Straßen bewegt [1]. Mit einer Automobilproduktion von 13,79 bzw. einem Absatz von 13,64 Millionen Einheiten hat China 2009 die Vereinigten Staaten als weltweit größter Autobauer und Absatzmarkt überholt [2]. Mit der fortschreitenden Urbanisierung, Industrialisierung und Globalisierung ist die Tendenz für eine schnelle Zunahme der Zahl der Personenwagen in der ganzen Welt unvermeidlich. Die mit diesem Trend zusammenhängenden Probleme sind augenscheinlich, denn das Transportwesen ist extrem vom Öl abhängig. Einerseits sind die Ölreserven der Erde begrenzt. Andererseits haben die durch das Verbrennen von Ölprodukten entstehenden Emissionen zu Klimawandel, schlechter Luft in Ballungsräumen und politischen Konflikten geführt. So sind weltweit Energiesystem- und Umweltprobleme entstanden, die größtenteils dem Individualverkehr zuzuschreiben sind.

Der Individualverkehr bietet Menschen die Möglichkeit, sich jederzeit frei zu bewegen. Allerdings schafft diese Wahlfreiheit auch einen Konflikt, der uns zunehmend Sorgen um Umwelt und Nachhaltigkeit über den Umgang der Menschen mit ihren natürlichen Ressourcen bereitet.

Erstens muss die Welt sich dem ernsten Problem des steigenden Energiebedarfs und der schwieriger werdenden Energieversorgung stellen. Die Welt verbraucht tagtäglich rund 85 Millionen Barrel Öl. Es gibt aber lediglich 1300 Milliarden Barrel an bekannten Ölreserven. Legt man den aktuellen Verbrauch zugrunde, so wird die Welt in 42 Jahren alle Ölreserven aufgebraucht haben [3]. Ölreserven werden nicht so schnell entdeckt, wie die Nachfrage nach Öl zunimmt. Sechzig Prozent des verbrauchten Öls wird im Transportwesen verwendet [4]. Die Vereinigten Staaten verbrauchen rund 25% des gesamten Öls auf der Welt [5]. Die Verringerung des Ölverbrauchs im Individualverkehr ist für das Erreichen von Nachhaltigkeit im Energie- und Umweltbereich entscheidend.

Zweitens muss die Welt sich der schwierigen Aufgabe des globalen Klimawandels stellen. Die Emissionen aus der Verbrennung fossiler Kraftstoffe erhöhen die Konzentration an Kohlendioxid (CO₂) in der Erdatmosphäre. Sie werden auch als Treibhausgas- bzw. GHG-Emissionen (GHG, Green House Gas) bezeichnet. Die Zunahme der CO₂-Konzentration führt dazu, dass zu viel Wärme von der Erdoberfläche aufgenommen wird, was wiederum zu einem globalen Temperaturanstieg und in vielen Teilen der Welt zu extremen Wetterbedingungen führt. Die langfristigen Folgen der globalen Erwärmung können zur Erhöhung des Meeresspiegels und Instabilität von Ökosystemen führen.

Mit Benzin- und Dieselkraftstoff betriebene Fahrzeuge gehören zu den Hauptverursachern von CO₂-Emissionen. Hinzu kommen andere Emissionen von herkömmlichen, mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftfahrzeugen. Zu diesen Emissionen zählen Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO und NO2 bzw. NO_x), die bei der Verbrennung von Motorbenzin entstehen, sowie Kohlenwasserstoffe, flüchtige organische Verbindungen (VOC, Volatile Organic Compound) aus verdampftem, unverbranntem Kraftstoff, Schwefeloxid und Rußpartikel (Ruß), die bei der Verbrennung von Dieselkraftstoff entstehen. Diese Emissionen verschmutzen die Luft und beeinträchtigen letztlich die Gesundheit von Mensch und Tier.

Drittens braucht die Gesellschaft Nachhaltigkeit, aber das aktuelle Modell ist alles andere als nachhaltig. Die Verringerung des fossilen Brennstoffverbrauchs und der Kohlenstoffemissionen ist Teil der gemeinsamen Anstrengungen zum Erhalt der natürlichen Ressourcen in nachhaltigen Grenzen. Darum sollte der künftige Individualverkehr mehr Freiheit, nachhaltige Mobilität und nachhaltiges wirtschaftliches Wachstum sowie Wohlstand für die Gesellschaft liefern. Beim Erreichen dieses Ziels spielen elektrisch angetriebene Fahrzeuge, die Energie sauber, sicher und intelligent nutzen, eine wichtige Rolle.

Elektrisch angetriebene Fahrzeuge bringen viele Vorteile und Herausforderungen mit sich. Elektrizität ist effizienter als der Verbrennungsprozess eines Autos. Well-to-wheel-Studien belegen, selbst wenn der Strom des Elektrofahrzeugs mit Rohöl erzeugt wird, kann das Elektrofahrzeug mit 1 Gallone (3,8l) Benzin eine Strecke von 173 km (108 Meilen) zurücklegen, während ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor (ICE, Internal Combustion Engine) damit 53 km (33 Meilen) weit kommt [6–8]. Einfacher gesagt kostet eine rein elektrisch gefahrene Meile 0,02 USD, legt man den US-üblichen kWh-Preis von 0,12 USD zugrunde. Bei einem Kleinwagen mit Benzinmotor sowie einem Preis von 3,30 USD pro Gallone kostet die gefahrene Meile 0,10 USD.

Strom kann mithilfe erneuerbarer Sourcen erzeugt werden, beispielsweise mit Wasserkraft, Wind- oder Solarenergie und mit Biomasse. Andererseits verfügt das derzeitige Elektrizitätsnetz in der Nacht, wenn weniger Energie gebraucht wird, über Überkapazitäten. Elektrofahrzeuge (EVs, Electric Vehicles) lassen sich also idealerweise über Nacht laden, wenn das Netz Überkapazitäten bietet.

Hohe Kosten, limitierte Reichweite und lange Ladezeiten sind die Hauptprobleme batteriebetriebener Elektrofahrzeuge. Hybrid-elektrische Fahrzeuge (HEVs, Hybrid Electric Vehicles), die für den Fahrzeugantrieb sowohl einen Verbrennungsals auch einen Elektromotor nutzen, überwinden die Kosten- und Reichweitenprobleme rein elektrisch betriebener Fahrzeuge und müssen nicht an einer Steckdose geladen werden. Der Kraftstoffverbrauch kann im Vergleich zu benzinbetriebenen Fahrzeugen bei HEVs erheblich gesenkt werden. Allerdings werden diese Fahrzeuge immer noch mit Benzin- bzw. Dieselkraftstoff betrieben.

Plug-in-Hybrid-elektrische Fahrzeuge (PHEVs oder „Steckdosen“-Hybrids) sind mit größeren Batteriepaketen und größeren Elektromotoren als HEVs bestückt. PHEVs können am Stromnetz geladen werden und können im rein elektromotorischen Betrieb eine begrenzte Distanz (30–60 km) zurücklegen. Dieser Modus wird auch als „Charge-Depletion“-Betrieb (CD-Betrieb) bezeichnet. Sobald die Batteriekapazität einen Schwellenwert unterschreitet, funktionieren PHEVs ähnlich wie ein normales HEV. Dies wird als CS-Modus (CS, Charge-Sustain, Ladeerhaltung) bzw. als Reichweitenerweiterungsmodus bezeichnet. Da die meisten Personenwagen für Pendlerfahrten eingesetzt und 75% dieser Fahrzeuge täglich lediglich max. 60 km bewegt werden [9], kann eine bedeutende Menge an fossilem Kraftstoff eingespart werden, wenn PHEVs genutzt werden, die über eine Reichweite von 60 km bei rein elektrischem Antrieb verfügen. Im CS-Betrieb arbeitet ein PHEV ähnlich wie ein HEV. Um eine bessere Kraftstoffeffizienz zu erzielen, werden Elektromotor und Batterie genutzt, um den Betrieb des Verbrennungsmotors und des Fahrzeugsystems zu optimieren. Dank der größeren Batterieleistung und Energiespeicherfähigkeit kann ein PEHV mehr kinetische Energie beim Bremsen zurückgewinnen und damit den Kraftstoffverbrauch weiter reduzieren.

1.1 Nachhaltigkeit im Transportwesen

Das aktuelle Modell des Individualverkehrssystems ist langfristig nicht nachhaltig, denn die Erde verfügt nur über begrenzte fossile Brennstoffreserven. Damit werden derzeit 97% des gesamten Energiebedarfs im Transportwesen gedeckt [10]. Um zu verstehen, wie wir Nachhaltigkeit im Transportwesen erreichen können, müssen wir wissen, wie Energie gewonnen wird und wie Fahrzeuge angetrieben werden können.

Die uns zur Verfügung stehenden Energiearten können in drei Kategorien unterteilt werden: erneuerbare Energie, nicht erneuerbare Energie aus fossilen Brennstoffen und Atomenergie. Zu den erneuerbaren Energien gehören Wasserkraft, Solarenergie, Windenergie, ozeanische und geothermale Energie sowie Energie aus Biomasse usw. Zu den nicht erneuerbaren Energien gehören Kohle, Öl und Erdgas. Atomenergie ist zwar reichlich vorhanden, aber auch nicht erneuerbar. Schließlich sind auch die Ressourcen an Uran und anderen radioaktiven Elementen begrenzt. Zudem gibt es (wie der atomare Unfall nach dem Erdbeben und Tsunami in Japan gezeigt hat) begründete Bedenken hinsichtlich der nuklearen Sicherheit und der Endlagerung nuklearer Abfälle. Energie aus Biomasse ist erneuerbar, da sie aus Holz, Früchten, Zellulose, Abfall und Müll gewonnen werden kann. Elektrizität und Wasserstoff sind sekundäre Formen von Energie. Sie lassen sich aus einer Vielzahl von Primärenergiequellen gewinnen, unter anderem aus erneuerbarer und nicht erneuerbarer Energie. Benzin, Diesel und Synthesegase sind Energieträger, die aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden.

Abb. 1.1 Nachhaltiges Modell des Transportwesens.

Abbildung 1.1 zeigt die verschiedenen Typen von Quellen von Energie, Energieträger und Fahrzeuge. Herkömmliche Benzin- bzw. Diesel-betriebene Fahrzeuge benötigen flüssigen Kraftstoff, der sich nur aus fossilem Brennstoff gewinnen lässt. Auch wenn HEVs effizienter und verbrauchsgünstiger als herkömmliche Fahrzeuge sind, benötigen sie fossilen Brennstoff als Primärenergie. Daher sind weder herkömmliche Kraftfahrzeuge noch HEVs nachhaltig. Elektrofahrzeuge und Brennstoffzellenfahrzeuge benötigen Strom bzw. Wasserstoff. Elektrische Energie und Wasserstoff können beide aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen werden, weswegen sie nachhaltig sind, sofern dafür tatsächlich erneuerbare Energiequellen genutzt werden. Obschon nicht gänzlich nachhaltig, bieten PHEVs die Vorteile von herkömmlichen Fahrzeugen und Elektrofahrzeugen. PHEVs können die fossile Brennstoffnutzung durch Nutzung des Elektrizitätsnetzes verdrängen. Sie sind keine ultimative Lösung für Nachhaltigkeit, aber ein gangbarer Weg zu künftiger Nachhaltigkeit.

1.1.1 Bevölkerung, Energie und Transportwesen

Wie in Abb. 1.2 gezeigt, wächst die Weltbevölkerung sehr schnell [11]. Gleichzeitig steigt auch der Pkw-Absatz sehr schnell, wie Abb. 1.2 zeigt (www.dot.govs. auch http://en.wikipedia.org/wiki/Passenger_vehicles_in_the_United_States¹⁾). Es gibt eine klare Korrelation zwischen Bevölkerungswachstum und der Anzahl der jährlich verkauften Fahrzeuge.

Abb. 1.2 Weltbevölkerungsentwicklung und jährlich verkaufte Fahrzeuge. (a) Weltbevölkerung, in Milliarden; (b) Jahresabsatz an Personenwagen, in Millionen.

In den USA wird der Kraftstoffverbrauch in...

Inhaltsverzeichnis

• Decken
• Inhaltsverzeichnis
• Series
• Titelseite
• Copyright
• Vorwort zur englischen Ausgabe
• Die Autoren
• 1 Einleitung
• 2 Konzept der Automobil-Hybridisierung
• 3 HEV-Grundlagen
• 4 Moderne HEV-Konfigurationen und Dynamik des HEV-Antriebsstrangs
• 5 Plug-in-Hybrid-elektrische Fahrzeuge
• 6 Spezielle Hybridfahrzeuge
• 7 HEV-Anwendungen fürMilitärfahrzeuge
• 8 Diagnose, Prognostik, Betriebssicherheit, EMV und andere Themenbereiche rund um HEVs
• 9 Leistungselektronik in HEVs
• 10 Elektrische Maschinen und Antriebe in HEVs
• 11 Batterien, Superkondensatoren, Brennstoffzellen und Steuerungen
• 12 Modellierung und Simulation von Elektro- und Hybridfahrzeugen
• 13 Dimensionierung/Auslegung und Design-Optimierung von HEV-Komponenten
• 14 Leistungsregelstrategie und Energiemanagement für Fahrzeuge
• 15 Kommerzialisierung und Standardisierung von HEV-Technologie und Zukunft des Transportwesens
• Stichwortverzeichnis