Hybridfahrzeuge: Ein alternatives Antriebskonzept fur die Zukunft [1st Edition.] 3211891900, 9783211891902

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Peter Hofmann

Hybridfahrzeuge

SpringerWienNewYork

Assoc. Prof. Dr. Peter Hofmann Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik Technische Universität Wien, Österreich

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ISBN 978-3-211-89190-2 SpringerWienNewYork

Vorwort Hybridfahrzeuge erfahren derzeit einen enormen Aufschwung – gegenwärtig arbeiten alle Fahrzeughersteller an derartigen Konzepten. Dabei ist die Technik grundsätzlich nicht neu, sondern beinahe so alt wie das Automobil selbst. Waren es in der Anfangsphase Probleme bei der Regelung der Verbrennungsmotoren und der Kraftübertragung (Schaltgetriebe und Kupplung), die eine Kombination mit einem Elektroantrieb begründeten, so sind es heute vor allem Kraftstoffverbrauch und Emissionen, die die Entwicklung von Hybridantriebssystemen forcieren. Neben diesen Aspekten ermöglicht der Hybridantrieb zusätzliche Funktionalitäten, die teilweise von rein elektrischem Fahren bis zu Torque-Vectoring-Systemen oder mobilen Stromversorgungsaggregaten reichen. Die Hybridtechnik wird oft als Brückentechnologie zu Brennstoffzellenantrieben angesehen, wobei zu erwarten ist, dass Brennstoffzellenfahrzeuge zweckmäßigerweise mit elektrischen Energiespeichern ausgestattet werden und damit ebenfalls als Hybridfahrzeuge gelten. Auch für Elektrofahrzeuge werden Hybridkonzepte zur Einführung und Erreichen einer breiten Akzeptanz wesentlich beitragen. Durch die geringe Speicherkapazität der Batterien und die damit verbundenen unzureichenden rein elektrischen Reichweiten werden sich E-Fahrzeug-Konzepte mit zusätzlichem Verbrennungsmotor, die als Range Extender dienen, etablieren. Derzeit zeichnet sich ein breiter Einsatzbereich, der von ersten Hybridmotorrädern (Rollern) über PKW-Anwendungen bis zu Nutzfahrzeugen und Bussen reicht, ab. Besonders wenn das Anforderungs- bzw. Fahrprofil genau definiert werden kann, wie es beispielsweise bei Bussen und Verteilernutzfahrzeugen der Fall ist, kann die Hybridtechnologie entsprechend angepasst und die Betriebsstrategien optimiert werden. Damit können maximale Verbrauchseinsparpotentiale erschlossen werden. Mit zunehmender Hybridisierung steigen auch die Herstellkosten des Fahrzeuges an. Um langfristig Erfolg zu haben, müssen sich die höheren Kosten entweder durch das Kraftstoffeinsparpotential amortisieren oder ein entsprechender Mehrwert in Form von Fahrspaß bzw. zusätzlicher Funktionalität gegeben sein. Auch der Gesetzgeber wird zukünftig verstärkt durch Besteuerungs- und Mautsysteme sowie Fahr- oder Einfahrverbote in bestimmte Zonen die Einführung von neuen Technologien beeinflussen. Damit Hybridfahrzeuge erfolgreich entwickelt und produziert werden können, müssen alle Komponenten optimal aufeinander abgestimmt werden. Dazu ist eine fachübergreifende Zusammenarbeit erforderlich. Die Stärken und Schwächen der einzelnen Systeme müssen so kombiniert werden, dass sich Synergien und ideale Ergänzungen ergeben. Darin liegt die größte Herausforderung bei der Entwicklung, da deutlich mehr Ingenieure als bisher aus verschiedenen Bereichen, beginnend von der Verbrennungskraftmaschine über das Getriebe, die Elektro-Maschinen und den Energiespeicher bis zum Gesamtfahrzeug kooperieren müssen. Dafür ist mehr Verständnis und Basiswissen

VI

Vorwort

aus anderen Fachbereichen notwendig sowie eine forcierte Kommunikation und Austausch von Wissen. Beim Verfassen dieses Buches haben mich viele Fachleute durch Diskussion, Korrekturlesen des Textes und Anregungen wesentlich unterstützt, wofür ihnen herzlicher Dank gebührt. Besonders zu erwähnen sind an dieser Stelle Dr. Andreas Schmidhofer für die aktive Mitarbeit bei der Erstellung des Kapitels Elektromotoren, Dr. Hochgatterer bei der Erstellung des Kapitels elektrische Energiespeicher, DI Bernhard Schneeweiss bei der Erstellung des Kapitels Antriebsstrangmanagement sowie DI Wolfgang Kriegler für Anregungen zum Aufbau und der Struktur des Buches. Zu erwähnen sind weiters: Prof. Hans Peter Lenz, Prof. Ernst Fiala, Prof. Jürgen Stockmar, Prof. Fritz Indra und Prof. Bernhard Geringer für Anregungen und Korrekturlesen. Weiters danken möchte ich Herrn Jaroslav Richter, meiner Frau Tatjana sowie den vielen nicht genannten Kollegen und Freunden für deren Unterstützung zum Gelingen des Buches. Nicht unerwähnt sollen auch die vielen Beiträge von OEMs, Zulieferern, Forschungsstellen, usw. bleiben, die wesentlich zur Erstellung des Buches beigetragen haben. Gerade bei der Hybridfahrzeugtechnik, die derart viele Bereiche umfasst, ist es essentiell, dass das Wissen von vielen Fachleuten herangezogen wird. Im vorliegenden Buch werden die Grundlagen von Hybridfahrzeugen an sich, die verschiedenen Komponenten und Technologien sowie deren Vernetzung behandelt. Auch auf die Rahmenbedingungen, die wesentlich die Einführung von Hybridfahrzeugen beeinflussen, wird eingegangen. Auf Grund der großen Vielfalt an Fachbereichen ist es nicht möglich, bei jeder Komponente die Grundlagen ausführlich zu behandeln. Hier wird auf Spezialliteratur verwiesen. Mit dem Werk soll grundsätzlich das Verständnis der Funktionen sowie die Interaktionen zwischen den Systemen vermittelt werden. Bei verschiedenen System-Varianten werden die spezifischen Eigenschaften verglichen und daraus prädestinierte Einsatzbereiche aufgezeigt. Hybridfahrzeugtechnik ist ein sehr innovativer Bereich, in welchem laufend Neuentwicklungen und Technologiesprünge vollzogen werden. Das Buch zeigt den gegenwärtigen Stand der Technik, sowie Entwicklungsziele und einen Ausblick über Potentiale auf. Dieses Werk wendet sich an Studierende und Ingenieure in Forschung und Entwicklung, aber auch interessierte Praktiker. Diesen soll es als Lern- und Arbeitshilfe sowie als Nachschlagewerk dienen.

Februar 2010

Peter Hofmann

Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Verkehr und seine Auswirkungen auf die Umwelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Historie von Hybridfahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Prognosen für Hybridfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 1 6 12

2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte. . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Serieller Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Parallelhybrid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Leistungsverzweigter Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Micro-Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Mild-Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Full-Hybrid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7 Plug-In-Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8 Zusammenfassung – Hybridsysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17 18 21 23 42 44 45 46 52

3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Gesetzliche Rahmenbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Situation in Kalifornien/USA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Situation in Europa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Kraftstoffverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Lastpunktanhebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Start/Stopp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Elektrisches Fahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4 Rekuperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.5 Zusammenfassung Kraftstoffverbrauchseinsparungspotenzial 3.3 Emissionen und Lärm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Elektrisch emissionsfrei fahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Lastpunktverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 Start/Stopp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Funktionalität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 E4WD – Elektrischer Allradantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Torque Vectoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Spannungsversorgung – Power Station . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55 55 57 65 70 71 72 75 77 82 87 89 89 89 93 94 94 94 99

4 Hybridkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Verbrennungskraftmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Ottomotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

101 101 101

VIII

Inhaltsverzeichnis

4.1.2 Dieselmotoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3 Zweitaktmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.4 Rotationskolbenmotoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.5 Stirlingmotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.6 Gasturbinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.7 Brennstoffzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektromaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Betriebsgrenzen und Kennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Gleichstrommaschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Drehstrommaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Asynchronmaschine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5 Synchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.6 Permanenterregte Synchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.7 Geschaltete Reluktanzmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.8 Permanenterregte Transversalflussmaschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.9 Vergleich der verschiedenen Elektromaschinen . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.10 Ausführungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.11 Getriebeintegration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungselektronik (Stromrichter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Halbleiter-Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Leistungselektronische Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Sekundärelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3 Blei-Batterien (Pb/PbO2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.4 Nickel-Cadmium-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.5 Nickel-Metallhydrid-Batteriesysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.6 Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.7 Na-NiCl-Batterie (Zebra) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.8 Natrium-Schwefel-Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.9 Superkondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.10 Schwungradspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.11 Hydropneumatische Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.12 Vergleich der Energiespeichersysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nebenaggregate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1 Hydraulische Impulsspeicher HIS® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2 Elektrische Servolenkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.3 Heizung und Klimatisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

102 102 104 106 109 110 113 114 118 119 121 122 122 124 126 129 130 132 139 141 142 146 146 151 157 160 160 164 168 168 168 173 176 190 195 196 199 202

5 Antriebsstrangmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Betriebszustände von Hybridfahrzeugen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Betriebsstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Einteilung von Betriebsstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1 Modellierung eines Hybridfahrzeugs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2 Beispiel Betriebsstrategie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

207 208 209 210 213 214 223

4.2

4.3 4.4

4.5

Inhaltsverzeichnis

IX

5.3.3 Beispiel für Dimensionierung der E-Komponenten . . . . . . . . . . . . 5.3.4 Betriebsstrategien unter Einbeziehung des Thermomanagements 5.4 Betriebsstrategien mit Prognosefunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

233 237 243

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Toyota Prius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Lexus RX400 h und RX450h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Lexus GS450h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Lexus LS600h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Integrated Motor Assist (IMA)-Hybridsystem von Honda . . . . . . . . . . . . 6.6 Mercedes-Benz S 400 HYBRID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7 Mercedes-Benz ML 450 Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8 BMW X6 ActiveHybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9 Magna HYSUV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10 VW Touareg Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.11 AVL ECO Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.12 AVL Turbohybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13 Opel Flextreme und Ampera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.14 VW twinDrive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.15 Toyota Supra HV-R (Hybrid) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.16 Piaggio MP3 Hybrid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

249 249 261 266 270 275 285 292 297 303 305 315 318 325 328 333 334

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Hybridbusse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.1 Orion VII HybriDrive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.2 Mitsubishi Fuso Aero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.3 Mercedes-Benz Citaro G BlueTec Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.4 MAN Hybridbusse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.5 Hess Doppelgelenk-Hybridbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.6 7700 parallel Hybrid Volvo I-SAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.7 IVECO – Irisbus Hynovis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.8 Solaris Urbino 18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.9 Scania Hybrid Concept Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Hybrid-Lkw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1 Mercedes-Benz Sprinter Plug-In-Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2 MAN Verteiler-Lkw. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.3 Mitsubishi Fuso Canter Eco Hybrid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.4 Mercedes-Benz Freightliner M2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.5 Mercedes-Benz Atego BlueTec Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.6 Volvo FE Abfallentsorgungsfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.7 Abfallsammelfahrzeug mit hydrostatisch-regenerativem Bremssystem (HRB). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

339 344 344 346 347 349 354 355 357 358 359 362 362 365 369 372 373 375

8 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

379

9 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

381

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

391

376

Abkürzungsverzeichnis ABS AC ACC ACEA

Antiblockiersystem Alternating Current (Wechselstrom) Adaptive Cruise Control (Adaptive Geschwindigkeitsregelung) Association des Constructeurs Européens d’Automobiles (Europäische Vereinigung der Automobilhersteller) AG Achsgetriebe AGM Absorbent Glass Mat (Bauform des Bleiakkumulators, bei der der Elektrolyt in einem Glasfaservlies gebunden ist) AGR Abgasrückführung AHS-C Advanced Hybrid System APU Auxiliary Power Unit (Hilfstriebwerk) ASG Automatisiertes Schaltgetriebe ASM Asynchronmaschine AT Automated Transmission (Automatikgetriebe) ATF Automatic Transmission Fluid (Automatikgetriebeöl) AT-PZEV Advanced Technology Partial Zero Emission Vehicle Bat Batterie Batt. Batterie BMEP Brake Mean Effective Pressure (effektiver Mitteldruck) BMS Batteriemanagementsystem CAFE Corporate Average Fuel Economy CAGR Compound Annual Growth Rate (durchschnittliche Wachstumsrate) CAN Controller Area Network CARB California Air Resources Board CCU Clutch Control Unit CNG Compressed Natural Gas (Komprimiertes Erdgas) CO Kohlenmonoxid CO2 Kohlendioxid Kohlendioxid Einsparung CO2e CRT Continuous Regenerating Trap (kontinuierlich regenerierendes Partikelfiltersystem ) CVS Constant-Volume-Sampler CVT Continuously Variable Transmission (stufenloses Getriebe) DC Direct Current (Gleichstrom) DE Diesel-elektrisch DKG Doppelkupplungsgetriebe DLC Double Layer Capacitor (Doppelschichtkondensator) DOD Depth of discharge (Entladetiefe)

XII DOHC EAER ECE ECOSOC ECU E-CVT EEV EMCU EPHS EPS ELR EM EPA EPAct ES ESC ESP ETC EU EUDC EU-15 EV EVT EWG EZEV FE FET FTP G GBCU GDI-tc GM GVW H HC HCCI HCHO HCU HEV

Abkürzungsverzeichnis

Double Overhead Camshaft (Zwei obenliegende Nockenwellen) Equivalent All-Electric Range Economic Commission for Europe United Nations Economic and Social Council (Wirtschafts- und Sozialrat der Vereinten Nationen) Engine Control Unit (Motorsteuergerät) Electrical Continuously Variable Transmission (elektrisches stufenloses Getriebe) Enhanced Environmentally Friendly Vehicle (europäischer Abgasstandard für Busse und LKW) Electric Machine Control Unit (E-Maschinen Steuergerät) Electrically Powered Hydraulic Steering (elektrisch angetriebene hydraulische Servolenkung) Electric Power Steering (elektrische Servolenkung) European Load Response Test (Test zur Typprüfung von LKWs) Elektromaschine Environmental Protection Agency Energy Policy Act Elektrischer Energiespeicher European Stationary Cycle (stationärer Test zur Typprüfung von LKWMotoren) Elektronisches Stabilitätsprogramm European Transient Cycle (Test zur Typprüfung von LKW-Motoren) Europäische Union Extra Urban Driving Cycle (Außerortsteil des Europäischen Fahrzyklus) Mitgliedstaaten der Europäischen Union bis 2004 Electric Vehicle Electrically Variable Transmission (elektrisches stufenloses Getriebe) Europäische Wirtschaftsgemeinschaft Equivalent Zero Emission Vehicle (Emissionsfreies Fahrzeug) Finite Elemente Feldeffekt-Transistor Federal Test Procedure (Fahrzyklus in USA) Getriebe Gear Box Control Unit (Getriebesteuergerät) Gasoline Direct Injection – turbo compound (abgasturboaufgeladener, direkteinspritzender Ottomotor) Gleichstrommaschine Gross Vehicle Weight (zulässiges Gesamtgewicht) Hohlrad (Zahnrad bei Planetenradgetriebe) Kohlenwasserstoffe Homogeneous Charge Compression Ignition (Homogene Kompressionszündung) Formaldehyd Hybrid Control Unit (Hybridsteuergerät) Hybrid Electric Vehicle (elektrisches Hybridfahrzeug)

Abkürzungsverzeichnis

HIS HLDT

XIII

Hydraulische Impulsspeicher Heavy Light-Duty Truck (LKW zwischen 6.001 lbs und 8.500 lbs bzw. 2,72 t und 3,86 t) HPS Hydraulic Power Steering (hydraulische Servolenkung) HRB Hydrostatisch-Regeneratives-Bremssystem HSDI High Speed Direct Injection HV Hoch Volt IAA Internationale Automobil Ausstellung IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor IMA Integrated Motor Assist INV Inverter (Umrichter) IPM-Motor Interior Permanent Magnet Synchronos Motor (permanenterregter Synchronmotor mit vergrabenen Magneten) IPU Intelligent Power Unit (Leistungseinheit) ISG Integrierter Starter-Generator i-VTEC Variable Valve Timing and Lift, Electronic Control (variable elektronisch gesteuerte Ventilsteuerung) K Kupplung Kat Katalysator KERS Kinetic Energy Recovery System (Rekuperationssystem in der Formel 1) KSG Kurbelwellen-Starter-Generator LDT Light-Duty Truck (Leichte Nutzfahrzeuge) LE Leistungselektronik LEV Low Emission Vehicle LLDT Light Light-Duty Truck (LKW unter 6000 lbs bzw. 2,72 t = leichtes Nutzfahrzeug) Li-Ion Lithium-Ionen (Batterie) LKW Lastkraftwagen LL Leerlauf LPA Lastpunktanhebung LPG Liquefied Petroleum/Propane Gas (Flüssiggas) MDPV Medium-Duty Passenger Vehicle (Fahrzeugkategorie) MFTBC Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corporation MJ Modelljahr MOS-FET Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor MPFI Multi Point Fuel Injection mpg Meilen pro Gallone Kraftstoff MT Manual Transmission (manuelles Schaltgetriebe) MVEG Motor Vehicle Emission Group (Neuer Europäischer Fahrzyklus) NA Natural Aspirated (frei ansaugend) NEDC New European Driving Cycle (Neuer Europäischer Fahrzyklus) NEFZ Neuer Europäischer Fahrzyklus NEV Neighborhood Electric Vehicle (Nahverkehrs-Elektro-Fahrzeug) NiMH Nickel Metallhydrid (Batterie) NK Nennkapazität (von Batterien) NMOG Non Methane Organic Gases

XIV NOx NV OBD OEM PCU PEM PHEF PHEV PKW PM POB PSA psi PSM PTC PWM PZEV S SCR Shed SM SOC SOF SOH SOHC SRM ST SULEV SUV T/C TFM THS TLEV UDDS UHS ULEV UNO VG VKM VVT-i WHSC WHTC WÜK

Abkürzungsverzeichnis

Stickoxide Nieder Volt On Board Diagnose Original-Equipment-Manufacturer (Originalausrüstungshersteller) Power Control Unit (Leistungseinheit) Polymer-Elektrolytmembran Plug-In-hybridelektrisches Fahrzeug Plug-In Hybrid Electric Vehicle Personenkraftwagen Particulate Matter (Feinstaub) Power Optimized Battery Peugeot Société Anonyme (französischer Hersteller von PKW und Nutzfahrzeugen mit den Marken Peugeot und Citroën) pound per square inch (Pfund pro Quadratzoll – Druckeinheit: 1 psi  69 mbar) Permanenterregte Synchronmaschine Positive Temperature Coefficient Pulsweitenmodulation Partial Zero Emission Vehicle Sonnenrad Selective-Catalytic-Reduction Sealed Housing for Evaporative Emission Determination Synchronmaschine State of Charge (Ladezustand der Batterie) State of Function (Funktionsfähigkeit bzw. Leistungszustand der Batterie) State of Health (Alterungszustand der Batterie) Single Overhead Camshaft (Einzelne oben liegende Nockenwelle) Switched Reluctance Motor (Bauform einer Elektromaschine) Steg Super Ultra Low Emission Vehicle (Niedrigstemissionsstandard in USA) Sport Utility Vehicle Turbocharger (Turbolader) Transversalflussmaschine Toyota Hybrid System Transitional Low Emission Vehicle Urban Dynamometer Driving Schedule Universal-Hybrid System von AVL Ultra Low Emission Vehicle United Nations Organization (Organisation der Vereinten Nationen) Verteilergetriebe Verbrennungskraftmaschine Intelligent Variable Valve Timing (intelligente variable Ventilsteuerung) Weltweit harmonisierter stationärer Fahrzyklus Weltweit harmonisierter instationärer Fahrzyklus Wandler-Überbrückungskupplung

Abkürzungsverzeichnis

ZEBRA ZEV ZMS ZZP

XV

Zeolite Battery Research Africa Project oder Zero Emission Battery Research Activity Zero Emission Vehicle (emissionsfreies Fahrzeug) 2-Massenschwungrad Zündzeitpunkt

Kapitel 1

Einleitung

1.1 Verkehr und seine Auswirkungen auf die Umwelt Mobilität ist eines der Grundbedürfnisse der Menschheit. Dabei ist das Auto weltweit gesehen das beliebteste Fortbewegungsmittel und die Automobilindustrie einer der wichtigsten Industriezweige. Im Laufe der über 100-jährigen Geschichte wurde das Automobil kontinuierlich weiterentwickelt. Trotz der stetigen Verbesserungen in allen Bereichen wie Sicherheit, Komfort, Performance und Effizienz gibt es immer noch Optimierungspotenzial. Vor allem der Verbrauch und damit der CO2-Ausstoß geraten zunehmend in den Blickpunkt der Öffentlichkeit. Grund dafür sind zum einen die begrenzte Verfügbarkeit von fossilen Kraftstoffreserven, aber vor allem der starke CO2Anstieg in der Atmosphäre seit der Industrierevolution, der für den globalen Klimawandel mitverantwortlich gemacht wird, siehe Abb. 1.1. Der Anteil des Verkehrs (Transports) beträgt beispielsweise in den Ländern der Europäischen Union (EU-15) rund ¼ der gesamten anthropogenen CO2-Emissionen, wie man in Abb. 1.2 aus dem Jahr 2005 sehen kann. Um einem weiteren Anstieg entgegenzuwirken, sind Maßnahmen in allen Sektoren erforderlich. Im Bereich des Automobils hat sich die Europäische Union geeinigt und einen Zielwert von umgerechnet 120 g CO2/km für den Durchschnittsverbrauch der Neuwagenflotte (Flottenverbrauch) im Jahr 2012 definiert, siehe Abb. 1.3. Dabei soll der Wert 130 g CO2/ km durch motorische und fahrzeugtechnische Maßnahmen erreicht werden, während weitere 10 g CO2/km über ergänzende Maßnahmen, wie den Einsatz von Biokraftstoffen, eingerechnet werden. Die Regelung tritt stufenweise in Kraft, wobei, ausgehend von 2012, 65 % der verkauften PKWs eines Herstellers das Ziel erreichen müssen. Der Prozentsatz wird bis 2015 in Stufen auf 100 % angehoben. Bei Nichterreichung der Werte müssen je nach Höhe der Überschreitung empfindliche Strafen pro verkauften PKW an die EU gezahlt werden, siehe auch Kapitel 3.1.2. Grundsätzlich ist die Realisierung eines Kraftstoffverbrauchs von umgerechnet 120 g CO2/km im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) bei kleineren Fahrzeugen bereits heute darstellbar, wie beispielsweise ein Citroën C1, Renault Twingo 1,5DCI, VW Polo, Smart etc. demonstrieren. Allerdings geht der allgemeine Käufertrend zu größeren und stärkeren Autos unvermindert weiter, sodass die Erreichung der angestrebten Flottenverbrauchswerte mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung des Antriebsstrangs alleine nicht umgesetzt werden kann. Trotz fallender Tendenz ergaben sich in einigen EU-Ländern sogar zeitweilige Anstiege der Flottenverbrauchswerte, was zum Teil auf die hohen Verkaufszahlen von schweren Geländewagen zurückzuführen ist. Auch der starke Dieselboom der letzten Jahre konnte diesen Trend nur teilweise kompensieren, wie aus Abb. 1.3 ersichtlich. Da

2

1 Einleitung

das Kaufverhalten auch durch bereits sehr hohe Kraftstoffpreise kaum beeinflussbar ist, wird verstärkt nach Technologien gesucht, durch die sich auch große und schwere Autos mit viel Performance vergleichsweise effizient bewegen lassen. Da die Gesetze der Physik nicht gebeugt werden können, zielen diese Technologien auf höhere Wirkungsgrade bei der Energieumwandlung, mehr Freiheitsgrade beim Betrieb sowie die Möglichkeit der Energierückgewinnung beim Verzögern ab. Besonders im Stadtbetrieb, der im Wesentlichen durch den Neuen Europäischen Fahrzyklus repräsentiert wird, besteht ein erhebliches Kraftstoffeinsparpotenzial. Hybridfahrzeuge bieten hier eine sehr interessante Perspektive, da sie zum einen von der kontinuierlichen Verbesserung der Verbrennungsmotoren – also der primären Energieumwandlung – profitieren, als auch mehr Freiheitsgrade bei der weiteren Energieumwandlung sowie unter Umständen auch eine Bremsenergierückgewinnung und Speicherung ermöglichen.

Abb. 1.1. Atmosphärische Konzentrationen von Kohlendioxid und Strahlungsantrieb1 in den letzten 10.000 Jahren und seit 1750 [1]

Das Wort „Hybrid“ kommt aus dem Lateinischen und bedeutet so viel wie Zwitter, von zweierlei, andersartigen Eltern. Die UNO definierte 2003 den Begriff „Hybridfahrzeug“ wie folgt: Ein „Hybridfahrzeug“ bezeichnet ein Fahrzeug, in dem mindestens 1 Der Strahlungsantrieb ist ein Maß für den Einfluss, den ein Faktor auf die Änderung des Gleichgewichts von einfallender und abgehender Energie im System Erde – Atmosphäre hat, und ist ein Index für die Bedeutung eines Faktors als potenzieller Mechanismus einer Klimaänderung. Ein positiver Antrieb führt tendenziell zur Erwärmung der Erdoberfläche, während ein negativer Antrieb tendenziell zu einer Abkühlung führt.

1.1 Verkehr und seine Auswirkungen auf die Umwelt

3

zwei Energieumwandler und zwei Energiespeichersysteme (im Fahrzeug eingebaut) vorhanden sind, um das Fahrzeug anzutreiben [5]. Grundsätzlich kommen bei den Energiespeichern chemische, elektrische oder mechanische Speichersysteme in Frage. Praktisch gesehen macht die Kombination von konventionellen chemischen Energiespeichern bzw. Energieträgern wie Benzin oder Diesel mit einem während des Betriebes wieder aufladbaren Speicher, beispielsweise einem elektrischen oder mechanischen System, Sinn, da damit mehr Freiheitsgrade beim Betrieb geschaffen werden.

Abb. 1.2. CO2-Emittenten in der EU-15, insgesamt 3,3 Gt im Jahr 2005 [2]

Abb. 1.3. CO2-Emissionen der durchschnittlichen Neuwagenflotte in der EU-15 [3] und Emissionsziele für 2012 und 2020 [4]

Im Laufe der Geschichte wurde immer wieder versucht, mechanische Speichersysteme einzusetzen, wie etwa Schwungräder, Federspeicher, Druckspeicher etc. Allerdings konnte sich bisher keines dieser Systeme im Automobil erfolgreich durchsetzen. Abb. 1.4 zeigt den Prototyp eines Gyrobusses aus dem Jahr 1956 beim Auftanken an einer „Stromtankstelle“. Mit dem zugeführten Strom wurde über eine Elektromotor-/Generator-Ein-

4

1 Einleitung

heit ein Schwungrad auf eine hohe Drehzahl beschleunigt. Mit der gespeicherten kinetischen Energie wurde während des Fahrbetriebs über den Generator Strom für den rein elektrischen Antrieb erzeugt. Damit konnte der Bus bis zur nächsten Haltestelle angetrieben werden, wo er erneut wieder an der „Stromtankstelle“ mit Energie versorgt wurde.

Abb. 1.4. Gyrobus (G2) in Belgien um 1956 an der Endstation in Merelbeke beim Auftanken an der „Stromtankstelle“. Bild: Collection E. Keutgens

Da die speicherbare Energiedichte bei Schwungrädern einerseits relativ gering ist, andererseits aber ein nicht unbeträchtliches Gefahrenpotenzial im Schadensfall bei unkontrolliertem Freisetzen der gespeicherten Energie herrscht, verschwanden diese Speichersysteme wieder für lange Zeit aus dem Fahrzeugeinsatz. Aktuell werden wieder Versuche gestartet, diese Systeme für Nischenanwendungen (z. B. im Rennsport) einzusetzen, siehe Kapitel Energiespeicher.

Abb. 1.5. Meyers Druckluftauto von 1931 [6]

1.1 Verkehr und seine Auswirkungen auf die Umwelt

5

Auch pneumatische bzw. hydropneumatische Energiespeichersysteme wurden immer wieder in Betracht gezogen. Bereits 1931 baut der Ingenieur Roy Jerome Meyers aus Los Angeles ein luftbetriebenes Auto mit einem 6-Zylinder-Luftmotor, welches bei niedrigen Geschwindigkeiten beachtliche Reichweiten aufwies, siehe Abb. 1.5. Der geringe Gesamtwirkungsgrad und die niedrige Speicherdichte führten dazu, dass dieses System bis auf einige wenige Versuche sowie Anwendungen im Bergbau unter Tage nicht weiter für Fahrzeugantriebssysteme verfolgt wurde. Mehr Potenzial versprechen so genannte hydropneumatische Speicher, die eine Kombination von pneumatischen mit hydraulischen Systemen darstellen. Diese bestehen aus einem Nieder- und Hochdruckspeicher und einer reversibel arbeitenden Hydraulikmaschine, die als Turbine und Pumpe betrieben werden kann, siehe Abb. 1.6. Während der Verzögerungsphasen des Fahrzeuges wird eine Hydraulikflüssigkeit vom Nieder- in den Hochdruckspeicher gepumpt, wodurch ein darin befindliches Inertgas komprimiert wird. Umgekehrt kann beim Beschleunigen diese Energie im Turbinenmodus wieder zum Antrieb des Fahrzeuges verwendet werden.

Abb. 1.6. Funktionsweise von hydraulischen Speichersystemen und ausgeführtes System in einem Müllsammelfahrzeug

Diese Systeme verfügen zwar über eine sehr hohe Leistungsdichte, allerdings ist die Energiedichte im Vergleich zu elektrischen Speichersystemen sehr gering, weshalb ein Einsatz in konventionellen Fahrzeugen unrealistisch erscheint. Für Nischenanwendungen wie schwere Kommunalfahrzeuge (Busse, Müllsammelfahrzeuge etc.) oder auch Staplerfahrzeuge könnten diese Systeme allerdings aus Kostengründen und wegen des einfachen Aufbaus durchwegs erfolgversprechend zur Anwendung kommen, wie ausgeführte Konzeptfahrzeuge und mit dem Bosch-Rexroth-System umgerüstete Müllsammelfahrzeuge zeigen, siehe Kapitel 7. Den eigentlichen Durchbruch und die bislang größte Verbreitung haben jene Hybridfahrzeuge erlangt, die auf der Kombination von chemischen und elektrischen Systemen basieren. Dabei werden mehr oder weniger konventionelle Verbrennungsmotoren zur Umwandlung der im Kraftstoff gespeicherten chemischen Energie in mecha-

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1 Einleitung

nische Energie eingesetzt sowie Elektromaschinen, welche elektrische Energie, die in Batterien oder Kondensatoren gespeichert ist, in mechanische Energie umwandeln und umgekehrt aus mechanischer Energie elektrische generieren können.

1.2 Historie von Hybridfahrzeugen Bereits in der frühen Geschichte des Automobils wurden erste Hybridfahrzeuge entwickelt. Ferdinand Porsche konstruierte als Entwicklungschef der k. u. k. Hofwagenfabrik Lohner u. Co. 1899 in Wien ein Fahrzeug, das auf der Weltausstellung des Jahres 1900 in Paris vorgestellt wurde und das großes Aufsehen erregte. Die Neuheit bestand in der Beseitigung aller Zwischengetriebe wie Zahnräder, Riemen, Ketten, Differenziale etc., d. h. in der Herstellung des ersten transmissionslosen Wagens. Das wurde durch den Einbau von Elektromotoren in die Naben der Vorderräder erreicht, die damit zugleich Antriebs- und Lenkräder wurden, siehe Abb. 1.7. Dieser Radnabenmotor machte Ferdinand Porsche, damals 24 Jahre alt, in der Welt des Automobils bekannt. Die Radnabenelektromotoren (je 2½ PS bei 120 U/min) der ersten Wagen hatten als Stromquellen Akkumulatoren mit 60 – 80 Volt Klemmenspannung und einer Kapazität von 170 bis 300 Ah. Der Nachteil des Wagens war, dass der Aktionsradius nur ca. 50 km betrug. Porsche baute deshalb Benzinmotoren und Generatoren in die Wagen ein, die den verbrauchten Strom während der Fahrt teilweise ergänzten [7]. Nach heutiger Definition handelt es sich um einen seriellen Hybridantrieb, der damit in Wien erfunden und gebaut wurde.

Abb. 1.7. Der Lohner-Porsche. Frontantrieb mit Radnabenmotoren, Masse 1 t, davon 410 kg Batterie, ca. 50 km Reichweite, Reisegeschwindigkeit 37 km/h, max. 50 km/h [7]

1.2 Historie von Hybridfahrzeugen

7

In weiterer Folge entstand der „gemischte“ Wagen, der zuerst mit einem Dion-Motor, dann mit einem Daimler, später mit einem Mercedes und hierauf mit einem PanhardMotor ausgestattet wurde, bis er letztendlich als „Mercedes-Mixte“ gebaut wurde [8]. Abb. 1.8 zeigt einen „Benzin-elektrischen Wagen“ nach dem System mit einem Vierzylinder-Reihenmotor der „Österreichischen Daimler-Motoren-Gesellschaft“ in Wiener Neustadt. Beim Benzinmotor wurde an Stelle des Schwungrades ein Dynamo oder Stromgenerator gebaut. Der Dynamo war mit der Kurbelwelle des Motors direkt verbunden. Der Anker des Dynamos rotierte um einen Magnetstern. Die mechanische Arbeit des Benzinmotors wurde so in elektrische Energie umgewandelt und sodann über Kabel zu den Radnabenmotoren geleitet. Das System entspricht einem seriellen Hybridkonzept. Die Elektromotoren in den Radnaben hatten einen Anker mit rotierendem Motorgehäuse. Dieses war mit den Radfelgen verbunden und bildete so einen Teil des Rades. Der Magnetstern war auf der Achse aufgekeilt, d. h. feststehend, siehe Abb. 1.8.

Abb. 1.8. Benzin-elektrischer Wagen, System. Lohner Porsche. Gebaut von 1901 bis 1905 mit Radnaben-Innenpolmotor [7]

Mit diesem System wurden vor allem Lastwagen, Autobusse und Feuerwehrwagen betrieben, aber auch ein Rennwagen startete mit „gemischtem Betrieb“, siehe Abb. 1.9 und Abb. 1.10.

Abb. 1.9. Mixte-Rennwagen. Am Steuer Ferdinand Porsche 1907 [8]

8

1 Einleitung

Abb. 1.10. Werbung in der Allgemeinen Automobil-Zeitung vom 6. September 1908 [8]

Die Weiterentwicklung des Mixte-Wagens, die mit so großen Erwartungen verknüpft war, ergab Schwierigkeiten: Der Benzinmotor drehte im Laufe der Jahre immer schneller. Die gleiche Geschwindigkeit beim „gemischten Antrieb“ ergab aber trotz Erhöhung der Anzahl der Pole schließlich eine derartige Erhitzung der Elektromotoren, dass diese Wärme nicht mehr entsprechend abgeführt werden konnte. In der Folge musste der Radnabenmotor als vom technischen Fortschritt überholt betrachtet werden. Während der „gemischte Antrieb“ für konventionelle Fahrzeuge wieder verschwand, wurde dieses System für militärische Zwecke im sog. C-Zug oder LandwehrTrain im ersten Weltkrieg eingesetzt. Auch in anderen Bereichen der Erde wurden erste Hybridfahrzeuge gebaut. So entstand in etwa zeitgleich mit dem Lohner-Porsche ein ähnliches Antriebsprinzip in Barcelona in dem Modell „La Cuadra“. Mit Elektromotor, Dynamo und kleinem Verbrennungsmotor ausgestattet, konnte sich diese Bauart jedoch nicht durchsetzen [9]. Die amerikanische Firma Krieger Company entwickelte 1903 das erste kleinseriell gefertigte Hybridfahrzeug, welches bereits Vorderradantrieb und Lenkkraftverstärkung anbot. In Kanada wurde 1914 von der Galt Motor Company ein Hybridfahrzeug produziert, bei welchem ein 2-Zylinder-2-Takt-Benzinmotor mit 10 PS einen Westinghouse-Generator antrieb, welcher einen elektrischen Strom mit 40 Volt und 90 Ampere produzierte, siehe Abb. 1.11. Mit den unter der Karosserie angeordneten 4 Batterien konnte beim Beschleunigen unterstützt oder bis zu einer Reichweite von 15 – 20 Meilen auch rein elekt-

1.2 Historie von Hybridfahrzeugen

9

risch gefahren werden. Die E-Maschine war ohne Getriebe direkt mit dem Differenzial verbunden. Mit einem Hebel konnten 5 verschiedene Vorwärts- und 3 Rückwärtsgeschwindigkeiten eingestellt werden. Angeblich konnte ein Verbrauch von ca. 3 l/100 km (70 mpg) erzielt werden. Es wurden allerdings nur zwei Fahrzeuge gebaut [10].

Abb. 1.11. Serielles Hybridfahrzeug der Galt Motor Company von 1914, ausgestattet mit 2-Zylinder2-Takt-Motor (10 PS) und Westinghouse-Elektromaschine (5 PS) [Fotos. Glen Woodcock]

Erwähnenswert sind weiters die frühen Hybridentwicklungen bei VW. Bei dem Wettbewerb „NewYork Taxi“ wurde 1974 ein Hybridantrieb vorgestellt, Abb. 1.12. Ein Elektromotor greift direkt in den Antrieb ein. Bei geöffneter Kupplung kann rein elektrisch gefahren werden. Schließt die Kupplung, dann springt der Verbrennungsmotor an und übernimmt den weiteren Vortrieb, wobei dessen eventuelle Überschussleistung die Batterie nachladen kann. Auch die Bremsenergie wird der Batterie zugeführt [11].

Abb. 1.12. Hybridantrieb eines VW-Busses, der bei dem Wettbewerb „NewYork Taxi“ 1974 vorgestellt wurde [11]

10

1 Einleitung

Aber auch andere Hersteller in Europa, Japan und Amerika beschäftigten sich spätestens seit den 1970er Jahren mit der Entwicklung von Hybridfahrzeugen und stellten mehr oder weniger große Serien von Testfahrzeugen her. Erster gewerblicher Anbieter von Hybridfahrzeugen war Audi mit dem Audi 80 duo im Jahre 1994. Dieses Modell war jedoch so teuer, dass es praktisch unverkäuflich war. Der Nachfolger, der auf dem Audi A4 Avant basierende Audi Duo, war dann in weiterer Folge das erste in Europa serienmäßig angebotene Hybridfahrzeug, welches ab 1997 zu einem Preis von 60.000 DM angeboten wurde und in kleinen Stückzahlen auch verkauft wurde, siehe Abb. 1.13. Aufgrund der geringen Nachfrage wurde die Produktion aber bereits 1998 wieder gestoppt. Der bewährte TDI-Motor mit einem Hubraum von 1,9 Litern und 66 kW Leistung wurde als Verbrennungsmotor eingesetzt. Als elektrischer Antrieb wurde eine Synchronmaschine mit einer Leistung von 21 kW (29 PS) installiert, die mit einer Übersetzungsstufe an das Fünf-Gang-Getriebe angebunden war. Aufgrund der Nenndrehzahl von 10.000 1/min wird dieses System als Hochdrehzahlkonzept bezeichnet (da die Drehzahl bezogen auf die Verbrennungsmotordrehzahl deutlich höher ist). Als Energiespeicher wurde eine Bleibatterie mit einem Gewicht von 320 kg verwendet, die eine Kapazität von 10 kWh bereitstellte und im Kofferraum eingebaut war. Als Besonderheit kann man das Stromanschlusskabel anführen, mit dem es dem Fahrer ermöglicht wurde, das Fahrzeug an die Steckdose anzuschließen (Plug-InHybrid).

Abb. 1.13. Die Technik des Audi Duo

Den richtigen Durchbruch bei der Markteinführung von Hybridfahrzeugen schaffte Toyota 1997 mit dem Prius, der mittlerweile bereits in der dritten Generation verkauft

1.2 Historie von Hybridfahrzeugen

11

wird, siehe Abb. 1.14. Benzin- und Elektromotor werden hier über ein Planetengetriebe an die Antriebsachse gekoppelt. Bei Bedarf kann beim Prius der Verbrennungsmotor komplett abgeschaltet werden und das Fahrzeug rein elektrisch betrieben werden. Weitere Details über das Toyota Hybridsystem (THS) befinden sich in Kapitel 6: Ausgeführte Hybridkonzepte.

Abb. 1.14. Die Technik des Toyota Prius

Der kurze Rückblick in die Geschichte des Hybridantriebs im Fahrzeugbereich soll demonstrieren, dass Hybridtechnik kein neues Thema ist, sondern so alt wie das Auto selbst ist. Waren es früher Probleme bei der Regelung der Verbrennungsmotoren und der Kraftübertragung (Schaltgetriebe und Kupplung), die eine Kombination mit einem Elektroantrieb begründeten, so sind es heute vor allem Kraftstoffverbrauch und Emissionen, die die Entwicklung von Hybridantriebssystemen forcieren. Bezeichnenderweise hat auch in der Frühgeschichte des Automobils der Elektromotor in Form des Starters dem Verbrennungsmotor zu einer Erhöhung der Akzeptanz verholfen. Auch soll hier aufgezeigt werden, dass europäische Automobilfirmen prinzipiell immer Vorreiter und führend bei dieser Technik waren, aber leider ihrer Zeit voraus bzw. nicht konsequent genug bei der Einführung von Hybridfahrzeugen waren. Durch einen enormen Entwicklungsaufwand, ein perfektes Marketing und eine sehr intelligente Einführungsstrategie ist es Toyota mit Einsatz von großen Investitionen gelungen, die Marktführerschaft am Hybridfahrzeugsektor zu erobern. Dabei wurden populäre Maßnahmen wie die Involvierung von Filmstars in die Werbung ebenso ergriffen wie Unterstützung der neuen Hybridtechnologie durch fahrzeugseitige Maßnahmen wie exzellente Luft- und Rollwiderstandswerte, um die Technik noch besser zur Geltung zu bringen.

12

1 Einleitung

1.3 Prognosen für Hybridfahrzeuge Da die Kundennachfrage in Amerika, Japan und mittlerweile auch in Europa langsam zunimmt, arbeiten mittlerweile wieder alle großen Hersteller an Hybridkonzepten. Langfristig wird neben der kontinuierlichen Verbesserung der verbrennungsmotorischen Antriebe ein weiterer Weg mit einer stärkeren Elektrifizierung des Antriebsstranges bis hin zum reinen Elektrofahrzeug auf Basis von Hochenergiebatterien oder Brennstoffzellen verfolgt, wie das Beispiel von VW in Abb. 1.15 zeigt.

Abb. 1.15. 2-Wege-Roadmap zu „nachhaltigen Antrieben aus der Sicht von VW [12]

Global wird sich die Flottenzusammensetzung am internationalen Markt entsprechend den jeweiligen Verkehrs- und Nutzungsbedingungen unterscheiden [13]. In den großen Ballungszentren Japans mit ihren hohen Verkehrsaufkommen und teilweise auch in den USA fahren Fahrzeuge größtenteils im niedrigen Geschwindigkeitsbereich und im Stop-and-go-Betrieb, was prädestiniert für den Einsatz von Hybridfahrzeugen ist. In Europa werden Dieselfahrzeuge weiter dominieren, wobei aber im Bereich der Kurzstreckenmobilität eine verstärkte Elektrifizierung des Antriebsstrangs einsetzen wird. Abb. 1.16 zeigt eine Prognose von Oliver Wyman, nach der die Gesamtfahrzeugproduktion von PKWs und leichten Nutzfahrzeugen von 63 Millionen Einheiten im Jahr 2005 auf rund 75 Millionen Einheiten im Jahr 2015 steigen soll. Dabei wird sich der Anteil an Fahrzeugen mit alternativen Antrieben von 3 % auf 17 % erhöhen, wobei Hybridfahrzeuge mit 11 % den größten Teil ausmachen werden. Die Einteilung der Hybridantriebe nach Hybridisierungsgrad 1 in Abb. 1.17 zeigt, dass in nächster Zukunft die leichter zu realisierenden und ein besseres Kosten-NutzenVerhältnis aufweisenden Micro- und Mild-Hybridkonzepte in weit größeren Stückzah-

1 Die Einteilung der Hybridantriebe nach Hybridisierungsgrad in Micro-, Mild- und Fullhybride wird in Kapitel 2.4 bis 2.6 erläutert.

1.3 Prognosen für Hybridfahrzeuge

13

Abb. 1.16. Entwicklung von unterschiedlichen Antriebstechnologien – weltweite Produktion von PKWs und leichten Nutzfahrzeugen (2005 – 2015) [14]

len produziert werden als die derzeit vorherrschenden Full-Hybriden. Full-Hybride sind allerdings für die schwereren Fahrzeuge „überlebenswichtig“, bzw. wird ihr Einsatz durch die kalifornische Abgasgesetzgebung sehr stark forciert.

Abb. 1.17. Produktionsvolumen von Hybridfahrzeugen nach Hybridisierungsgrad

Den Mittelwert verschiedener Prognosen für den Hybridfahrzeuganteil am weltweiten Markt sowie eine Gegenüberstellung mit extrapolierten Produktionszahlen zeigt Abb. 1.18. Bei dieser Studie wurden Micro-Hybride nicht berücksichtigt. Das prognos-

14

1 Einleitung

tizierte Produktionsvolumen liegt somit in einer ähnlichen Größenordnung wie bei der zuvor gezeigten Oliver-Wymann- bzw. Mercer-Analyse.

Abb. 1.18. Produktionszahlen von Hybridfahrzeugen – Optimistische und konservative Betrachtung [15]

Durch den Einsatz von Hybriden (Mild/Full) lassen sich deutliche Einsparungspotenziale vor allem im Stadtverkehr generieren. Eine verstärkte Einführung über alle Fahrzeugsegmente hinweg führt allerdings zu hohen Kosten, beim Mild-Hybrid von mehr als 3.000 €/t CO2e (Kohlendioxid-Einsparung) und beim Full-Hybrid von fast 5.000 €/t CO2e. Ein Teil der Verbrauchsvorteile lässt sich auch über eine MicroHybridisierung zu geringeren Kosten verwirklichen, wenn beispielsweise Start-StoppSysteme einen entsprechend hohen Marktanteil erlangen. Dass die Vermeidung von CO2-Emissionen durch Hybridisierung relativ teuer ist und daher auch alle anderen Einsparungspotenziale zu nutzen sind, wird aus Abb. 1.19 deutlich. Die Vermeidungskosten wurden zwar für Deutschland erstellt, lassen sich jedoch für andere Industriestaaten in ähnlicher Weise abschätzen. Abb. 1.20 zeigt das Amortisationsverhalten verschiedener Maßnahmenpakete bei ausschließlicher Berücksichtigung der damit verbundenen Verbrauchseinsparung unter Berücksichtigung von Randbedingungen aus dem Jahr 2008 [17]. Für die Betrachtung wurde ein Mittelklassefahrzeug mit 1,6 t Gewicht und einer Motorisierung mit 2,0 l Hubraum herangezogen. Auf der Hochachse sind die kumulierten Kraftstoffeinsparungen in Euro nach 3 Jahren bei einer jährlichen Kilometerleistung von 15.000 km/Jahr gezeigt – auf der Waagerechten die Zusatzkosten durch das jeweilige Maßnahmenpaket. Die schraffierten Kreise (unten) stellen Maßnahmenpakete für einen Benzin-, die ausgefüllten (oben) für einen Dieselmotor dar. Liegen die Maßnahmenpakete oberhalb der Winkelhalbierenden, amortisieren sich diese Maßnahmen innerhalb der 3 Jahre, da die Einsparung größer ist als die Zusatzkosten. Es ist klar ersichtlich, dass sich z. B.

1.3 Prognosen für Hybridfahrzeuge

15

Micro-Hybridkonzepte (Start/Stopp, hocheffizienter Generator, …) innerhalb von 3 Jahren amortisieren, während bei Full-Hybridkonzepten (Strong Hybrid) die hohen Zusatzkosten vor allem durch die Batterie lange Amortisationsdauern bewirken.

Abb. 1.19. Kosten der CO2-Einsparung in Deutschland für unterschiedliche Maßnahmen; Zeithorizont 2020 [16]

Abb. 1.20. Kosten-Nutzen-Analyse von ausgewählten Paketen zur CO2-Reduzierung – Kraftstoffpreise und Paketkosten Stand 2008 [17]

Kapitel 2

Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte Entsprechend der Grundstrukturen der Kombination von Verbrennungsmotor, E-Maschine, Generator, Batterie und Getriebe können Hybridantriebe in: – Serielle Hybridantriebe, – Parallele Hybridantriebe und – Leistungsverzweigte und kombinierte Hybridantriebe (gemischthybride Antriebe) eingeteilt werden, siehe Abb. 2.1.

Abb. 2.1. Verschiedene Strukturen von Hybridantrieben

18

2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

Außerdem können Hybridfahrzeuge auch nach ihrem Hybridisierungsgrad eingeteilt werden. Man unterscheidet: • Micro-Hybrid • Mild-Hybrid • Full-Hybrid • Plug-In-Hybrid Eine Übersicht über die Funktionen und Nutzen der verschiedenen Hybridvarianten gibt Tabelle 2.1. Micro-, Mild- und Full-Hybride werden, sofern sie keine Möglichkeit zur Nachladung des elektrischen Energiespeichers über das Stromnetz haben, auch als autarke Hybridantriebe bezeichnet.

2.1 Serieller Hybrid Der serielle Hybrid oder fallweise auch Serienhybrid benannt (oder „elektrisches Getriebe“) besteht aus einem Verbrennungsmotor, der mit einem Generator gekoppelt ist. Der eigentliche Antriebsmotor ist ein Elektromotor. Es besteht keine mechanische Verbindung zwischen Verbrennungsmotor und der Antriebsachse, die Verbindung erfolgt nur elektrisch über 2 Umrichter (oder einen Gleichrichter und einen Umrichter) und den so genannten „elektrischen Zwischenkreis“. Die Antriebskomponenten sind „elektrisch“ in Serie geschaltet, siehe Abb. 2.1. Die Energie wird von der „Ladegruppe“ Verbrennungsmotor und Generator erzeugt und sowohl direkt zum Elektrofahrmotor transferiert als auch zum Nachladen der Batterie benützt. Die Ladegruppe kann unabhängig vom Fahrzustand – auch im Stillstand – laufen und die Batterie laden. Es existieren sowohl Varianten mit einem Fahrmotor und Differenzial als auch Konzepte mit zwei Fahrmotoren pro Achse unter Wegfall des Differenzials bis hin zu Radnabenmotoren, siehe Abb. 2.1.

Klassische Auslegung Der klassische Serienhybrid kombiniert drei gleich groß dimensionierte Maschinen: Verbrennungskraftmaschine, Generator und Fahrmotor. Für eine gewünschte Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs muss der Fahrelektromotor so groß dimensioniert werden, dass er diese Leistung auch kontinuierlich abgeben kann. Da in diesem Fall keine elektrische Energie aus der Batterie entnommen werden kann, muss diese Leistung von der Ladegruppe direkt erzeugt werden können, was dazu führt, dass die Maschinen der Ladegruppe gleich groß oder sogar wegen der Verluste größer dimensioniert werden müssen. Da sich diese Auslegung an der Höchstleistung (Höchstgeschwindigkeit) orientiert, sind die Maschinen zumeist so groß dimensioniert, dass alle Antriebsaggregate im Stadtbetrieb in der extremen Teillast betrieben werden oder ein stark intermittierender Betrieb mit einem hohen Anteil an zwischengespeicherter Energie in der Batterie resultiert. Dies hat relativ schlechte Wirkungsgrade und daher einen vergleichsweise hohen Kraftstoffverbrauch zur Folge.

19

2.1 Serieller Hybrid

Tabelle 2.1. Übersicht Funktionen und Nutzen der verschiedenen Hybridvarianten. Funktionen und Nutzen

Micro-Hybrid

Mild-Hybrid

Full-Hybrid

Plug-In-Hybrid

Konstruktive Merkmale

Leistungsfähiger Anlasser und regelbarer Generator oder RiemenstarterGenerator

KurbelwellenStarter- Generator (KSG)

Trennkupplung zum Verbrennungsmotor oder mehrere E-Maschinen

Elektroantrieb mit Verbrennungsmotor als Range Extender

Funktionen

• Start/Stopp • Eingeschränkt Rekuperation

• Start/Stopp • Rekuperation • Boosten • Generatorbetrieb • Eingeschränkt E-Fahren bei niedrigen Geschw.

• Start/Stopp • Rekuperation • Boosten • Generatorbetrieb • E-Fahren für kurze Reichweiten

• Start/Stopp • Rekuperation • Boosten • Generatorbetrieb • E-Fahren für mittlere Reichweiten • Ext. Nachladung

Leistung E-Maschine

2 – 3 kW

10 –15 kW

>> 15 kW

>> 15 kW

Spannungsniveau

12 – 42 V

42 –150 V +12 V Bordnetz

> 200 V +12 V Bordnetz

> 200 V +12 V Bordnetz

Typische Batterietechnologie

Blei-Säure, AGM

NiMH, Li-Ion, Super Caps, +Blei-Säure

NiMH, Li-Ion, (+Blei-Säure)

NiMH, Li-Ion, (+Blei-Säure)

Verbrauchseinsparung

5 –10 %

10 – 20 %

> 20 %

Ausgeführte Beispiele

BMW 1er 2007

Chevrolet Silverado 2004

Audi Duo 1997

Volvo Recharge

Audi Q7 Hybrid 2005

Renault Kangoo Elect‘road

GMC Sierra 2004

BMW X3 Efficient Dynamics 2005

Renault Kangoo Cleanova II

Honda Civic IMA 2004 u. 2006

Chevrolet Tahoe Hybrid 2008

Opel Flextreme VW TwinDrive

Honda Insight IMA 1999

Ford Escape Hybrid 2005

Peugeot 307 Hybrid HDi 2006

GMC Yukon Hybrid 2008

Saturn Aura Greenline Hybrid

Lexus RX400h 2005

Mercedes S400 Hybrid

Toyota Prius 2001

Saturn Vue Greenline Hybrid 2007 Saturn Aura Greenline Hybrid 2007

Citroën C4 Hybrid HDi 2006

Mercedes ML450 Hybrid

20

2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

Plug-In-Hybridfahrzeuge mit Range Extender Wird das Serienhybridkonzept in einem Plug-In-Hybridfahrzeug angewendet, kann die Ladegruppe auch wesentlich kleiner dimensioniert werden als der Elektrofahrmotor, da sie nur zur Reichweitenerhöhung eingesetzt wird. Man spricht dann von einem „Range Extender“ bzw. einer Auxiliary Power Unit (APU). Die Ladegruppe kann in diesem Fall nicht die elektrische Energie erzeugen, die für eine kontinuierliche Höchstgeschwindigkeit nötig wäre. Vielmehr liefert sie eine im Durchschnitt benötigte Leistung im Stadtbetrieb, während Leistungsspitzen von der Batterie abgedeckt werden. Die Hauptenergie zur Fortbewegung wird über extern am Stromnetz aufgeladene Batterien bereitgestellt (Plug-In-Hybridfahrzeuge). Diese Auslegung vermeidet den Teillastbetrieb der Ladegruppe – sie wird in einem verbrauchs- und emissionsgünstigen Lastpunkt (1-Punktbetrieb meistens bei Volllast) betrieben.

Vor- und Nachteile des Serienhybridantriebs Der Vorteil des Serienhybridantriebs ist es, dass die Ladegruppe gänzlich unabhängig vom Radantrieb geregelt werden kann. Daher hat dieser Antrieb auch das größte Potenzial für Emissionsverminderungen, wie die Aufzählung folgender Möglichkeiten zeigt: – Verzögerter Start der Ladegruppe, dadurch kann der Verbrennungsmotor und im Speziellen die Abgasnachbehandlung auf den Start vorbereitet werden, Motorund Katalysatorvorwärmung sind möglich – Emissionsoptimierte Startstrategie – Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (VKM) im Bestpunkt (Verbrauch und/ oder Emissionen) – Stationärer Betrieb mit Vermeidung von dynamischen Emissionsspitzen – Abschaltstrategie – Strategien für den intermittierenden Betrieb (z. B. abhängig von der KatalysatorAuskühlung) – Freiere Positionierung der Ladegruppe – Ermöglichung neuer Fahrzeugkonzepte Der Nachteil des Serienhybridantriebs ist die mehrmalige Energieumwandlung, die je nach Ausführung und Konzept im Extremfall bis zu 11 Einzelverluste mit sich bringen kann, siehe Abb. 2.2. Dies erklärt, warum bisher mit einem Serienhybridantrieb kaum die Kraftstoffverbrauchswerte eines konventionellen Direktantriebs erreicht werden können. Der Vorteil, der durch den Betrieb des Verbrennungsmotors im verbrauchsoptimalen Bereich erreicht wird, kann leicht durch die elektrischen und chemischen Energieumwandlungsverluste aufgezehrt werden. Speziell wenn viel Energie in der Batterie zwischengespeichert werden muss, ist mit schlechten Verbrauchswerten zu rechnen. Die Betriebsstrategie muss gegensteuern und versuchen, die Verluste zu minimieren. Ein großer Fortschritt wurde diesbezüglich mit dem Einsatz von Li-Ionen-Batteriesystemen erreicht. Diese weisen deutlich geringere Be- und Entladeverluste auf, wodurch serielle Hybridkonzepte auch für PKW-Anwendungen attraktiver werden.

2.2 Parallelhybrid

21

Abb. 2.2. Wirkungsgradkette bei einem Serienhybrid

Bei neuen Konzepten wie dem Opel Flextreme, siehe auch Kapitel 6: Ausgeführte Hybridkonzepte, wurden bereits große Fortschritte in der Optimierung und Abstimmung der Komponenten erreicht, sodass dieses als Plug-In-Hybrid ausgelegte Fahrzeug auch im seriellen Betrieb weniger verbraucht, als ein vergleichbares konventionelles Fahrzeug. Außer bei Plug-In-Hybridfahrzeugen werden serielle Hybridkonzepte bevorzugt im Busbereich angewendet.

2.2 Parallelhybrid Die zweite große Gruppe von Hybridantrieben sind die so genannten Parallelhybriden, bei denen ein direkter, mechanischer Durchtrieb vom Verbrennungsmotor bis zum Rad möglich ist. Der elektrische Zweig ist sozusagen „parallel“ und kann nach Belieben zu- oder abgeschaltet werden, siehe Abb. 2.1. Der Verbrennungsmotor und der Elektromotor sind idealerweise abkuppelbar – das Fahrzeug kann dann rein elektrisch, konventionell oder gemischt betrieben werden. Ein Addieren der abgegebenen Leistungen ist möglich. Solche Konzepte beinhalten neben den beiden Antriebsmotoren und Speichern ein oder auch mehrere Getriebe, Kupplungen oder Freiläufe. Die abgegebenen Leistungen von Elektro- und Verbrennungsmotor können mechanisch mittels Drehzahladdition (mit einem Planetengetriebe), Momentenaddition (direkte Kopplung, mit Stirnradgetriebe oder Kette) oder Zugkraftaddition (Elektromotor und Verbrennungsmotor wirken auf unterschiedliche Antriebsachsen) überlagert werden. Bei der Momentenaddition lässt sich das Verhältnis der Drehmomente der beiden Energiewandler frei variieren, während die Drehzahlen in einem starren Verhältnis zueinander stehen. Eine Entkopplung der beiden Antriebssysteme kann über einen Freilauf oder eine Kupplung realisiert werden.

22

2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

Man unterscheidet zwischen der Einwellenlösung, wobei der Elektromotor und der Verbrennungsmotor auf die gleiche Getriebeeingangswelle wirken, und der Zweiwellenlösung, wobei der Elektromotor und der Verbrennungsmotor auf unterschiedliche Getriebewellen (Getriebe-Ein- bzw. -Ausgangswelle) angekuppelt sind, siehe Abb. 2.3. Beispiel für die Einwellenlösung sind Kurbelwellenstartergeneratoren – eine Zweiwellenlösung ist in Kapitel 6.10: AVL ECO Target, beschrieben.

Abb. 2.3. Einwellen- und Zweiwellen-Parallelhybridsysteme

Bei der Drehzahladdition werden die Leistungen der Energiewandler mittels eines Planetengetriebes zusammengeführt, wobei das Momentenverhältnis starr durch die Übersetzung des Getriebes vorgegeben ist. Die Drehzahlen der Antriebssysteme können frei gewählt werden, siehe Abb. 2.1. Bei einem Hybrid mit Zugkraftaddition handelt es sich im physikalischen Sinne ebenfalls um eine Momentenaddition, wobei die beiden Energiewandler auf unterschiedliche Achsen des Fahrzeugs wirken (z. B. Verbrennungsmotor auf Vorderachse, elektrischer Antrieb auf Hinterachse), siehe Abb. 2.4. Fallweise werden auch verschiedene Hybridsysteme kombiniert wie beispielsweise beim Lexus RX400h, siehe Kapitel 6.2. Bei diesem wirkt auf die Vorderachse ein leistungsverzweigter Hybridantrieb, siehe auch nächstes Kapitel 2.3, sowie ein Elektroantrieb auf die Hinterachse, wodurch eine Zugkraftaddition realisiert werden kann.

Vor- und Nachteile des Parallelhybridantriebes Vorteil dieser Konfiguration ist, dass nur mehr eine elektrische Maschine nötig ist, die wahlweise als Fahrmotor oder als Generator arbeitet. Die Dimensionierung der Antriebskomponenten kann besser gestaltet werden, da sich die Auslegung der VKM an der Höchstgeschwindigkeit und die der elektrischen Komponenten am Stadtbetrieb

2.3 Leistungsverzweigter Hybrid

23

orientieren kann (große VKM, kleiner elektrischer Antrieb). Allerdings ist auch eine umgekehrte Dimensionierung möglich (kleine VKM, großer E-Antrieb).

Abb. 2.4. Concept-Car Prologue Hybrid4 von PSA als Hybrid mit Zugkraftaddition

Weiters bildet der direkte mechanische Durchtrieb vom Verbrennungskraftmotor bis zum Rad vor allem im höheren Geschwindigkeitsbereich die besten Wirkungsgrade, weil die elektrischen Umwandlungsverluste wegfallen. Somit hat dieser Antrieb das höchste Potenzial für das Erzielen eines geringen Kraftstoffverbrauchs. Etwas nachteilig für Abgasemission und Energieverbrauch kann je nach Ausführung sein, dass der Verbrennungsmotor nicht mehr stationär und somit nicht unabhängig vom Radantrieb arbeiten kann. Somit fallen einige der beim Serienhybrid erwähnten Möglichkeiten weg, z. B. den Verbrennungsmotor stationär im verbrauchs- bzw. emissionsoptimalen Punkt zu betreiben.

2.3 Leistungsverzweigter Hybrid Bei leistungsverzweigten Hybriden (engl. Power Split Hybrid) oder auch „gemischthybriden Antrieben“ wird die zu übertragende mechanische Leistung in einen mechanischen und einen elektrischen Pfad aufgeteilt. Leistungsverzweigte Getriebe bieten

24

2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

die Möglichkeit, den Aufwand an mechanischen Getriebekomponenten bei gleichen Fahrleistungen des Fahrzeugs im Vergleich zu Automatik- und automatisierten Schaltgetrieben zu verringern. Einen Sonderfall stellt der so genannte kombinierte Hybrid dar, der mit zwei E-Maschinen und einer Kupplung eine serielle und eine parallele Betriebsweise erlaubt, siehe Abb. 2.5. Eine ausführliche Beschreibung dieses Systems samt den möglichen Betriebsstrategien befindet sich in Kapitel 6.14 VW twin Drive.

Abb. 2.5. Kombinierter Hybridantriebsstrang in serieller und paralleler Betriebsweise

Elektrisch leistungsverzweigte Getriebe, fallweise auch electrically continuous variable transmission (E-CUT) genannt, bestehen aus der Kopplung von Getriebeelementen mit einem elektrischen Variator. Dieser setzt sich aus mindestens zwei elektrischen Maschinen und zugehöriger Leistungselektronik zusammen. Mit der Wandlung von mechanischer in elektrische Energie wird die Einstellung unterschiedlicher Drehzahlen und Drehmomente der Wellen des Variators ermöglicht. Ein wesentliches Merkmal dieser Getriebe ist die Aufteilung der durch die Verbrennungskraftmaschine (VKM) erzeugten Leistung auf einen mechanischen und einen elektrischen Zweig. Abb. 2.6 zeigt schematisch die Struktur eines leistungsverzweigten Getriebes mit zwei elektrischen Maschinen, bei der diese in Verbindung mit einem Radsatz die Aufgabe eines Variators übernehmen. Der Radsatz kann dabei aus einer Anordnung von Planetensätzen, einfachen Übersetzungen und Kupplungen bestehen. Die Auswahl eines geeigneten Radsatzes sowie die Wahl der Übersetzungen sind von hoher Bedeutung für die auftretenden Leistungen an den elektrischen Maschinen. Bei einem leistungsverzweigten Getriebe mit den elektrischen Maschinen E1 und E2 wird die von der Verbrennungskraftmaschine bereitgestellte Leistung PVKM im Falle reiner Leistungsteilung zu einem Teil über einen mechanischen Pfad mit hohem Wirkungsgrad MECH und zum anderen Teil über den elektrischen Zweig mit geringerem Wirkungsgrad E1 × E2 übertragen, siehe Abb. 2.7. Die Aufteilung der Leistung erfolgt mit einem Planetengetriebe oder einer Kombination von gekoppelten Planetengetrie-

2.3 Leistungsverzweigter Hybrid

25

Abb. 2.6. Genereller Aufbau eines leistungsverzweigten Getriebes mit 2 elektrischen Maschinen [18]

VKM ...... Winkelgeschwindigkeit der Verbrennungskraftmaschine [s-1] MVKM ...... Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine [Nm] PVKM ....... Leistung der Verbrennungskraftmaschine [kW] VE ......... Winkelgeschwindigkeit am Variatoreingang [s-1] MVE ........ Drehmoment am Variatoreingang [Nm] PVE ......... Leistung am Variatoreingang [kW] VA ......... Winkelgeschwindigkeit am Variatorausgang [s-1] MVA ........ Drehmoment am Variatorausgang [Nm] PVA ......... Leistung am Variatorausgang [kW] AB ......... Winkelgeschwindigkeit am Getriebeausgang [s-1] MAB ........ Drehmoment am Getriebeausgang [Nm] PAB .......... Leistung am Getriebeausgang [kW] ben, welche die Eingangsleistung PVKM des Getriebes auf die zwei Pfade aufteilen. Ein Faktor  lässt sich als das Verhältnis der von der elektrischen Maschine E1 generatorisch aufgenommenen Leistung  × PVKM = PVE zur Eingangsleistung PVKM definieren.

Abb. 2.7. Leistungsfluss im Getriebe bei reiner Leistungsteilung [18]

26

2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

Die von der elektrischen Maschine E1 mechanisch aufgenommene Leistung wird umgewandelt und steht im elektrischen Zweig als elektrische Leistung PEL zur Verfügung. (2-1) PEL .......... Übertragene elektrische Leistung im elektrischen Zweig [kW] PVKM ....... Leistung der Verbrennungskraftmaschine [kW] PVE .......... Mechanisch aufgenommene Leistung der E-Maschine 1 [kW]  ............. Aufteilungsfaktor [-] E1 .......... Wirkungsgrad der E-Maschine E1 [-] MECH ...... Mechanischer Wirkungsgrad des Getriebes [-] Dabei verringert sich durch die Energieumwandlung die erzeugte elektrische Leistung im Vergleich zur mechanisch aufgenommenen Leistung um den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine E1 E1. Mit weiteren Verlusten E2 ist die Umwandlung der elektrischen Leistung an der elektrischen Maschine E2 in mechanische Leistung verbunden. Für die Betrachtung leistungsverzweigter elektrischer Getriebe ist das Verhältnis EL der elektrischen, zwischen den beiden elektrischen Maschinen übertragenen, Leistung PEL und der Getriebeeingangsleistung PVKM von besonderer Bedeutung, da hier die nach der Energieumwandlung erzeugte elektrische Leistung ins Verhältnis zur mechanischen Antriebsleistung gesetzt wird. Sie ist ein Maß für die Belastung des Variators und bestimmt die Größe der elektrischen Maschinen. (2-2) EL ........... Verhältnis der elektrisch übertragenen Leistung zur von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenen Leistung PEL .......... Übertragene Leistung im elektrischen Zweig [kW] PVKM ........ Von der Verbrennungskraftmaschine abgegebene Leistung [kW]  .............. Aufteilungsfaktor [-] E1 ........... Wirkungsgrad der E-Maschine E1 [-] Der Gesamtwirkungsgrad des Getriebes kann vereinfacht als Summe der elektrischen und mechanischen Wirkungsgrade mit ihren Leistungsanteilen beschrieben werden [18]. (2-3) GES ......... Gesamtwirkungsgrad [-] EL ........... Verhältnis der elektrisch übertragenen Leistung zur von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenen Leistung E1 ........... Wirkungsgrad der E-Maschine E1 [-]

2.3 Leistungsverzweigter Hybrid

27

E2 ........... Wirkungsgrad der E-Maschine E2 [-] MECH ...... Mechanischer Wirkungsgrad des Getriebes [-] Die Verluste im mechanischen Zweig sind auf Grund des hohen Wirkungsgrades von Zahnradpaarungen prinzipiell geringer als die des elektrischen. Für die Erzielung eines hohen Systemwirkungsgrades sind somit niedrige Verluste der elektrischen Maschinen und der Wechselrichter essentiell, wobei Verluste grundsätzlich verringert werden können, wenn die elektrische Leistung klein bleibt. Ziel ist es daher, den vom verwendeten Radsatz abhängigen Faktor EL so gering wie möglich zu halten. Aus obiger Gleichung lässt sich ableiten, dass der Faktor EL bei einem mechanischen Wirkungsrad von 99 % (mindestens eine leistungsführende Zahnradstufe in einem Planetensatz) und einem Wirkungsgrad im elektrischen Zweig von 72 % (2 elektrische Maschinen mit einem Wirkungsgrad inkl. Umrichter von je 85 %) kleiner als 0,3 sein muss, um einen Gesamtgetriebewirkungsgrad von über 90 % zu erreichen. Wenn EL klein ist, nimmt der Getriebegesamtwirkungsgrad hohe Werte an. Eine Verringerung der elektrischen Leistung wirkt sich auf die Größe der elektrischen Maschinen und somit auf die Kosten und den Bauraumbedarf des Getriebes aus. Da jedes Schaltelement und jede Zahnradstufe den Getriebewirkungsgrad senkt, ist die Anzahl der mechanischen Elemente gering zu halten. Die einfachste Struktur eines leistungsverzweigten Getriebes stellt die in Abb. 2.8 dargestellte Kombination eines antriebsseitig angeordneten Planetensatzes mit 2 elektrischen Maschinen dar, wobei der Variatorausgang E2 mit dem Ausgang des Planetensatzes fest gekoppelt ist: ausgangsgekoppelt bzw. „input split“. Die beiden elektrischen Maschinen E1 und E2 werden bei dieser Betrachtung als Variatorein- bzw. -ausgang angesehen. Diese Struktur ist auch beim Toyota Prius realisiert.

Abb. 2.8. Elektrisch leistungsverzweigtes Getriebe mit ausgangsgekoppeltem Planetenradsatz (input split) mit S = Sonnenrad, ST = Steg, H = Hohlrad [18]

Der Vollständigkeit halber sei hier auch eine eingangsgekoppelte Kombination – auch „output split“ genannt – gegenübergestellt, siehe Abb. 2.9. Diese Ausführung benötigt allerdings hohe elektrische Leistungen im niedrigen Geschwindigkeitsbereich, weshalb sie eher für Overdrive-Systeme angewendet wird [19]. Zum besseren Verständnis sei hier kurz das Prinzip eines Planetengetriebes erklärt, siehe Abb. 2.10. Planetengetriebe bestehen aus dem Sonnenrad, den Planetenrädern und dem Hohlrad. Sonnen- und Hohlrad werden auf von außen zugängliche Wellen herausgeführt. Die Planetenräder sind sowohl mit dem Sonnenrad als auch mit dem Hohlrad im Eingriff. Die Bewegung der Planetenräder wird über den Steg (Planetenradträ-

28

2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

ger), welcher die Planetenräder führt, auf eine äußere Welle übertragen. Konstruktiv wird dies durch Hohlwellen erreicht. Das Planetengetriebe besitzt somit drei Wellen mit den Winkelgeschwindigkeiten 1 (Sonnenrad), 2 (Steg), 3 (Hohlrad). Die Winkelgeschwindigkeit der Planetenräder 4 ist von außen nicht direkt zu ermitteln [20].

Abb. 2.9. Elektrisch leistungsverzweigtes Getriebe mit eingangsgekoppeltem Planetenradsatz (output split) mit S = Sonnenrad, ST = Steg, H = Hohlrad [18]

Abb. 2.10. Prinzip eines Planetengetriebes

Geometrische Beziehungen und Definitionen [21] Radien der Zahnräder: mit Zähnezahlen der Zahnräder:

r3 = r1 + 2 r2 z3 = z1 + 2 z2

Charakteristisch für Planetengetriebe ist die Standübersetzung iStand. Sie entspricht der Übersetzung von Hohlradwelle zur Sonnenradwelle bei festgehaltenem Steg, siehe Gleichung (2-4). Die Standübersetzung ist negativ, da Hohlrad und Sonnenrad bei festgehaltenem Steg unterschiedliche Drehrichtungen aufweisen: (2-4) iStand ......

Standübersetzung [-]

zH .......... Zähnezahl Hohlrad [-] zS ........... Zähnezahl Sonnenrad [-]

29

2.3 Leistungsverzweigter Hybrid

Kinematische Beziehungen Die Geschwindigkeiten der Eingriffspunkte der Räder müssen für beide Räder gleich sein: Sonnenrad und Planetenrad: r1 1 = (r1 + r2) 2  r2 4 Planetenrad und Hohlrad:

r3 3 = (r1 + r2) 2 + r2 4

Durch Addition erhält man:  r1 1 + 2 (r1 + r2) 2  r3 3 = 0 bzw. oder

 r1 1 + (r1 + r3) 2  r3 3 = 0  z1 1 + (z1 + z3) 2  z3 3 = 0 (2-5)

X ......... Winkelgeschwindigkeit des Zahnrades X [s-1] zX .......... Zähnezahl des Zahnrades X [-] mit iStand aus Gleichung (2-4) erhält man die Willis Gleichung (2-6): (2-6) Diese Gleichung lässt sich graphisch in einem Nomogramm darstellen, siehe Abb. 2.11 links.

Dynamische Gleichungen Die Drehmomentbilanz ergibt bei vernachlässigten Trägheiten und Reibung insgesamt M1 + M2 + M3 = 0 Aus der Drehmomentbilanz am Planetenrad ergibt sich außerdem die Beziehung bzw.

r1 M3 = r3 M1 z1 M3 = z 3 M1

Beide dynamischen Gleichungen lassen sich graphisch durch die Drehmomentwaage darstellen, siehe Abb. 2.11 rechts. Die beiden Beziehungen zwischen den Drehmomenten führen zu Gleichung (2-7) bzw. (2-8). (2-7) (2-8)

30

2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

Abb. 2.11. Graphische Darstellung der kinematischen und dynamischen Beziehungen bei Planetengetrieben

Das bedeutet, dass das Drehmoment am Planetenradträger stets in einem konstanten Verhältnis auf die Drehmomente von Sonnen- und Hohlrad aufgeteilt wird. Eine sehr anschauliche Darstellungsweise der Momente und Drehzahlen bei Planetenradgetrieben erfolgt durch die Hebel-Analogie [22]. Dabei werden die Eingangs-, Ausgangs- und Reaktionsmomente durch horizontale Kräfte an einem Hebel dargestellt. Die Abmessungen des Hebels mit den Kraftangriffspunkten entsprechen den Zähnezahlen von Sonnen- und Hohlrad. Die Distanz des Hebels zu einer Bezugslinie stellt die einzelnen Raddrehzahlen dar. Damit können auch die Verhältnisse bei Stillstand bzw. bei Umkehrung der Drehrichtungen einzelner Räder dargestellt werden, siehe Abb. 2.12.

Abb. 2.12. Hebel-Analogie zur Darstellung der Momente und Drehzahlen eines Planetengetriebes [22]

Mit diesen Zusammenhängen können nun die statischen Drehmomente Mi und Drehzahlen i jeder kinematischen Kette, welche die Wellen des Variators sowie den Getriebeein- und -ausgang verbinden, berechnet werden. Die Übersetzung i des Radsatzes (i = VKM/VA) kann je nach Drehzahlen der einzelnen Wellen stufenlos verändert werden. Mit dem konstanten Verhältnis des Generatormomentes M1 zum Verbrennungsmotormoment M2 ergibt sich ein linearer Zusammenhang der elektrischen Leistung PEL zur Eingangsleistung PVKM über das inverse Übersetzungsverhältnis. Abb. 2.13 zeigt das Verhältnis EL der elektrischen Leistung PEL zur Eingangsleistung PVKM für die Auslegung des Toyota Prius bei reinem verbrennungsmotorischen Betrieb, d. h. keine Batterieauf- oder -entladung, in Abhängigkeit von der Übersetzung i des Radsatzes.

2.3 Leistungsverzweigter Hybrid

31

Im Punkt P1, wo die inverse Übersetzung 1/i den Wert 1/i = (zH + zS)/zH annimmt, steht die Variatoreingangswelle bzw. die E-Maschine E1 (VE = 0). (Toyota Prius: inverse Übersetzung 1/i = 1,38; Standübersetzung iStand = zH/zS = 78/30 = 2,6). Es stellt sich ein Minimum der im elektrischen Pfad zu übertragenden Leistung ein. Die elektrische Maschine E1 am Variatoreingang erzeugt in diesem Zustand nur ein Haltemoment MVE, welches um den Faktor (iStand + 1) kleiner ist, als das vom Verbrennungsmotor abgegebene Moment MVKM.

Abb. 2.13. Verhältnis EL der elektrischen Leistung PEL zur Eingangsleistung PVKM über dem Übersetzungsverhältnis (Toyota Prius bei verbrennungsmotorischem Betrieb ohne Energieaustausch mit der Batterie) [23]

Je weiter die Übersetzung von der Übersetzung im Punkt P1 (rein mechanische Übertragung) abweicht, desto mehr elektrische Energie muss über den wirkungsgradungünstigeren elektrischen Pfad übertragen werden. Auch erfordert dies eine entsprechende Dimensionierung der elektrischen Maschinen und damit Gewicht und Platzbedarf. Oberhalb des Punktes P1 erfolgt eine Drehrichtungsumkehr von E-Maschine E1, die dann vom generatorischen in den motorischen Betrieb wechselt. Es zirkuliert Energie vom mechanischen über den elektrischen Pfad im Getriebe – so genannte Blindleistung –, was sich entsprechend negativ auf den Gesamtwirkungsgrad auswirkt, siehe Abb. 2.14. Es ist daher essentiell, dass eine Getriebeabstimmung gewählt wird, bei welcher der am meisten genützte Fahrbetriebsbereich sich in der Nähe von P1 befindet. Da dies in weiten Bereichen nicht möglich ist, geht man fallweise von dem sehr einfachen System mit einem Planetenradsatz ab und verwendet zwei Planetengetriebe, die so ausgelegt sind, dass beide E-Maschinen im Betriebsbereich die Drehzahl Null durchlaufen, siehe Abb. 2.15 und Abb. 2.17 („compound split“). Die Hebel-Analogie [22] kann besonders bei gekoppelten Planetensätzen zur übersichtlichen Darstellung der Momentenverhältnisse beitragen, siehe Abb. 2.16. Dabei werden die verbundenen Räder über Koppeln verbunden bzw. zu einem Hebel zusammengefasst. Abb. 2.17 zeigt dafür die Leistungs-

32

2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

aufteilung in Abhängigkeit von der Übersetzung. In den Punkten P1 und P2 hat jeweils eine der elektrischen Maschinen die Drehzahl 0, daher nimmt die Leistung PEL ein Minimum an. Zwischen diesen Punkten ist die Variatorleistung klein – außerhalb steigt sie bis ins Unendliche [23]. Wie aus Abb. 2.17 ersichtlich, reicht ein Radsatz mit zwei gekoppelten Planetensätzen nicht aus, um den Faktor der Leistungsaufteilung EL im gesamten Übersetzungsbereich unter den Wert 0,3 zu zwingen, was für einen hohen Getriebewirkungsgrad notwendig ist. Besonders der Anfahrbereich kann nicht abgebildet werden, da hierzu eine unendlich hohe Getriebeübersetzung nötig wäre, die aber nur durch einen Zuwachs an elektrischer Leistung erreicht werden kann.

Abb. 2.14. Schematische Darstellung des Prius-Antriebsstrangs mit eingezeichnetem Blindleistungsfluss

Abb. 2.15. Elektrisch leistungsverzweigtes Getriebe mit zwei Planetensätzen („compound split“) [23]

2.3 Leistungsverzweigter Hybrid

33

Abb. 2.16. Hebeldiagramm für das leistungsverzweigte Getriebe mit zwei Planetensätzen („compound split“)

Abb. 2.17. Leistungsaufteilung beim elektrisch leistungsverzweigten Getriebe mit zwei Planetensätzen in Abhängigkeit von der Getriebeübersetzung iG [23]

Aus diesem Grund geht man dazu über, Schaltelemente einzusetzen. Damit kann der gesamte Betriebsbereich in zwei stufenlose Fahrbereiche aufgeteilt werden. Ein Beispiel dafür ist das Dual-Mode-Getriebe in Abb. 2.18. Im Mode 1 werden hohe Zugkräfte auf Grund der hohen Getriebeübersetzung erreicht, während Mode 2 die niedrigen Getriebeübersetzungen abdeckt, siehe Abb. 2.19. Ein bereits in Serie befindliches Dual-Mode-Getriebesystem ist der von General Motors, DaimlerChrysler und BMW entwickelte „Two-Mode“-Hybridantrieb, welcher neben zwei variablen leistungsverzweigten Betriebsmodi auch rein mechanische Übersetzungen mit 4 Getriebestufen mit festen Übersetzungsverhältnissen ermöglicht. Dies senkt die Anforderungen an die elektrischen Maschinen, weil der seriell übertragene Anteil innerhalb einzelner Betriebsbereiche kleiner gehalten werden kann und insgesamt die Leistungsübertragung durch den weniger effizienten elektrischen Zweig reduziert wird. Im Stadtverkehr und Stop-and-go-Betrieb kann das Fahrzeug entweder nur mit den zwei Elektromotoren, nur mit dem Verbrennungsmotor oder mit beiden Antrieben gleichzeitig bewegt werden.

34

2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

Abb. 2.18. Dual-Mode-Getriebe mit 3 Planetensätzen und 2 Schaltelementen [23]

Abb. 2.19. Leistungsaufteilung beim Dual-Mode-Getriebe mit 3 Planetensätzen und 2 Schaltelementen in Abhängigkeit von der Getriebeübersetzung iG [23]

In mechanischer Hinsicht und in Bezug auf die Gesamtgröße ist das System mit einem herkömmlichen Automatikgetriebe vergleichbar, kann aber mit stufenloser Übersetzung oder in einem der vier Gänge mit festem Übersetzungsverhältnis betrieben werden. Das gesamte Hybridantriebssystem wird kontinuierlich von einem elektronischen Steuergerät koordiniert, um für jede Laststufe des Motors den effizientesten Betriebspunkt auszuwählen. Es eignet sich besonders für Anwendungen, die größere Verbrennungsmotoren erfordern, wie beispielsweise beim Anhängerbetrieb oder bei schwerer Beladung. Das „Two-Mode“-Konzept bringt auch bei höheren konstanten Geschwindigkeiten, beim Überholvorgang und bei starken Steigungen deutliche Vorteile. Vorhandene Verbrennungsmotoren können mit ge-

2.3 Leistungsverzweigter Hybrid

35

ringfügigen Änderungen weiterhin genutzt werden, da durch das Vollhybridsystem keine nennenswerten Einschränkungen in Bezug auf die Größe oder Art des Verbrennungsmotors bestehen. Die kompakte Bauweise zeigt Abb. 2.20.

Abb. 2.20. Hybrideinheit als stufenloses Getriebe mit wahlweise 4 festen Übersetzungen [24], [25]

Getriebestufen Die vier Gänge mit festem Übersetzungsverhältnis überlagern die zwei EVT-Betriebsarten (electrically variable transmission), sodass insgesamt sechs Betriebsarten zur Verfügung stehen: a. Leistungsverzweigter EVT 1-Modus (stufenlos variabler Modus 1, „input split mode“) für den Getriebeübersetzungsbereich vom Motorstart über den Bereich des 1. festen Ganges, bis zum zweiten festen Gang. b. Kombinierter EVT 2-Modus (stufenlos variabler Modus 2, „compound split mode“) für den Getriebeübersetzungsbereich ab dem zweiten festen Gang. c. 1. Gang mit festem Übersetzungsverhältnis, wobei beide Elektromotoren Leistung für den Antrieb bereitstellen oder Energie vom regenerativen Bremsen, Verzögern und Fahren im Schubbetrieb aufnehmen und speichern. d. 2. Gang mit festem Übersetzungsverhältnis, wobei vorwiegend ein Elektromotor (Motor B) für die Beschleunigungs-/Bremsvorgänge zur Verfügung steht. e. 3. Gang mit festem Übersetzungsverhältnis, wobei beide Elektromotoren für die Beschleunigungs-/Bremsvorgänge zur Verfügung stehen. f. 4. Gang mit festem Übersetzungsverhältnis, wobei ein Elektromotor (Motor A) für die Beschleunigungs-/Bremsvorgänge zur Verfügung steht. Die folgenden Überlegungen gelten für Betriebsmodi ohne Energieaustausch mit der Batterie. Da Ladezyklen immer zusätzliche Verluste bedeuten, soll immer die von einem Generator erzeugte Strommenge direkt in einem Elektromotor abgearbeitet werden.

36

2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

Betriebsbereiche Ad a) Input split mode: Die einfachste Form des EVT (electrically variable transmission) ist der Input Split, wie bereits zu Beginn des Kapitels beschrieben. Realisiert wird der Input Split beim Two-Mode-Vollhybridantrieb, indem die Bremse C1 fixiert wird, wie in Abb. 2.21 schematisch dargestellt.

Abb. 2.21. Anordnung für Input Split [24]

Ad b) Compound split mode: Eine weiterentwickelte Form des EVT (electrically variable transmission) stellt der Compound Split dar. Als Betriebsbereich ist der Bereich zwischen den beiden mechanischen Punkten anzustreben, da mehr Leistung der Verbrennungskraftmaschine mechanisch mit hohem Wirkungsgrad und nur eine geringe Leistung elektrisch übertragen werden. Der Two-Mode-Vollhybridantrieb mit 4 festen Gängen realisiert den Compound Split, indem die Kupplung C2 geschlossen wird, wie in Abb. 2.22 schematisch dargestellt. Ad c) Den 1. Gang mit festem Übersetzungsverhältnis zeigt Abb. 2.23. Oben ist das Schema des gesamten Getriebes gezeigt und unten ein vereinfachtes Ersatzschema. Für den 1. Gang werden die Bremse C1 fixiert und die Kupplung C4 geschlossen. Beide Elektromotoren können Leistung für den Antrieb bereitstellen oder Energie vom rege-

2.3 Leistungsverzweigter Hybrid

37

nerativen Bremsen, Verzögern und Fahren im Schubbetrieb aufnehmen und speichern. Die Elektromotoren beeinflussen aber nicht das Übersetzungsverhältnis.

Abb. 2.22. Anordnung für Compound Split [24]

Ad d) Den 2. Gang mit festem Übersetzungsverhältnis zeigt Abb. 2.24. Die Bremse C1 ist fixiert, Kupplung C2 geschlossen, wobei vorwiegend ein Elektromotor (Motor B) für die Beschleunigungs-/Bremsvorgänge zur Verfügung steht, ohne das Übersetzungsverhältnis zu beeinflussen. Ad e) Den 3. Gang mit festem Übersetzungsverhältnis zeigt Abb. 2.25. Die Kupplungen C2 und C4 sind geschlossen. Beide Elektromotoren können Leistung für den Antrieb bereitstellen oder Energie vom regenerativen Bremsen, Verzögern und Fahren im Schubbetrieb aufnehmen und speichern. Die Elektromotoren beeinflussen aber nicht das Übersetzungsverhältnis von 1 (starrer Durchtrieb). Ad f ) 4. Gang mit festem Übersetzungsverhältnis zeigt Abb. 2.26. Die Bremse C3 ist fixiert, Kupplung C2 geschlossen, wobei ein Elektromotor (Motor A) für die Beschleunigungs-/Bremsvorgänge zur Verfügung steht, ohne das Übersetzungsverhältnis zu beeinflussen.

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2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

Abb. 2.23. Anordnung für 1. Gang. Bremse C1 fixiert, Kupplung C4 geschlossen [24]

Abb. 2.24. Anordnung für 2. Gang. Bremse C1 fixiert, Kupplung C2 geschlossen [24]

2.3 Leistungsverzweigter Hybrid

Abb. 2.25. Anordnung für 3. Gang. Kupplungen C2 und C4 geschlossen [24]

Abb. 2.26. Anordnung für 4. Gang. Bremse C3 fixiert, Kupplung C2 geschlossen [24]

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2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

Das Schaltschema der Kupplungen sowie die Grenzen der Betriebsbereiche sind nochmals in Abb. 2.27 zusammengefasst. Eine ausgeklügelte Elektronik wählt jeweils den verbrauchsgünstigsten Betriebsmodus aus, mit dem die gestellte Anforderung – vom moderaten „Gleiten“ bis zum Anhängerbetrieb bei Bergfahrt – optimal erfüllt wird.

Abb. 2.27. Kupplungsschema und Betriebsgrenzen [24], [25]

Ein wesentlicher Vorteil des Two-Mode-Konzepts liegt neben der geringeren Leistungsübertragung im elektrischen Pfad und den 4 fixen mechanischen Übersetzungen auch an der reduzierten Anforderung an die Dimensionierung der Elektromaschinen im Vergleich zu Single-Mode-Getrieben. Zusätzliche Informationen über dieses System samt den möglichen Betriebsstrategien und Potenzialen befinden sich in Kapitel 6 unter Mercedes ML450 Hybrid und BMW X6 Hybrid. Ein weiteres Beispiel für ein leistungsverzweigtes Hybridantriebssystem ist das von AVL entwickelte Universal-Hybrid-System (UHS). Wie schon früher aufgezeigt, sollen zu viele Energieumwandlungen aus Wirkungsgradgründen vermieden werden und ein möglichst direkter mechanischer Energietransfer zu den Rädern realisiert werden. Als Konsequenz aus diesen Erkenntnissen lässt die Kombination einer großen VKM mit einem klein dimensionierten Elektroantrieb beste Ergebnisse erwarten. Ferner soll die VKM eher bei hohen Lasten und geringer Drehzahl stationär oder quasi-stationär betrieben werden können, was nur mit einem CVT (Continuous Variable Transmission) möglich ist. Im AVL-UHS erfüllt nun ein Planetengetriebe diese Aufgabe und verteilt den Energiefluss in einen mechanischen und in einen elektrischen Zweig, die am Abtrieb wieder vereinigt werden. Um diese CVT-Funktion und um die Möglichkeit eines Stationärbetriebs für die VKM zu realisieren, sind zwei Elektromotoren nötig. Eine E-Maschine (EM1) kann im Bedarfsfall die Leistung (das Drehmoment) einstellen, während die zweite (EM2) die Abtriebsdrehzahl regelt. Ferner besitzt das System vier Kupplungen, wodurch eine unerwartet vielseitige Antriebsstruktur erzeugt wird, siehe Abb. 2.28. Mit dieser Anordnung kann durch einfaches Schalten der Kupplungen eine Reihe von verschiedenen Elektro- und Hybridfahrzeugstrukturen erzeugt werden, wie die in nachstehender Tabelle dargestellten Betriebsmodi bezeugen.

41

2.3 Leistungsverzweigter Hybrid

Abb. 2.28. AVL-UHS-Getriebeschema mit den Kupplungen C1 bis C4 [26]

Im Stadtbetrieb übernimmt EM1 mit den zwei verfügbaren Gängen den Antrieb. Für Beschleunigungen und höheren Leistungsbedarf auf Stadtautobahnen kann der Planetensatz verblockt werden und dann kann auch EM2 Leistung beisteuern. Verlässt man die Emissionsfrei-Zone, wird die VKM gestartet und alle drei Maschinen arbeiten im CVT-Modus für bestmöglichen Komfort und Energieausnützung. Die VKM kann dann auch stationär oder eingeschränkt dynamisch betrieben werden. Fährt man auf eine Autobahn auf, wird der Planetensatz verblockt und die Antriebsleistung wird direkt mechanisch auf die Räder gebracht, was bestmöglichen Kraftstoffverbrauch verspricht. Die nachstehende Tabelle 2.2 zeigt die wichtigsten Betriebsmodi dieses Antriebs. Tabelle 2.2. UHS-Betriebs-Modi Mode

C4

C3

C2

C1

Kommentar

0

x

c

c

x

Parksperre

1

o

o

c

c

Rein elektr. Betrieb mit EM1 im ersten Gang.

2

o

c

o

c

Rein elektr. Betrieb mit EM1 und EM2 im zweiten Gang.

3

o

c

o

o

Serienhybrid-Betrieb, bei dem die VKM und die EM1 als Ladegruppe arbeiten, während EM2 der Fahrmotor ist.

4

o

o

c

c

Die VKM ist im 1. Gang durchgekuppelt, EM1 kann Leistung für transiente Vorgänge addieren oder die Batterien aufladen.

5

o

o

o

c

Parallelhybrid-Betrieb, alle Maschinen laufen, der Planetensatz arbeitet als CVT.

6

o

c

o

c

Die VKM ist im 2. Gang durchgekuppelt, EM1 und EM2 können Leistung für transiente Vorgänge addieren oder die Batterie aufladen.

c ... Kupplung geschlossen;

o ... Kupplung offen;

x ... Stellung egal

42

2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

Die bekanntesten Beispiele für Fahrzeuge mit leistungsverzweigten Hybridkonzepten sind der Toyota Prius bzw. Lexus sowie die Two-Mode-Hybridkonzepte der Allianz von GM/DaimlerChrysler und BMW. Näheres dazu in Kapitel 6: Realisierte Hybridkonzepte.

2.4 Micro-Hybrid Bei dieser Variante gibt es im Vergleich zu einem konventionellen Fahrzeug nur geringe Modifikationen. Im Allgemeinen wird der konventionelle Anlasser durch eine leistungsfähigere Variante oder durch einen Riemenstarter/Generator ersetzt. Abb. 2.29 zeigt ein Ausführungsbeispiel an Hand der A/B-Klasse von Mercedes.

Abb. 2.29. Riemenstarter-/Generator-System in der Mercedes A/B-Klasse [27]

Bei Stillstand des Fahrzeuges (z. B. an einer Ampel oder bei Stau) wird der Verbrennungsmotor abgeschaltet. Beim Wiederanfahren wird der Motor automatisch und ohne spürbare zeitliche Verzögerung gestartet (Start/Stopp-System bzw. -Automatik). Zum Unterschied zu reinen Start/Stopp-Systemen kann beim Micro-Hybrid teilweise Verzögerungsenergie rekuperiert werden (eingeschränkt durch die begrenzte elektrische Leistung des Systems). Es ist ein Energie-Management-System erforderlich. Bei BMW wird beispielsweise mit der so genannten Brake Energy Regeneration Bewegungsenergie zurück gewonnen und in die Batterie gespeist, sobald man vom Gas geht oder bremst. Dabei ist die Bordnetz-Technik so konzipiert, dass im Schubbetrieb über den Generator mehr Strom erzeugt wird als üblich. Statt den bekannten 12V werden jetzt 15V erzeugt, siehe Abb. 2.30. Höhere Ströme würden ohne zusätzliche aufwändige Maßnahmen das Bordnetz empfindlich stören. Eine Laderegelung sorgt dafür, dass die Batterie immer aufnahmefähig ist, wenn Strom umsonst erzeugt werden kann. Außerdem steht jetzt beim Beschleunigen die gesamte Motorleistung zur Verfügung, da das Bordnetz in diesem Betriebszustand ausschließlich von der Batterie versorgt wird. Der Generator tritt erst

2.4 Micro-Hybrid

43

wieder in Aktion, wenn der Batterieladezustand unzureichend sein sollte. Eine Steuerung mit einem intelligenten Batteriesensor wacht darüber, dass auch für sicherheitsrelevante Funktionen stets ausreichend Energie vorhanden ist. Sie verhindert zudem eine Überbeanspruchung der Stromversorgung sowie eine komplette Entladung der Batterie und reduziert bei Bedarf die Stromzufuhr für rein komfortrelevante Funktionen. Die intelligente Generatorregelung bewirkt eine Verbrauchsreduzierung um etwa 3 %.

Abb. 2.30. Intelligente Generatorregelung beim Brake-Energy-Regeneration-System von BMW [28]

Während der Startvorgänge muss gewährleistet werden, dass kein Spannungseinbruch im Bordnetz erfolgt, d. h., das Bordnetz muss gestützt werden. Diese Stützfunktion kann z. B. durch einen DC/DC-Wandler erfolgen oder auch durch eine Stützbatterie, siehe Abb. 2.30. Dabei wird während des Startvorgangs der Stromkreis mit Starter/ Generator und Startbatterie über ein Entkoppelungsrelais vom restlichen Bordnetz abgetrennt und dieses von der Stützbatterie versorgt.

Abb. 2.31. Bordnetz-Stützkonzept mit Stützbatterie [29]

44

2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

Selten wird ein Bordnetz mit einem 2. Spannungsniveau, typischerweise 42 Volt, eingesetzt. Micro-Hybridsysteme bilden die erste Stufe der Hybridisierung. Aufwand, Mehrgewicht und Kosten halten sich im Rahmen. Allerdings ist im Stadtverkehr auch nicht mehr als 10 % Energieersparnis zu erwarten. Abb. 2.32 zeigt einen Vergleich eines Start/Stopp-Systems mit einem Micro-Hybrid, Abb. 2.33 den Saturn Vue Greenline als Micro-Hybrid.

Abb. 2.32. Vergleich Start/Stopp-System und Micro-Hybrid

Abb. 2.33. Micro-Hybrid Saturn Vue Greenline

2.5 Mild-Hybrid Beim Mild-Hybridsystem sitzt im Allgemeinen die elektrische Maschine auf der Kurbelwelle zwischen Motor und Getriebe. Meistens wird die Anordnung als Kurbelwellen-Starter-Generator (KSG) ausgeführt. Zusätzlich zur Start/Stopp-Automatik und der Rekuperation erlaubt dieses System auch eine Unterstützung des Verbrennungsmotors beispielsweise in der Anfahr- oder Beschleunigungsphase durch eine so genannte Boost-Funktion. Durch eine entsprechende Ausführung des Elektromotors und den Einsatz von Hochspannungsbatterien (auch Hochvolt-Batterien genannt) wird der Spannungsbereich auf 42 –150 Volt angehoben. Durch die höhere Spannungslage kann mit mehr Leistung operiert werden, wodurch sich die Effizienz beim Rekuperieren stei-

2.6 Full-Hybrid

45

gert als auch die Startzeiten verkürzt werden. Grundsätzlich ist auch eine Lastpunktverschiebung zur Senkung des Verbrauchs und der Emissionen möglich. Die Anordnung der Komponenten sowie der elektrische Aufbau eines Mild-Hybridantriebs sind in Abb. 2.34 dargestellt. Ein ausgeführtes Beispiel in Form des Citroën C4 HDi Hybrid zeigt Abb. 2.35.

Abb. 2.34. Mild-Hybrid. Anordnung der Komponenten und elektrischer Aufbau

Abb. 2.35. Mild-Hybridkonzept des Citroën C4 HDi Hybrid [Quelle PSA]

2.6 Full-Hybrid Full-Hybridfahrzeuge zeichnen sich dadurch aus, dass sie wahlweise rein elektrisch oder nur mit dem Verbrennungsmotor sowie kombiniert angetrieben werden können. Im Vergleich zum Mild-Hybridfahrzeug sind weitere Modifikationen hinsichtlich der Konstruktion notwendig. So sind gegebenenfalls eine zusätzliche Kupplung, eine oder

46

2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

mehrere E-Maschinen mit hoher elektrischer Antriebsleistung sowie eine Hochspannungsbatterie mit einem entsprechenden Energieinhalt notwendig. Um bei Bremsvorgängen einen Großteil der kinetischen Energie speichern zu können, muss die Hochspannungsbatterie auch eine hohe Maximalleistung aufweisen. Durch die hohen elektrischen Leistungen, die in Vollhybriden verbaut werden, steht auch beim Beschleunigen aus niedrigen Drehzahlen ein sehr hohes Drehmoment zur Verfügung. Dies liegt an der typischen Drehmomentcharakteristik von E-Motoren, die das maximale Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen besitzen. Durch die Kombination der Motoren und intelligente Betriebsstrategien können gute Beschleunigungswerte und hoher Fahrspaß bei maximal möglicher Verbrauchseinsparung realisiert werden. Allerdings steigen auch die Systemkomplexität und die Kosten deutlich an. Die Hochspannungsbatterie von Full-Hybridfahrzeugen hat einen Spannungsbereich von ca. 200 – 400 V, das Bordnetz ist konventionell mit 12 V ausgeführt. Auf die Lichtmaschine bzw. den konventionellen Anlasser wird meistens verzichtet. Ein Beispiel eines Full-Hybrid-Antriebskonzeptes mit zusätzlicher Kupplung sowie des elektrischen Aufbaus zeigt Abb. 2.36.

Abb. 2.36. Full-Hybrid. Anordnung der Komponenten und elektrischer Aufbau

2.7 Plug-In-Hybrid Ein Plug-In-Hybrid, auch Plug-In-hybridelektrisches Fahrzeug (PHEF) oder „Steckdosenhybrid“ genannt, ist ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb, dessen Batterie zusätzlich über das Stromnetz extern geladen werden kann. Meist weist es eine größere Batterie als ein reiner Hybrid auf und stellt so eine Mischform zwischen Letzterem und einem Elektroauto dar. Fallweise werden auch bestehende Hybridfahrzeuge mit einer zusätzlichen Batterie und einer Ladeeinheit versehen und so zu einem Plug-In-Hybridfahrzeug erweitert, wie im Fall des Toyota Prius geplant, siehe Abb. 2.37. Während die Hauptantriebsart, nämlich der Elektromotor, durch die Bezeichnung „hybridelektrisch“ festgelegt ist, so ist der zweite Antrieb (der so genannte Range Extender, „Reichweitenvergrößerer“) erst einmal beliebig. Bei aktuellen Modellen und Prototypen ist dies jedoch in der Regel ein konventioneller Verbrennungsmotor. Für die

2.7 Plug-In-Hybrid

47

Zukunft sind allerdings auch Lösungen denkbar, die als zweiten Antrieb zum Beispiel eine Brennstoffzelle besitzen.

Abb. 2.37. Plug-In Prius Konzeptfahrzeug [30]

Plug-In-Hybridfahrzeuge verbinden die Vorteile von Batteriefahrzeugen und Benzinfahrzeugen: Auf kürzeren Strecken und im Stadtverkehr fährt das Auto mit dem elektrischen Antrieb leise, emissionsfrei und sparsam mit Strom aus der Batterie, während durch den zweiten Antrieb (z. B. Verbrennungsmotor) das Auto auch dann noch fährt, wenn die Batterie leer ist und so eine höhere Reichweite möglich wird. Nachteilig sind allerdings die hohen Herstellungskosten, die noch einmal deutlich über denen eines autarken Hybridfahrzeugs liegen, falls sehr große Batterien eingesetzt werden. Plug-In-Hybridfahrzeuge stellen grundsätzlich einen weiteren Schritt der Elektrifizierung in Richtung E-Fahrzeuge dar. Auf Grund der niedrigen spezifischen Speicherkapazität und der hohen Kosten von Batterien ist eine breitere Einführung von reinen Batteriefahrzeugen derzeit noch nicht absehbar und wird sich in nächster Zeit auf Nischenanwendungen beschränken. Die Entwicklung von Plug-In-Hybridfahrzeugen mit Verbrennungsmotor als „Range Extender“ ist daher ein logischer Schritt, da auf diese Weise mit kleineren elektrischen Reichweiten die Batteriekapazitäten und damit die Kosten im Rahmen bleiben und der Verbrennungsmotor je nach Auslegung die gewünschte Funktionalität garantiert. Verschiedene Studien gehen davon aus, dass stark elektrifizierte Fahrzeuge mit Range -Extender bis 2025 eine wichtige Stellung einnehmen werden, siehe Abb. 2.38. Demnach werden nahezu alle Fahrzeuge eine gewisse Hydridisierung aufweisen, wobei der Schwerpunkt im Bereich der Mild-Hybriden mit ihrem günstigen Nutzen-Kosten-Faktor liegen wird. Die derzeit dominierenden FullHybride, meist in Powersplit-Bauform, werden durch stärker elektrifizierte Range-Extender-Fahrzeuge ersetzt. Dies deckt sich auch mit den Anforderungen einer breiten Bevölkerungsmasse, da z. B. mit 30 km Reichweite 85 % der Einzelfahrten bzw. 45 % der täglichen Gesamtfahrtstrecken in Deutschland abgedeckt werden können, siehe Abb. 2.39 und Abb. 2.40. Ausgeführte Systeme erreichen rein elektrische Reichweiten von bis zu 100 km – die Nachladung an der Steckdose je nach Batteriekapazität und Ladezustand dauert bis zu mehreren Stunden. Dabei wird mit Hilfe einer Batterieladeeinheit die 220-V-Wechselspannung des Stromnetzes (Stromtankstelle, Garage, etc.) in eine Gleichspannung für die Hochspannungsbatterie umgewandelt, damit diese geladen werden kann. Für den Kunden ergibt sich zudem ein Kostenvorteil, wenn er Strom zu günstigen Nachttarifen laden kann. Ein Beispiel für einen elektrischen Aufbau zeigt Abb. 2.41.

48

2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

Abb. 2.38. Elektrifizierungsgrad – Vision 2025 [31]

Abb. 2.39. Verteilung der Einzelfahrtdistanzen in Deutschland [31], [32]

Beispiele für Plug-In-Hybridfahrzeuge sind der mittlerweile wieder eingestellte Renault Kangoo Elect‘road sowie sein Nachfolger, der Renault Kangoo Cleanova II, welcher eine speziell entwickelte Antriebseinheit hat, die unter 80 km/h eine serielle und über 80 km/h eine parallele Betriebsweise aktiviert, und mit 60 kW Elektromotor und 40 kW Verbrennungsmotor bessere Fahrleistungen als die konventionellen Varianten hat. Auch DaimlerChrysler hat ein Plug-In-Hybridfahrzeug auf Basis des Kleintransporters Sprinter vorgestellt. General Motors stellte auf der IAA (Internationale Automobil-Ausstellung) 2007 ganz nach dem Messemotto „Sehen, was morgen bewegt“ das Modell Flextreme von Opel und Volt Plug-In-Hybrid von Chevrolet vor, siehe auch Kapitel 6 – Ausgeführte

2.7 Plug-In-Hybrid

49

Hybridkonzepte. Sehr innovativ ist der VW twin Drive, der als kombinierter Hybrid neben dem rein elektrischen Antrieb sowohl eine serielle als auch eine paralelle Betriebsweise erlaubt, siehe Kapitel 6 – Ausgeführte Hybridkonzepte.

Abb. 2.40. Verteilung der täglichen Gesamtdistanzen [31], [33]

Abb. 2.41. Beispiel für den elektrischen Aufbau eines Plug-In-Hybridfahrzeuges

Weiters ist der Volvo Recharge zu nennen, welcher vier Radnabenmotoren besitzt. Diese ersetzen hier sogar die Bremsen, siehe Abb. 2.42. Bei den bislang vorgestellten Plug-In-Hybridfahrzeugen wurde ausgehend von einem „konventionellen“ Hybrid der elektrische Anteil und die Batterie vergrößert sowie der elektrisch gefahrene Geschwindigkeitsanteil erhöht. Im Gegenzug kann der

50

2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

mechanische Antrieb reduziert werden. Ein alternativer Ansatz ist die Ausstattung eines Elektrofahrzeuges mit einer kompakten Range-Extender-Nachladeeinheit zur ausschließlichen Stromerzeugung ohne mechanischen Durchtrieb. Der Vorteil liegt hierbei in einer flexiblen Positionierung der Einheit im Fahrzeug sowie der kompromissloseren Auslegung und Optimierung des Verbrennungsmotors auf z. B. einen „Einpunktbetrieb“. Neben konventionellen Verbrennungsmotoren kommen als Range-Extender auch 2-Takt-Motoren, Rotationskolbenmotoren, Brennstoffzellen etc. in Frage. Abb. 2.43 zeigt ein Konzept von einem Range-Extender-Modul mit Wankelmotor von AVL – Abb. 2.44 und Abb. 2.45 den zugehörigen Wankelmotor.

Abb. 2.42. Antriebsstrang des Volvo Recharge

Abb. 2.43. Range Extender („GS20“) – Wankelmotor-Modul [31]

2.7 Plug-In-Hybrid

Abb. 2.44. Range Extender („GS20“) – Wankelmotor [31]

Abb. 2.45. Schnittmodell eines Range-Extenders mit Wankelmotor von AVL

51

52

2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

2.8 Zusammenfassung – Hybridsysteme Zusammenfassend kann gesagt werden, dass sowohl serielle als auch parallele Hybridkonzepte ihre Vor- und Nachteile besitzen und dass letztendlich Fahrprofil und äußere Randbedingungen, wie Abgas- und Steuergesetzgebung, die Auswahl bestimmen werden. Gemischthybride können die Vorteile beider Systeme kombinieren, sind aber nochmals aufwendiger und gestalten sich durch die Umschaltmöglichkeiten regeltechnisch schwieriger. In Hinblick auf den Hybridisierungsgrad bzw. Klassifizierung kann gesagt werden, dass Start/Stopp-Systeme zukünftig verstärkt angeboten werden und mittelfristig zum Standard bei konventionellen Fahrzeugen werden. Micro-Hybridkonzepte bieten auf Grund der begrenzten Batterie-Leistung und Kapazität nur einen geringen Mehrwert, allerdings sind sie äußerst attraktiv in Bezug auf Kosten und damit die am leichtesten zu realisierende Hybridvariante. Dagegen besitzt der Mild-Hybrid bei etwas höheren Kosten bereits ein erhebliches Einsparpotenzial. Diese Antriebsart kann auch mit entsprechendem Aufwand in vorhandene Fahrzeugkonzepte integriert werden, während für Voll-Hybride deutlich mehr Entwicklungsaufwand (Neuentwicklung) von Nöten ist. Der einfachste Ansatz des Mild-Hybrid ist der so genannte Starter-Generator, der den Anlasser und die Lichtmaschine in einem Elektromotor zusammenfasst und an den Antriebsstrang anbindet. Full-Hybridfahrzeuge benötigen zusätzliche Kupplungen oder E-Maschinen und entsprechend höhere elektrische Leistungen. Dafür bieten sie deutlich mehr Potenzial in Bezug auf Verbrauchs- und Emissionsabsenkung und ermöglichen zusätzliche Funktionalitäten wie elektrisches Fahren.

Abb. 2.46. Gegenüberstellung des Verbrauchsverbesserungspotenzials, des Fahrspaßfaktors und der Kosten über der installierten elektrischen Leistung [34]

Plug-In-Hybride versuchen, den Kraftstoffverbrauch weiter zu senken, indem die Batterien nicht mehr ausschließlich durch den Verbrennungsmotor, sondern zusätzlich

2.8 Zusammenfassung – Hybridsysteme

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am Stromnetz aufgeladen werden. Hierzu wird die Batteriekapazität weiter vergrößert, wodurch die Kosten allerdings noch stärker ansteigen. Bei passender Reichweite können die üblichen Wegstrecken so im ausschließlichen Elektrobetrieb zurückgelegt werden, während der Verbrennungsmotor lediglich für größere Strecken benötigt wird. Nachdem ein starker Ruf nach E-Fahrzeugen herrscht, diese aber mittelfristig für breite Anwendungszwecke nicht verfügbar sind, besitzen Plug-In-Hybridfahrzeuge eine gute Chance, diese Lücke zu schließen. Eine Gegenüberstellung des Verbrauchsverbesserungspotenzials, des Fahrspaßfaktors und der Kosten über der installierten elektrischen Leistung wird in Abb. 2.46 gegeben. Die Kosten steigen vor allem auf Grund der elektrischen Energiespeicher kontinuierlich mit der installierten Leistung an. Der schraffierte Bereich gibt das erwartete Potenzial zur Kostenreduktion mit verbesserten Technologien und höheren Stückzahlen an. Beim Verbrauchsverbesserungspotenzial und dem „Fun-to-Drive“-Faktor zeigt sich ein gewisser Trade-Off. Wird die Hybridtechnologie konsequent zur Verbrauchsverbesserung eingesetzt, ist keine Hebung des Fahrspaßfaktors möglich sowie vice versa. Das Bild zeigt auch, dass für untere Mittelkassefahrzeuge ein Leistungsbereich von 15 bis 20 kW sinnvoll ist. Dies wird nahvollziehbar, wenn man die durchschnittliche erforderliche Antriebsleistung für ein entsprechendes Fahrzeug über der Geschwindigkeit betrachtet, siehe Abb. 2.47. Abgesehen von stärkeren Beschleunigungsvorgängen und Steigungen reicht eine Antriebsleistung von weniger als 10 kW für den Vortrieb aus.

Abb. 2.47. Antriebsleistung über der Geschwindigkeit [34]

Eine Auswertung von diversen Hybridfahrzeugen, die am Markt angeboten wurden oder werden bzw. die als Prototypen ausgeführt wurden, zeigt, über welchen Leistungsbereich sich die elektrischen und verbrennungsmotorischen Antriebe erstrecken, siehe Abb. 2.48. Dabei ist auch deutlich die leistungsbezogene Aufteilung in Micro-, Mild- und Full-Hybridfahrzeuge ersichtlich. Demnach wurde bislang eher an Full-

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2 Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

Hybridfahrzeugen gearbeitet als an Micro- und Mild-Hybriden. Allerdings sind für die nahe Zukunft sehr viele Micro-Hybridfahrzeuge angekündigt, bzw. geben verschiedene Hersteller an, dass alle ihre neue Fahrzeuggenerationen Start/Stopp-Systeme aufweisen werden.

Abb. 2.48. Leistung der verbauten elektrischen und verbrennungsmotorischen Antriebe in ausgeführten Hybridfahrzeugen

Kapitel 3

Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen Da jede zusätzliche Technologie, die in ein Fahrzeug eingebaut und integriert wird, die Komplexität und Kosten erhöht, muss ein entsprechender Mehrwert diesem Aufwand gegenüberstehen. Die Motivation, ein Hybridfahrzeug zu bauen, liegt im Wesentlichen an der Zielsetzung, Verbesserungen in Bezug auf: – Kraftstoffverbrauch bzw. Wirkungsgrad – Emissionen – Funktionalität zu erreichen oder gesetzlichen Rahmenbedingungen zu entsprechen. Diese technischen und legislativen Aspekte werden von einer Vielzahl an unterschiedlichen Kriterien und Anforderungen überlagert, die wesentlich die letztendliche Entscheidung beeinflussen. Anbei eine kurze Auflistung der wichtigsten zu berücksichtigenden Einflussfaktoren: – Kosten/Konkurrenzfähigkeit – Imagegewinn (Innovationsgehalt, Werbung für die Marke, ...) – Strategien der Hersteller (OEM oder Zulieferer) – Marktanalysen, Prognosen – Gesellschaftspolitische Perspektive – Zielmärkte (Berücksichtigung der Unterschiede bei verschiedenen Zielmärkten) – … Entscheidungen zur Serienentwicklung für Hybridfahrzeuge bergen ein enormes Risiko, da sie sehr viel Kapital und Entwicklungskapazitäten binden und sich die Richtigkeit der Entscheidung unter Umständen erst nach vielen Jahren zeigt.

3.1 Gesetzliche Rahmenbedingungen Gesetzliche Rahmenbedingungen können sehr viel stärker als technische Aspekte die Einführung von neuen Technologien forcieren oder auch verhindern. Insbesondere werden im Folgenden die für Hybridfahrzeuge relevanten gesetzlichen Situationen in den verschiedenen Bereichen der Erde dargestellt. Abb. 3.1 zeigt schematisch die Abgasgesetzgebung seit „Katalysator-Einführung“ in Europa und den USA. Vorschriften, die Fahrzeuge betreffen, sollen wegen der internationalen Bedeutung dieser Industrie möglichst weiten Geltungsbereich haben, daher besteht seit langem die Tendenz, nur wenige, aber universelle Regelungen zu schaffen. Eine für Europa, aber auch Länder anderer Kontinente wichtige reglementierende Instanz bildet die „Economic Commission for Europe“ (ECE). Die Wirtschaftskommission für

56

3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

Europa der Vereinten Nationen ist eine der fünf regionalen Wirtschaftskommissionen der Vereinten Nationen und wurde 1947 durch den UN-Wirtschafts- und Sozialrat (ECOSOC) mit dem Ziel gegründet, die wirtschaftliche Zusammenarbeit der Mitgliedsländer zu fördern. Die Hauptaufgabe sieht die Kommission darin, Regelungen auszuarbeiten, die die Zusammenarbeit unter ihren Mitgliedstaaten erleichtern. Dies geschieht durch Empfehlungen, auch als ECE-Regelungen bezeichnet, siehe dazu Abb. 3.1, die Richtliniencharakter haben und in nationale Gesetzgebungen Eingang finden.

Abb. 3.1. Schematische Darstellung der Abgasgesetzgebung seit „Katalysator-Einführung“

Der ECE-Stadtzyklus wurde bereits 1960 definiert. Die ECE-15-Regelung (ECE R 15/00) wurde 1970 erlassen, mit ihr wurden erstmals Abgasgrenzwerte für PKW, damals in 9 Gewichtsklassen, definiert. Diese Grenzwerte wurden im Jahre 1971 als EWG-Richtlinie 70/220/EWG in Kraft gesetzt. Die ersten Grenzwerte bezogen sich nur auf Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC). NOx wurde erst mit ECE R 15/02 limitiert. Die letzte Modifikation der ECE-15-Regelung erfolgte 1981 im Rahmen der ECE R 15/04, übernommen 1983 als 83/351/EWG. Ab dieser Version fand das ConstantVolume-Sampling-Verfahren (CVS) Eingang als Messprozedur, HC und NOx wurden als Summenwert erfasst, die Zahl der Gewichtsklassen wurde auf 7 reduziert. Für Dieselfahrzeuge galt die Regelung ECE R 24/00 ab 1971, bis ECE R 24/03 ab 1986 hinsichtlich der sichtbaren Emissionen. 1989 schließlich wurde die Reihe der ECE-Regelung 83 wirksam, beginnend mit ECE R 83/00 bis zur letzten Überarbeitung im Jahr 2001 der ECE R 83/05. Mit ihr wurden Otto- und Dieselmotoren in einer Norm zusammengefasst. Der Prüfzyklus wurde um einen Überlandteil (EUDC) erweitert. Die Partikelmessung wurde eingeführt. In der ersten Fassung gab es eine Unterscheidung nach 3 Hubraumklassen, später wurde nur mehr nach Fahrzeug-Gewichtskategorien unterteilt: Zur Personenbeförderung: M1: bis 8 Sitzplätze exklusive Fahrer bis 2500 kg Gesamtgewicht sowie 6 bis 8 Plätze über 2500 kg M2: über 8 Sitzplätze exklusive Fahrer bis 5000 kg Gesamtgewicht Leichte Nutzfahrzeuge (LDT): N1: bis 3500 kg Gesamtgewicht, zusätzlich unterteilt in 3 Gewichtsklassen N2: bis 12000 kg Gesamtgewicht

3.1 Gesetzliche Rahmenbedingungen

57

Schritt für Schritt wurden Kaltstart- und Kurbelgehäuseemissionen begrenzt, Dauerhaltbarkeitsvorschriften erlassen, On-Board-Diagnose und Regenerationsverhalten von Abgasnachbehandlungssystemen definiert, alternative Treibstoffe berücksichtigt und vieles mehr. Die Entwicklung der EU-Richtlinien erfolgte in enger Abstimmung mit der ECE83-Regelung, siehe Abb. 3.1. So korrespondiert: • ECE R 83/00 mit der Richtlinie 88/76/EWG. • EURO 1 respektive EC 93 umfasst gemäß Richtlinie 91/44/EWG die Regelung ECE R 83/01 für PKW und gemäß Richtlinie 93/59/EWG die Regelung ECE R 83/02 für schwere PKW und LDT. • EURO 2 respektive EC 96 umfasst gemäß Richtlinie 94/12/EU die Regelung ECE R 83/03 und gemäß Richtlinie 96/69/EU die Regelung ECE R 83/04. • EURO 3 respektive EC 00 korrespondiert gemäß Richtlinie 98/69/EU mit der Regelung ECE R 83/05. • EURO 4 respektive EC 05 korrespondiert gemäß Richtlinie 03/76/EU mit der Regelung ECE R 83/05. Die USA hat parallel zu den ECE-Regelungen eigene EPA- (Environmental Protection Agency) Vorschriften ausgearbeitet, Tier 0 ab 1987 bis Tier 2 ab 2004. In dieser Regelung sind Emissionsklassen definiert, die als „BIN“ bezeichnet werden, siehe nächstes Kapitel. Das California Air Resources Board (CARB) hat ein über die EPA-Forderungen hinausgehendes Regelwerk geschaffen, wie ebenfalls im folgenden Kapitel genauer ausgeführt ist. Neben der Abgasgesetzgebung sind auch Verbrauchsvorschriften in Hinblick auf die Einführung von Hybridfahrzeugen von großer Bedeutung.

3.1.1 Situation in Kalifornien/USA Da sich die weltweite Entwicklung von alternativen Antriebssystemen an der kalifornischen Gesetzgebung orientierte, ist es wichtig, die Geschichte dieser Regelungen kennen zu lernen und zu verstehen. Ausgangspunkt waren Emissions- gefolgt von Verbrauchsvorschriften: Verkehrsbedingte Smog-Wetterlagen sind in Kalifornien ein schon seit 50 Jahren bekanntes und gefürchtetes Phänomen. Im Herbst 1955 beispielsweise wurden in Los Angeles an alle Motorradkuriere der Rapid Blueprint Company Gasmasken verteilt, um diese Mitarbeiter vor gesundheitlichen Schäden zu bewahren. Kurz darauf erließen die lokalen Behörden die ersten Programme zur Luftreinhaltung. Die Emissionsvorschriften wurden seither laufend verschärft, aber der Automobilverkehr im South Coast Air Basin ist nach wie vor für etwa 50 % aller lokalen, Ozon bildenden Emissionen verantwortlich. So kam es im Jahr 1995 im South Coast Basin an insgesamt 153 Tagen zu einer Überschreitung des bundesstaatlichen Grenzwertes für Ozon. Tendenziell kann in den letzten Jahren eine Verbesserung der Ozonbelastung festgestellt werden – trotzdem ist das grundsätzliche Problem aber ungelöst.

58

3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

Angesicht dieser Probleme wird klar, warum Kalifornien bei der nachhaltigen Verringerung von verkehrsbedingten Emissionen eine Vorreiterrolle spielt. Gesetzgeber, aber auch Automobilproduzenten der ganzen Welt schauen auf den Modellfall Kalifornien, um daran zu lernen, ob die gesetzten Maßnahmen mögliche Wege aus der Problematik der verkehrsbedingten Luftschadstoffe aufzeigen. In den USA reagierte man auf die Luftverschmutzung im Jahre 1963 mit dem „Clean Air Act“. Das Gesetz wurde seither mehrmals verschärft (sog. Amendments). Darin wird neben der Verbesserung der konventionellen Fahrzeugantriebe die Entwicklung von Elektrofahrzeugen und von Antrieben mit alternativen, emissionsärmeren Treibstoffen (LPG, CNG) forciert. Ferner werden Flottenbetreiber (Regierung, Stadtwerke, private Flotten) auf Bundesebene durch den so genannten „Energy Policy Act“ (EPAct) praktisch gezwungen, alternative Fahrzeuge beim Neukauf in einem steigenden Verhältnis zu berücksichtigen. Die kalifornischen Programme zur Einführung emissionsarmer Antriebe gehen über die gesamtstaatlichen Anforderungen hinaus. Das in Europa bekannteste ist das „California Low Emission Vehicle Program“ (LEV-Program) aus dem Jahr 1990. Dieses gilt allerdings nicht mehr nur für Kalifornien, sondern wurde von einer Reihe anderer Bundesstaaten übernommen. Das California Air Resources Board (CARB), welches das Programm eingeführt hat und die Einhaltung überwacht, verwendet zur Zertifizierung und Klassifizierung die folgenden Emissionsstandards: – Transitional Low Emission Vehicle (TLEV1) – Low Emission Vehicle (LEV1) – Ultra Low Emission Vehicle (ULEV1) – Zero Emission Vehicle (ZEV1) Dabei nehmen die zulässigen Werte der limitierten Emissionen vom TLEV1-Standard zum ULEV1-Standard kontinuierlich ab bis hin zum reinen Elektrofahrzeug (ZEV1Standard). Nach dem Programm sollten größere Fahrzeughersteller mit Verkaufszahlen von mehr als 35.000 Neufahrzeugen pro Jahr ihre Anteile von Fahrzeugen mit LEV1-, ULEV1-, und ZEV1-Standard kontinuierlich steigern, siehe Abb. 3.2. Demnach sollten bereits 1998 2 % und bis 2003 jährlich 10 % Zero Emission Vehicles verkauft werden. Für Hersteller mit kleinerem Produktionsvolumen (< 35.000 Einheiten/Jahr) galt die Produktionspflicht für ZEVs erst ab 2003. Da die Batterieentwicklung diesen anspruchsvollen Vorgaben nicht folgen konnte, wurden die strengen Vorgaben des Programms in mehreren Verhandlungsrunden immer wieder aufgeweicht und neue Werte festgesetzt bzw. die Einführungstermine verschoben. 1998 wurde das Programm auf den LEV-II-Standard adaptiert, womit gleichzeitig die Tier-1-Norm und die TLEV1-Kategorie entfielen sowie die SULEV2-Kategorie neu eingeführt wurde, siehe Abb. 3.1 (SULEV = Super Ultra Low Emission Vehicle). Bei dieser Kategorie werden auch die Abdampfemissionen miteinbezogen (Sealed Housing for Evaporative Emission Determination – Shed test). Auch beim LEV-II-Standard wurden bereits einige Amendments (Abänderungen, Novellen) beschlossen. Derzeit gilt eine Quotenregelung, die auch als ZEV-Mandat bezeichnet wird. Hersteller, die

3.1 Gesetzliche Rahmenbedingungen

59

mehr als 60.000 Light- und Medium-Duty-Fahrzeuge pro Jahr in Kalifornien verkaufen, müssen eine bestimmte Quote der verkauften Fahrzeuge als ZEVs erfüllen. Um die geforderte Quote von ZEVs leichter erreichen zu können, wurde beschlossen, dass Fahrzeuge mit sehr geringen durchschnittlichen Abgaswerten, z. B. Hybridfahrzeuge, bis zu bestimmten Prozentsätzen als ZEVs anerkannt werden können. Diese Fahrzeuge werden in Abhängigkeit ihres Elektrifizierungsgrades in diverse Standards unterteilt (Bronze-, Silber-, Silber-Plus- und Gold-Standard) und weisen unterschiedliche Bewertungsfaktoren, sog. Kredits, bei der Berechnung als ZEVs auf.

Abb. 3.2. Geforderter Prozentsatz von Fahrzeugen der verschiedenen Kategorien ab Modelljahr 1994

Insgesamt wurden folgende Kategorien im LEV-II-Standard definiert: – Low Emission Vehicle (LEV2) – Ultra Low Emission Vehicle (ULEV2) – Super Ultra Low Emission Vehicle (SULEV2) – Zero Emission Vehicle (ZEV2) mit den Unterkategorien – PZEV (Partial Zero Emission Vehicle): hält die SULEV-Emissionswerte ein, hat keine Verdampfungsemissionen und erfüllt OBD-Anforderungen über 150.000 Meilen: Bronze-Standard – AT-PZEV (Advanced Technology Partial Zero Emission Vehicle): früher Equivalent Zero Emission Vehicle (EZEV) genannt: hält PZEV ein und hat ZEVKomponenten, wie z. B. bei Hybridfahrzeugen den Elektroantrieb. (Auch optimierte Erdgasfahrzeuge können so eingestuft werden): Silber-Standard – Enhanced AT-PZEV: Diese Fahrzeuge sind definiert als PZEVs, besitzen einen Kredit von mindestens 1 und können mit einem Kraftstoff betrieben werden, der für ZEVs in Frage kommt (Plug-In-Hybridfahrzeug, H2-VerbrennerFahrzeug): Silber-Plus-Standard – ZEV: Diese Fahrzeuge weisen keine Abgasemissionen auf (d. h. batterie- oder wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenfahrzeuge). Eine Zuheizung ist zulässig, wenn sie nur bei Umgebungstemperaturen unter 4 °C arbeitet und die

60

3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

Emissionen maximal auf ULEV-Niveau liegen. Entsprechend ihrer spezifischen Eigenschaften werden diese in 8 Kategorien unterteilt: – NEV (Neighborhood Electric Vehicle) auch als „Low-speed Neighborhood Electric Vehicle“ definiert. Batteriebetriebenes Kleinstfahrzeug mit bis zu 35 km/h Höchstgeschwindigkeit: Silber-Plus-Standard – Type 0: Utility Low-range Battery Electric Vehicle, Elektrofahrzeug mit weniger als 50 Meilen Reichweite: Silber-Plus-Standard – Type I: Mid-range „City Electric Vehicle“, Elektrofahrzeug mit 50 bis 75 Meilen Reichweite: Gold-Standard – Typ 1,5: Elektrofahrzeug mit 75 bis 100 Meilen Reichweite (elektrisches Stadtfahrzeug): Gold-Standard – Type II: Full Function Battery Electric Vehicle, Elektrofahrzeug mit 100 bis 200 Meilen Reichweite: Gold-Standard – Type III: Brennstoffzellenfahrzeug mit Schnellbefüllung ( 10 min) und mehr als 100 Meilen Reichweite oder batterieelektrisches Fahrzeug mit mehr als 200 Meilen Reichweite: Gold-Standard – Typ IV: Ein Typ-IV-Fahrzeug muss innerhalb von 15 Minuten so viel Energie tanken können, um damit mindestens 190 Meilen im UDDS-Cityzyklus (Urban Dynamometer Driving Schedule) zurücklegen zu können: GoldStandard – Typ V: Ein Typ-V-Fahrzeug muss innerhalb von 15 Minuten so viel Energie tanken können, um damit mindestens 285 Meilen im UDDS-Cityzyklus zurücklegen zu können: Gold-Standard Tabelle 3.1. Mindest-ZEV-Quoten für Hersteller, die mehr als 60.000 Light- und Medium-DutyFahrzeuge pro Jahr in Kalifornien verkaufen Modelljahr

Geforderte Gesamtquote PKW+LDT1

LDT2

Mindestanforderung

PZEVs

Typ I-V ZEVs GoldStandard

Enhanced AT-PZEVs, Typ 0 ZEVs, NEVs Silber-PlusStandard

AT-PZEVs SilberStandard

BronzeStandard

6,05 %

2009

11 %

5,61 %

2,475 %

–

2,475 %

2010

11 %

7,48 %

2,475 %

–

2,475 %

6,05 %

2011

11 %

9,35 %

2,475 %

-

2,475 %

6,05 %

2012 – 2014

12 %

12 %

0,79 %

2,21 %

3%

6%

2015 – 2017

14 %

14 %

3%

3%

2%

6%

Ab MJ 2018

16 %

16 %

5%

2,5 %

2,5 %

6%

Tabelle 3.1 zeigt die Mindest-ZEV-Quoten für Hersteller, die mehr als 60.000 Light- und Medium-Duty-Fahrzeuge pro Jahr in Kalifornien verkaufen, in Abhängigkeit vom Modelljahr und dem Standard der Fahrzeuge. Der Anteil von ZEVs an PKW und Light-Duty-1-Fahrzeugen muss von mindestens 10 % für die Modelljahre 2005 – 2008 auf mindestens 16 % für die Modelljahre ab 2018 ansteigen. Ab dem Mo-

61

3.1 Gesetzliche Rahmenbedingungen

delljahr 2008 werden auch LDT2 mit einbezogen. Wird die Quote für einen Standard nicht erfüllt, kann sie durch einen höheren Standard abgedeckt werden. Bei Nichterfüllung der vorgegebenen Ziele sind Strafzahlungen zu leisten. Bei der Berechnung der ZEV-Quote besitzen die 8 verschiedenen Kategorien von ZEVs in Abhängigkeit ihrer Reichweite und dem Modelljahr eine unterschiedliche Anzahl von Krediten (Mehrfachkredite), d. h., diese Fahrzeuge werden mehrfach gezählt, siehe Tabelle 3.2. Tabelle 3.2. ZEV-Kredite der einzelnen Kategorien in Abhängigkeit der emissionsfreien Reichweite und dem Modelljahr Kategorie

ZEV-Kredite

emissionsfreie Reichweite

MJ 2005 – 2008

MJ 2009 – 2017

Ab MJ 2018

NEV

–

0,15

0,3

0,3

Typ 0

< 50 Meilen

1,5

1

1

Typ I

50 –74 Meilen

7

2

2

Typ 1,5

75 – 99 Meilen

–

2,5

2,5

Typ II

ab 100 Meilen

10

3

3

Typ III

ab 100 Meilen

40

4

3

Typ IV

ab 200 Meilen

–

5

3

Typ V

ab 300 Meilen

–

7

3

Alternativ zu diesen Mindestquoten aus Tabelle 2.1 kann für die Modelljahre 2009 bis 2011 eine alternative Option gewählt werden. Danach müssen mindestens 0,82 % der jährlich verkauften Fahrzeuge (PKW und LDT1) H2-Brennstoffzellenfahrzeuge oder Batterieelektrofahrzeuge sein (Typ ZEV III). Die restlichen Gold-Standard-Anforderungen können durch AT-PZEVs abgedeckt werden. Die Typ-III-ZEVs können wiederum nach folgendem Schlüssel durch andere ZEV-Typen abgedeckt werden: 1 Typ-III-ZEV entspricht 2 Typ-IZEVs oder 1,6 Typ-1,5-ZEVs oder 1,33 Typ-IIZEVs oder 0,0 Typ-IV-ZEVs oder 0,57 Typ-V-ZEVs. Wie aus Tabelle 2.1 ersichtlich, dürfen große Hersteller 6 % der Neuzulassungen durch PZEV-Fahrzeuge abdecken. Dabei ist zu berücksichtigen, dass PZEVs nur einen ZEV-Kredit von 0,2 (Basisgutschrift) besitzen. Kleine Hersteller (weniger als 60.000 verkaufte Fahrzeuge pro Jahr in Kalifornien) dürfen die gesamte ZEV-Quote durch PZEV-Fahrzeuge abdecken. PZEV-Fahrzeuge, die bestimmte fortschrittliche Technologien aufweisen – so genannte Advanced-Technology-PZEVs (Silber-Standard), erhalten zusätzlich zur Basisgutschrift von 0,2 eine Gutschrift in Abhängigkeit der eingesetzten Technologie (z. B.: Hybridfahrzeuge, Gasfahrzeuge, H2-Verbrennerfahrzeuge). Die Gutschriften dürfen exklusive der Basisgutschrift maximal 3,0 Kredite betragen. Die Tabelle 3.3 zeigt die besonders für Hybridfahrzeuge relevante Verteilung der Kredite für fortschrittliche Technologien. Fahrzeuge, die ausschließlich mit gasförmigen Kraftstoffen betrieben werden (Gasfahrzeuge), erhalten eine zusätzliche Gutschrift von 0,4, wenn sie mit einem Druck von mindestens 3600 psi (Ⳏ 248 bar) betankt werden können. Für wasserstoffbetrie-

62

3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

bene Fahrzeuge beträgt die Gutschrift 0,5, wenn sie mit einem Druck von mindestens 5000 psi (Ⳏ 345 bar) betankt werden können. Tabelle 3.3. Kredite für fortschrittliche Technologien Typ C

Typ D

Typ E

Typ F

Typ G

Spezifische Hybrideigenschaften (Grundvoraussetzung: Boost-Funktion, Rekuperation, Start/StoppFunktion) Spitzenleistung E-Antrieb bzw. EAERa

 10kW

 10kW

 50kW

EAER  10 Meilen (UDDS)

EAER  10 Meilen (US06)

Spannung Antriebssystem

< 60 Volt

 60 Volt

 60 Volt

 60 Volt

 60 Volt

Gutschrift (zusätzlich zur Basisgutschrift)

a

MJ 2003 – 2011

0,2

0,4

0,5

0,72

0,95

MJ 2012 – 2014

0,15

0,35

0,45

0,67

0,9

Ab MJ 2015

0,1

0,25

0,35

0,57

0,8

EAER = rein elektrische Reichweite (Equivalent All-Electric Range) im UDDS- oder US06-Zyklus

Ein weiterer Bonus kann erzielt werden, wenn das Fahrzeug mehr als 10 Meilen emissionsfrei fahren kann. Die Gutschrift berechnet sich aus der äquivalenten rein elektrischen Reichweite (Equivalent All-Electric Range im UDDS-Zyklus, EAER) sowie der effektiven Batterieladungsreichweite (Charge Depletion Range actual, Rcda). Die effektive Batterieladungsreichweite ist jene Distanz im UDDS-Zyklus, die zurückgelegt werden kann, bis diejenige Energie aus der Batterie entnommen ist, die von der externen Ladung bzw. der Rekuperation kommt. Daraus abgeleitet wird der Faktor: UFRcda (Utility Factor). EAER  10 Meilen und Rcda zwischen 10 und 40 Meilen: (3-1)

EAER  10 Meilen und Rcda  40 Meilen: (3-2) Darüber hinaus kann eine weitere Gutschrift für den Betrieb mit „sauberen Kraftstoffen“ erreicht werden. Voraussetzung dafür ist, dass die kraftstoffbezogenen NMOG(Non Methan Organic Gases) Emissionen höchstens 0,01 g/Meile betragen. Der Wert umfasst alle Emissionen der Kraftstoffherstellung und -verteilung. Der Bonus beträgt maximal 0,3 in Abhängigkeit von der mit dem sauberen Kraftstoff zurückgelegten Laufleistung.

63

3.1 Gesetzliche Rahmenbedingungen

Insgesamt lässt sich aus dieser Gesetzgebung für die Praxis ableiten, dass ein wesentlicher Anteil von Hybridfahrzeugen zur Erfüllung der Vorschriften praktisch zwangsweise erforderlich ist, solange reine Batteriefahrzeuge mit ihrer Reichweite rasch an die Grenze stoßen und Brennstoffzellenfahrzeuge noch nicht in geeigneter Weise zur Verfügung stehen. Die generelle PKW-Emissionsgesetzgebung für die USA, gültig in 2009, stellt sich wie in Tabelle 3.4 gezeigt dar. Bislang gab es in der „alten“ Norm Tier 1 für jeden Schadstoff einen Grenzwert. Für Tier 2 wurden die Grenzwerte in 10 PKW- bzw. 11 HLDT- (Heavy Light-Duty Truck – haben 6001 lbs bis 8500 lbs Gesamtgewicht) Emissionsstandards (Bins) aufgeteilt. Bin 11 bis Bin 9 sind Interim-Bins, die nur bis 2007 galten. Nach Einführung von Tier 2 in 2004 mussten bereits mindestens 25 % der neu zugelassenen PKW und LLDT (Light Light-Duty Truck – Gesamtgewicht ≤ 6000 lbs) nach dem „endgültigen“ Tier-2-Standard (Tier 2 final) zertifiziert werden. Die anderen 75 % durften noch nach einem Zwischenstand (Tier 2, interim) zugelassen werden. Die Phase-In-Regelung sah vor, dass jedes Jahr zusätzlich 25 % der Fahrzeuge der „endgültigen“ Tier-2-Norm entsprechen mussten. Seit 2007 ist die Tier-2-Norm für PKW und LLDT vollständig eingeführt. Für HLDT/MDPV (Medium-Duty Passenger Vehicle – 6001 lbs bis 10.000 lbs Gesamtgewicht) ist das Phase-In im Jahr 2009 beendet. Ähnliches gilt für Kalifornien, wo im gleichen Zeitraum vergleichbar von LEV auf LEV II gewechselt wurde, siehe Abb. 3.1. Für den Flottendurchschnitt eines Fahrzeugherstellers werden im Bereich der EPAGesetzgebung die NOx-Emissionen herangezogen. Darin unterscheidet sich die Berechnung von den CARB-Bestimmungen, die für den Flottendurchschnitt die NMOGEmissionen zugrunde legt. Tabelle 3.4 zeigt beispielhaft für die derzeit höchste noch zugelassene Emissionsstufe Bin 8 in den USA die Werte sowie die verschiedenen Emissionsstandards in Kalifornien: Tabelle 3.4. Derzeit (2009) gültige Emissionsgesetzgebung für die USA bei 50.000 Meilen sowie Emissionsstandards in Kalifornien bei 50.000 bzw. 120.000 Meilen Vehicle [g/mi]

CO

Tier II (Bin 8)

3,4

c

NMOG a

NOx

PM b

HCHO

0,1

0,14

0,02

0,015

LEV II (California) LEV2 50.000 mi.

3,4

0,075

0,05

0,01

0,015

ULEV2

1,7

0,04

0,05

0,01

0,008

SULEV 120.000 mi.

1,0

0,01

0,02

0,01

0,004

ZEV

0

0

0

0

0

NMOG: Non Methane Organic Gases sind nicht oxidierte Kohlenwasserstoffe mit bis zu 12 Kohlenstoffatomen und oxidierte Kohlenwasserstoffe (Alkohole, Ketone, Aldehyde, Ester etc) mit weniger als 6 Kohlenstoffatomen. b Nur Diesel bei 120.000 miles. c Flottendurchschnitt bei Tier II für NOx von 2004 bis 2006 0,3 [g/mi] dann 0,07 [g/mi].

a

Schließlich gilt ab 2010 die folgende Tabelle 3.5 für Fahrzeuge bis 8.500 lbs GVW (gross vehicle weight) bei allgemein gültigen 120.000 Meilen. Ab 2009 muss der Durchschnitt der Flotte die Bin-5-Werte unterschreiten.

64

3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

Tabelle 3.5. Emissionsgesetzgebung ab 2010 für die USA (gesamt) g/mi bei 120.000 Meilen NMOG Bins

CO

NOx

PM

HCHO

Tier II: U.S. federal emission standards

8

0,125

4,2

0,2

0,02

0,018

7

0,09

4,2

0,15

0,02

0,018

6

0,09

4,2

0,1

0,01

0,018

5

0,09

4,2

0,07

0,01

0,018

4

0,07

2,1

0,04

0,01

0,011

3

0,055

2,1

0,03

0,01

0,011

2

0,01

2,1

0,02

0,01

0,004

1

0

0

0

0

0

Flottendurchschnitt

0,07 California LEV II emission standards

LEV2

0,09

4,2

0,07

0,01

0,018

ULEV2

0,055

2,1

0,07

0,01

0,011

SULEV

0,01

1

0,02

0,01

0,004

0

0

0

0

0

ZEV Flottendurchschnitt abnehmend 2007/2010

0,043/0,035

Die Hersteller können ihre Fahrzeuge in USA nach Bin 1 bis 8 bzw. in Kalifornien nach einem der Standards (LEV, ULEV, SULEV und ZEV) zertifizieren. Die Anzahl der verkauften Fahrzeuge, die nach einem der Standards zertifiziert worden sind, werden dadurch reguliert, dass in USA der NOx-Flottendurchschnittswert von 0,07g/mile bzw. Bin 5 und in Kalifornien ein Flotten-NMOG-Wert (g/mile) eingehalten werden muss, siehe Abb. 3.3. Zusätzlich zu den erwähnten Prozeduren verlangt die kalifornische Gesetzgebung noch die Einhaltung von CO-Kaltstart-Emissionslimits (10g/mile bei –7° SULEV) und von Limits bei Abdampfemissionen (SHED-Tests). Neben der Limitierung der Schadstoffemissionen wurde 1975 auf Grund der Ölkrise von 1973 –74 auch eine Flottenverbrauchsbeschränkung, der so genannte Corporate Average Fuel Economy (CAFE) Standard, in Kraft gesetzt. Die Reglementierung bezieht sich jeweils auf den Flottenverbrauch aller Fahrzeuge eines Herstellers. Das Ziel war seinerzeit, die Effizienz der Fahrzeuge bis 1985 zu verdoppeln. Seitdem sind die Vorgaben nahezu unverändert. In den USA wird der Verbrauch in Meilen pro Gallone Kraftstoff (mpg) gemessen: (3-3) Für jede Zehntelmeile Reichweite unter dem erlaubten Schnitt beträgt die Strafe 5,50 Dollar. Sie wird mit der Zahl der verkauften Fahrzeuge multipliziert. Als Zielverein-

3.1 Gesetzliche Rahmenbedingungen

65

barungen zur Begrenzung des Neuwagen-Flottenverbrauchs in den USA – gilt derzeit nach dem CAFE (Corporate Average Fuel Economy) Standard: Für Personenwagen: 27,5 mpg = 8,6 L/100 km Für SUV, Pick-ups usw. (ab 2010) 23,5 mpg = 10,01 L/100 km

Abb. 3.3. Flotten-NMOG-Wert (g/mile) in Kalifornien

Der Kraftstoffverbrauch wird ebenso wie die Abgasemissionen im Rahmen des FTP-75-Fahrzyklus ermittelt. Bislang waren von der Strafe nur europäische Hersteller betroffen, da im Allgemeinen nur große, luxuriöse Fahrzeuge importiert wurden und daher der Flottenverbrauchswert der importierten Fahrzeugflotte über dem Grenzwert lag. Die heimischen Hersteller konnten durch den Verkauf von kleinen, sparsamen Fahrzeugen den enormen Verbrauch der großvolumigen, aber begehrten Topmodelle ausgleichen und damit den Flottenverbrauchswert unterhalb der reglementierten Grenze halten.

3.1.2 Situation in Europa In Europa werden Hybridfahrzeuge in Bezug auf die Einhaltung der Abgasemissionsgrenzwerte sowie die Berücksichtigung beim Flottenverbrauch vom Gesetzgeber ebenso wie konventionelle Fahrzeuge behandelt. Änderungen gibt es allerdings bei der Testprozedur [152]. Darin wird in extern aufladbare (Plug-In-Hybridfahrzeuge) und nicht extern aufladbare Hybridfahrzeuge sowie nach dem Vorhandensein eines Betriebsartschalters unterschieden. Der Test erfolgt nach definierten Konditionierungsbedingungen bzw. festgelegtem Ladezustand der Batterie, wobei für PKW und leichte Nutzfahrzeuge der Neue Europäische Fahrzyklus als Prüfzyklus herangezogen wird.

66

3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

In der Vergangenheit lag der Schwerpunkt der europäischen wie auch der österreichischen Gesetzgebung bei der Schadstoffvermeidung. Die Entwicklung der Emissionsgrenzwerte von Personenkraftwagen in Österreich für Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffen (HC) Stickstoffoxiden (NOx) und Partikeln (PM) ist in Abb. 3.4 dargestellt. Auch für Nutzfahrzeuge gilt eine entsprechende Verschärfung der gesetzlichen Vorschriften [35], siehe Abb. 3.5.

Abb. 3.4. Entwicklung der Abgastyp-Prüfgrenzwerte in der EU am Beispiel Österreichs für PKW

Abb. 3.5. Entwicklung der Abgastyp-Prüfgrenzwerte in der EU am Beispiel Österreichs für schwere Diesel-NFZ

Die für schwere Nutzfahrzeuge geltenden Emissionsgrenzwerte sind ursprünglich in der Richtlinie 88/77/EWG [36] festgelegt. Aufbauend darauf wurden folgende Gesetzgebungsstufen verabschiedet: • Euro I Richtlinie 91/542/EWG [37] • Euro II Richtlinie 96/1/EG [38] • Euro III Richtlinie 99/96/EG [39] und Richtlinie 2001/27/EG [40] • Euro IV Richtlinie 99/96/EG [39] bzw. Richtlinie 2005/55/EG [41] • Euro V Richtlinie 99/96/EG [39] bzw. Richtlinie 2005/55/EG [41] • Euro VI Verordnung 595/2009 [42]

67

3.1 Gesetzliche Rahmenbedingungen

Die Verordnung 595/2009 gilt für Kraftfahrzeuge der Klassen M1, M21, N1 und N2, sofern deren Bezugsmasse 2.610 kg überschreitet, sowie für alle Kraftfahrzeuge der Klassen M32 und N33. Eine Beschränkung der CO2-Emissionen von schweren Nutzfahrzeugen ist derzeit nicht vorgesehen. Tabelle 3.6. EU-Emissionsstandards für Diesel . Schwere Nutzfahrzeuge [37], [38], [39], [40], [41], [42] Diesel - Schwere Nutzfahrzeuge Gesetzgebungsstufe

Euro I

Euro II

Euro III

Euro IV

Einführungsdatum

Bemerkung

Prüfung

NMHC

NH3

g/kWh

Rauchtrübung m-1

NOx

PM

g/kWh

ppm

< 85kW ECE R-49

4,5

1,1

-

8

0,612

-

-

Jän. 1992

> 85kW ECE R-49

4,5

1,1

-

8

0,36

-

-

Okt. 1996

ECE R-49

4

1,1

-

7

0,25

-

-

Okt. 1998

ECE R-49

4

1,1

-

7

0,15

-

-

ESC&ELR

2,1

0,66

-

5

0,1

0,8

-

ETC

5,45

-

0,78

5

0,16

-

-

ESC&ELR

1,5

0,46

-

3,5

0,02

0,5

-

4

-

0,55

3,5

0,03

-

-

1,5

0,46

-

2

0,02

0,5

-

4

-

0,55

2

0,03

-

-

1,5

0,25

-

2

0,02

0,15

-

3

-

0,4

2

0,02

-

-

Okt. 2000

Okt. 2005

ETC

Okt. 2008

ETC ESC&ELR

EEV

HC

g/kWh g/kWh g/kWh

ESC&ELR Euro V

CO

Okt. 1999

ETC

a b

c

PM #/kWh Euro VI

Jän. 2013

ESC

1,5

0,13

-

0,4

0,01

10

ETC

4

0,16

-

0,4

0,01

10

WHSC WHTC

0,13 g/kWh für Motoren mit weniger als 0,75 dm³ Hubraumvolumen pro Zylinder und einer Nenndrehzahl von über 3.000 min–1. b 0,21 g/kWh für Motoren mit weniger als 0,75 dm³ Hubraumvolumen pro Zylinder und einer Nenndrehzahl von über 3.000 min–1. c Werte werden bis spätestens 1. April 2010 festgelegt. a

Klasse M2: Für die Personenbeförderung ausgelegte und gebaute Kraftfahrzeuge mit mehr als acht Sitzplätzen außer dem Fahrersitz und einer zulässigen Gesamtmasse bis zu 5 Tonnen. 2 Klasse M3: Für die Personenbeförderung ausgelegte und gebaute Kraftfahrzeuge mit mehr als acht Sitzplätzen außer dem Fahrersitz und einer zulässigen Gesamtmasse von mehr als 5 Tonnen. 3 Klasse N3: Für die Güterbeförderung ausgelegte und gebaute Kraftfahrzeuge mit einer zulässigen Gesamtmasse von mehr als 12 Tonnen.

1

68

3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

Die in Tabelle 3.6 aufgelisteten Grenzwerte sind im Rahmen eines standardisierten Prüfverfahrens (siehe [36] einschließlich aller Änderungen) zu erreichen. Anders als bei der Prüfung von Personenkraftwagen und leichten Nutzfahrzeugen werden die Motoren der schweren Nutzfahrzeuge ohne Chassis vermessen. Es wird ausschließlich der Motor auf einem Motorenprüfstand untersucht. Die bisherigen Fahrzyklen ETC (europäischer instationärer Fahrzyklus) und ESC (europäischer stationärer Fahrzyklus) werden künftig (ab Euro VI) durch die Fahrzyklen WHSC (weltweit harmonisierter stationärer Fahrzyklus) und WHTC (weltweit harmonisierter instationärer Fahrzyklus) ersetzt. Die entsprechenden Grenzwerte für WHSC und WHTC, welche die Grenzwerte für ESC und ETC ersetzen, werden bis spätestens 1. April 2010 eingeführt [42]. Daneben wurde für Nutzfahrzeuge der EEV-Standard definiert. EEV (Enhanced Environmentally Friendly Vehicle) ist der gegenwärtig anspruchsvollste europäische Abgasstandard für Busse und Lkw, siehe Tabelle 3.6. Diese besonders umweltschonenden Fahrzeuge übertreffen die Abgasqualität der ab Oktober 2008 bei Lkw und Bussen für alle neuen Fahrzeugtypen gültigen Norm Euro 5. Der EEV-Standard ist besonders bei Ausschreibungen für Busflotten aus Wettbewerbsgründen relevant. Nachdem die Schadstoffreduktion teilweise zu Lasten des Verbrauches gegangen ist, sieht derzeit die europäische Gesetzgebung als vordringliche Maßnahme die Reduzierung von CO2 (ACEA Ziele), wie bereits in der Einleitung in Kapitel 1.1, Verkehr und seine Auswirkungen auf die Umwelt, erwähnt, während in den USA die Schadstoffemissionen im Vordergrund stehen. Die Europäische Kommission hat am 17.12.2008 ein gesetzliches Limit für die CO2-Emissionen von PKW beschlossen: Ab 2012 gilt ein Zielwert für den Flottenverbrauch in der Höhe von 120 g CO2/ km für die Durchschnittsemission aller EU-weit neu zugelassen Pkw. Der Wert wird im Neuen Europäischen Fahrzyklus ermittelt. Dabei müssen 130 g CO2/ km auf der Antriebsseite erfüllt werden, 5 g CO2/km durch erhöhte Biokraftstoffquoten und weitere 5 g CO2/km über Leichtlaufreifen, Schaltpunktanzeige, Reifendruckkontrolle und effiziente Klimaanlagen. Beim Wert von 130 g CO2/km wird zusätzlich noch Gewicht des Fahrzeuges nach Gleichung (3-4) berücksichtigt, um nicht Kleinwagen ungerechtfertigte Vorteile zu verschaffen, siehe Abb. 3.6. (3-4) M ….. M0 ….. a…..

Masse des Kraftfahrzeugs in Kilogramm [kg] Basisgewicht = 1372,0 kg Faktor = 0,0457

Abb. 3.6 macht deutlich, dass speziell für schwere Fahrzeuge die Erreichung der Zielwerte eine große Herausforderung darstellt. Auch größere Hybridfahrzeuge erreichen derzeit noch nicht die Vorgaben.

3.1 Gesetzliche Rahmenbedingungen









69

Die Regelung tritt stufenweise in Kraft, wobei der Prozentsatz, für den das Flottenziel gilt, jährlich angehoben wird: o 2012: 65 % o 2013: 75 % o 2014: 80 % o 2015: 100 % Bis zu 7 g CO2/km können Hersteller durch Ökoinnovationen (Solardächer, Wärmerückgewinnung etc.) wettmachen. Zudem zählen Fahrzeuge, die weniger als 50 g CO2/km ausstoßen, mehrfach (3,5-fach in den Jahren 2012 und 2013, 2,5-fach in 2014 und 1,5-fach in 2015). Bei Überschreitung der Flottenzielwerte müssen die Hersteller Strafabgaben für jedes neu zugelassene Fahrzeug leisten: o für 1g Überschreitung: 5 €/Fahrzeug o für 2g Überschreitung: 20 €/Fahrzeug o für 3g Überschreitung: 45 €/Fahrzeug o für 4g Überschreitung: 140 €/Fahrzeug o für jedes weitere Gramm Überschreitung zusätzlich 95 €/Gramm und Fahrzeug Spätestens Anfang 2013 vollendet die Kommission eine Überprüfung der spezifischen CO2-Emissionsziele mit der Absicht, Modalitäten für die Erreichung eines langfristigen Ziels von 95 g CO2/km bis zum Jahr 2020 auf kosteneffiziente Weise festzulegen und die Aspekte ihrer Umsetzung, einschließlich der Emissionsüberschreitungsabgabe, zu definieren.

Abb. 3.6. Gewichtsbasierte CO2-Zielwerte der EU und Status von 2007 [43]

Neben den von der EU festgelegten CO2-Flottengrenzwerten gibt es national unterschiedliche CO2-basierte Besteuerungssysteme für die Zulassung und den Betrieb von Kraftfahrzeugen, siehe Abb. 3.7.

70

3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

Abb. 3.7. CO2-basierte Kraftfahrzeug-Besteuerungssysteme in Europa

Städtische Einfahrtbeschränkungen Zunehmend werden in europäischen Städten Einfahrtbeschränkungen für Kraftfahrzeuge eingeführt. Die genauen Regeln sind dabei unterschiedlich, da die Zielsetzungen, Rahmenbedingungen und Lösungsansätze differieren. Bekanntestes Beispiel ist die Innenstadt von London, für welche im Jahr 2003 eine „Congestion Charge“ („Staugebühr“) eingeführt wurde [44]. Die Kosten für die Einfahrt in die Innenstadt betragen 2009 an Werktagen tagsüber £ 8 pro Fahrzeug. Das Zahlungssystem basiert auf Überwachungskameras, die jede Ein- und Ausfahrt in die Zone festhalten. Ausgenommen von diesen Gebühren sind Fahrzeuge mit alternativen Antriebskonzepten wie Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge ab einem bestimmten Elektrifizierungsgrad.

3.1.3 Zusammenfassung Als erstes Land der Welt wurde in Kalifornien die Einführung von Elektrofahrzeugen (Nullemissionsfahrzeugen, sog. Zero Emission Vehicles, ZEVs) verlangt und auch Hybridfahrzeuge in der Gesetzgebung verankert. Dabei wird eine Quote von ZEVs (Batterie- oder Brennstoffzellenfahrzeugen), AT-PZEVs (Hybridfahrzeugen) und PZEVs (SULEV-Fahrzeugen) der Neuwagenflotte von größeren Herstellern vorgeschrieben. Bei Nichterfüllung dieser Quoten drohen Strafzahlungen.

3.2 Kraftstoffverbrauch

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In Europa und Japan sind keine speziellen gesetzlichen Regelungen für Hybridfahrzeuge in Kraft, sieht man von den CO2-Zielen ab. Neben der EU-Verordnung zum CO2Flottenausstoß gibt es in Europa noch nationale Besteuerungs- und Gebührensysteme, die sich am CO2- bzw. Schadstoffausstoß orientieren. In den USA gibt es auch eine Verbrauchsreduktions-Initiative, genannt CAFE (Corporate Average Fuel Economy). In dieser wird der nach dem Verkauf gewichtete und auf das jeweilige Modelljahr bezogene durchschnittliche Kraftstoffverbrauch in mpg (miles per gallone) der Fahrzeugflotte eines Herstellers limitiert. Für den Einsatz von Hybridfahrzeugen in den USA wie in Europa gilt, dass sie nicht so recht in die heutigen gesetzlichen Vorschriften hineinpassen. Für Hybridantriebe müssen neue Verordnungen geschaffen werden, die die Betriebsweise im Testzyklus exakt vorschreiben. Grundsätzlich kann gesagt werden, dass für zukünftige Emissions- und Verbrauchsvorschriften der Ottomotor vor allem in Bezug auf Verbrauch und der Dieselmotor bei den Schadstoffemissionen Optimierungsbedarf aufweisen. Für beide Antriebsarten könnte die Hybridtechnologie eine interessante Maßnahme zur Erreichung des Zielkorridors darstellen, siehe Abb. 3.8.

Abb. 3.8. Optimierungsbedarf bei Otto- und Dieselmotoren [34]

3.2 Kraftstoffverbrauch Die Senkung des Kraftstoffverbrauches ist aus technischer Sicht sicherlich der Hauptgrund für die Entwicklung von Hybridantriebskonzepten im Kraftfahrzeugbereich. Das erreichbare Potenzial wird dabei einerseits durch die zusätzlichen Möglichkeiten und Freiheiten bei der Kombination von zwei unterschiedlichen Antriebstechniken inklusive Energiezwischenspeicherung erschlossen, andererseits durch die Umwandlung und Speicherung der Bremsenergie bei Verzögerung des Fahrzeuges, falls das Hybridkonzept eine Rekuperation zulässt. Je nachdem, wie die Verbrennungskraftmaschine und

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3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

der Elektromotor miteinander kombiniert werden, ergeben sich unterschiedliche Verbrauchsverbesserungsstrategien.

3.2.1 Lastpunktanhebung Verbrennungsmotoren haben die Eigenschaft, dass sie im Teillastbetrieb einen höheren spezifischen Verbrauch und damit einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen als im Hochlastbetrieb. In der Teillast nimmt die Reibung bzw. die Schleppleistung anteilsmäßig höhere Werte an. Diese Tendenz weisen alle Verbrennungsmotoren auf, der ungünstige Teillastwirkungsgrad ist aber besonders bei homogen betriebenen Ottomotoren auf Grund der Ladungswechselverluste durch Drosselung ausgeprägt. Abb. 3.9 zeigt ein Verbrauchskennfeld eines MPFI-Saugmotors (Multi Point Fuel Injection-Saugmotors) mit eingezeichneter Fahrwiderstandslinie für den 4. und 6. Gang. Weiters sind für 50 km/h, 100 km/h und 130 km/h Konstantfahrt ohne Steigung die Fahrleistungshyperbeln (Linien gleicher Leistung) eingezeichnet. Der niedrigste spezifische Verbrauch wird bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten erzielt, während mit steigender Drehzahl, aber vor allem sinkender Last die Werte ansteigen. Beispielsweise beträgt der spezifische Verbrauch für eine Konstantfahrt von 130 km/h im gezeigten Bild bei einer Motordrehzahl von 1500 1/min bis 2000 1/min weniger als 250 g/kWh, während er bei Maximaldrehzahl doppelt so hohe Werte annimmt.

Abb. 3.9. Verbrauchskennfeld eines MPFI-Saugmotors – Verbrauchswerte in [g/kWh]

3.2 Kraftstoffverbrauch

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Da Fahrzeuge im Durchschnitt eher im unteren Teillastbereich betrieben werden, kommt diesem Umstand eine besondere Bedeutung zu. Abb. 3.10 zeigt die Häufigkeit der gefahrenen Lastpunkte im Neuen Europäischen Fahrzyklus, wobei die Größe der eingezeichneten Punkte der anteilsmäßigen Dauer entspricht.

Abb. 3.10. Häufigkeit von Betriebspunkten im Neuen Europäischen Fahrzyklus [45]

Die Verschiebung des Verbrennungsmotor-Betriebspunktes in einen Kennfeldbereich mit besserem Wirkungsgrad, in der Regel in Richtung höherer Last, nennt man Lastpunktanhebung. Die Lastpunktanhebung kann auf zwei Arten realisiert werden: Bei den meisten Hybridantriebskonzepten kann bei ausreichend elektrischer Leistung die vom Fahrer gewünschte Last-/Drehzahlanforderung an den Antriebsstrang weitestgehend von der Last-/Drehzahlanforderung an den Verbrennungsmotor entkoppelt werden. Damit kann der Verbrennungsmotor auch bei geringem Antriebsenergiebedarf in einem verbrauchsgünstigen Kennfeldbereich betrieben werden. Dies entspricht der Strategie I: Lastpunktanhebung über E-Maschine in Abb. 3.9. Die nicht für den Antrieb erforderliche überschüssige mechanische Energie wird über den Generator in elektrische Energie umgewandelt und in der Batterie zwischengespeichert. Diese Energie steht für elektrisches Fahren, Boosten etc. zur Verfügung. Zu beachten ist dabei allerdings, dass die Wirkungsgradverbesserung beim VKM-Betrieb durch die Lastpunktanhebung größer sein muss als die Verluste bei Umwandlung von mechanischer in elektrische und wieder zurück in mechanische Energie sowie die Be- und Entladeverluste der Batterie, siehe auch Kapitel 5.1.5: Betriebsstrategien. Aus diesem Grund ist diese Strategie abhängig vom Brennverfahren des Motors meist nur in einem sehr niedrigen Lastbereich und nur bei Ottomotoren effizient umsetzbar. Bereits im mittleren Lastbereich werden in der Regel, bedingt durch die lange Wirkungsgradket-

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3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

te, keine Verbrauchseinsparungen mehr erzielt. Beim Dieselmotor sind mit dieser Art der Lastpunktanhebung, durch die bereits guten Teillastwirkungsgrade, meistens keine Verbesserungen mehr erzielbar. Eine weitere Form der Lastpunktanhebung besteht durch die Realisierung einer sehr niedrig übersetzten Getriebe-/Differenzialauslegung. Wie auch in Abb. 3.9 ersichtlich, wird durch eine längere Übersetzung bei gleicher Leistungsanforderung die Drehzahl des Motors abgesenkt und das Drehmoment angehoben, wodurch der Betriebspunkt in einen Kennfeldbereich mit niedrigerem spezifischen Verbrauch verschoben wird (sog. Downspeeding entspricht Strategie II). Dadurch nimmt allerdings die Drehmomentbzw. Zugkraftreserve zum Beschleunigen ab, d. h., die Elastizität wird verringert. Die Zugkraftreserve ist proportional dem Produkt aus Drehmomentreserve des Verbrennungsmotors, also dem Differenzmoment vom jeweiligen Lastpunkt bis zur Volllastlinie, und der Antriebsstrangübersetzung. Beide Faktoren nehmen beim Downspeeding ab, was eben zu der angeführten Abnahme an Elastizität führt. Durch den Einsatz eines Elektromotors kann nun dieser Effekt wieder kompensiert oder sogar überkompensiert werden, wodurch eine sehr effiziente Form der Lastpunktanhebung bei gleichen oder sogar besseren Fahrleistungen erreicht wird. Der Vorteil dabei ist, dass in den meisten Fahrsituationen keine elektrische Energie benötigt wird (mit Ausnahme von stärkeren Beschleunigungsvorgängen) und so die Energieübertragung ausschließlich über das mechanische Getriebe mit seinem hohen Wirkungsgrad erfolgt. Dieser Ansatz eignet sich besonders gut für Downsizing-Konzepte mit Turbo-Aufladung, da damit auch der verzögerte Ladedruckaufbau (so genanntes Turboloch) entschärft werden kann, siehe auch Kapitel 4.1.1: Ottomotoren. Auch das Toyota-Hybridsystem, bei dem ein Elektromotor und ein Generator über ein Planetenradgetriebe mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt sind, nützt den Effekt der Lastpunktanhebung aus, siehe auch Kapitel 6: Realisierte Hybridkonzepte. Die beiden E-Maschinen in Verbindung mit dem Planetenradgetriebe bilden dabei ein stufenloses elektrisches Getriebe (E-CVT), welches eine weitgehend freie Wahl des Verbrennungsmotorbetriebspunkts entlang der Leistungshyperbel erlaubt. Serielle Hybridkonzepte, siehe auch Kapitel 2.1, die keine mechanische Verbindung zwischen Verbrennungsmotor und Radantrieb aufweisen, besitzen noch größere Freiheitsgrade bei der Wahl des Verbrennungsmotorbetriebspunkts. Bei ausreichend großer Batterie kann ein Betrieb im Bestpunkt bezüglich Verbrauch des Verbrennungsmotors gewählt werden und die abweichende Leistungsanforderung des Radantriebes über die Batterie abgedeckt werden. Alternativ wird der Verbrennungsmotor mit der geforderten Antriebsleistung betrieben, aber wie beim E-CVT im verbrauchsoptimalen Bereich der Leistungshyperbel. Indirekt kann ein Hybridkonzept auch zur Verbrauchsabsenkung bei Dieselmotoren mit Partikelfilter beitragen. Mit dem Einsatz von modernen Partikelfiltersystemen ist es möglich, Rußpartikel über sämtliche relevante Größenbereiche sehr effizient abzuscheiden. Sobald der Filter einen bestimmten Beladungsgrad erreicht hat, muss er wieder regeneriert, d. h. frei-gebrannt werden, damit der Abgasgegendruck nicht über ein tolerierbares Maß ansteigt. Dieses „Freibrennen“ kann entweder über Sauerstoff O2 erfolgen (thermische Regeneration) oder durch NO2. Für die thermische Regeneration sind allerdings je nach Filterbeschichtung Temperaturen von 600 °C – 650 °C erforderlich, die im normalen Betrieb meist nur bei Autobahnfahrten mit hoher Ge-

3.2 Kraftstoffverbrauch

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schwindigkeit auftreten. Es werden daher oft Maßnahmen zur Erhöhung der Motorlast wie das Einschalten von Verbrauchern ohne unmittelbaren Bedarf wie Klimaanlage, Heckscheibenheizung etc. ergriffen, um die Abgastemperatur zu erhöhen. In der Regel müssen zusätzliche motorische Eingriffe wie Kraftstoffeinspritzung in die Expansionsphase vorgenommen werden, was zu einer Abwaschung des Schmierfilms im Zylinder führen kann. Alle diese Maßnahmen verursachen einen Mehrverbrauch ohne zusätzlichen Nutzen für den Fahrer. Hybridfahrzeuge können diese Situation deutlich entschärfen, indem sie die Lastpunktanhebung zur Nachladung der Batterie nutzen, was bei einer intelligenten Betriebsstrategie sogar zu einer zusätzlichen Verbrauchsabsenkung führen kann.

3.2.2 Start/Stopp Speziell bei Stadtfahrten oder auch im Stau gibt es immer wieder Phasen, in denen das Fahrzeug steht und keine Antriebsenergie benötigt. Um Verbrauch und Emissionen zu reduzieren, wird daher beim Erreichen des Fahrzeugstillstands bzw. des Unterschreitens einer bestimmten Geschwindigkeit der Motor abgeschaltet. Voraussetzung ist, dass das Bremspedal betätigt ist bzw. die Kupplung nicht getreten ist, der Motor eine bestimmte Temperatur erreicht hat und kein sonstiger Antriebsbedarf von Seiten Klimakompressor, Lenkhilfepumpe, Unterdruckpumpe etc. vorhanden ist oder dass die benötigte Energieform aus einem ausreichend befüllten Speicher abgerufen werden kann. Sobald die Kupplung wieder betätigt oder die Bremse gelöst wird, erfolgt der Start des Motors. Gegebenenfalls kann ein elektronischer Batteriesensor den Ladezustand der Batterie überwachen und bei zu geringer Ladekapazität die Start/Stopp-Abschaltung unterbinden bzw. bei bereits abgeschaltetem Motor den Start des Verbrennungsmotors in einer Stopp-Phase vor Erreichen der Startfähigkeitsgrenze der Batterie veranlassen. Beim Kaltstart kann aus Emissionsgründen die Stopp-Abschaltung erst erfolgen, wenn das Abgasnachbehandlungssystem die Betriebstemperatur erreicht hat und bei kurzem Stillstand nicht unter diese fallen kann. So kann z. B. im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ), bei dem der Verbrennungsmotor zu Beginn des Fahrzyklus gestartet wird, die Abschaltung erst in der dritten Stillstandsphase des Fahrzeugs erfolgen, siehe Abb. 3.11. Abhängig vom Leerlaufverbrauch des Verbrennungsmotors sind in dem hier gezeigten Beispiel für ein Mittelklassefahrzeug deutliche Verbrauchseinsparungen mit bis zu 0,5 l/100km im NEFZ möglich [28]. Bei Fahrzeugen mit Automatikgetriebe sind wegen zusätzlicher Verluste im Leerlauf auf Grund des Wandlermomentes sogar noch höhere Verbrauchsreduzierungen erreichbar. Das höchste CO2-Potenzial wird im Japan-Prüftest erreicht, da dieser Test betriebswarm durchgeführt wird und wesentlich längere Stillstandsphasen aufweist als der Neue Europäische Fahrzyklus. Start/Stopp-Systeme sind zwar nicht auf Hybridfahrzeuge beschränkt, allerdings bieten diese Fahrzeuge auf Grund der entsprechend ausgelegten Elektrokomponenten gute Voraussetzungen für diese Technik. Der Startvorgang selbst kann über einen Elektromotor an der Kurbelwelle, meist in Form eines KurbelwellenStarter-Generators KSG, über einen riemengetriebenen Starter-Generator oder über einen Ritzelstarter erfolgen.

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3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

Zur Erreichung von kurzen Startzeiten und bedingt durch die höhere Zyklenzahl werden Ritzelstarter für Start/Stopp-Systeme mit leistungsgesteigerten Elektromotoren, optimierten Lagerstellen und Planetengetrieben sowie verstärkten Einspur-Mechaniken ausgeführt. Für einen schnellen Start werden motorseitig alle Voraussetzungen getroffen. So wird die Kurbelwellenposition beim Auslaufen des Motors gespeichert und auch der Druck in der Kraftstoffleitung wird aufrechterhalten. Bei Automatikfahrzeugen versorgt eine elektrische Ölpumpe das Getriebe bzw. den Wandler mit Öldruck, damit unverzüglich angefahren werden kann. Alternativ zu elektrisch angetriebenen Ölpumpen gibt es auch hydraulische Impulsspeicher, die durch den Entfall der elektrischen Antriebsleistung weiter zur Verbrauchseinsparung beitragen, siehe auch Kapitel 4.5: Nebenaggregate.

Abb. 3.11. Abstellphasen im NEFZ- und Japan-Prüftest bei Start/Stopp-Systemen mit Verbrauchspotenzialen [28]

Neben den Modifikationen am Bordnetz und den E-Komponenten ist auch ein entsprechendes Sicherheitssystem erforderlich, welches einen automatischen Start des Verbrennungsmotors nur bei Anwesenheit des Fahrers hinter dem Steuer sowie geschlossener Motorhaube etc. zulässt. Auch hinsichtlich der Schadstoffemissionen muss die Applikation des Verbrennungsmotors an den Start/Stopp-Betrieb adaptiert werden. Da der Katalysator nur relativ langsam abkühlt und Start/Stopp erst bei einer bestimmten Motortemperatur, d. h. bei warmem Kat, aktiviert wird, erfolgt eine kontinuierliche Schadstoffkonvertierung beim Warmstart. Bei Ottomotoren mit Drei-Wege-Katalysator ist allerdings problematisch, dass beim Abstellen die Einspritzung abgeschaltet wird und beim Motorauslauf Luft durch den Katalysator gepumpt wird. Dadurch wird der Kat mit Sauerstoff beladen – im Gegenzug sind keine Kohlenwasserstoffatome eingelagert. Dies führt zu einer schlechten Konvertierung der NOx-Emissionen beim Neustart. Abhilfe schafft eine spezielle

3.2 Kraftstoffverbrauch

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Startstrategie mit angereichertem Gemisch [46]. Eine große Herausforderung stellen die Komfortansprüche dar. Die Auslegung muss so erfolgen, dass Start- und Abstellvorgänge unmerklich geschehen, was besonders bei Dieselfahrzeugen auf Grund der hohen Verdichtung relativ schwierig umzusetzen ist. Als Beispiel für einen sehr weichen Startvorgang an einem Ottomotor zeigt Abb. 3.12 die Applikation beim Toyota Lexus.

Abb. 3.12. Applikation des Startvorgangs Toyota Lexus [46]

Mit dem über die Generatordrehzahl geregelten E-CVT wird der Verbrennungsmotor in ca. 1 Sekunde auf die Drehzahl 1000 1/min gebracht. Durch Drosselung im Saugrohr und spätem Einlassschluss (leichter Atkinson-Effekt) wird die Zylinderladung verringert und extrem spät gezündet. Nach zwei Schleppzyklen setzt erstmals die Verbrennung ein, wobei das Arbeitsspiel aufgrund der späten Energieumsetzung sehr weich abläuft. Damit verbunden ist auch eine hohe Abgastemperatur in den ersten Zyklen, sodass der Katalysator von Beginn an problemlos arbeitet. Die bereits von TOYOTA veröffentlichte Strategie, den während der definierten Schubphasen am Katalysator eingetragenen Sauerstoff durch Zusatzeinspritzung von Kraftstoff auszugleichen, ergibt schließlich ein konstant niedriges Abgasniveau.

3.2.3 Elektrisches Fahren Wie bereits im Kapitel Lastpunktanhebung beschrieben, weisen Verbrennungsmotoren bei niedrigen Lastanforderungen wie z. B. sehr geringen Fahrgeschwindigkeiten ungünstige Wirkungsgrade auf. Hybridfahrzeuge, bei denen elektrisches Fahren möglich ist, können diese Betriebsbereiche vermeiden, in dem sie rein elektrisch fahren und den

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3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

Verbrennungsmotor abgestellt haben. Sinkt der Ladezustand der Batterie auf einen bestimmten Schwellwert ab oder erfolgt eine höhere Lastanforderung, wird der Verbrennungsmotor gestartet und in weiterer Folge zum Antrieb des Fahrzeuges sowie zum Laden der Batterie in einem höherem, wirkungsgradgünstigeren Bereich betrieben, siehe Abb. 3.13. Der Lexus RX400h fährt bei Konstantfahrt bis 60 km/h in einem zyklischen Betrieb rein elektrisch und mit VKM. Man kann diese Strategie auch „BatterieErhaltungsstrategie“ bezeichnen. Abb. 3.14 zeigt die Zyklenzeiten bei Konstantfahrt in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit.

Abb. 3.13. Zyklusbetrieb beim Lexus RX400h bei 30 km/h Konstantfahrt [46]

Abb. 3.14. Zyklenzeiten bei Konstantfahrt mit dem Lexus RX400h bei voller Batterie [46]

3.2 Kraftstoffverbrauch

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Etwas differenziert stellt sich die Situation bei Plug-In-Hybridfahrzeugen mit Range Extender dar. Je nach Dimensionierung der Batterie kann über mittlere bis längere Distanzen rein elektrisch gefahren werden. Für das Zuschalten des Verbrennungsmotors gibt es verschiedene Strategien, wie Abb. 3.15 zeigt.

Abb. 3.15. Verschiedene Betriebsstrategien für ein Plug-In-Hybridfahrzeug mit Range Extender [47]

Im ersten Fall wählt der Fahrer selbst den Modus aus. Dies kann z. B. Sinn machen, wenn die Fahrstrecke mit den Betankungsmöglichkeiten sowie mit Bereichen, in denen nur rein elektrisch gefahren werden darf, bekannt ist bzw. wenn sie ausgeprägte Rekuperationsphasen (Bergabfahrten) beinhaltet. Bei der zweiten dargestellten Strategie wird der Verbrennungsmotor erst aktiviert, wenn der untere Schwellwert der Batterieladung erreicht wird. Bei der dritten Strategie wird neben dem Ladezustand der Batterie auch die Lastanforderung berücksichtigt. So kann bei hohen geforderten Lasten, bei de-

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3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

nen der Verbrennungsmotor in einem günstigen Betriebsbereich arbeitet, dieser bereits vor Erreichen des Batterieladeschwellwertes eingeschaltet werden. Daneben können auch Komfortanforderungen wie Heizbedarf in die Betriebsstrategie einfließen. Für das Abstellen und Anlassen des Verbrennungsmotors gelten die in Kapitel 3.2.2 Start/Stopp angeführten Kriterien und Anforderungen. Im Gegensatz zum Start aus dem Stillstand des Fahrzeuges bei Start/Stopp-Systemen gestaltet sich der Start während des elektrischen Fahrens aufwändiger. Bei seriellen oder leistungsverzweigten Hybridkonzepten mit zwei Elektromotoren kann der Wiederstart relativ leicht realisiert werden. Dieser muss in jeder Fahrsituation spontan und gleichzeitig komfortabel, nämlich ohne spürbaren Einbruch oder Ruck am Abtrieb, erfolgen. Eine größere Herausforderung stellt der Wiederstart des Verbrennungsmotors aus der Phase des elektrischen Fahrens bei Parallelhybridkonzepten mit nur einer E-Maschine dar. Anhand des Full-Hybridkonzepts wird gezeigt, wie diese Aufgabe gelöst werden kann. Abb. 3.16 zeigt schematisch den Antriebsstrang des Cayenne Hybrids [48]. Die Komponenten E-Maschine mit Rotor und Stator, Trennkupplung K0 und Anbindung an den Wandler des Automatgetriebes bilden zusammen das Hybridmodul.

Abb. 3.16. Antriebsstrang des Porsche Cayenne-Hybridkonzepts [48]

In Abb. 3.17 ist das verfügbare Drehmoment des Elektromotors für das rein elektrische Fahren dargestellt. Vom maximalen Drehmoment muss eine „Drehmomentreserve“ – im Beispiel 50 bzw. 100 Nm – ungenutzt bleiben, um mit diesem Moment zum Zeitpunkt des Wiederstarts durch Schließen der Trennkupplung den Verbrennungsmotor in Rotation zu versetzen. Ohne diese Reserve würde das entsprechende Moment am Abtrieb spürbar reduziert. Im Diagramm sind auch die Fahrwiderstände in den einzelnen Gängen einschließlich eines gewissen Beschleunigungswiderstandes (im Beispiel 0,5 m/s2) für das elektrische Fahren eingezeichnet (bezogen auf den Abtrieb der E-Maschine). Im Schnittpunkt mit der reduzierten Drehmomentlinie muss entweder der Verbrennungsmotor gestartet (weil sonst die rein elektrische Beschleunigung nicht mehr ausreichen würde) oder im Getriebe in einen höheren Gang geschaltet werden. Aus dem Gangdiagramm im unteren Teil der Darstellung ist ersichtlich, dass bei dieser Auslegung auch nur noch eine kleine weitere Geschwindigkeitszunahme mög-

3.2 Kraftstoffverbrauch

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lich ist. Das Beispiel zeigt, dass die eingestellte „Drehmomentreserve“ für das elektrische Fahren eine beträchtliche Einschränkung darstellen kann. Dabei sind die dargestellten 50 Nm noch nicht einmal ausreichend, um beim Start des Verbrennungsmotors den ersten Totpunkt zu überwinden (hier ist eher das doppelte Moment erforderlich). Zur Lösung dieses Problems wurde eine Startstrategie entwickelt, die in Abb. 3.18 dargestellt ist: Phase 1: Zur Entkopplung des Abtriebs wird beim Signal zum Wiederstart des Verbrennungsmotors im Wandler des Automatgetriebes die Wandler-Überbrückungskupplung (WÜK) vom geschlossenen in den schlupfenden Zustand gebracht, sodass unabhängig von den Vorgängen vor dem Wandler stets das gleiche Moment in das Getriebe eingeleitet wird (das ist das an der WÜK eingestellte Moment mit einem kleinen zusätzlichen hydraulischen Moment über den Wandler). Phase 2: Von der E-Maschine wird nun das volle mögliche Moment gefordert, welches zu einer Drehzahlerhöhung des Rotors bis zu einer gezielten Drehzahldifferenz zum Abtrieb führt. Phase 3: In diesem Zustand kann die Trennkupplung mit einem Moment von ca. 100 Nm angelegt werden, um die ersten Umdrehungen des Verbrennungsmotors bis zur ersten Zündung zu bewirken. Das hohe Moment führt zu einem Drehzahlabfall an der E-Maschine, da die Reserve nur ca. 50 Nm beträgt.

Abb. 3.17. Momentverläufe der E-Maschine beim elektrischen Fahren mit Momentenreserve für den Wiederstart [48]

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3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

Abb. 3.18. Startstrategie mit geringer Momentenreserve [48]

Phase 4: Durch Reduzierung des Kupplungsmoments auf ca. 50 Nm wird verhindert, dass die Drehzahl weiter abfällt. Der Verbrennungsmotor läuft nun „aus eigener Kraft“ bis zur Synchrondrehzahl zwischen Antrieb und Abtrieb hoch. Phase 5 und 6: Nacheinander können nun Trennkupplung und WÜK komplett geschlossen werden. Das Beispiel zeigt, dass ein sehr hoher Applikationsaufwand mit einer exakten Ablaufsteuerung erforderlich ist, um den Anforderungen an einen schnellen und komfortablen Start gerecht zu werden. Ein Sonderfall des elektrischen Fahrens ist das so genannte Segeln. Dabei wird der Antriebsstrang ohne aktiven Antrieb betrieben, d. h., sowohl der Verbrennungsmotor als auch die E-Maschine sind nicht aktiviert. Beim elektrischen Fahren ist allerdings zu beachten, dass auch Elektromotoren bei sehr niedrigen Lasten geringe Wirkungsgrade aufweisen. Abschließend sei noch angemerkt, dass sich bei so genannten Plug-In-Hybridfahrzeugen, die ihre Hauptenergie primär über Stromtankstellen beziehen, in Abhängigkeit der Stromerzeugung (regenerativ, kalorisch, atomar etc.) unter Umständen sehr positive Gesamt-CO2-Bilanzen ergeben können.

3.2.4 Rekuperation Bei jedem Brems- und Verzögerungsvorgang wird die Bewegungsenergie entweder direkt über die Bremsen oder über die Bremswirkung des Motors in Wärme verwandelt. Hybridfahrzeuge bieten hier die Möglichkeit, diese Bewegungsenergie über Ge-

3.2 Kraftstoffverbrauch

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neratorbetrieb in elektrische Energie umzuwandeln und in der Batterie für eine spätere Nutzung zu speichern. Das Verbrauchseinsparungspotenzial ist sehr stark vom Hybridkonzept und der Dimensionierung der Antriebsstrangkomponenten abhängig und liegt bei ca. 4 –10 %. Limitierend wirkt dabei der beschränkte maximale Ladestrom bzw. die maximale Ladekapazität der Batterie, die aus Lebensdauergründen ein bestimmtes Maß nicht überschreiten darf. Prinzipiell unterscheidet man bezüglich der Aufteilung der Bremsanforderung zwei Strategien: die parallele und die serielle Rekuperation bzw. Regeneration [49]. Bei der parallelen Regeneration wirken Reibungs- und Generatorbremse gleichzeitig, wobei die Bremsanforderung des Fahrers in einem bestimmten Verhältnis auf beide Bremssysteme aufgeteilt wird. Demgegenüber wird bei der seriellen Regeneration zunächst rein generatorisch gebremst und nur dann die Reibungsbremse eingesetzt, wenn die Bremsanforderung das vom Generator zur Verfügung gestellte Bremsmoment übersteigt oder wenn radselektive Regeleingriffe, beispielsweise durch das Elektronische Stabilitätsprogramm (ESP), dies erfordern, siehe Abb. 3.19. Manche Konzepte erlauben eine Abkuppelung des Verbrennungsmotors, wodurch auch das sonst aufzubringende Motorschleppmoment für die Rekuperation genutzt werden kann.

Abb. 3.19. Vergleich zwischen paralleler und serieller Regenerationsstrategie [49]

Um ein transparentes Bremsverhalten zu erzielen, welches dem Fahrer bei konstanter Pedalstellung eine auch stets konstante Verzögerung bietet, gilt es insbesondere die als Blending bezeichneten Übergänge zwischen Generator- und Reibungsbremse zu beherrschen. Bei einer auf einem konventionellen hydraulischen Bremssystem aufbauenden regenerativen Bremse muss das Bremsensteuergerät, abhängig von der Verzögerung des Generators, den Bremsdruck über den Bremsvorgang modulieren. Daher ist es folgerichtig, auch die Aufteilung des Bremsmomentes im Bremsensteuergerät vorzunehmen. Der vom Fahrer eingeleitete Bremsvorgang wird über die Stellung des Bremspedals erkannt. Eine Betätigungseinheit mit Pedalgefühlsimulator (Simulator Brake Actuator) und Wegsensor erfasst den Bremswunsch. Das momentan für die Bremsung zur Verfügung stehende elektrische Radbremsmoment wird vom Hybrid Drive Con-

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3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

troller aus dem Generatormoment und der aktuellen Getriebeübersetzung berechnet und dem Bremsensteuergerät übermittelt. Die Möglichkeit zur Rekuperation erfordert daher die Einbindung des konventionellen Bremssystems in die Hybridsteuerung und führt zu einer zusätzlichen Systemvernetzung der mechanischen und elektrischen Komponenten, siehe Abb. 3.20. Die konventionellen Antriebseinheiten, wie Verbrennungsmotor, Getriebe, Wählhebel und auch die Bremse, sind über deren Steuergeräte bereits stark miteinander vernetzt. Beim Hybridfahrzeug kommen zusätzliche Komponenten wie das Batteriemanagementsystem für die Traktionsbatterie, die Leistungselektronik für die Ansteuerung des Elektromotors und eine überlagerte Hybridsteuerung, der Hybrid Drive Controller, dazu. Dieser teilt nicht nur das vom Fahrer über das Gaspedal getätigte Fahrerwunschmoment auf Verbrennungsmotor und E-Maschine auf, sondern koordiniert auch den Bremsvorgang.

Abb. 3.20. Schematisches Signalflussdiagramm für ein konventionelles und ein Hybridfahrzeug [49]

Ein Beispiel für den Leistungsfluss eines Fahrzeugs beim Rekuperieren von Bremsenergie zeigt Abb. 3.21. Das gesamte Potenzial von kinetischer Energie wird durch diverse Verluste wie Luft- und Rollwiderstand sowie die erforderliche Leistung zum Antrieb der mechanischen Nebenaggregate (z. B. Klimakompressor, Öl-, Wasserpum-

3.2 Kraftstoffverbrauch

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pe) verringert. Ein intelligentes Energiemanagement ermittelt, unter Berücksichtigung der Verluste sowie des Generatorwirkungsgradkennfeldes und des Ladezustandes der Batterie (Ladeakzeptanz), die Aufteilung der erforderlichen Bremsleistung auf die Radbremsen sowie die Eingangsleistung in den Generator [50].

Abb. 3.21. Leistungsfluss in einem Fahrzeug bei Rekuperation [50]

Das berechnete Grenzpotenzial bei der Rekuperation von Bremsenergie im Neuen Europäischen Fahrzyklus liegt für ein Fahrzeug der Gewichtsklasse 1500 kg bei ca. 1400 kJ [28], siehe Abb. 3.22. Für diese Abschätzung sind die Verluste durch Rollreibung und Luftwiderstand bereits berücksichtigt. Bei Annahme eines mittleren Wirkungsgrades der elektrischen Maschine von ca. 70 % für generativen und motorischen Betrieb inkl. Be- und Entladung des Speichers ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von ca. 0,7 × 0,7  50 % von Aufnahme am Rad bis Abgabe ans Rad. Die Energiemenge, die für den Antrieb dann zur Verfügung steht, also das reale Potenzial, beträgt somit ca. die Hälfte, also 700 kJ. Diese Energiemenge stellt die maximale Verbrauchsreduzierung in diesem Zyklus von ca. 0,5 l/100 km dar. Im realen Betrieb wird das mögliche Potenzial oft durch das Batteriemanagement, welches eine Überladung der Batterie verhindert, reduziert. Bei Erkennung der Fahrstrecke durch Prognoseprogramme und entsprechende Strategien zur Einstellung eines reduzierten Ladezustands der Batterie vor der Rekuperation kann das Verbrauchspotenzial deutlich angehoben werden, siehe auch Kapitel 5.2: Betriebsstrategien mit Prognosefunktionen. Abb. 3.23 zeigt beispielhaft für Toyota Lexus den gemessenen Drehmomentverlauf an den Radnaben während eines Ausschnitts einer Autobahnfahrt, bei der zu Beginn zügig beschleunigt wurde und im weiteren Verlauf nach dem Erreichen der Zielgeschwindigkeit von ca. 130 km/h die Verkehrsverhältnisse den weiteren Geschwindigkeits-ZeitVerlauf bestimmten. Nach ca. 70 Sekunden sind verkehrsbedingt zwei Schubphasen zu erkennen.

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3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

Abb. 3.22. Nutzung Bremsenergie [28]

Der Drehmomentverlauf an den Rädern zeigt den eingeleiteten Rekuperationsvorgang. Es liegen verschiedene Strategien für die Rekuperation vor. Dabei wirkt die Hinterachse zeitweise mit. Die Schubmomente an den Rädern sind bei diesem Konzept vergleichsweise gering. Dies korrespondiert mit den Ergebnissen der Stadtfahrt, bei denen ebenfalls festgestellt wurde, dass die Energierückgewinnung beim Bremsen limitiert ist [46].

Abb. 3.23. Bereich der Rekuperation bei einer Autobahnfahrt mit dem Lexus RX400h [46]

3.2 Kraftstoffverbrauch

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3.2.5 Zusammenfassung Kraftstoffverbrauchseinsparungspotenzial Das Kraftstoffeinsparungspotenzial ist sehr stark von der Art und dem Grad der Hybridisierung sowie vom Nutzungsprofil abhängig. Beispielhaft ergeben sich für den Lexus RX 400h in Abhängigkeit von der Durchschnittsgeschwindigkeit in etwa die in Abb. 3.24 eingezeichneten Verbrauchsvorteile, wie Messungen auf dem Opel-Prüfgelände in Dudenhofen gezeigt haben [46]. Als fiktives Vergleichsfahrzeug ist dabei ein Lexus 400 mit einem V8-Ottomotor angenommen, der diesem Fahrzeug in etwa zu den gleichen Fahrleistungen verhelfen würde.

Abb. 3.24. Kraftstoffeinsparpotenziale verschiedener Hybridbetriebsweisen [46]

Die Haupteinsparung kommt nicht, wie immer wieder angenommen und zitiert wird, von der Rekuperation, also der Energierückgewinnung beim Verzögern bzw. Bremsen, sondern durch den Ersatz eines 8-Zylindermotors durch einen 6-Zylindermotor und der damit verbundenen Betriebspunktverschiebung sowie durch das E-CVTGetriebe, das eine optimale Drehzahlabsenkung bzw. weitere Betriebspunktverlagerung des Verbrennungsmotors ermöglicht. Das kleine Einsparpotenzial von 4 – 5 % durch Rekuperation deckt sich mit Erfahrungen aus Praxistests mit Elektrofahrzeugen auf der Insel Rügen, wobei sehr ähnliche Werte für die Rekuperation gemessen wurden. Es zeigt sich, dass die theoretisch mögliche Rekuperationsenergie nur teilweise genutzt werden kann. Aus Gründen der Batterielebensdauer darf der Ladezustand der Batterie nur in gewissen Grenzen variieren und auch der Ladestrom ist aus Gründen der Lebensdauer limitiert. Die Einsparungen durch das Start/Stopp-System von 8 % in der Stadt bzw. 4 % im Überlandzyklus decken sich mit Erfahrungen von konventionellen Fahrzeugen mit Start/Stopp-Systemen, so genannten Mikro- oder Mild-Hybridfahrzeugen. Erwartungsgemäß nimmt das Potenzial mit zunehmender Durchschnittsgeschwindigkeit sowie im Konstantbetrieb ab.

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3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

Abb. 3.25 zeigt beispielhaft Ergebnisse einer Simulationsrechnung eines Mild-Hybrid-Mittelklassefahrzeugs im Neuen Europäischen Fahrzyklus. Das Fahrzeug ist mit Dieselmotor und Automatikgetriebe ausgestattet und erlaubt über eine Trennkupplung zwischen Verbrennungsmotor und Elektromotor auch einen rein elektrischen Betrieb. Der Simulation wurde ein betriebswarmer Antriebs- und Abgasstrang zu Grunde gelegt. Durch die zusätzliche Masse der Hybridkomponenten steigt der Verbrauch des Hybridfahrzeugs gegenüber dem konventionellen Fahrzeug um 2 % an. Die Start/StoppFunktion ergibt im gezeigten Fall eine sehr große Einsparung von 12,6 %. Dies liegt zum einen daran, dass durch den betriebswarmen Motor und Abgasstrang vom Start weg diese Funktion aktiviert werden kann, aber vor allem am Wegfall des relativ hohen Wandlermoments des Automatikgetriebes während der Stillstandsphasen. 1,8 % können durch eine längere Hinterachsübersetzung eingespart werden. Durch die mögliche Boost-Funktion der E-Maschine bleibt dabei die Zugkraftreserve an den Antriebsrädern erhalten bzw. wird sogar noch verbessert. Rekuperation und Lastpunktverschiebung führen zu weiteren 7,1 % Absenkung, während das rein elektrische Fahren bei niedrigen Geschwindigkeiten mit 2,1 % zu dem Gesamtpotenzial von 21,6 % beiträgt. Beim Realfahrzeug werden Abstimmungsmaßnahmen aus Komfort- und Emissionsgründen die gesamte Umsetzung dieses theoretischen Potenzials nicht zulassen, allerdings zeigt die Darstellung das Verhältnis der einzelnen Maßnahmen zueinander.

Abb. 3.25. Auswirkungen verschiedener Maßnahmen auf den Verbrauch eines Mild-Hybridfahrzeuges im Neuen Europäischen Fahrzyklus

3.3 Emissionen und Lärm

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3.3 Emissionen und Lärm Neben der Senkung des Kraftstoffverbrauches ist die Reduktion der Schadstoffemissionen eine weitere sehr wichtige Motivation für die Entwicklung von Hybridantriebskonzepten im Kraftfahrzeugbereich. Da die Maßnahmen zur Einhaltung der zukünftigen Abgasgesetze wie Partikelfilter, SCR-Systeme (Selective-Catalytic-Reduction-Systeme), DENOX-Katalysatoren etc. immer aufwändiger und teurer werden, gewinnen Hybridsysteme, die einen Beitrag zur Senkung der Schadstoffemissionen liefern können, auch hier an Bedeutung. Sie sind zwar meist noch kostenintensiver als z. B. Abgasnachbehandlungssysteme, bieten aber im Gegensatz dazu neben dem Emissionsabsenkungspotenzial auch für den Fahrer unmittelbar merkbare Vorteile wie weniger Verbrauch, bessere Fahrleistungen oder mehr Funktionalität. Regional kann auch die Absenkung der Lärmemission von großer Bedeutung sein. Ähnlich zu dem bereits bezüglich des Verbrauchs Gesagten ergeben sich auch hier in Abhängigkeit vom Hybridkonzept unterschiedliche Emissionsabsenkungsstrategien:

3.3.1 Elektrisch emissionsfrei fahren Wenn ein Hybridfahrzeug elektrisch fahren kann, wird lokal ein Optimum hinsichtlich Schadstoff- und Lärmemissionen erreicht. Beachtet werden muss allerdings, dass sich der Schadstoffausstoß je nach Energieumwandlungsverfahren auf die Bereiche, an denen der Verbrennungsmotor läuft und die Batterie nachlädt, oder bei Plug-InHybridkonzepten zum jeweiligen Kraftwerk verlagert. Essentiell ist dieser Betrieb für lärm- oder emissionssensible Zonen wie z. B. Stadtkerne, Fußgängerzonen, historische Stätten etc. In London gibt es beispielsweise eine Regelung, dass unter anderem Hybridfahrzeuge von der Mautgebühr für die Innenstadt ausgenommen sind [44].

3.3.2 Lastpunktverschiebung Erlaubt das Hybridantriebskonzept eine weitestgehende Entkoppelung der vom Fahrer gewünschten Last-/Drehzahlanforderung im Antriebsstrang von der Last-/Drehzahlanforderung an den Verbrennungsmotor, kann dieser in einem emissionsgünstigen Kennfeldbereich betrieben werden. Die Differenz zwischen der vom Verbrennungsmotor abgegebenen mechanischen Energie zur vom Antriebsstrang in Bewegungsenergie umgewandelten Energie wird über die Batterie abgedeckt. Serielle Hybridkonzepte bieten hier durch die vollständige Entkoppelung das größte Potenzial, aber auch einfachere Parallelhybridkonzepte mit z. B. Drehzahlkoppelung ermöglichen durch die Anhebung oder Absenkung des VKM-Moments Emissionsabsenkungen. Dabei können allerdings Zielkonflikte zur Verbrauchsabsenkung entstehen. Beispielsweise kann bei Dieselmotoren ein Kennfeldbereich mit niedrigen NOx-Emissionen höhere Verbrauchswerte aufweisen und umgekehrt, siehe Abb. 3.26. Zusätzlich ist jede Energieumwandlung wirkungsgradbehaftet, was für die Effizienz berücksichtigt werden muss. Es bedarf also einer intelligenten Betriebsstrategie mit einer entsprechenden Wichtung der Anforderungen, um hier einen akzeptablen Kompromiss zu finden.

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3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

Abb. 3.26. Kraftstoffverbrauchs- und NOx-Kennfeld eines modernen Dieselmotors mit Häufigkeit der Betriebspunkte im NEFZ

Abb. 3.27. HCCI-Betriebsbereich im Drehzahl-Last-Kennfeld [51]

Beim Einsatz von alternativen Brennverfahren, die z. B. nur in einem bestimmten Kennfeldbereich einsetzbar sind, kann mittels Hybridtechnik der unmittelbar anschließende Kennfeldbereich abgedeckt werden. Beispielhaft sei hier das HCC-I (Homogeneous Charge Compression Ignition) Brennverfahren angeführt, das wegen der erforderlichen Abgasrückführraten sowie aus Geräusch- und Komfortgründen auf den unteren Last- und Drehzahlbereich beschränkt ist, siehe Abb. 3.27. Dieses Brennverfahren arbeitet mit einem homogenen Luft-Kraftstoff-Gemisch. In der Regel wird die Temperatur der Zylinderladung durch sehr hohe Abgasrückführraten angehoben. Durch die während der Verdichtung sich einstellenden sehr hohen Druck- und Temperaturbedingungen sowie die Wirkung von mit dem Abgas rückgeführten Radikalen erfolgt eine gleichzeitige Entzündung der Ladungsmasse im gesamten Brennraum. Dies führt zu einer sehr raschen Verbrennung, wobei die Spitzentemperatur unter der NOx-Bildungs-

3.3 Emissionen und Lärm

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temperatur bleibt. Die Schwerpunktslage der Verbrennung liegt dabei sehr günstig nach dem oberen Totpunkt. Der wesentliche Vorteil dieses Brennverfahrens ist, dass durch die geringen NOx-Emissionen keine NOx-Reduktion im Katalysator erforderlich ist. Daher kann der Motor mit einem für den Wirkungsgrad günstigen mageren Gemisch betrieben werden, was ansonsten nur in Verbindung mit einem NOx-Speicherkatalysator oder SCR-System möglich ist. Nachteilig bei diesem Brennverfahren ist, dass die richtige Einstellung der Ladungsmasse aufwendig ist und dass das Brennverfahren wie oben erwähnt auf den unteren Last- und Drehzahlbereich beschränkt ist. In vielen Fällen erfolgt das Verlassen dieses Bereichs nur während kurzer Beschleunigungsphasen, welche bei einem Hybridfahrzeug über die Batterie sowie die elektrischen Antriebskomponenten bewerkstelligt werden könnten. Auf diese Art kann der Verbrennungsmotor weiter in dem in Bezug auf NOx-Emissionen sehr günstigen HCCI-Betrieb operieren. Auch bei den dynamischen Übergängen von HCCI- auf konventionelle Brennverfahren und umgekehrt, die durch die teilweise sehr unterschiedlichen Betriebsparameter sehr schwer abzustimmen sind, kann der Elektromotor unterstützend zum Ausgleich von Drehmomentschwankungen eingesetzt werden. Abb. 3.28 zeigt eine Anwendung an einem Dieselmotor mit alternativen Brennverfahren. Dabei werden, wie zuvor beschrieben, die kurzen Beschleunigungsvorgänge mit hohen Lastanforderungen, die außerhalb des Bereichs der alternativen Verbrennung liegen, durch den Elektromotor abgedeckt. Dadurch können der Verbrauch und die NOx-Emissionen sehr effizient abgesenkt werden.

Abb. 3.28. E-Motor-Unterstützung an einem Dieselmotor mit alternativen Brennverfahren [34]

Ein Spezialfall der Lastpunktverschiebung zur Emissionsabsenkung ist die so genannte Phlegmatisierung des Verbrennungsmotors. Dabei werden rasche Momentenänderungen vom Elektromotor abgedeckt, während der Verbrennungsmotor langsamer an das neue Wunschmoment nachgeführt wird. Der Vorteil kann dabei bei Ottomotoren z. B. in der Vermeidung einer Kraftstoffanreicherung bei kurzen Beschleunigungsvorgängen liegen.

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3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

Abb. 3.29. Lastwechsel in konventioneller bzw. phlegmatisierter Abstimmung mit den Auswirkungen auf Ladedruck, AGR-Rate und die Stickoxidkonzentration im Abgas

Mehr Potenzial bietet die Phlegmatisierung beim Dieselmotor. Dieselmotoren werden zur Senkung der NOx-Emissionen mit hohen Abgasrückführraten betrieben. Wird nun z. B. für einen Beschleunigungsvorgang der Momentenwunsch rasch gesteigert, erfolgt eine Anhebung der Einspritzmenge. Dies erfordert eine Erhöhung der angesaugten Luftmenge, da andernfalls die Luftzahl sinken würde, was einen starken Anstieg des Partikelausstoßes zur Folge hätte. Da der Ladedruck und damit die Luftmasse nicht beliebig rasch erhöht werden können, sperrt oder senkt man zunächst die Abgasrückführung, wodurch die Luftmasse relativ rasch angehoben werden kann. Einerseits wird durch diese Maßnahme bei der Ladungsmasse keine Frischluft mehr durch Abgas ersetzt, andererseits steht auch mehr Abgas zur Beaufschlagung der Abgasturbine zur Verfügung. Sobald der Ladedruck entspre-

3.3 Emissionen und Lärm

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chend aufgebaut und damit die Luftmasse angehoben wurde, kann die Abgasrückführung wieder erhöht werden. Nachteilig ist dabei, dass durch die Absenkung der Abgasrückführrate während dieses Vorganges die NOx-Emissionen entsprechend ansteigen. Es entsteht bei der Abstimmung immer ein Zielkonflikt zwischen Ansprechverhalten des Motors, Partikelausstoß und Stickoxidemissionen. Bei einem Hybridkonzept kann nun der Dieselmotor phlegmatisiert betrieben werden, dass heißt, der Ladedruckaufbau erfolgt langsam und mit jeweils optimaler Abgasrückführrate. Damit wird ein erhöhter Partikel- und Stickoxidausstoß vermieden. Um das Ansprechverhalten nicht zu verschlechtern, wird das fehlende Drehmoment vom Elektromotor aufgebracht. Abb. 3.29 zeigt den Vergleich eines Lastwechsels in konventioneller bzw. phlegmatisierter Abstimmung mit den Auswirkungen auf die Stickoxidkonzentration im Abgas. Ein Beispiel für die Unterstützung des Lastwechsels durch einen E-Motor mit zugehörigen NOx-Emissionen ist in Abb. 3.30 dargestellt. Für diese Anwendungen reichen in der Regel relativ geringe elektrische Leistungen, weshalb diese Funktionen bereits bei Mild-Hybrid-Konzepten umgesetzt werden können.

Abb. 3.30. Lastwechsel bei einem Dieselmotor mit E-Motorunterstützung – Auswirkung auf die NOx-Emissionen [34]

3.3.3 Start/Stopp Ein weiteres Potenzial zur Emissionsabsenkung kann durch eine Start/Stopp-Applikation erschlossen werden, siehe auch Kapitel 3.2.2. Je nach Länge der Abstelldauer können vor allem bei Dieselmotoren die NOx-Emissionen abgesenkt werden. Wichtig ist dabei allerdings, dass der Motorstart optimal abgestimmt ist, wobei ein gewisser NOx-Emissions-Peak auf Grund der fehlenden Abgasrückführung beim Startvorgang unvermeidlich ist.

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3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

3.4 Funktionalität Durch neue Komponenten und Systeme beim Hybridantriebsstrang ergeben sich auch Möglichkeiten zur Erweiterung der Funktionalität des Gesamtfahrzeugs bzw. zur Verbesserung der Fahrdynamik.

3.4.1 E4WD – Elektrischer Allradantrieb Für Hybridanwendungen mit Allradantrieb lassen sich zwei Hauptentwicklungsrichtungen ableiten. Einerseits die Allradregelung zur Verteilung der Antriebsmomente zwischen den Achsen – Anwendung als „Low Cost-High Value“-Allrad- bzw. Leichtallradantrieb und andererseits als „High End“-Allradantrieb [52].

Leichtallradantrieb Beim Leichtallradantrieb ist die Allradfunktionalität eingeschränkt. Ziel ist die Traktionserhöhung des Fahrzeugs im unteren Geschwindigkeitsbereich. Hauptanforderungen sind: • Verbesserte Berganfahrt auf -low • Elektrischer Boost im untersten Geschwindigkeitsbereich • Rangieren aus verschneiten Parklücken

High End-Allradantrieb Der High-End-Allradantrieb ist ein intelligentes Allradsystem, das sowohl eine freie Momentenverteilung ermöglicht als auch alle Eigenschaften eines Hybridfahrzeugs zur Emissions- und Verbrauchsreduzierung darstellt.

3.4.2 Torque Vectoring Die Einsatzgebiete leistungsfähiger elektrischer Antriebe im Fahrzeug reichen von Aktuatoren im Antriebsstrang bis hin zu elektrisch angetriebenen Achsen. Die aktive Beeinflussung der Fahrdynamik stellt hinsichtlich Funktionalität das größte Leistungspotenzial von Allradanwendungen dar. Beispiele dafür sind die freie und variable Verteilung von Antriebsmomenten zwischen Rädern einer Achse und/oder zwischen den Achsen eines Fahrzeugs, auch bekannt unter dem Begriff Torque Vectoring. Zur Beeinflussung der Fahrdynamik können an der Hinterachse Torque-Vectoring-Systeme eingesetzt werden. Anhand einer gerichteten und variablen Verteilung von Drehmoment zwischen den Achswellen wird ein Giermoment erzeugt, das die Agilität und Stabilität des Fahrzeugs maßgeblich beeinflussen und verbessern kann. Abb. 3.31 links oben zeigt schematisch ein untersteuerndes Fahrzeug mit einer vorgegebenen Momentenverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse und zwischen den Rädern einer jeden Achse selbst. Im Vergleich dazu ist links unten im Bild die gleiche

3.4 Funktionalität

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Situation für ein Fahrzeug mit aktiver Längs- und Quermomentenverteilung dargestellt. Das teilweise Verlagern von Antriebskraft auf die Hinterachse erlaubt durch Verminderung der Längskraftbeanspruchung eine gezielte Erhöhung des Seitenkraftpotenzials an den Vorderrädern, um den Effekt des „Schiebens“ über diese Achse zu vermindern. Eine aktive Veränderung der Quermomentenverteilung an der Hinterachse erwirkt maßgeblich durch den asymmetrischen Aufbau der Antriebskräfte ein zusätzliches Giermoment zur Neutralisierung der hier gezeigten Untersteuertendenz des Fahrzeuges. Dabei wird das hintere kurvenäußere Rad mit größerer Antriebskraft beaufschlagt, um das höhere Kraftschlusspotenzial auszunutzen. Durch Reduzierung des beaufschlagten Antriebsmomentes am kurveninneren Rad wird das Seitenkraftpotenzial entsprechend den Gesetzmäßigkeiten des Kammschen Kreises auch an diesem Rad erhöht. Dementsprechend kann bei einem übersteuernden Fahrzeug durch eine entsprechende Verlagerung der Antriebskräfte auf die Vorderachse und Erhöhung des Radmoments am hinteren kurveninneren Rad eine Stabilisierung erreicht werden, wie im Abb. 3.31 rechts dargestellt.

Abb. 3.31. Anwendung von Torque Vectoring an einem allradgetriebenen Fahrzeug [53]

Als Ausführungsbeispiel zeigt Abb. 3.32 die Hinterachse mit einem Planetenrad-Differenzial und einer Überlagerungseinheit, die mit einem Elektromotor gekoppelt ist. Das Differenzial teilt das Antriebsmoment des Motors symmetrisch auf. Je nach Ansteuerung der Elektromaschine kann ein zusätzliches oder reduzierendes Moment auf eine Achswelle überlagert werden. Dies hat eine asymmetrische Zugkraft zwischen den beiden Rädern der Hinterachse zur Folge – es entsteht ein Giermoment um die Fahrzeughochachse. Der Leistungsbedarf ist vom auftretenden Fahrmanöver abhängig. Um entsprechende fahrdynamische Verbesserungen zu erzielen, müssen solche Systeme unterhalb von 100 ms ansprechen. Die kurzen Aktuierungszeiten erfordern große elektrische Aktuierungsmomente und geringe rotatorische Massenträgheitsmomente. Sehr große Ströme

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3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

zur Aktuierung können jedoch nicht aus dem herkömmlichen 14-V-Bordnetz entnommen werden. Hybridsysteme bieten hier jedoch eine ideale Lösung, Hochleistungsaktuatoren mit Energie zu versorgen.

Abb. 3.32. Torque-Balance-Hinterachsgetriebe mit elektrischer Aktuierung [52]

Abb. 3.33. Hybridkonzept für Torque Vectoring an der Hinterachse [53]

Bei dem in Abb. 3.33 dargestellten Konzept werden zwei baugleiche elektrische Maschinen in ein Differenzialgetriebe integriert. Dabei wird der wirkungsgradgünstige mechanische Durchtrieb erhalten und zur Gewährleistung von differenten Raddrehzahlen ein offenes konventionelles Kegelradgetriebe eingesetzt. Jede der beiden elektrischen Maschinen ist dabei direkt einer der Abtriebswellen zugeordnet. Beide Maschinen können unabhängig voneinander sowohl motorisch als auch generatorisch

3.4 Funktionalität

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betrieben werden, wobei durch einen direkten elektrischen Leistungsfluss ein elektromechanisches Überlagerungsgetriebe realisiert wird. Unter Einsatz eines Energiespeichers sind grundsätzlich hybride Funktionen darstellbar.

Torque-Vectoring-Funktion Für die radindividuelle Momentenzuteilung kann die Differenzialeinheit als System ohne Energiespeicher eingesetzt werden. Dabei arbeitet eine elektrische Maschine im generatorischen Betrieb und stellt über den elektrischen Leistungszweig der zweiten motorisch arbeitenden Maschine die entsprechende Energie zur Verfügung. Durch die Abstützung des Generators über das offene Differenzial kommt es zu einem zusätzlichen Aufbau an Differenzmoment über den mechanischen Leistungszweig. Dadurch kann ein annährend doppelt so großes Torque-Vectoring-Moment realisiert werden, als es die begrenzenden Drehmomente einer elektrischen Maschine erlauben würden. Somit kann auch unabhängig vom anliegenden Moment an der Achse eine asymmetrische Querverteilung der Radmomente vorgenommen werden, um bedarfsgerecht auf den zur Verfügung stehenden Kraftschluss und die jeweilige Fahrsituation reagieren zu können. Abb. 3.34 zeigt exemplarisch das Ausnutzen des Kraftschlusspotenzials durch die Torque-Vectoring-Funktion auf einem -Split-Untergrund.

Abb. 3.34. Prinzipdarstellung Momentenfluss Torque-Vectoring [53]

Neben der Beeinflussung der Querdynamik können Aktuatoren auf elektromotorischer Basis auch zur Beeinflussung der Längsverteilung verwendet werden. Abb. 3.35 zeigt ein System mit einer funktionalen Anordnung wie die von MAGNA STEYR entwickelte Viscomatic (dabei handelt es sich um eine geregelte Visco-Kupplung, wobei die Kupplung durch eine Elektromaschine ersetzt wird). Die Einheit besteht aus einem Planetenradsatz und einem Elektromotor, der auf das Sonnenrad wirkt. Der Eintrieb erfolgt über den Steg, der Abtrieb über das Hohlrad.

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3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

Abb. 3.35. Allradregelung zur Verteilung der Antriebsmomente zwischen den Achsen [52]

In der Basisfunktion arbeitet die elektrische Maschine als geregelte Bremse. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen den Schlupfverhältnissen an den Achsen und der Drehzahl des Sonnenrads. Bei auftretendem Schlupf an der Hinterachse kann das Sonnenrad durch die Elektromaschine gebremst werden und das Drehmoment wird in Folge an die Vorderachse verlagert. In diesem Betriebsmodus kann die Vorderachsdrehzahl maximal auf das Drehzahlniveau der Hinterachse geregelt werden. Dies entspricht dem starren Allrad. Die erweiterte Funktion beinhaltet den Motorbetrieb der elektrischen Maschine. In diesem Fall wird es möglich, die Vorderachse auf eine höhere Drehzahl als die Hinterachse zu regeln. Abb. 3.36 zeigt ein High-End Hybridallradkonzept für SUVs und Premiumfahrzeuge mit einer reinen elektrischen Vorderachse. Die Elektromaschine EM1 stellt gemeinsam mit den Kupplungen K1 und K2 ein Parallelhybridkonzept dar. Zusätzlich wird die Vorderachse, völlig entkoppelt vom mechanischen Antriebsstrang, mit dem Elektromotor EM2 angetrieben. Mittels der Kupplung K3 kann die Elektromaschine EM2 von der Vorderachse getrennt werden. Die Abkopplung der Elektromaschine EM2 ist bei ESP/ABS-Regeleingriffen notwendig, da sich andernfalls die große Massenträgheit der Elektromaschine negativ auf die Regelgüte des Bremssystems auswirkt. Es ergibt sich aus den verschiedenen Schaltkombinationen der Kupplungen und der Möglichkeit, beide Motoren sowohl motorisch als auch generatorisch zu betreiben, eine Vielzahl an Funktionalitäten und Betriebsmodi. Die Bandbreite der Funktionen reicht vom reinen elektrischen Betrieb der Vorderachse (ohne verbrennungsmotorischen Antrieb) bis hin zur Nutzung des Fahrzeugs als Hilfsstromaggregat. Das rekuperative Bremsen kann in dieser Anordnung mittels beider Achsen erfolgen.

3.4 Funktionalität

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Abb. 3.36. Hybridkonzept mit elektrischer Vorderachse [52]

Bei allen Hybridkonzepten mit Eingriff auf das fahrdynamische Verhalten des Fahrzeugs muss gewährleistet sein, dass es keine vom Batterieladezustand abhängigen Auswirkungen gibt. Dies wäre für den Fahrer nicht abschätzbar und könnte zu sehr gefährlichen Fahrsituationen führen.

3.4.3 Spannungsversorgung – Power Station Neben den Verbesserungen im Fahrbetrieb können Hybridfahrzeuge auch zusätzlichen Nutzen durch z. B. Stromversorgung in nicht vom Stromnetz erschlossenen Gebieten bieten. Als Beispiel sei hier der Ram Contractor Special – ein Hybrid Truck mit OnBoard-Stromerzeugung genannt, siehe Abb. 3.37. Dieser Prototyp mit Parallelhybridkonzept und zusätzlicher Generatorfunktion stellt einphasig 120 V 60 Hz und dreiphasig 240 V 60 Hz mit bis zu 23 kW Leistung zur Verfügung [54]. An den konventionellen 4-Rad-Antrieb des Fahrzeugs ist eine im Vergleich zum Verbrennungsmotor kleine E-Maschine zwischen Getriebeausgang und Verteilergetriebe eingefügt worden, siehe Abb. 3.38. Diese kann nun im Stand als Stromerzeugungsaggregat z. B. für Arbeiten im Baustellenbereich genutzt werden sowie während der Fahrt auch als P3-Hybrid (Parallel Hybridkonzept mit E-Maschine nach dem Getriebe) den Kraftstoffverbrauch verringern und die Beschleunigung des Fahrzeugs verbessern. Dieser spezielle Hybrid vereinigt großen Nutzen für den Käufer mit moderatem Aufwand für die Hybridisierung. Durch das Abgasnachbehandlungssystem des Fahrzeugs werden deutlich weniger Schadstoffe emittiert als bei vergleichbaren tragbaren Stromgeneratoren. Das Fahrzeug zielt auf den amerikanischen „Contractor“-Markt, d. h. für Leute, die oft z. B. auf Baustellen arbeiten müssen, an denen keine Stromversorgung zur Verfügung steht. Abb. 3.38 zeigt den Energiefluss im Generatorbetrieb. Es wird 3-phasiger Wechselstrom erzeugt. Die Batterie kann über den Inverter Energie aufnehmen oder abgeben

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3 Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

und dient damit als Puffer. Für eine Netzfrequenz von 60 Hz muss die Generatordrehzahl konstant auf 1800 U/min gehalten werden. Bei Wechsel der elektrischen Last wird die Drosselklappenstellung des Verbrennungsmotors zur Konstanthaltung der Drehzahl über das Motorsteuergerät entsprechend nachgeführt.

Abb. 3.37. Dodge Ram Contractor Special [55]

Abb. 3.38. Konzept und Energiefluss beim Dodge Ram Contractor Special [55]

Kapitel 4

Hybridkomponenten

4.1 Verbrennungskraftmaschinen In der Regel werden bei Hybridfahrzeugen konventionelle Verbrennungskraftmaschinen mit einem zweiten Energiewandlersystem – in den meisten Fällen einem elektrischen Antriebssystem – kombiniert. In diesem Kapitel werden kurz verschiedene Arten von Verbrennungskraftmaschinen beschrieben, die für den Einsatz in Hybridfahrzeugen in Betracht kommen. Dabei wird in erster Linie auf die für den Hybridantrieb relevanten Eigenschaften und Besonderheiten sowie auf Vor- und Nachteile beim Einsatz in Hybridfahrzeugen eingegangen. Für eine detaillierte und tiefergehende Beschreibung von Verbrennungskraftmaschinen wird auf entsprechende Fachliteratur wie beispielsweise [151] verwiesen. Neben klassischen Hubkolbenmotoren wird auch auf Rotationskolbenmotoren sowie Gasturbinen eingegangen. Brennstoffzellen zählen zwar nicht zu den Verbrennungskraftmaschinen, da sie aber ebenfalls chemische – im Kraftstoff gebundene – Energie in eine andere Energieform umwandeln, werden sie auch in diesem Kapitel behandelt.

4.1.1 Ottomotoren Ottomotoren und Elektromotoren haben spezifische Eigenschaften, die sehr gut in einem Hybridantriebssystem harmonieren. Bei konventionellen Ottomotoren erfolgt die Laststeuerung durch Drosselung der Ansaugluft, woraus vergleichsweise schlechte Teillastwirkungsgrade resultieren. Durch die Möglichkeit von Lastpunktanhebung und E-Fahren – je nach Hybridkonzept – ergibt sich ein höheres Potenzial, den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren als beispielsweise bei einem Dieselmotor. Besonders gut geeignet ist die Kombination mit aufgeladenen Motoren (Downsizingkonzepte), da hier die Anfahrschwäche (Turboloch) durch den E-Motor kompensiert werden kann und man dadurch das Potenzial besser ausschöpfen kann. Dabei gleicht der E-Motor zum einen das fehlende Drehmoment beim Beschleunigen aus niedrigen Lasten aus und erhöht so das Ansprechverhalten. Zum anderen wird durch den schnelleren Motordrehzahlhochlauf auch der Luftdurchsatz vergrößert, wodurch der Turbolader schneller auf Drehzahl kommt und somit früher der Ladedruck aufgebaut wird. Teilweise ermöglicht das so genannte „Boosten“ erst die effektive Umsetzung von Downsizing-Strategien. Das höhere verfügbare Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen (Low-End-Torque) lässt auch längere Getriebe- bzw. Achs-Übersetzungen und damit ein „Downspeeding“ des

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4 Hybridkomponenten

Motors mit entsprechender Auswirkung auf den Kraftstoffverbrauch zu, siehe auch Kapitel 3.2.1 Lastpunktverschiebung. Beim Ottomotor sind Start/Stopp-Systeme mit deutlich weniger Aufwand, speziell in Hinblick auf den Komfort, realisierbar. Durch die hohe Verdichtung beim Dieselmotor ergeben sich besonders beim Starten und Abstellen hohe Drehmomentschwankungen (Abstellschlag), welche nur schwer ausgeglichen werden können. Ottomotoren weisen im Vergleich zu Dieselmotoren wesentlich niedrigere Herstellkosten auf, wodurch die sehr hohen Kosten der Hybridisierung leichter in Kauf genommen werden können. Weiters besitzen sie am weltweiten Markt eine höhere Akzeptanz als Dieselmotoren. Beispielsweise weisen Nordamerika und Japan, als wichtige Märkte für Hybridfahrzeuge, eine sehr geringe Verbreitung von Diesel-Pkw-Fahrzeugen auf. Aus diesen Gründen wurden bislang mehr Serienhybridfahrzeuge mit Ottomotoren entwickelt.

4.1.2 Dieselmotoren Für den Einsatz von modernen Dieselmotoren mit direkter Einspritzung, Aufladung und Ladeluftkühlung (TCI) in Hybridfahrzeugen sprechen der günstige Kraftstoffverbrauch und die relativ niedrigen Schadstoffemissionen von CO und HC bei Verwendung eines Oxidationskatalysators. Weiters weist der Dieselmotor speziell in der Teillast, bedingt durch das hohe Verdichtungsverhältnis und das Brennverfahren mit Luftüberschuss, deutlich höhere Wirkungsgrade und damit niedrigere CO2-Emissionen als der Ottomotor auf. Es lässt sich damit das Konzept mit den geringsten CO2-Emissionen realisieren – allerdings ist das Verbrauchsverbesserungspotenzial auf Grund der guten Ausgangsbasis geringer. Der Dieselmotor ist vergleichsweise schwer und laut und es bedarf auf der Abgasnachbehandlungsseite eines enormen Aufwands in Bezug auf Partikel- und NOx-Emissionen. Einspritz- und Aufladesystem sind bereits sehr kostenintensiv und die Gesamtkosten werden durch die Abgasnachbehandlungstechnik (Partikelfilter, DeNOx-Katalysatoren, SCR-Systeme) nochmals gesteigert. Wenn es allerdings gelingt, durch die Hybridisierung den Aufwand bei der Abgasnachbehandlung zu senken und damit Kosten einzusparen, gewinnt diese Lösung wieder an Bedeutung. Phlegmatisierung zur NOx-Absenkung und Lastpunktanhebung zur Partikelfilterregeneration sind jedenfalls Synergieeffekte, die den Dieselmotor im Hybridfahrzeug attraktiv machen.

4.1.3 Zweitaktmotoren Wesentliches Merkmal des Zweitaktverfahrens ist das Durchlaufen eines vollständigen Arbeitszyklus im Zylinder pro Kurbelwellenumdrehung. Da der Arbeitsprozess mit Kurbelwellendrehfrequenz erfolgt, ist im einfachsten Fall die Steuerung der Frischgasund Abgasströme direkt durch den Kolben möglich. Wegen der Art des Gaswechsels, dem Triebwerksaufbau und der Triebwerksschmierung ergeben sich einerseits hohe Restgasgehalte im Zylinder (innere Abgasrückführung), die niedrige Stickoxidemissionen, vor allem in der Teillast, bedingen. Bei konventionellen Zweitaktottomotoren mit äußerer Gemischbildung führen Ent-

4.1 Verbrennungskraftmaschinen

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flammungsaussetzer in der unteren Teillast zu hohen Kohlenwasserstoffemissionen. Durch den Übergang auf die Direkteinspritzung lassen sich die Frischgasverluste und HC-Emissionen drastisch reduzieren. Weitere Ursachen für hohe HC-Emissionen von Zweitaktottomotoren ergeben sich durch den hohen Schmierölverbrauch. Der charakteristische Geruch von Zweitaktmotoren resultiert in erster Linie aus den HC-Emissionen und der Art der Motorschmierung. Durch Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung, wie Sekundärlufteinblasung, Oxidationskatalysatoren und NOX-Speicherkatalysatoren, lassen sich die Schadstoffemissionen auch von Zweitaktottomotoren deutlich reduzieren. Der spezifische Kraftstoffverbrauch wird wesentlich vom verwendeten Spülverfahren, der Art der Spülluftversorgung und der Wahl des Gemischbildungssystems beeinflusst. Auf den Kraftstoffverbrauch wirken sich vor allem Entflammungsaussetzer in der unteren Teillast und Frischgasverluste bei höheren Motorlasten negativ aus. Während der letzten Jahrzehnte wurden Zweitaktottomotoren vor allem wegen ihres geringen Leistungsgewichts, einer günstigen Drehmomentcharakteristik und der niedrigeren Kosten in Mopeds, Motorrädern, Rasenmähern, Motorsägen, Außenbordmotoren etc. bei Verzicht auf niedrigen Verbrauch und geringe Schadstoffemissionen eingesetzt. Wegen der sich auch bei Kleinmotoren verschärfenden Anforderungen an die Schadstoffemission wurde auch in diesen Bereichen der Otto-Zweitaktmotor allmählich vom Otto-Viertaktmotor abgelöst. Die immer noch bedeutenden Vorteile bei Kosten, Leistung, Leistungsgewicht, Bauvolumen, Robustheit und einem lageunabhängigen, wartungsarmen Betrieb erschweren jedoch die gänzliche Substitution dieser Motoren durch Viertaktmotoren. Vor dem Hintergrund moderner Abgasnachbehandlungsmethoden und Gemischbildungsverfahren lassen sich für Spezialanwendungen, wie z. B. als Range Extender, durchaus neue erfolgversprechende Anwendungsbereiche finden. Das Zweitaktverfahren lässt sich auch mit dem Diesel-Verbrennungsverfahren verwirklichen. Zweitaktdieselmotoren haben gegenüber Zweitaktottomotoren den Vorteil, dass hier der Kraftstoff grundsätzlich direkt in den Zylinder eingespritzt wird. Solche Motoren sind sehr wirtschaftlich, sie werden vor allem als Lokomotiv- und Schiffsantriebe eingesetzt, meist mit einer Turboaufladung. Auch für den Einsatz in Fahrzeugen werden Chancen in der Zukunft gesehen.

Vorteile Aus der Arbeitsweise resultieren die grundsätzlichen Vorteile von Zweitaktmotoren: • kompakte, leichte, einfache und preisgünstige Bauweise wegen der entfallenden Ventilsteuerung • relativ hohe spezifische Leistung und damit ein niedriges Leistungsgewicht auf Grund der doppelten Anzahl von Arbeitstakten • niedrige Reibverlustleistung wegen der geringeren Anzahl von bewegten Teilen und wegen der halbierten Zykluslänge • relativ niedrige NOX-Emissionen wegen des hohen Restgasgehalts und der relativ niedrigen Mitteldrücke

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4 Hybridkomponenten

Nachteile • Auf Grund des komplexen Ladungswechselvorgangs ist die Abstimmung des Ansaug- und Auspuffsystems (Rohrlängen, Topfvolumina etc.) von noch größerer Bedeutung als beim Viertaktmotor. Ein vollkommener Ladungswechsel ist, wenn überhaupt, nur in einzelnen Betriebspunkten zu erreichen. • Hohe Spülverluste bewirken einen hohen Kraftstoffverbrauch und sehr hohe HCEmissionen. • Ein hoher Restgasanteil führt vor allem im Leerlauf und im unteren Lastbereich zu einem sehr unrunden Motorlauf, da durch Restgasnester im Bereich der Zündkerze immer wieder Fehlzündungen verursacht werden. • Auf Grund der Spülverluste, des Restgasgehalts und der eingeschränkten Wählbarkeit der Steuerzeiten sind die erreichbaren Mitteldrücke wesentlich niedriger als bei Viertaktmotoren, wodurch ein Teil des Leistungsvorteils wieder ausgeglichen wird. • Die Frischölschmierung führt zu einem wesentlich höheren Ölverbrauch. • Geruchsauffälligkeit

4.1.4 Rotationskolbenmotoren Das Kreiskolbenprinzip erhält derzeit wieder mehr Aufmerksamkeit, da es kleinere Einbaumaße und Gewichte als vergleichbare Aggregate des klassischen Hubkolbenprinzips bei hoher spezifischer Leistung aufweist. So ist der Wankelmotor auf Grund der kompakten Einbaumaße als Range Extender bei kleinen, leichten Hybridfahrzeugen in Überlegung, siehe auch Kapitel 2.7, Plug-In-Hybrid.

Funktion und Aufbau Der Wankelmotor ist ein Rotationskolbenmotor – er wurde 1954 von Felix Wankel als innenachsiger Dreh- und Kreiskolbenmotor im Viertaktverfahren vorgestellt. Charakterisiert wird er durch einen Exzentertrieb und einen sich in Trochoidenform bewegenden, arbeitsraumbildenden Läufer. Beim klassischen Kreiskolbenmotor entstehen durch die Drehbewegung eines Kolbens auf einem rotierenden Exzenter in einem Gehäuse drei zeitlich veränderliche Hubräume, siehe Abb. 4.1. Der zeitliche Ablauf der Hubraumbildung ermöglicht das Viertaktarbeitsverfahren. Der Kolben selbst führt während drei Exzenterumdrehungen eine Umdrehung aus. In den Ecken und Seitenflächen des Kolbens sind Dichtelemente eingelassen. Der Gaswechsel wird durch einfache Schlitze vom Kolben selbst gesteuert. Das Gehäuse hat die Form einer zweibogigen Epitrochoide. Die Rotation des Läufers auf dem Exzenter erzeugt bei einem unwuchtfreien Läufer keine Fliehkraft. Eine Fliehkraft entsteht aber dadurch, dass die punktförmig auf der Exzentermitte gedachte Läufermasse auf dem Exzenterradius rotiert; diese kann durch Gegengewichte ausgeglichen werden.

4.1 Verbrennungskraftmaschinen

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Abb. 4.1. Arbeitsspiele Kreiskolbenmotor nach Wankel [56]

Vorteile • Durch das Fehlen von oszillierenden Massen sind hohe Motordrehzahlen möglich. • Vollkommener Massenausgleich • Weniger Bauteile, da kein Ventiltrieb • Wegen großer Einlass- und Auslass-Querschnitte sind auch ohne Aufladung hohe Gaswechselgeschwindigkeiten möglich. Der aus diesen Punkten resultierende wesentliche Vorteil sind die hohe spezifische Leistung und das gute Drehmoment bei kompakter Bauweise und geringem Gewicht.

Nachteile • Die ungünstige geometrische Brennraumform mit negativem Quencheffekt führt zu relativ hohen HC-Emissionen und einem • höheren spezifischen Kraftstoffverbrauch. • Die langen Dichtkanten bedingen einen hohen Ölverbrauch mit ebenfalls negativen Folgen für die Abgasqualität.

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4 Hybridkomponenten

• Als Dieselmotor ist er wegen der schwierigen Brennraumabdichtung bei hohen Drücken nur bedingt realisierbar. Das Hauptproblem des Wankelmotors waren und sind daher die von der ungünstigen Brennraumgeometrie herstammenden höheren Rohemissionen und vor allem der höhere Verbrauch.

4.1.5 Stirlingmotor Der Stirlingmotor, auch Heißgasmotor genannt, arbeitet mit äußerer, kontinuierlicher Verbrennung in einem geschlossenen Kreisprozess. Die Kompression erfolgt bei niedriger und die Expansion bei hoher Temperatur. Dabei wird die Wärmeenergie mittels Wärmetauscher auf das Arbeitsmedium von außen eingebracht. Aus diesem Grund kann der Stirlingmotor mit jeder beliebigen externen Wärmequelle betrieben werden. Die Erhitzung und Abkühlung des Gases kann nicht durch ständiges Erwärmen und Abkühlen der mit einer großen Wärmespeicherfähigkeit behafteten Wand geschehen. Man benutzt deshalb einen so genannten Verdränger.

Abb. 4.2. Einzylinder-Stirlingmotor mit Rhombengetriebe [50]

4.1 Verbrennungskraftmaschinen

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Das Arbeitsmedium wird zwischen einem Raum mit hoher und einem mit niedriger Temperatur hin- und hergeschoben, siehe Abb. 4.2. Diese periodischen Druckschwankungen werden über einen Arbeitskolben und einen Kurbeltrieb in mechanische Energie umgewandelt. Beim Stirlingmotor bleibt das Arbeitsgas innerhalb des Motors und wird nicht getauscht. Man verwendet Wasserstoff und Helium anstelle von Luft als Arbeitsmedium, um höhere Wirkungsgrade sowie höhere spezifische Leistungen zu erreichen.

Aufbau Stirlingmotoren haben grundsätzlich einen permanent heißen (erhitzten) und einen permanent kalten (gekühlten) Raum, zwischen denen das Arbeitsgas hin- und herbewegt wird. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, besitzen Stirlingmotoren einen Wärmespeicher, den so genannten Regenerator, der zwischen dem heißen und kalten Raum angeordnet ist. Beim Überströmen vom heißen in den kalten Raum gibt das Arbeitsgas Wärmeenergie in den Regenerator ab und nimmt diese beim Zurückströmen in den heißen Raum wieder auf. Meistens werden Stirlingmotoren als Hubkolbenmotoren ausgeführt, wobei es Unterschiede bei der Gestaltung der Zylinder gibt: 1. Alpha-Typ: Der Motor besteht aus einem heißen Arbeitszylinder und einem kalten Kompressorzylinder. Diese sind durch einen Kanal verbunden. 2. Beta-Typ: Der Motor besitzt nur einen Zylinder, in dem sich ein Arbeitskolben im kalten Bereich und ein Verdrängerkolben im heißen Bereich bewegen. 3. Gamma-Typ: Der Motor besitzt einen großen Verdrängerzylinder mit einer heißen und einer kalten Seite sowie einen kleinen Arbeitszylinder, der an der heißen oder der kalten Seite angeschlossen sein kann.

Abb. 4.3. Schema des Stirlingprozesses [57]

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4 Hybridkomponenten

Funktion Der Arbeitsablauf des Stirlingmotors kann in vier Phasen bzw. Takte unterteilt werden, siehe Abb. 4.3: I. Das Arbeitsgas wird durch Wärmezufuhr im heißen Bereich erhitzt und dehnt sich dadurch aus. Dabei wird der Arbeitskolben bewegt und gibt Arbeit ab. Der Verdrängerkolben ist um 90° phasenverschoben angeordnet und bewegt sich in dieser Phase kaum. II. Der Verdrängerkolben schiebt nun das Gas vom heißen in den kalten Bereich, wo es abkühlt. Beim Durchströmen des Regenerators gibt es Wärme ab. In dieser Phase bewegt sich der Arbeitskolben kaum. Der Druck im Gasraum sinkt auf Grund der Abkühlung. III. Der Arbeitskolben bewegt sich wieder in den oberen Totpunkt. IV. Der Verdrängerkolben bewegt sich nach unten, wodurch das Gas aus dem kühlen in den heißen Bereich verschoben wird und aus dem Regenerator Wärme aufnimmt. Bei einem idealen Stirlingprozess gibt es 4 nacheinander ablaufende Zustandsänderungen, siehe Abb. 4.4. 1. 1Æ2: Die Luft expandiert isotherm (also bei konstanter Temperatur) 2. 2Æ3: Sie wird nach der Expansion isochor (d. h. bei konstantem Volumen) abgekühlt 3. 3Æ4: Danach wird sie isotherm komprimiert 4. 4Æ1: Sie wird wieder isochor aufgeheizt auf die Anfangstemperatur

Abb. 4.4. Idealisierter Kreisprozess des Stirlingmotors

In der Realität kann ein idealer Stirlingprozess nicht umgesetzt werden, da in kontinuierlich laufenden Maschinen isochore Zustandsänderungen nicht ablaufen können.

4.1 Verbrennungskraftmaschinen

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Der theoretische Wirkungsgrad des Stirlingprozesses ist gleich dem des CarnotProzesses, jedoch entspricht er bei technisch realisierbaren Drücken und Verdichtungsverhältnissen den idealisierten Prozessen für Diesel- bzw. Ottomotoren. Die Emissionssituation hängt wesentlich von der Wahl des Energieträgers ab. Der Stirlingmotor ist vielstofffähig und spannt sich von verschiedensten gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen bis hin zur Sonnenstrahlung. Generell bildet er jedoch bei konventionellen gasförmigen und flüssigen Brennstoffen, auch wegen der stetigen Verbrennung, Abgase mit relativ geringem Gehalt an Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Er hat keinen Schmierölverbrauch wegen der hermetischen Abdichtung zwischen Gasraum und Kurbelgehäuse. Wegen der Art der Verbrennung hat er einen sehr leisen Lauf. Das Startverhalten bei tiefen Temperaturen ist gut, da die Brennkammer zuerst gezündet wird, ehe der Motor angeworfen wird. Da die gesamte Wärmeenergie beim Stirlingmotor durch Wärmeleitung übertragen werden muss, ergibt sich ein sehr träges Instationärverhalten. Dieser spezielle Nachteil würde jedoch bei einem Serienhybridfahrzeug nicht ins Gewicht fallen, wenn man den Stirlingmotor als Range Extender einsetzt.

Vorteile • Extreme Vielstofffähigkeit durch beliebig nutzbare Wärmequellen • Generell niedrige Schadstoffemissionen durch Optimierung auf kontinuierliche Verbrennung • Guter Wirkungsgrad auch in der Teillast • Günstige Drehmomentcharakteristik • Gutes akustisches Verhalten durch kontinuierliche Verbrennung • Gutes Startverhalten bei tiefen Temperaturen

Nachteile • Ansprechverhalten ist stark durch die notwendige Wärmeleitung verzögert • Lastregelung ist schwierig • Großer Bauraum wegen geringer Leistungsdichte

4.1.6 Gasturbinen Gasturbinen zeichnen sich dadurch aus, dass die für die Umwandlung verfügbare Energie überwiegend in kinetischer Form als Strömungsenergie vorliegt. Bei Fahrzeuggasturbinen wird die durch Filter und Schalldämpfer kontinuierlich angesaugte Luft im Allgemeinen in einem Radialverdichter komprimiert und anschließend in einem Wärmetauscher weiter aufgeheizt. Bei den heute bekannten Fahrzeugturbinen ist der Wärmetauscher meist als rotierender Regenerator ausgeführt. Die verdichtete und vorgewärmte Luft strömt dann in die Brennkammer, wo sie durch Verbrennen des Kraftstoffs direkt aufgeheizt wird. Anschließend wird die Energie des verdichteten und erhitzten Gases in ein, zwei oder drei Turbinenstufen auf ein bis drei Wellenstränge übertragen.

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4 Hybridkomponenten

Abb. 4.5 zeigt das Schema einer Zweiwellen-Gasturbine und die idealisierten Zustände im T-S-Diagramm. Bei der Gasturbine sind Druck- und Temperaturniveau der Gleichraumverbrennung niedriger, die Ausnutzung der im Abgas enthaltenen Energie in einem Wärmetauscher ist aufwendiger. Bei Teillast sinkt im Gegensatz zum Dieselmotor das Kompressionsverhältnis. Dies bedingt grundsätzlich den geringeren thermischen Wirkungsgrad.

Abb. 4.5. Schema einer Zweiwellen-Gasturbine und Idealprozess im T-S-Diagramm

Vorteile • Hohe Leistungsdichte • Rasches Ansprechverhalten für hohe Leistung • Für unterschiedliche Kraftstoffe geeignet

Nachteile • Sehr schlechter Teillastwirkungsgrad • Hohe Drehzahl

4.1.7 Brennstoffzellen Ein innovatives Energiewandlerkonzept stellt die Brennstoffzelle dar. In einer Brennstoffzelle wird ein Brennstoff wie Wasserstoff (H2) mit Luftsauerstoff unter direkter Erzeugung von elektrischer Energie oxidiert. Dieses Prinzip ist mit dem batterieelektrischen Antrieb eng verwandt, jedoch arbeitet die Brennstoffzelle nicht reversibel – sie ist somit kein Energiespeicher, sondern ein Energiewandler. Der Durchbruch der Brennstoffzelle gelang bereits in den 1950er Jahren bei der Stromerzeugung für die Raumfahrt. Die Anode (negativer Pol) steht mit dem Brennstoff in Kontakt, z. B. Wasserstoff, während der Kathode (positiver Pol) ein Oxidationsmittel zugeführt wird, wie z. B. Luftsauerstoff. Verbindet man die Elektroden über einen externen Verbraucher, wie einen Elektromotor, so geben die Wasserstoffmoleküle Elektronen ab, die un-

4.1 Verbrennungskraftmaschinen

111

ter Arbeitsleistung durch den Verbraucher zur Kathode fließen, siehe Abb. 4.6. Die zurzeit aussichtsreichste Technik für den Einsatz im Fahrzeug ist die PEM-Brennstoffzelle (Polymer-Elektrolytmembran). Die Polymermembran ist eine protonenleitende Polymerfolie mit einer hohen Leistungsdichte und einer Arbeitstemperatur unter 100 °C.

Abb. 4.6. Schematische Darstellung einer Brennstoffzelle

Abb. 4.7. Vereinfachtes Schema eines Brennstoffzellensystems

Abb. 4.7 zeigt das vereinfachte Schema eines Brennstoffzellensystems, wobei eine Aufteilung in die Submodule Brennstoffzellenstapel, Brennstoffversorgung, Kühlsystem, Luftversorgung und Steuerung vorgenommen wurde [59]. Während der Wirkungsgrad der Stacks bei niedrigen Leistungen am höchsten ist, relativiert sich der Sys-

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4 Hybridkomponenten

temwirkungsgrad über der Last. Dieser liegt mit Ausnahme des Niedrigstlastbereichs bei ca. 50 %. Im stationären Betrieb und bei geringen Leistungen kann im Brennstoffzellenprozess im Vergleich zum Verbrennungsprozess ein höherer Wirkungsgrad erwartet werden. Dem Einsatz als Range Extender kommt somit das gewünschte stationäre Verhalten entgegen. Allerdings muss die Brennstoffzelle für einen guten Wirkungsgrad relativ groß dimensioniert werden. Da Brennstoffzellen elektrische Energie erzeugen und damit ein elektrisches Antriebssystem erfordern, bietet sich eine Kombination mit einem elektrischen Energiespeicher zu einem Hybridkonzept förmlich an. Damit ergeben sich eine Reihe von zusätzlichen Funktionen zu einem reinen Brennstoffzellenantrieb wie z. B. Bremsenergierückgewinnung, Leistungsaddition, Optimierung des Fahrzeug- und insbesondere des Kaltstartverhaltens, Lastpunktverschiebung zu höheren Wirkungsgraden sowie die Phlegmatisierung des Brennstoffzellensystems [59]. Systembedingt stellt molekularer Wasserstoff derzeit die effektivste Brennstoffart dar. Leider sind gerade für Wasserstoff weder die Herstellung in großen Mengen noch der Transport und die Lagerung aus Umweltgesichtspunkten zufriedenstellend gelöst. Wird der Brennstoffzelle ein so genannter Reformer vorgeschaltet, so können als Energieträger auch mehr oder weniger komplexe Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden, jedoch um den Preis sinkender Gesamtwirkungsgrade. Als Energielieferanten kommen für den mobilen Einsatz im Wesentlichen folgende Stoffe in Frage: • Wasserstoff • Erdgas • Flüssiggas • Methanol (auch in so genannten Direktmethanolbrennstoffzellen ohne Reformer einsetzbar) • Ethanol • Dimethylether • Diesel (Referenzgemisch C12,95 H24/38) • modifizierter Ottokraftstoff

Vorteile • • • • •

keine direkten Gesamtschadstoffemissionen bei Verwendung von regenerativ erzeugtem Wasserstoff keine CO2-Emission keine Schallemissionen keine bewegten Teile guter Teillastwirkungsgrad

Nachteile • teuere Edelmetallkatalysatoren (Platin) führen zu hohen Anschaffungskosten • Wasserstoffspeicherung und -betankung sind kostenintensiv

4.2 Elektromaschinen

• • • • •

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durch instationären Betrieb sinkt die Lebensdauer deutlich hohes Leistungsgewicht schlechter Volllastwirkungsgrad Wintertauglichkeit ist nur bedingt gegeben Bauraumbedarf ist groß

4.2 Elektromaschinen Die Elektromaschine ist jene Komponente des elektrischen Antriebs, die für den Antrieb von Maschinen und Fahrzeugen elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Im Gegensatz zu den Verbrennungsmotoren können Elektromaschinen auch generatorisch betrieben werden. Für den Betrieb der Elektromaschine sind geeignete Leistungselektronikeinheiten sowie entsprechende Steuerelektroniken erforderlich. Abb. 4.8 zeigt die prinzipielle Übersicht eines automotiven Antriebs. Im Vergleich zu Industrieantrieben oder Bahnantrieben werden die Antriebe nicht aus dem Versorgungsoberleitungsnetz, sondern aus Gleichstromquellen wie Batterien oder Brennstoffzellen gespeist. Die Elektromaschine stellt die rotatorische Energie zur Verfügung, die üblicherweise über ein Getriebe auf Achsniveau angepasst wird.

Abb. 4.8. Prinzipieller Aufbau des elektrischen Antriebs für Kraftfahrzeuge

Die Elektromaschine besteht aus einem feststehenden und einem rotierenden Teil. Den feststehenden Teil nennt man Ständer oder Stator – in diesem Teil wird die elektrische Leistung zu- oder abgeführt. Im sich drehenden Teil – dem Läufer oder Rotor – wird mechanische Leistung ab- oder zugeführt. Die elektrische Energiewandlung findet im Luftspalt statt. Verluste entstehen sowohl im Ständer als auch im Läufer. Elektromaschinen im Antriebsbereich von Kraftfahrzeugen werden in Leistungen von 3 kW bis 300 kW gebaut und haben sich als robuste Antriebsmaschinen mit vorteilhaftem Betriebsverhalten und sehr gutem Wirkungsgrad bewährt. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen folgenden Maschinenarten, siehe Abb. 4.9.

114

4 Hybridkomponenten

Abb. 4.9. Bauarten von Elektromaschinen

4.2.1 Betriebsgrenzen und Kennlinien

Betriebsgrenzen Die Besonderheit von elektrischen Maschinen ist, dass sie zwei unterschiedliche Betriebsgrenzen haben, innerhalb derer sie betrieben werden können. Zum einen existieren so genannte Nenngrößen wie das Nennmoment MN und die Nennleistung PN. Diese können dauerhaft eingestellt werden, ohne dass die Maschine thermisch oder mechanisch überlastet wird. Daneben gibt es den so genannten Überlastbereich, in welchem die Maschine für kurze Zeit mit zum Teil wesentlich höheren Werten operieren kann. Im Überlastbereich werden die Maximalgrößen wie das maximale Drehmoment Mmax und die maximale Leistung Pmax definiert, die nur für kurze Zeit eingestellt werden dürfen. Die Zeit wird beschränkt durch die Wicklungstemperatur, die mechanische Festigkeit der belasteten Komponenten sowie dem resultierenden Einfluss auf die Lebensdauer. Wird eine Maschine zu lange im Überlastbereich oder meist auch nur kurzzeitig darüber hinaus belastet, kommt es durch zu große Ströme zu einer thermischen Überlastung der Maschine. Ausschlaggebend hierfür ist die Isolierstoffklasse der Wicklungsisolierung. Um die Maschine vor der Überlastung zu schützen, werden die Temperaturen innerhalb des Wicklungskopfes (dies ist die heißeste Stelle) gemessen und der Steuerelektronik übermittelt. Mit Hilfe eines Online-Temperaturmodells wird der Zustand der Maschine sowie eine Prognose berechnet und gegebenenfalls ein Abregeln der Leistung („derating“) eingeleitet. Bei zu hoher Belastung können fallweise auch die Lager schnell an ihre thermische Grenze gelangen, wodurch sich die Lebensdauer reduziert. Bei zu hohen Drehzahlen kann es auch zu direkten mechanischen Schäden kommen, die dann zum Ausfall der Maschine führen. Hierbei handelt es sich um das so genannte Ausschleu-

4.2 Elektromaschinen

115

dern des Rotors durch zu hohe Zentrifugalkräfte, d. h., Teile des Rotors lösen sich und können die Maschine zerstören. Bei der Auslegung der Maschine sind daher auch umfangreiche Untersuchungen bezüglich mechanischer Festigkeit durchzuführen. Wenn bei der Anwendung z. B. in Hybridfahrzeugen nicht dauerhaft maximale elektrische Lasten gefordert werden, bietet die Überlastfähigkeit interessante Gestaltungsmöglichkeiten. So kann die Elektromaschine entsprechend der durchschnittlichen Lastanforderung etwas kleiner dimensioniert werden und Leistungsspitzen für z. B. Beschleunigungsvorgänge oder zur Überbrückung des Ladedruckaufbaus (Anfahrschwäche – Turboloch) von aufgeladenen Verbrennungsmotoren durch die Überlastfähigkeit abgedeckt werden. Der Vorteil sind zum einen ein Gewichts-, Platzbedarfs- und Kostenvorteil und zum anderen höhere Wirkungsgrade bei niedrigen Lasten. Deshalb werden je nach Auslegung und Dimensionierung Überlastfähigkeiten mit dem Faktor 1 bis 2,5 gewählt, das heißt, die Maschine hält kurzzeitig das 2,5-Fache ihrer Nennbelastung aus.

Charakteristik Verbrennungsmotoren und Elektromaschinen haben grundsätzlich unterschiedliche Kennlinien. Während beim Verbrennungsmotor erst im Bereich der Leerlaufdrehzahl ein Drehmoment abgegeben werden kann, reicht der Betriebsbereich der Elektromaschine bis zur Drehzahl 0, wobei diese auch im Stillstand das maximale Moment aufbringen kann. Sofern es die Ansteuerung zulässt, kann sie mit positiven und negativen Momenten, d. h. motorisch und generatorisch sowie in beiden Drehrichtungen (VierQuadranten-Betrieb) arbeiten, wie in Abb. 4.10 schematisch dargestellt. Das Kennlinienfeld gilt für eine gegebene Versorgungsspannung und die Überlast für eine bestimmte spezifizierte Zeit. Die dafür notwendige Steuerung wird in Kapitel 4.3: Leistungselektronik näher beschrieben. Im Grunddrehzahlbereich vom Stillstand weg bis zur Drehzahl nGrund kann das Nennmoment MN bzw. das maximale Moment Mmax eingestellt werden. In diesem Bereich steigt bei Erhöhung der Drehzahl bei konstantem Moment MN die mechanische Leistung linear an, bis die Nennleistung erreicht ist, siehe Abb. 4.11. Diese Drehzahl wird Grunddrehzahl nG genannt, siehe Gleichung (4-1): (4-1) nG ......... Grunddrehzahl [s-1] PN .......... Nennleistung [W] MN .......... Nennmoment [Nm] Unterhalb der Grunddrehzahl ist der Strom proportional dem Drehmoment und die Spannung proportional der Drehzahl. Ist die maximale Spannung erreicht, muss der magnetische Fluss in der Maschine reduziert werden, um die Spannung konstant zu halten. Daher wird dieser Bereich Feldschwächbereich genannt.

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4 Hybridkomponenten

Abb. 4.10. Idealisiertes M/n-Betriebsdiagramm für E-Maschinen

Die Feldschwächung bewirkt eine Absenkung des Drehmoments. Wenn dies umgekehrt proportional zur Drehzahl erfolgt, ergibt sich eine konstante Leistung. Damit ergibt sich das maximale Drehmoment im Feldschwächbereich nach Gleichung (4-2): (4-2) mit PN = konst. M ......... maximales Dauerdrehmoment im Feldschwächbereich [Nm] PN .......... Nennleistung [W] n .......... Drehzahl [s-1] Elektromaschinen können im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren vom Stillstand weg Drehmoment abgeben. Dadurch kann in einem Antriebsstrang mit Elektromotor die Kupplung (Anfahrkupplung) entfallen. Die Drehmomentcharakteristik der Elektromaschine entspricht im Wesentlichen den Drehmomentanforderungen an den Antriebsrädern von Fahrzeugen, wie Abb. 4.12 zeigt. Beim konventionellen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor muss durch das Schaltgetriebe die Zugkraft an den Rädern in Abhängigkeit von der geforderten Leistung und der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs eingestellt werden, während die Drehmomentcharakteristik einer Elektromaschine nahezu ideal den Anforderungen entspricht. Dadurch kann bei einem elektrischen Antrieb in der Regel auf ein Schaltgetriebe verzichtet werden, eventuell kann zur Anpassung des Drehzahlbereichs ein Übersetzungsgetriebe erforderlich sein. Fallweise werden zur Ausdehnung des Bereichs mit hohem Wirkungsgrad 2-stufige Getriebe eingesetzt, wie beispielsweise beim Lexus GS450 h und Lexus LS600 h, siehe auch Kapitel 6: Ausgeführte PKW-Hybridkonzepte.

4.2 Elektromaschinen

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Abb. 4.11. Idealisierte elektrische und mechanische Größen von Elektromaschinen

Abb. 4.12. Maximale Zugkraft eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor und 5-Gang-Schaltgetriebe im Vergleich zur Charakteristik einer Elektromaschine

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4 Hybridkomponenten

4.2.2 Gleichstrommaschinen Die Gleichstrommaschine (GM) wird heute nur mehr selten als Traktionsantrieb eingesetzt, beispielsweise in Staplerfahrzeugen, für kleine Antriebsleistungen in Hybridapplikationen, wie in [60] angeführt, oder in einfachen Elektrofahrzeugen. Die Gleichstrommaschine wird hier dennoch näher erklärt, da ihre Funktionsweise grundsätzlich zu einem besseren Verständnis für die Wirkungsweise von elektrischen Maschinen beiträgt. Der Stator besteht in der Regel aus einem Ring aus Walzstahl, auf dessen Innenseite die Hauptpole, entweder als Dauer- oder als Elektromagnete mit einer Feldspule, sowie die Wendepole befestigt sind. Zwischen den Polen dreht sich der trommelförmige Rotor, der die Ankerwicklung trägt. Die Ankerwicklung besteht aus vielen Spulen, die meist in Nuten des Läuferblechs eingelegt und deren Enden am Kollektor angeschlossen sind. Auf den Kollektorlamellen schleifen die feststehenden Bürsten, über die der Ankerwicklung ein Ankerstrom zugeführt wird.

Funktionsprinzip Durch eine Erregerwicklung entsteht ein magnetisches Feld in der Gleichstrommaschine. Wird ein elektrischer Leiter (Ankerwicklung) in einem Magnetfeld von einem Strom durchflossen, wirkt eine Kraft bzw. ein Drehmoment und der Läufer wird sich drehen, siehe Abb. 4.13. Der aus Bürsten (meist Kohlebürsten) und Kollektor bestehende Kommutator oder „Stromwender“ sorgt nun dafür, dass die umlaufende Ankerwicklung den Strom so zugeteilt bekommt, dass ein möglichst großes Drehmoment entsteht. Entsprechend der periodischen Veränderung des magnetischen Flusses in den sich unter den feststehenden Hauptpolen hinwegdrehenden Ankerteilen fließt in der Ankerwicklung der Gleichstrommaschine ein Wechselstrom, der durch den Kommutator gleichgerichtet wird.

Abb. 4.13. Funktionsprinzip der Gleichstrommaschine

4.2 Elektromaschinen

119

Das Ankereisen wird als Blechpaket (isolierte Eisenbleche) gefertigt, um Wirbelstromverluste klein zu halten.

Verschaltungsmöglichkeiten für die Gleichstrommaschine Werden Anker- und Erregerwicklung je an eine feste Spannung angeschlossen, nennt man die Maschine: „fremderregte Gleichstrommaschine“, siehe Abb. 4.14. Dabei wird meist die Erregerwicklung (Feldwicklung) so angelegt, dass diese parallel zum Anker an dieselbe Spannungsquelle angeschlossen werden kann. Man nennt den Motor in diesem Fall „Nebenschlussmotor“. Beim „Reihenschlussmotor“ oder „Hauptschlussmotor“ werden Anker- und Feldwicklung in Reihe geschaltet, sodass diese vom selben Strom durchflossen werden.

Abb. 4.14. Ersatzschaltbilder der Gleichstrommaschine

Der Einsatz eines Kommutators führt zu einigen Nachteilen der Gleichstrommaschine. Einerseits erhöht sich der Wartungsaufwand durch die Abnutzung der Kohlebürsten, andererseits baut die Maschine länger und schwerer als vergleichbare Drehstrommaschinen. Auch ist die maximale Drehzahl infolge des mechanischen Stromwenders begrenzt [61]. Als Alternative können bürstenlose Gleichstrommaschinen eingesetzt werden. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass der Rotor aus Permanentmagneten besteht, während sich im Stator die Wicklungen befinden (Aufbau wie permanenterregte Synchronmaschine PSM siehe Kapitel 4.2.6). Auf diese Weise werden keine Kohlebürsten mehr benötigt, da der Läufer keine Wicklung mehr aufweist. Allerdings ist eine elektronische Kommutierung notwendig, wobei zwischen sensorgesteuerten- und sensorlosgesteuerten bürstenlosen Gleichstrommaschinen unterschieden werden kann. Auf Grund der höheren Kosten, des Wartungsaufwands und des im Vergleich zu den Drehstrommaschinen geringeren Wirkungsgrades wird die Gleichstrommaschine nicht mehr als Traktionsmaschine für Fahrzeuge vorgesehen.

4.2.3 Drehstrommaschinen Drehstrommaschinen sind Wechselstrommaschinen, wobei der Aufbau und die Wirkungsweise auf einem elektrischen Drehfeld basieren, das durch einen dreiphasigen Wechselstrom erzeugt wird. Die Drehfeldwicklungen befinden sich am Ständer des

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4 Hybridkomponenten

Motors. Synchrone und asynchrone Drehfeldmaschinen haben im Ständer prinzipiell den gleichen Aufbau, der in beiden Fällen aus einem Blechpaket mit Drehstromwicklung besteht. Die Drehstromwicklung besitzt rotationssymmetrisch verteilte Wicklungsstränge. Die drei Wechselspannungen des Drehstromnetzes sind zeitlich um 120° ( einer Periode) phasenverschoben und speisen die drei Wicklungen mit den nachfolgenden Strömen. Dadurch entsteht ein magnetisches Drehfeld, welchem der Rotor folgt. Das Drehfeld läuft mit der Frequenz f1 um, wodurch sich die mechanische, synchrone Drehzahl ns nach Gleichung (4-3) einstellt. (4-3) n1 = ns ..... synchrone Drehzahl bei Frequenz f1 [s-1] f1 .......... Frequenz des Wechselstromes [s-1] p .......... Polpaarzahl [1] Unterschiede ergeben sich lediglich im Läufer, wie in Abb. 4.15 zu erkennen ist. Die Synchronmaschine hat im Läufer eine elektrische oder permanentmagnetische Erregung und folgt dem Ständerdrehfeld synchron, wogegen die Asynchronmaschine im Läufer eine Kurzschlusswicklung trägt. Solange die Läuferdrehzahl von der Synchrondrehzahl abweicht, induziert das Ständerdrehfeld in den Läuferwicklungen Ströme, wodurch ein Drehmoment entsteht. Die Abweichung der Läuferdrehzahl von der Synchrondrehzahl kennzeichnet man durch den so genannten Schlupf, siehe Gleichung (4-4). (4-4) s .......... Schlupf [1] n1 .......... Synchrondrehzahl bei Frequenz f1 [s-1] p .......... Polpaarzahl [1]

Abb. 4.15. Vergleich prinzipieller Aufbau einer Synchron- und Asynchronmaschine [58]

4.2 Elektromaschinen

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4.2.4 Asynchronmaschine Das besondere Kennzeichen der Asynchronmaschine ist die Kurzschlusswicklung im Läufer. Meistens enthält dabei der aus Blechen aufgebaute Läufer (Rotor) eine Stabwicklung, wobei die Stäbe durch zwei Kurzschlussringe miteinander verbunden sind (Kurzschlussläufer), siehe Abb. 4.16.

Abb. 4.16. Rotor und Stator einer Asynchronmaschine

Abb. 4.17. Idealisierte Betriebskennlinien einer Asychronmaschine bei veränderlicher Spannung und Frequenz

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4 Hybridkomponenten

Für die Drehmomentabgabe ist grundsätzlich ein Schlupf erforderlich. Bei zunehmender Belastung steigen sowohl der Schlupf als auch das abgegebene Drehmoment bei gleichzeitiger Drehzahlverringerung an, um die benötigte Kraft zur Verfügung stellen zu können. Das maximale Drehmoment ist im Kippmoment erreicht. Durch die Drehzahldifferenzen zwischen Drehfeld und Rotor steigen die Streublindwiderstände und das Drehmoment nimmt wieder ab, siehe Abb. 4.17. Dieses natürliche Verhalten ist in einer Charakteristik beispielsweise für verschiedene konstante Speisefrequenzen (f1–f5) dargestellt. Zur Drehzahleinstellung des Motors müssen entweder die Drehzahl des Statorfelds, die Polpaarzahl oder der Schlupf verändert werden. Für Antriebe mit Asynchronmotoren wird die Frequenz des Statorfelds variiert, siehe Abb. 4.17. Um ein konstantes Kippmoment zu behalten, muss neben der Frequenz auch das Verhältnis aus Statorspannung und Frequenz konstant gehalten werden [62]. Ab Erreichen des Feldschwächbereichs wird die maximale Statorspannung konstant gehalten, es sind entsprechend reduzierte Kippmomente darstellbar. Die veränderliche Frequenz und Spannung für das Statorfeld werden mit dem Stromrichter generiert, es können sämtliche Betriebspunkte innerhalb der Moment-/Drehzahlgrenzen eingestellt werden.

4.2.5 Synchronmaschinen Der Statoraufbau der Synchronmaschine ähnelt dem der Asynchronmaschine, siehe Abb. 4.18. Der Rotor kann entweder mit Dauermagneten (permanenterregte Synchronmaschine) bestückt sein oder die Magnetisierung erfolgt über gleichstromerregte Polräder (fremderregte Synchronmaschine). In diesem Fall weist der Rotor mit Wicklungen versehene Schenkelpole auf. Die Speisung der Erregerwicklung im Rotor erfolgt über Schleifringe durch einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter), siehe Kapitel 4.3. Das Polrad kann aus massivem Stahl bestehen, da der magnetische Fluss zeitlich konstant ist. Die Maschine kommt zwar ohne Magnetmaterial aus, die zusätzliche Leistungselektronik für den Erregerstrom sowie dessen Übertragung auf den Rotor sind Gegenstand von Vorentwicklungsaktivitäten [63], um diesen Maschinentyp für den Einsatz im Bereich der elektrischen Traktion robust zu machen. Prinzipiell zeichnet sich die Synchronmaschine durch einen hohen Wirkungsgrad bei niedrigem Volumen aus. Im Vergleich zu Gleichstrom-, Asynchron- und Reluktanzmaschinen weist sie das geringste Gewicht auf [64].

4.2.6 Permanenterregte Synchronmaschinen Wie bereits beschrieben, ist die permanenterregte Synchronmaschine eine Bauform der Synchronmaschinen und derzeit die am häufigsten in Hybridfahrzeugen eingesetzte Elektromaschine. Wegen des Einsatzes von Permanentmagneten zum Aufbau des Erregerfelds erzielt diese Antriebsvariante auch im Teillastbereich sehr hohe Wirkungsgrade. Mit Seltenerden- bzw. Nd-Fe-B-Magneten (hohe Energiedichte) sind sehr kleine Bauvolumina realisierbar. Dadurch wird der Motor aber teurer als beispielsweise ein Asynchronmotor. Weiterhin sind spezielle Technologien zur Montage von Rotor und Stator notwendig, durch welche die enormen Magnetkräfte beherrscht werden können. Diese Bauart stellt

4.2 Elektromaschinen

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sich auf Grund ihres hohen Wirkungsgrades zunehmend als optimale Antriebskonzeptvariante für Elektro- und Hybridfahrzeuge heraus. Dabei liegt bei modernen Motoren das Augenmerk auf der Systemabstimmung von Leistungselektronik, Motor und Getriebe, um so ein Optimum in Bezug auf Gewicht, Leistungsdichte und Wirkungsgrad zu erreichen.

Abb. 4.18. Vergleich Aufbau Synchronmaschine und Asynchronmaschine [65]

Aufbau Der Stator ist ähnlich der Asynchronmaschine aufgebaut. Die möglichen Anordnungen der Permanentmagneten im Läufer sind in Abb. 4.19 dargestellt.

Abb. 4.19. Grundsätzlicher Aufbau von permanenterregten Läufern

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4 Hybridkomponenten

Die Außenläuferbauweise ist eine spezielle Bauform der permanenterregten Synchronmaschinen, siehe Abb. 4.20. Hochpolig ausgeführt (acht und mehr Polpaare) sind diese besonders geeignet, um der Forderung einer hohen Drehmoment- und Leistungsdichte bei kleinen Drehzahlen nachzukommen. Im Vergleich zum Innenläufer, bei dem die Belastung auf die Magnete durch Fliehkräfte besonders berücksichtigt werden muss, werden die Magnete beim Außenläufer auf Grund der Glockenanordnung in ihrer Position gehalten.

Abb. 4.20. Vergleich Außenläufer- und Innläuferbauweise von permanenterregten Synchronmaschinen [66]

Beim Innenläufer kann eine großflächige Wasserkühlung außen um den Stator vorgesehen werden, wodurch der Elektromotor stärker belastet werden kann. Im Gegensatz dazu ist die wärmeübertragende Fläche des Stators bei Außenläufern geringer, siehe Abb. 4.20. Permanenterregte Synchronmaschinen sind auf Grund ihres besonders hohen Wirkungsgrades (bis 94 %), ihres einfachen mechanischen und elektrischen Aufbaus (keine Bürsten, keine Schleifkontakte, keine komplizierten Wicklungen) sowie durch die elektronische Kommutierung sehr gut für Fahrzeugantriebe geeignet. Auf Grund der genannten Vorteile wird für automotive Einsatzzwecke im Pkw-Bereich nahezu ausschließlich dieser Maschinentyp eingesetzt.

4.2.7 Geschaltete Reluktanzmaschine Eine Sonderbauform der Synchronmaschine ist die geschaltete Reluktanzmaschine (auch SRM = switched reluctance machine genannt), die als Alternative für Industrie-, Servo- und auch Fahrzeugantriebe eingesetzt wird. Der Begriff Reluktanz stammt von der Kraft, die einen drehbar gelagerten Eisenstab in einem Magnetfeld in Richtung des geringsten magnetischen Widerstands (Reluktanz) bewegt. Ständer

4.2 Elektromaschinen

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und Läufer, die beiden Hauptelemente des Motors, sind stark genutet und besitzen eine gerade Anzahl von Zähnen. Die Wicklungen sind nur auf dem Ständer in Form von Spulen untergebracht. Hierdurch entstehen im Ständer ausgeprägte Pole. Der Läufer hingegen besitzt weder Wicklungen noch einen Kurzschlusskäfig oder Permanentmagnete. Abb. 4.21 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Antriebssystems mit einer Reluktanzmaschine, Abb. 4.70 den Einsatz in einem Schwungradspeichersystem.

Abb. 4.21. Geschaltete Reluktanzmaschine mit Steuerung

Die Besonderheit der SRM sind unterschiedliche Zähnezahlen von Ständer (ZS) und Läufer (ZL). Das Zahnzahlverhältnis ZS/ZL entscheidet, in welche Richtung, bezogen auf die Richtung des umlaufenden Ständerfelds, sich der Läufer dreht. Die Funktion der Maschine wird durch eine schrittweise polrad-lageabhängige Weiterschaltung der Statordurchflutung gewährleistet. Die Position des Läufers wird über einen Polradlagegeber an die Leistungselektronik weitergegeben, um eine exakte Ansteuerung zu gewährleisten. Die Überlagerung dieser Einzelimpulse führt zum Gesamtdrehmoment der Maschine. Wenn von Reluktanzmaschinen ein sehr gleichmäßiges Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen verlangt wird, müssen hohe Strangzahlen verwendet werden. Nur so kann gewährleistet werden, dass die Maschine auch bei extrem niedrigen Drehzahlen genügend Drehmoment entwickelt. Die gebräuchlichsten Konfigurationen sind die 16/12 oder die 24/18 Konfiguration [58]. Die Maschine zeichnet sich durch Vorteile wie ein hohes Leistungsgewicht, einen kostengünstigen Aufbau (kein Einsatz von Permanentmagneten), ein gutes Dauerdrehmoment im Grunddrehzahlbereich, ein sehr hohes Beschleunigungsvermögen sowie durch Robustheit, gute Notlaufeigenschaften und durch kleine Trägheitsmomente aus. Da sie keine Dauermagnete aufweist, entstehen im abgeschalteten Zustand auch keine Ummagnetisierungsverluste (Leerlaufverluste). Nachteile der Reluktanzmaschine sind die aufwändige, den Phasen anzupassende Leistungselektronik (komplexe Regelverfahren), das schlechte Verhalten im Feld-

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4 Hybridkomponenten

schwächbereich, der hohe Betriebsgeräuschpegel, aber vor allem die ausgeprägten Drehmoment- und Normalkraftschwankungen.

4.2.8 Permanenterregte Transversalflussmaschinen Transversalflussmotoren unterscheiden sich von konventionellen Motoren durch die Führung des magnetischen Flusses. Im Gegensatz zur longitudinalen Führung bei herkömmlichen Maschinen ist hier die Flussleitung quer zur Bewegungsrichtung (transversal). Dies gelingt durch eine koaxiale Ringspule, die den Strom in Umfangsrichtung führt und die von einer großen Anzahl von Einzelmagnetkreisen mit axialer Flussrichtung umgeben ist, siehe Abb. 4.22. Die Magnetkreise schließen sich quer (transversal) zur Bewegungsrichtung. Auf Grund der speziellen Struktur des magnetischen Kreises mit einer Flussführung quer zur Bewegungsrichtung des Rotors werden extrem kleine Polteilungen ermöglicht, ohne Einschränkungen bei der Ankerdurchflutung hinnehmen zu müssen. Damit zeichnen sich solche Maschinen durch besonders hohe Kraftdichten aus.

Abb. 4.22. Prinzipdarstellung Transversalflussmaschine [67], [68], [69]

Auf dem Rotorjoch sind Permanentmagnete entgegengesetzter Polarität angebracht. Auf der anderen Seite des Luftspalts liegen die Statorjoche, die in Umfangsrichtung einen Abstand von zwei Polteilungen haben. Der Fluss im Statorjoch hat zwei Ursachen: Mittels der Ringwicklung wird in Abhängigkeit des Stroms ein Fluss hervorgerufen, der von der Rotorstellung unabhängig und in allen Statorjochen gleich ist. Die Permanentmagnete rufen eine konstante Flusskomponente hervor. Mit jeder Verdrehung des Rotors um eine Polteilung ändert diese Flusskomponente ihre Richtung. Die Summe aller Jochflüsse entspricht der Flussverkettung der Wicklung. Für einen Antrieb sind mindestens zwei Systeme erforderlich, die zueinander versetzt sein müssen. Jeder Strang benötigt ein eigenes Stator-/Rotorsystem mit dem zugehörigen Stromrichter. Das neuartige Design des Flusspfades, kombiniert mit dem

4.2 Elektromaschinen

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Gebrauch neuer Magnetmaterialien, führt zu High-Performance-Antrieben mit einer 3 – 5fach höheren Leistungsdichte im Vergleich zu konventionellen Gleichstrom-, Asynchron- und Synchronmaschinen. Ein weiterer Vorteil ist der noch höhere Wirkungsgrad, der aus zwei Gründen resultiert: aus den reduzierten Kupferverlusten, da es keinen Wicklungskopf gibt und aus der Tatsache, dass magnetischer und elektrischer Kreis nicht um den gleichen Raum konkurrieren [70]. Zu bedenken ist, dass der äußerst komplexe Aufbau eines solchen Systems (dreidimensionale Flussführung) zu bedeutenden Mehrkosten beim Einsatz führen kann. Weiterhin sind hier die Momentwelligkeit und die Normalkraftschwankungen und die damit verbundene zerstörerische Wirkung sowie die erhebliche Geräuschentwicklung zu nennen. Nach einer weiter fortschreitenden Entwicklung wird sich dieser Antrieb in Zukunft insbesondere wegen der hohen erzielbaren Drehmomentdichte und kompakten Bauweise als Fahrantrieb, vorzugsweise als Radnabenantrieb, anbieten. Durch die im Vergleich zu Asynchronmaschinen oder Maschinen mit Fremderregung deutlich höheren Kraftdichten der Transversalflussmaschine bei langsamen Drehzahlen ist kein Getriebe erforderlich. Beim Radnabenantrieb wird der Stator fest mit der Achse und der Rotor fest mit dem Nabengehäuse verbunden. Mit Hilfe einer Steuerung erfolgt die Bestromung der Spule in Abhängigkeit von der Rotorlage. Der Antrieb kann elektronisch geregelt ruckfrei vom motorischen in den generatorischen Betrieb übergehen.

Bauformen der Transversalflussmaschine Permanenterregte Transversalflussmaschinen lassen sich in einseitige und doppelseitige Bauformen einteilen. Abb. 4.23 zeigt einen radialen Schnitt und Abb. 4.24 eine Explosionsdarstellung der doppelseitigen Bauform, bei der sich der Rotor (1, 2) zwischen einem inneren (5, 6) und einem äußeren Ständer (4) befindet (Bauform mit flusskon-

Abb. 4.23. Transversalflussmaschine im ELVO-Drive®-System für Busse von Voith Turbo

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4 Hybridkomponenten

zentrierenden Polschuhen). Beide Luftspalten tragen zur Kraftbildung bei und ermöglichen eine hohe Ausnutzung des Magnetmaterials (2). Der mechanische Aufbau ist schwierig, weil die Magnete nur von der Seite gehalten werden und bei der Montage kein Einschieben des Rotors zwischen die beiden Ständer möglich ist. Außerdem können nicht mehr als zwei Wicklungsstränge mit einem Rotor realisiert werden. Die Wicklung kann am inneren, äußeren oder an beiden Statorteilen platziert werden.

Abb. 4.24. Permanenterregte Transversalflussmaschine in doppelseitiger Bauform von Voith Turbo

Die in Abb. 4.25 dargestellte einseitige Bauform mit nur einem Ständer ermöglicht zwar nur die halbe Ausnutzung, lässt sich jedoch mechanisch wesentlich einfacher bauen und hebt die Beschränkung in der Strangzahl auf. Die Permanentmagnete der einzelnen Stränge werden in axialer Richtung in einem solchen Abstand auf dem Rotor nebeneinander befestigt, dass sie den Polen der Schnittbandkerne im Ständer genau gegenüberstehen (Flachmagnetanordnung). Eine Bauform mit drei Strängen (1, 2, 3) bietet sich wegen der Möglichkeit zur Verwendung von Standardumrichtern an.

Abb. 4.25. Transversalflussmaschine in einseitiger Bauform (Flachmagnetanordnung) von Compact Dynamics

129

4.2 Elektromaschinen

4.2.9 Vergleich der verschiedenen Elektromaschinen Beim Vergleich der verschiedenen Elektromaschinen muss immer die entsprechende Leistungselektronik mit berücksichtigt werden. Der maximale Wirkungsgrad der Leistungselektronik liegt in der Größenordnung von 93 – 99 %. Der maximal erreichbare Wirkungsgrad eines Antriebssystems hängt hauptsächlich vom verwendeten Maschinentyp ab. Im Traktionsbetrieb sind komplette Betriebsbereiche abzudecken. Für die Antriebsauslegung werden entsprechende Zyklen für die Beurteilung herangezogen. Die unterschiedlichen Maschinentypen erreichen die maximalen Wirkungsgrade in verschiedenen Drehzahl-/Drehmomentbereichen. Tabelle 4.1 zeigt eine Bewertungsmatrix der bekannten Maschinentypen. Neben der dargestellten qualitativen Bewertung enthält Tabelle 4.2 einige technische Eckdaten der bewerteten Elektromaschinen. Tabelle 4.1. Bewertungsmatrix von Elektromaschinen [58], [62], [64] Gleichstrommaschine

Synchronmaschine

Asynchron- Transversal- SR-Mamaschine flussmaschine schine

fremd err.

perm. err.

Leistungsdichte

–

o

++

+

+

+

Wirkungsgrad

–

+

++

o

+

+

++

+

+

o

+

+

++

+

– ++

Regel-/Steuerbarkeit Geräusch

-

Thermische Überlastfähigkeit

-

+

o

++

Kosten der Maschine

–

-

-

+

–

++

Kosten des Gesamtsystems

+

o

o

++

-

+

++

–

++

++

-

o

-

++

–

++

+

++

Stand der Technik Sicherheit

Auf Grund der besseren Wirkungsgrade werden heute fast ausschließlich Drehstrommaschinen sowohl in asynchroner als auch synchroner Bauform eingesetzt. Sehr hohe Wirkungsgrade lassen sich mit permanenterregten Maschinen erzielen. Die dort bisher eingesetzten Dauermagnete sind allerdings kostenintensiv. Bei den bislang ausgeführten Hybridfahrzeugen wird überwiegend dieser Maschinentyp eingesetzt. Weitere Sonderbauformen, wie der Transversalflussmotor oder auch der Reluktanzmotor, befinden sich verstärkt in der Entwicklung. Ein besonderes Potenzial besitzt die elektrisch erregte Synchronmaschine. Der Einsatz von Permanentmagneten wird weitgehend reduziert oder vollständig eliminiert. Für den Betrieb einer elektrischen Achse dürfen im Fehlerfall keine oder nur sehr kleine Momentwerte – „sicherer Zustand“

130

4 Hybridkomponenten

– wirken. Weiters dürfen keine unzulässigen erhöhten Spannungswerte auftreten. Für die Synchronmaschine mit Permanentmagneten führt dies zu einer suboptimalen Auslegung. Bei der extern erregten Maschine kann das elektrische Feld von außen abgeschaltet werden [67]. Nachteilig ist die Zuführung der Erregerleistung auf den Rotor mittels Schleifringen oder induktiver Übertragung. Tabelle 4.2. Leistungsmerkmale von Elektromaschinen [71], [72] Gleichstrommaschine

Synchronmaschine fremd err.

Höchstdrehzahl [1/min]

7000

> 10.000

> 10.000

> 10.000

Feldschwächverhältnis

3

3 –7

3

3 –7

2

Spez. Dauermoment [Nm/kg]

0,7

0,6 – 0,75

0,95 –1,72

0,6 – 0,8

0,8 –1,1

Spez. Dauerleistung [kW/kg]

0,15 – 0,25

0,15 – 0,25

0,3 – 0,95

0,2 – 0,55

0,2 – 0,62

max. Wirkungsgrad Maschine

0,82 – 0,88

0,87– 0,92

0,87– 0,94

0,89 – 0,93

max. Wirkungsgrad Steuerung

0,98 – 0,99 0,93 – 0,98

0,93 – 0,98

0,93 – 0,98

0,93 – 0,97 0,93 – 0,97

max. Wirkungsgrad Antrieb

0,8 – 0,85

0,81– 0,92

0,83 – 0,91

0,83 – 0,91

Leistungsmerkmal

0,81– 0,9

Synchron- Asynchron- Transvermaschine maschine salflussperm. err. maschine > 10.000

0.96

SRMaschine > 10.000

0,9 – 0,94

4.2.10 Ausführungsformen Entsprechend den verschiedenen Grundstrukturen von Hybridantriebssträngen kann die Integration der Elektromaschinen auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Dies beginnt bei riemengetriebenen Starter-Generator-Einheiten und führt über Kurbelwellen-Starter-Generatoren oder über getriebeintegrierte Elektromaschinen bis hin zu Radnabenmotoren. Bei seriellen Hybridantrieben oder parallelen Konzepten mit Zugkraftaddition erfolgt ein reiner Elektroantrieb zumindest an einer Achse. Dabei können die in Abb. 4.26 dargestellten Ausführungsformen unterschieden werden. Bei Radnabenantrieben werden die Elektromaschinen in der Felge untergebracht, was in Bezug auf das Package Vorteile aufweist. Außerdem können relativ leicht Allradantriebssysteme sowie durch die radselektive Einstellung des Drehmoments TorqueVectoring-Maßnahmen realisiert werden. Allerdings steigen die ungefederten Massen deutlich an, was aus fahrdynamischer Sicht nachteilig ist. Ein innovatives Konzept hat Michelin mit dem Active Wheel entwickelt, siehe Abb. 4.27. Beim Active Wheel ist nicht nur ein 30-kW-Antriebsmotor in der Radnabe untergebracht, sondern auch Komponenten wie Bremsscheibe und Bremssattel, eine aktive elektromechanische Feder-Dämpfer-Einheit sowie eine zusätzliche mechanische

4.2 Elektromaschinen

131

Fahrwerksfeder. Die aktive elektromechanische Feder-Dämpfer-Einheit soll den Nachteil der höheren ungefederten Massen egalisieren.

Abb. 4.26. Ausführungsformen von Elektroantrieben

Abb. 4.27. Active Wheel von Michelin

Beim radnahen Antrieb kann ein Getriebe zwischen Elektromaschine und Rad integriert werden. Dadurch kann der Elektromotor mit höherer Drehzahl laufen und damit bei gleicher Leistung deutlich kleiner und leichter ausgeführt werden. Allerdings steigt der Aufwand.

132

4 Hybridkomponenten

Werden zwei Elektromotoren für eine Achse zu einer Einheit zusammengefasst, spricht man von einem Tandem-Antrieb. Die Momentübertragung erfolgt über Halbwellen. Damit kann die Erhöhung der ungefederten Massen vermieden werden. Durch die Ausführung mit zwei unabhängigen Motoren ist kein Differential erforderlich – außerdem kann das Moment für jedes Rad unabhängig voneinander gewählt werden. Allerdings sind zwei Umrichter erforderlich, was entsprechenden Mehraufwand bedeutet. Kostengünstiger sind Ausführungen mit nur einer Elektromaschine, die über ein mechanisches Differential und evtl. ein Planetengetriebe auf die Antriebsräder wirkt. Diese Systeme können entweder koaxial als Hohlwellenantrieb oder in Offset-Anordnung ausgeführt sein. Bei parallelen Hybridkonzepten wird die Elektromaschine häufig zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe platziert oder ebenso wie bei leistungsverzweigten Hybridkonzepten in das Getriebe integriert. Im nachfolgenden Kapitel wird auf Getriebe für Hybridfahrzeuge näher eingegangen. Auf Grund der derzeit noch geringen Stückzahlen bei Hybridgetrieben sind die Entwicklungs- und Produktionskosten ein sehr wichtiges Kriterium für neue Hybridkonzepte. Die Kosten bedingen, auch eines der wichtigsten Entwicklungskriterien, die möglichst bauraumneutrale Integration des Hybridgetriebes ins Fahrzeug. Dies wird durch den Einbau des Hybridmoduls in das bestehende Getriebe erreicht, wobei dieses mit möglichst wenigen Veränderungen für das Hybridfahrzeug adaptiert wird. Insbesondere sollen die Zusatzkomponenten im vorhandenen Getriebegehäuse untergebracht werden.

4.2.11 Getriebeintegration

Kurbelwellen-Starter-Generatoren (KSG) Bei Parallelhybriden und im speziellen bei Mildhybridkonzepten wird die Elektromaschine meistens zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe platziert. Dabei kann der Rotor der E-Maschine die Primärmasse des Zweimassenschwungrads ersetzen. Beispiele für diese Kurbelwellen-Starter-Generatoren (KSG) sind der Honda Insight, der Mercedes S400 Hybrid oder der AVL Turbohybrid, siehe Kapitel 6: Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte. Wird eine Trennkupplung zwischen Verbrennungsmotor und Elektromaschine verbaut, kann der Verbrennungsmotor abgekuppelt und damit der rein elektrische Antrieb ohne Schleppmoment des Verbrennungsmotors realisiert werden, siehe auch Kapitel 7, Abb. 7.5 und Abb. 7.6. Daneben kann die Elektromaschine auch in das Getriebe direkt integriert werden. Grundsätzlich kommen bei Hybridfahrzeugen Vorgelegegetriebe, Planetenautomaten sowie stufenlose Getriebe zur Auswahl.

Vorgelegegetriebe Prinzipiell sind zwar alle Varianten von Vorgelegegetrieben für Parallelhybridfahrzeuge einsetzbar, um jedoch Betriebsstrategien optimal an die Schaltstrategien anzupassen, werden fast ausschließlich automatisierte Getriebe wie Automatische Schaltgetriebe (ASG) und Doppelkupplungsgetriebe (DKG) eingesetzt.

4.2 Elektromaschinen

133

Automatische Schaltgetriebe bieten Vorteile wie [73]: • automatisches Schalten • niedrige Rotationsverluste, hoher Wirkungsgrad • keine Hydraulikpumpe • niedrigere Masse als automatische Planetengetriebe (AT) und DKG • niedrigere Kosten als AT in Europa • ermöglichen schnelles Schalten • individuelle Flexibilität bei der Übersetzung der Gänge • direktes Schaltgefühl • ermöglichen niedrigsten Kraftstoffverbrauch Dabei müssen folgende Nachteile in Kauf genommen werden, die jedoch zum Teil durch den Einsatz von Elektromaschinen egalisiert werden können: • Zugkraftunterbrechung • können Zweimassenschwungrad zur Dämpfung benötigen (Kosten) • gerade – gerade oder ungerade – ungerade Schaltvorgänge sind nicht ohne Steuerung oder neutralem Intervall möglich Ein Beispiel eines ASG für Hybridfahrzeuge ist das eTronic-Hybridgetriebe von ZF, siehe Kapitel 7, Abb. 7.5. Doppelkupplungsgetriebe arbeiten wie zwei automatische Schaltgetriebe, wobei ein Schaltgetriebe die geraden und das andere die ungeraden Gänge abdeckt. Daher tritt beim DKG keine Zugkraftunterbrechung auf. Vorteile nach [73] sind: • vollautomatisches Schalten ohne Zugkraftunterbrechung • gute Schaltqualität • niedrige Rotationsverluste • schnelles Schalten möglich • teilweise Flexibilität der Übersetzung der einzelnen Gänge • direktes Schaltgefühl Und die Nachteile: • Dämpfungscharakteristik des Antriebsstrangs ähnlich wie bei ASG • eventuell Zweimassenschwungrad nötig (Kosten) • höhere Kosten als ASG und AT • gerade – gerade oder ungerade – ungerade Schaltvorgänge sind nicht ohne Steuerung oder neutralem Intervall möglich • Ölwechsel könnte nötig sein Bei LuK wurde ein bestehendes Doppelkupplungsgetriebe zu einem Hybridantriebskonzept erweitert [74]. Die elektrische Maschine ist achsparallel am Getriebe positioniert. Das Getriebe ist ein Zweiwellen-Doppelkupplungsgetriebe mit trockener Doppelkupplung und elektromechanischer Aktorik. Die Getriebeeingangswelle des ungeraden Teilgetriebes führt auf die Gangstufen 1, 3, 5 und R, die des geraden Teilgetriebes auf die Gänge 2 und 4. Die elektrische Maschine ist mit der Getriebeeingangswelle der geraden Gangstufen verbunden. Der Antrieb erfolgt über ein Zwischenrad vom Festrad des vierten Gangs. Direkt unter der elektrischen Maschine wird der Klimakompressor positioniert und über einen Keilrippenriemen angetrieben. Mit dieser Anbindung kann die

134

4 Hybridkomponenten

Innenraumklimatisierung sowohl während der Rekuperation als auch in Stillstandsphasen aufrechterhalten werden. Die Integration der Komponenten führt (bei gleichzeitigem Entfall der entsprechenden Bauteile des Basisantriebs) zu einer Erhöhung des Fahrzeuggewichts des ausgeführten Prototyps um 44 kg. Abb. 4.28 zeigt den Aufbau des Antriebs.

Abb. 4.28. Aufbau des Doppelkupplungshybridantriebs [74]

Abb. 4.29. Doppelkupplungshybridantrieb von LuK [74]

4.2 Elektromaschinen

135

Dieses Konzept ermöglicht alle hybriden Funktionen ohne zusätzliche Komponenten, also auch ohne zusätzliche Trennkupplung. Darüber hinaus bleibt die axiale Länge des Basisantriebs unverändert, siehe Abb. 4.29. Grundsätzlich ist das vorgestellte Antriebskonzept nicht auf eine bestimmte elektrische Leistung begrenzt. Die Auslegung der elektrischen Maschine erfolgt auf ein niedriges Moment durch eine Übersetzung zur Getriebeeingangswelle.

Automatikgetriebe Automatikgetriebe (AT – automated transmission) mit Planetensätzen sind eine weitere Variante zur Ausführung von Hybridfahrzeugen. Da die Schaltvorgänge automatisiert ablaufen, eignen sie sich gut für Hybridfahrzeuganwendungen. Des Weiteren sind sie auf dem für Hybridfahrzeuge wichtigen amerikanischen Markt sehr weit verbreitet. Ein Weglassen des Drehmomentwandlers führt zu einer starken Verringerung der Verluste des Antriebsstrangs mit Planetengetriebe. Vorteile sind laut [73]: • vollautomatisches Schalten ohne Zugkraftunterbrechung • gute Schaltqualität • exzellente Anfahrcharakteristik • Sprungschalten möglich • gute Dämpfungscharakteristik des Antriebsstrangs • hohe Anhängerzugkraft Nachteile: • hydraulische Systeme verursachen höhere Verluste als DKG und ASG höherer Kraftstoffverbrauch • höhere Kosten als ASG • geringe Übersetzungsflexibilität für eine gegebene Konstruktion Als Beispiel sei das 8-Gang-Hybrid-Automatikgetriebe von ZF Sachs angeführt. Zur raschen Integration einer E-Maschine in bestehende Antriebsstränge wurde von ZF das 8-Gang-Automatikgetriebe als Grundgetriebe herangezogen und darin ein Hybridmodul implementiert. Dabei wurde ein Baukastenprinzip angewendet, welches es ermöglicht, Hybridvarianten von Micro- bis Full-Hybrid darzustellen. Abb. 4.30 zeigt das 8-Gang-Hybrid-Automatikgetriebe von ZF Sachs als Full-Hybrid-Ausführung. Statt dem Drehmomentwandler wurden ein Zweimassenschwungrad, die Kupplung K0, die E-Maschine und eine elektrische Ölpumpe in das Getriebegehäuse integriert. Mittels der nasslaufenden Kupplung K0 kann der Verbrennungsmotor vom Elektromotor abgekuppelt werden, wodurch elektrisches Fahren möglich wird. Damit die Kupplung innerhalb der E-Maschine verbaut werden kann, muss diese mit einer geringen radialen Höhe ausgeführt werden. Dazu wurde eine permanenterregte Synchronmaschine mit einer hohen Polzahl bzw. Anzahl an Magneten eingesetzt. Weitere Beispiele für den Einsatz von Hybrid-Automatikgetrieben sind der Mercedes S400 Hybrid, siehe Kapitel 6.6, sowie der VW Touareg Hybrid, siehe Kapitel 6.10.

136

4 Hybridkomponenten

Abb. 4.30. 8-Gang-Hybrid-Automatikgetriebe von ZF Sachs [75]

Stufenlose Getriebe Stufenlose Getriebe können in CVT-Getriebe (Continuous variable transmission) und leistungsverzweigte Getriebe wie das Two-Mode-Hybridgetriebe eingeteilt werden. Serielle Hybride können auch als EVT-Getriebe (Electrical variable transmission) betrachtet werden, da die Übersetzung zwischen Motordrehzahl und Raddrehzahl über den elektrischen Kreis erfolgt und stufenlos möglich ist. Der Vorteil von CVT-Getrieben liegt in der freien Wahl der Übersetzung und damit einer optimalen Lastpunkteinstellung an die Leistungsanforderungen des Radantriebs. Allerdings sind CVT-Getriebe aufwändiger (Hochdruck-Hydrauliksystem ist notwendig) und damit teurer und weisen einen geringeren Wirkungsgrad auf. CVT-Getriebe können für verschiedene Hybridarchitekturen eingesetzt werden. Beispielsweise kann der E-Motor zwischen VKM und Getriebe angeordnet werden. Bei Start-Stopp-Funktionen muss jedoch die Betriebsbereitschaft des Getriebes gesichert sein. Kupplung und Variator müssen auch bei Stillstand des Verbrennungsmotors mit Öl versorgt werden. Daher ist eine elektrische Zusatzpumpe notwendig. Eine interessante Variante ist das 2-Bereichs-CVT, auch i²-Getriebe genannt. Dabei kann der Variator über ein entsprechendes Wellen- und Kupplungssystem zweifach genutzt werden, wodurch eine Gesamtspreizung ermöglicht wird, die dem Quadrat der Variatorspreizung entspricht (i²-Getriebe). Da im PKW-Bereich der maximale Spreizungsbereich dieser Getriebe kaum ausgenützt wird und darüber hinaus der Bauaufwand relativ groß ist, wurde eine vereinfachte Variante mit einer geringfügig reduzierten Getriebespreizung, das i i-Getriebe, entwickelt [76]. Dieses Getriebe besitzt ebenfalls einen CVT-Kettenwandler und nutzt wie das i²-Getriebe

4.2 Elektromaschinen

137

den Verstellbereich des Kettenwandlers durch einen Umschaltvorgang zweifach. Der Umschaltvorgang erfolgt über zwei synchronisierte Zahnkupplungen. Die Spreizung des in [76] beschriebenen CVT-Kettenwandlers beträgt 5,87. Durch die Umschaltung ist damit ein gesamter Regelbereich des Getriebes von 14,22 darstellbar. Abb. 4.31 zeigt eine schematische Darstellung des i i-Getriebes für eine Hybridanwendung in den Fahrbereichen V1 (Niedergeschwindigkeitsbereich) und V2 (Hochgeschwindigkeitsbereich).

Abb. 4.31. Struktur und Prinzip des i i -Getriebes [76]

Abb. 4.32. Prototyp und CAD-Modell des i i -Getriebes [76]

138

4 Hybridkomponenten

Der Verbrennungsmotor wird mittels der Kupplung LK an Welle W1 angekuppelt, während die Elektromaschine fix mit der zweiten Welle W2 des Kettenwandlers verbunden ist. Im V1-Bereich sind die Zahnkupplungen K1 geschlossen und K2 geöffnet. Die Elektromaschine treibt nun mittels Welle W2 über das CVT auf Welle W1 und kann damit in ihrer Übersetzung stufenlos variiert werden. Bei niedrigen Geschwindigkeiten kann damit ein optimales Anfahren und Rekuperieren über die Elektromaschine gewährleistet werden, während der Verbrennungsmotor im V1-Modus normalerweise nicht betrieben wird. Je nach Leistungswahl des Fahrers wird der Verbrennungsmotor in einem definierten Geschwindigkeitsbereich gestartet und der zugkraftunterbrechungsfreie Umschaltvorgang in den Bereich V2 findet statt [77]. Im V2-Bereich, siehe Abb. 4.31 unten, sind die Zahnkupplungen K2 geschlossen und K1 offen. Damit ist die Elektromaschine über eine feste Übersetzung i23 an den Abtrieb gekoppelt. Der Verbrennungsmotor kann nun über Welle W1 und das CVT auf Welle W2 treiben und damit in seiner Übersetzung stufenlos variiert werden. Damit ist es im V2-Modus möglich, den Verbrennungsmotor mit einem hohen Antriebsstrang-Wirkungsgrad zu betreiben. Die Elektromaschine kann bei Verzögerungen Bremsenergie rekuperieren bzw. beim Beschleunigen den Verbrennungsmotor unterstützen (boosten). Abb. 4.32 zeigt das aufgebaute i i-Getriebe sowie dessen CAD-Modell mit Nebenaggregaten und Zweimassenschwungrad. Ein Beispiel eines in Serie gebauten Hybridantriebsstranges mit CVT-Getriebe ist das Integrated-Motor-Assist-(IMA-)Hybridsystem von Honda.

Abb. 4.33. Getriebe mit Elektromotoren beim Toyota Prius

Leistungsverzweigte Getriebe müssen in der Regel für das Hybridkonzept eigens entwickelt und speziell für eine Klasse von Zielfahrzeugen ausgelegt werden. Damit sind hohe Kosten verbunden, die auf die verkauften Fahrzeuge umgelegt werden müssen. Leistungsverzweigte Getriebe werden mit einem oder mehreren Planetenradsätzen

4.3 Leistungselektronik (Stromrichter)

139

realisiert. Ein Beispiel dafür ist das Two-Mode-Getriebe des Mercedes ML 450 Hybrid, siehe Kapitel 6, Abb. 6.55. Dieses Getriebe wird auch im BMW X6 ActiveHybrid eingesetzt. Um die hohen Entwicklungskosten zu teilen, haben BMW, Daimler und General Motors eine Kooperation geschlossen und damit auch die Zahl der Fahrzeuge mit diesem System entsprechend erhöht. Ein weiteres Beispiel für diesen Getriebetyp ist das leistungsverzweigte Getriebe des Toyota Prius, welches ebenfalls integrierte Elektromaschinen besitzt, siehe Abb. 4.33.

4.3 Leistungselektronik (Stromrichter) Die Aufgabe der Leistungselektronik ist es, die elektrische Energie aus dem Energiespeicher an die Erfordernisse der Elektromaschine anzupassen. Die Spannung des Energiespeichers liegt üblicherweise als Gleichspannung vor. Die Höhe der Gleichspannung bestimmt die aktuelle Lade- bzw. Entladefähigkeit des Energiespeichers. Die Versorgung der Elektromaschinen erfolgt über dreiphasige Wechselspannung mit veränderlicher Frequenz, Amplitude und Phasenlage, um die Solldrehzahl sowie das Sollmoment einzustellen. Die Drehzahlumkehr (Rückwärtsfahren) erfolgt über das Vertauschen der Phasenfolge und wird elektronisch realisiert. Neben dem elektrischen Antrieb sind für die Stromversorgung des 12V-Bordnetzes potenzialgetrennte Gleichspannungswandler (DC-DC-Konverter) erforderlich. Gleichspannungswandler kommen auch für Hochspannungsniveauanpassungen zum Einsatz, z. B. in Brennstoffzellenfahrzeugen.

Abb. 4.34. Möglichkeiten der Umformungsarten von elektrischer Energie

Grundsätzlich kann die Umformung des elektrischen Stroms auf vier verschiedene Arten erfolgen, siehe auch Abb. 4.34: • Wechselspannung in Gleichspannung: Gleichrichter formen aus einer ein- oder mehrphasigen Wechselspannung eine Gleichspannung.

140

4 Hybridkomponenten

• Gleichspannung in Gleichspannung: Gleichspannungswandler (DC-DC-Konverter) verändern die Höhe der Gleichspannung. Je nach Größe der Eingangs- und Ausgangsspannung spricht man von Hoch- bzw. Tiefsetzsteller. • Gleichspannung in Wechselspannung: Wechselrichter erzeugen aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung mit vorgegebener Amplitude und Frequenz. • Wechselspannung in Wechselspannung: Wechselrichter wandeln aus einer vorgegebenen Wechselspannung eine in Amplitude und Frequenz unterschiedliche Wechselspannung (hier nur aus Vollständigkeitsgründen erwähnt). Ein typisches Beispiel für den Einsatz von Stromrichtern in Hybridfahrzeugen zeigt Abb. 4.35. Der Umrichter muss wegen der Energierückspeisefähigkeit bidirektional sein, für die 12V-Bordstromversorgung ist die Hauptenergieflussrichtung vom Energiespeicher (HV-Batterie) zum Bordnetz. Je nach Systemanforderung kann aber auch beim Gleichspannungswandler Bidirektionalität umgesetzt sein, z. B. für Fremdstarthilfe aus dem 12V-Bordnetz.

Abb. 4.35. Beispiel für den Einsatz von Leistungselektronik in Hybridfahrzeugen

Die Funktionen der Stromrichter werden durch schnell schaltende elektronische Bauteile realisiert. Diese sind im Wesentlichen möglichst verlustarme Leistungshalbleiter, welche die Aufgabe haben, den Strom entweder zu leiten oder zu sperren. Da sowohl im leitenden Zustand ein Spannungsabfall auftritt, als auch im gesperrten Zustand ein Sperrstrom fließt, entstehen Verluste, die in Wärme umgesetzt werden. Diese Verlustleistung setzt sich aus dem Produkt des Spannungsabfalls über das Bauteil und dem fließendem Strom zusammen. Die Durchlassverluste sind dabei wesentlich größer als die Sperrverluste. Neben diesen stationären Verlusten treten die so genannten Schaltverluste auf, die beim Übergang vom leitenden in den sperrenden Zustand und umgekehrt auftreten. Die Schaltverluste sind direkt proportional der Frequenz, mit der der Schalter ein- bzw. ausgeschaltet wird (Schaltfrequenz). Um eine thermische Schädigung der Bauelemente zu verhindern, muss die entstehende Wärme abgeführt werden. Dazu ist die Leistungselektronik entweder mit Kühlrippen versehen oder an einen entsprechenden Kühlkreislauf angeschlossen. Des Weiteren ist bei der Auslegung zu beachten, dass sich mit den Verlusten in den Bauelementen auch der Gesamtwirkungsgrad des Antriebs verringert.

4.3 Leistungselektronik (Stromrichter)

141

4.3.1 Halbleiter-Elemente Für elektrische Antriebssysteme (Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuganwendungen) sind vor allem schaltbare Halbleiter von Interesse, die hohe Ströme schalten können. Dazu zählen prinzipiell bipolare Transistoren, Feldeffekt-Transistoren und IGBTs (Insulated Gate Bipolar-Transistoren). Beim bipolaren Transistor wird über einen Steuerstrom an der Basis (B) des Transistors der Hauptstrom zwischen Kollektor (C) und Emitter (E) gesteuert, siehe Abb. 4.36. Es können große Ströme mit niedrigem Durchlassverlust geschalten werden. Nachteilig sind die relativ großen Schaltverluste im Bauteil, die als Wärme abgeführt werden müssen, und die aufwändige Ansteuerung mittels eines Steuerstroms. Der bipolare Transistor ist heute in fast allen neuen Anwendungen durch den IGBT vom Markt verdrängt worden.

Abb. 4.36. Schaltsymbol des bipolaren, Feldeffekt- und Insulated Gate Bipolar-Transistors

Der Feldeffekt-Transistor (FET) wird durch eine Steuerspannung am Gate (G) des Bauelements in den leitenden Zustand geschaltet, siehe Abb. 4.36. Durch diese einfache Ansteuerung und die geringen Schaltverluste können sehr hohe Schaltfrequenzen erreicht werden. Der Widerstand wird mit steigender Sperrspannung sehr groß. Der Einsatzbereich ist daher bei mittleren Spannungen (< 200 V). Der IGBT (Insulated Gate Bipolar-Transistor) vereint die Vorteile des Bipolar- und Feldeffekt-Transistors. Die Ansteuerung erfolgt über eine Steuerspannung, wodurch intern über die Feldeffekt- eine bipolare Struktur angesteuert wird, die eine große Stromtragfähigkeit ermöglicht. Die Treiberschaltungen der IGBTs sind so ausgelegt, dass diese auch bei sehr hohen Strömen (im Kurzschlussfall) sicher abschalten können. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Fehler in der Schaltung die Energiezufuhr kontrolliert gestoppt werden kann. Der IGBT ist heute das wichtigste Bauelement in der Leistungselektronik. Abb. 4.37 zeigt die Leistungsklassen der Halbleiter-Bauelemente [78]. Die für den Traktionsantrieb relevante Größenordnung für IGBTs liegt näherungsweise in der Mitte der dargestellten Bereiche. Es kommt nur die Modultechnik zum Einsatz. Für maximale Batteriespannungen bis 450 V werden 600 V- bzw. 650 V-IGBTs eingesetzt, für Spannungsebenen darüber entsprechend der herstellerspezifischen Sperrspannungsabstufungen z. B. 1200 V- oder 1800 V-Typen.

142

4 Hybridkomponenten

Abb. 4.37. Leistungsklassen (Sperrspannung und zulässige Ströme) von Halbleiter-Bauelementen [78]

Für den elektrischen Fahrzeugantrieb werden wegen der bereits genannten Vorteile IGBTs eingesetzt. Bei kleinen Leistungen bzw. kleinen Batteriespannungen ist auch der Einsatz von MOS-FETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) prinzipiell möglich.

4.3.2 Leistungselektronische Schaltungen Zur Erklärung der Wirkungsweise der verschiedenen Stromrichter wird im Folgenden auf eine einphasige Brückenschaltung eingegangen, siehe Abb. 4.38. Mit dieser Schaltung ist die bidirektionale Funktionalität eines DC/DC-Wandlers realisiert, sie ist aber auch grundsätzlich die Basis des klassischen dreiphasigen Antriebsstromrichters.

Abb. 4.38. Vereinfache Topologie der einphasigen Brückenschaltung (Hoch-/Tiefsetzsteller)

Die Spannung muss beispielsweise hochgesetzt werden, wenn Energie aus einer Niedervolt-Batterie in die Hochvolt-Batterie transferiert werden soll. Über den Transis-

4.3 Leistungselektronik (Stromrichter)

143

tor T1 wird die Batteriespannung U1 über die Induktivität L periodisch kurzgeschlossen. Die Induktivität (Speicherdrossel) speichert dabei magnetische Energie. Bei geschlossenem Transistor steigt der Strom i1 bis zu einem vorgegebenen Grenzwert an, siehe Abb. 4.39. Anschließend wird der Transistor geöffnet und der Strom i1 fließt über die Diode D2 weiter zur Hochvolt-Batterie U2. Bei verlustlosen idealen Schaltelementen ist die übertragene Leistung P1 = P2.

Abb. 4.39. Prinzipielle Spannungs- und Stromverläufe in einem Hoch-/Tiefsetzsteller [58]

Umgekehrt muss bei einer wie in Abb. 4.38 dargestellten Topologie für die Nachladung der Niedervolt-Batterie die Spannung des Hochvolt-Netzes in eine niedrigere Spannung umgewandelt (tiefgesetzt) werden. Bei geschaltetem Transistor T2 fließt ein Strom -i2 vom Umrichter U2 über die Induktivität zur Batterie. Wird der Transistor T2 geöffnet, so fließt der Strom über die Diode D1. Der Strom -i1 klingt im Lastkreis infolge der Batteriebeladung ab. Bei sehr großer Zeitkonstante des Lastkreises ist der Strom nahezu konstant. Der Mittelwert der Spannung U1 wird über das Tastverhältnis (Einschaltzeit tein zur Periodendauer T) bestimmt [58]. Durch die Kombination von Hoch-/Tiefsetzstellern können zusätzliche Freiheitsgrade und Funktionalitäten bei Inkaufnahme des größeren Aufwands erschlossen werden. Neben dem Energieaustausch zwischen einem Hochvolt- und Niedervolt-Gleichspannungsnetz kann auch die Hochsetzung der Spannung einer Batterie auf ein höheres Niveau erfolgen, um die Zellenanzahl der Batterie klein zu halten und trotzdem den Betrieb mit höherer Spannung und damit niedrigeren Strömen zu ermöglichen. Dies wird beispielsweise beim Toyota Prius ab der 2. Generation eingesetzt, siehe Kapitel 6, Abb. 6.4. Ein weiterer Vorteil eines DC-DC-Konverters zwischen Hochvolt-Netz und Umrichter liegt auch darin, dass die Traktionsspannung unabhängig von der Batteriespannung gewählt werden kann. Die nutzbare Ausgangsspannung einer Traktionsbatterie schwankt je nach Betriebszustand typischerweise zwischen 80 % und 120 % ihres Nennwertes.

144

4 Hybridkomponenten

Wenn beispielsweise eine Asynchronmaschine auf die Nennspannung der Batterie ausgelegt ist, führt die Abnahme der Spannung zu einer Verschiebung des Eckpunkts, siehe Abb. 4.40. Damit verschlechtern sich die dynamischen Eigenschaften der Maschine. Die Auslegung auf eine niedrigere Spannung würde andererseits zu einer deutlichen größeren und in weiten Bereichen überdimensionierten Elektromaschine führen [79].

Abb. 4.40. Typisches Kennlinienfeld eines Asynchronmotors [79]

Neben dem Hoch- bzw. Tiefsetzen einer Gleichspannung können durch die geeignete Wahl des Tastverhältnisses beliebige Spannungen mit unterschiedlichen Amplituden und Frequenzen erzeugt werden. Mit der Pulsweitenmodulation (PWM) kann aus einer Gleichspannung eine sinusförmige Wechselspannung erzeugt werden. Um eine wenig oberschwingungsbehaftete Wechselspannung zu erzeugen, muss die Schaltfrequenz der Bauelemente wesentlich höher als die Grundfrequenz der zu erzeugenden Ausgangsspannung sein.

Abb. 4.41. Dreiphasige Brückenschaltung

4.3 Leistungselektronik (Stromrichter)

145

Üblicherweise werden heute als Antriebsumrichter ausschließlich Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis und hart schaltenden Stromrichterventilen eingesetzt. Die leistungselektronischen Strukturen basieren auf der zuvor beschriebenen Tiefsetzsteller-Schaltung (DC-DC-Steller), Abb. 4.38, bzw. den daraus abgeleiteten Vollbrückentopologien, siehe Abb 4.41.

Abb. 4.42. Beispiel zur Spannungs- und Frequenzvariation durch Pulsweitenmodulation für die Speisung einer Elektromaschine

Abb. 4.42 zeigt exemplarisch die Variation der Grundschwingungsfrequenz und die zugehörige Amplitude einer der drei verketteten Spannungen. Aus Darstellungsgründen erfolgt die Pulsweitenmodulation mit einer Schaltfrequenz von nur 1000 Hz. Übliche Schaltfrequenzen für hart schaltende IGBT-Topologien liegen in der Größenordnung von 10 kHz. Für weich schaltende Leistungselektronikeinheiten sind deutlich höhere Schaltfrequenzen, z. B. 24 kHz, möglich. Der IGBT wird dann entweder im Spannungs- oder im Stromnulldurchgang geschaltet. Damit können höchste Regelgüten erreicht werden, allerdings steigt auch der Beschaltungsaufwand. Abb. 4.43 zeigt eine Prinzipdarstellung der Leistungselektronik für einen elektrischen Antrieb mit einem 400V-Bordnetz. Als Leistungshalbleiter werden die für diese Leistungs- und Spannungsklasse üblichen IGBTs eingesetzt. Der leistungselektronische Teil des Systems besteht aus den Zwischenkreiskondensatoren, der Verschienung sowie aus der wassergekühlten dreiphasigen Vollbrückenschaltung. Die Schaltung in Abb. 4.43 zeigt somit die klassische Architektur für einen elektrischen Antrieb. Von der Elektromaschinenseite werden Temperatursignale und Drehgebersignale sowie die Messwerte von zwei der drei Maschinenströme der Steuerung zugeführt. Für den Betrieb bzw. die Steuerung der permanenterregten Synchronmaschine (PSM) ist die Kenntnis der aktuellen Winkellage des Rotors erforderlich. Das Ist-Moment wird intern über Maschinenmodelle errechnet. Die Steuerung des Umrichters beinhaltet die Algorithmen für die Drehzahl- und Drehmomentregelung, die Puls-

146

4 Hybridkomponenten

weitenmodulation, das Einlesen der Sensoren sowie das Interface zum übergeordneten Fahrzeugsteuergerät. Dies geschieht mit einem CAN-Bus.

Abb. 4.43. Prinzipdarstellung der Leistungselektronik eines elektrischen Antriebs

4.4 Energiespeicher 4.4.1 Allgemeines Energiespeicher dienen der Speicherung von Energie zum Zweck der späteren Nutzung bei Bedarf. Grundsätzlich lassen sich Energiespeicher nach der Art der gespeicherten Energie unterscheiden. Abb. 4.44 zeigt Formen der Energiespeicherung, die im Fahrzeug bereits verwendet werden oder in Zukunft zur Anwendung kommen können. Nicht alle sind zur Energiespeicherung für Antriebszwecke geeignet, da für den Einsatz in Fahrzeugen sehr vielfältige Anforderungen erfüllt sein müssen, siehe Abb. 4.45. Wie bereits in der Einleitung geschrieben, macht die Kombination von konventionellen chemischen Energiespeichern, wie Benzin oder Diesel, mit einem während des Betriebs wieder aufladbaren Speicher, beispielsweise einem elektrischen oder mechanischen System, Sinn, da über die konventionellen Kraftstoffe viel Energie in kurzer Zeit getankt werden kann und das zweite System durch die Beladung im Betrieb zusätzliche Freiheitsgrade schafft. Für Hybridfahrzeuge im Pkw-, Bus- und Nutzfahrzeug-Bereich haben sich bislang als zusätzliche Energiespeicher in erster Linie elektrochemische Systeme, im speziellen Batterien und neuerdings auch kapazitive Systeme (Superkondensatoren), durchgesetzt. In Abb. 4.46 ist der Vergleich der theoretischen und praktischen Energiedichten ausgewählter Batteriesysteme im Vergleich zu Benzin dargestellt und Abb. 4.47 zeigt Masse und Volumen verschiedener Speichersysteme für 100 km Reichweite. Dabei wurden typische Verbrauchswerte angenommen und jeweils das gesamte Speichersystem betrachtet.

4.4 Energiespeicher

147

Abb. 4.44. Formen der Energiespeicherung [80]

Abb. 4.45. Anforderungen an Energiespeicher für den Einsatz in Fahrzeugen [80]

Aus diesen Darstellungen wird ersichtlich, dass die Traktionsbatterie die kritische Komponente in einem Hybridsystem darstellt. Neben der vergleichsweise niedrigen spezifischen Energie und der Energiedichte stellen die hohen Kosten große Herausforderungen dar.

148

4 Hybridkomponenten

Abb. 4.46. Vergleich theoretische und praktische Energiedichten ausgewählter Batteriesysteme im Vergleich zu Benzin

Abb. 4.47. Masse und Volumen verschiedener Speichersysteme für 100 km Reichweite

Um den großen erforderlichen Entwicklungsaufwand bewältigen zu können, werden verstärkt Allianzen zwischen Fahrzeugherstellern und auch Zulieferern geschlossen. Ein Beispiel dafür ist das Joint Venture zwischen den Firmen Johnson Controls

149

4.4 Energiespeicher

Incorporated (dazu gehört auch ehem. VARTA) und SAFT Batterien. Sämtliche Aktivitäten der Muttergesellschaften, die sich mit der Entwicklung, Produktion und Vertrieb von Nickel-Metall-Hydrid- und Lithium-Ionen-Batterien für Hybrid- und Elektrofahrzeuge befassen, werden exklusiv über das Joint Venture abgebildet. Auch die Li-Tec Battery GmbH, ein Gemeinschaftsunternehmen von Evonik Industries AG und der Daimler AG, entwickelt, produziert und vertreibt großformatige Lithium-IonenBatteriezellen für automobile Anwendungen und Batteriesysteme für industrielle und stationäre Anwendungen. Robert Bosch und die koreanische Samsung SDI steigen gemeinsam in die Produktion von Lithium-Ionen-Akkus für Pkw ein. Ab 2010 soll die jetzt gegründete SB LiMotive Co. Ltd die Produktion starten. Auf chemische Speicher im Sinne von Kraftstoffen für Verbrennungsmotoren wird in diesem Buch nicht näher eingegangen. Hier sei auf entsprechende Fachliteratur verwiesen [81], [82], [83]. Das Buch konzentriert sich auf die Arten der Energiespeicherung, welche sich gut mit den konventionellen Antriebssystemen in Hybridfahrzeugen kombinieren lässt. Folgende Arten von reversiblen Speichersystemen kommen nach dem derzeitigen Stand des Wissens für Hybridantriebssysteme in Betracht: • Akkumulatoren, Sekundärelemente (reversibler Prozess, aufladbare Batterien) • Hochtemperatur-Sekundärelemente (reversibel, aufladbar, ca. 300 – 400 °C) • Redox-Flow-Zelle • Superkondensatoren • Schwungradspeicher • Hydropneumatische Speicher Da sich für Hybridfahrzeuge im PKW-Bereich bislang nur elektrische Systeme als zusätzliche Energiespeicher durchgesetzt haben, werden im Folgenden die spezifischen Anforderungen und Charakteristika an Hand von elektrischen Systemen erläutert. Grundsätzlich sind die Aussagen auch auf die anderen Speichersysteme übertragbar. Je nach Einsatzzweck können die Anforderungen an Speichersysteme bezüglich Energiespeichervermögen und Leistungsverhalten im Fahrzeugbereich sehr unterschiedlich sein. Tabelle 4.3 gibt einen Überblick über verschiedene Fahrzeuganwendungen und Anforderungen. Tabelle 4.3. Fahrzeuganwendungen und Anforderungen an das Batteriesystem [84] Anwendung

Elektrische Reichweite

Energie- / Leistungsanforderung

Elektrofahrzeug

> 150 km

> 20 kWh / > 40 kW

Hybridbusse

Begrenzte Reichweite

> 10 kWh / > 80 kW

Full-Hybrid-Pkw

Kurze elektr. Reichweite

1 bis 3 kWh / 25 bis 50 kW

Mild-Hybrid-Pkw

Keine elektr. Reichweite

0,5 bis 1 kWh / < 20 kW

Die Wahl des geeigneten Energiespeichersystems für die in Tabelle 4.3 angeführten Anwendungen richtet sich nach folgenden wesentlichen systembedingten Eigenschaften: a) Spezifische Energie (gravimetrisch) [Wh/kg]: Hiermit ist die auf das Gewicht bezogene Energiespeicherfähigkeit des Batteriesystems gemeint. Die spezifische Energie spielt besonders dann eine Rolle, wenn lange kontinuier-

150

4 Hybridkomponenten

b)

c)

d) e)

f)

g)

liche Entlade- und Ladevorgänge gefordert sind. Im Fahrzeugbereich ist sie besonders für die elektrische Reichweite wichtig. Energiedichte (volumetrisch) [Wh/I]: In diesem Wert kommt der Volumenbedarf zum Ausdruck, der für die Unterbringung des Energiespeichersystems benötigt wird. Besonders bei batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen ist die Energiedichte ein entscheidender Wert für die Autonomie des Fahrzeugs. Spezifische Leistung (gravimetrisch) [W/kg]: Sind die geforderten maximalen Lade- und Entladezeiten kürzer (< 1 Minute), gewinnt die spezifische Leistung eines Batteriesystems eine besondere Bedeutung. Im Fahrzeugbereich sind vor allem die Start/Stopp-Vorgänge sowie die für Hybridtechnologien typischen Beschleunigungs- und Rekuperationsvorgänge relevant. Leistungsdichte [W/I]: Ein hoher Wert für die Leistungsdichte ist insbesondere bei Hybridfahrzeugen erwünscht, bei denen das „Packaging“ unter begrenzten Bauraumverhältnissen mit Problemen verbunden ist. Energiedurchsatz [Wh]: Bei Hybridanwendungen definiert der Energiedurchsatz gemeinsam mit einem entsprechenden Lastzyklus die Lebensdaueranforderung an die Zelle. Teilweise wird auch noch der früher gebräuchliche Parameter des Kapazitätsdurchsatzes bzw. die Zyklenzahl angegeben. Darin ist allerdings nicht die Batteriespannung berücksichtigt, die eine maßgebliche Auswirkung auf die Lebensdauer hat. Die Kapazität [Ah] gibt an, welche Ladung eine Zelle oder ein System aufnehmen kann. Typischerweise haben Hybridsysteme kleine Kapazitäten, da auch nur geringere Energiemengen bewegt werden (Energie = Kapazität × Nennspannung). In E-Fahrzeugen werden Zellen mit hoher Kapazität, jedoch geringerer Leistungsfähigkeit verbaut, da diese eine höhere Energiedichte aufweisen. Der Kapazitätsdurchsatz wird oft als Vielfaches der Nennkapazität angegeben (NK). Beim konventionellen Fahrzeug werden an die 12V-Starterbatterie keine hohen Anforderungen bezüglich des Energiedurchsatzes gestellt. Befindet sich die Batterie im Dauereinsatz, wie es bei Hybridfahrzeugen während der regelmäßigen Beschleunigungs- und Bremsvorgänge der Fall ist, wird der spezifische Energiedurchsatz zu einem entscheidenden Kriterium für die Auswahl des geeigneten Energiespeichersystems. Kalendarische Lebensdauer: Man spricht in diesem Fall von einer Alterung des Energiespeichers ohne elektrische Belastung bzw. Betrieb. Der Kapazitäts- und Leistungsverlust über die Zeit definiert die maximale kalendarische Lebensdauer. Die Hauptursache für die Alterung von Energiespeichern außerhalb des Betriebes ist die stark temperaturabhängige und stetige Zersetzung von Elektrolytkomponenten. Neben der kalendarischen Alterung gibt es auch eine Alterung durch Zyklisierung. Von Batteriesystemen in Hybridfahrzeugen wird allein aus Kostengründen eine Lebensdauer erwartet, die der des Fahrzeugs entspricht. Dies bedeutet in der Regel eine Zeitspanne von mehr als 10 Jahren. Zyklenlebensdauer: Die Zyklenlebensdauer ist eng verknüpft mit dem maximalen Energiedurchsatz. Diese gibt an, wie oft ein definierter Lastzyklus unter definierten Umgebungsbedingungen abgefahren werden kann, bis die Kriteri-

4.4 Energiespeicher

151

en des Lebensdauerendes erreicht werden. Die Zyklenlebensdauer überlagert die kalendarische Lebensdauer in der Form, dass sich schädigende Einflüsse kumulieren. Bedingt durch die Zyklisierung erfolgt eine Degradation durch mechanische Arbeit der Aktivmassen, Nebenreaktionen beim Laden (Elektrolytverlust) etc. Im Folgenden wird die prinzipielle Funktionsweise von Sekundärelementen näher erläutert sowie einige Beispiele gebracht, die für Hybridfahrzeuge eine gewisse Bedeutung haben.

4.4.2 Sekundärelemente Als elektrische Energiespeicher werden in erster Linie Sekundärelemente eingesetzt, da diese im Gegensatz zu Primärelementen reversibel arbeiten, d. h. wieder aufgeladen werden können und gegenüber Superkondensatoren eine wesentlich höhere Energiedichte aufweisen. Im technischen Sprachgebrauch werden Sekundärelemente meist als Batterien oder Akkumulatoren bezeichnet, obwohl bei der Bezeichnung Batterie keine eindeutige Abgrenzung zu nicht wieder aufladbaren Primärzellen gegeben ist. Die Grundeinheit jedes Sekundärelements (Batterie, Akkumulator) stellt die galvanische oder elektrochemische Zelle dar. In ihr findet die zur Energiespeicherung notwendige Umwandlung von chemisch gebundener in elektrische Energie und zurück statt. Die Zellen bestehen aus zwei unterschiedlichen Metallen (Elektroden) in einer Elektrolytlösung, siehe Abb. 4.48. Die beiden Elektroden fungieren als Energiekonverter und Energiespeicher. An den beiden Metallen (Polen) erfolgt die Stromzufuhr und -abgabe. Der Elektrolyt darf nur Ionen, aber keine Elektronen leiten. Er kann flüssig, fest oder geliert sein und soll keine Wechselwirkung mit den Elektroden aufweisen. Zwischen den beiden Elektroden verhindert ein Separator den elektrischen Kontakt. Er soll möglichst dünn sein und eine gute Ionenleitfähigkeit besitzen.

Abb. 4.48. Komponenten einer Batterie mit Funktionen [85]

152

4 Hybridkomponenten

Abb. 4.49. Prinzipielle Abläufe beim Entladen einer Batterie (die Richtungen der Elektronen- und Ionenströme sind für den Fall des Entladens eingezeichnet) [85]

Bei der Entladung fließen Elektronen vom unedleren Metall (Negative Elektrode oder Anode) über den Verbraucher zur Positiven Elektrode (Kathode), siehe Abb. 4.49. Durch Auflösung (Oxidation) des unedleren Metalls werden die abfließenden Elektronen wieder nachgeliefert. An der positiven Elektrode werden die Elektronen von den positiven Ionen der Elektrolytlösung angezogen, reduzieren diese und scheiden sich an der Elektrode ab. Damit Strom fließen kann, erfolgt ein Ionenaustausch über den Elektrolyten. Die Höhe der Spannung, welche zwischen den Metallplatten entsteht, ist abhängig von der Materialart der Metalle sowie der Elektrolytlösung. Die elektrochemische Spannungsreihe ist eine Auflistung der Potenziale, bei denen einzelne Metalle reagieren, siehe Tabelle 4.4. Darin sind z die Zahl der ausgetauschten Elektronen. Die Differenz zwischen den Metallen ergibt die jeweilige Zellspannung. Bei der Aufladung wird eine externe Spannung an den Elektroden angelegt, wodurch sich die Prozesse wieder umdrehen. Eine Batterie besteht aus einer oder in der Regel mehreren in Reihe und/oder parallel geschalteten Zellen, die in einem Gehäuse untergebracht und mit einer Isolierung versehen sind (Batteriemodul). Zu einem Batteriesystem gehören neben dem Energiespeicher selbst die zum Betrieb notwendigen peripheren Einrichtungen, wie z. B. Heizund Kühlsystem, ein elektrischer Hauptschalter (Hauptschütz) sowie ein Batteriemanagement, welches die Batteriezustände überwacht und den Schutz der Batterie gegen Überladung und Tiefentladung gewährleistet.

153

4.4 Energiespeicher

Tabelle 4.4. Elektrochemische Spannungsreihe Reduzierte Form Li Na Mg Al Zn Fe Cd

+ ze 

Standardpotenzial Eo in V

+e

– 3,045

+e

– 2,71

2+

Mg 3+

Al

+ 2e 

– 2,36

+ 3e



– 1,66

2+

Zn 2+

Fe

+ 2e 

– 0,76

+ 2e 

– 0,41



Cd

PbSO 4 2+

Ni

+ 2e



– 0,40

+ 2e 

– 0,36

+ 2e



– 0,25

2+

Sn 2+

Pb

+ 2e 

– 0,14

+ 2e 

– 0,13



Fe +

2H3O 4+

Sn

+ 3e

– 0,036

2+

Cu + 2–

SO4 + 4 H3O

+e + 2e 

+0,17



Cu + +

Cu H2SO3 + 4 H +

Cu

+ 2e



+0,34

+ 2e 

+0,45

+e

+0,52



Fe +

Ag

+e

+0,77



Br2 +

O2 + 4 H3O

+ 2e

2+

Pb + SO42– Ni Sn Pb Fe

3+

H 2 + 2 H 2O Sn 2+ Cu+ SO2 + 6 H 2O Cu

2+

S + 3 H 2O Cu Fe

2+

3+

Ag 2 Br

–

6 H 2O 2 Cr3+ + 21 H 2O 2 Cl

–

Mn 2+ + 12 H 2O Cl2 + 2 H 2O PbSO4 + 2 H 2O 3 H 2 O + O2 2F



Oxidierte Form +

Li +

Na

–





+ 2e 

0

+ 4e

+0,15



+0,15



+e

+0,80 

+1,07

+ 4e 

+1,23

2– +

Cr2O7 + 14 H3O

Cl 2

+ 6e 

+1,33

+ 2e



+1,36

– +

MnO4 + 8 H3O +

2 HOCl + 2 H

+ 5e 

+1,51

+ 2e



+1,63

+ 2–

PbO2 + SO4 + 4 H +

O3 + 2 H3O

+ 2e 

+1,67

+ 2e 

+2,07



F2

+ 2e

+2,87



Energetische Betrachtungen Die der Batterie zugeführte Energie wird durch Lade- und Entladeverluste reduziert. Die Batterieverluste setzen sich zusammen aus: • Strom-Wärmeverluste am Innenwiderstand (Aufheizung) • Ladungsverluste durch Gasung und • Selbstentladung (elektrochemisch – temperaturabhängig)

154

4 Hybridkomponenten

Kenngrößen von Batterien Nennspannung: Die Nennspannung elektrochemischer Zellen hängt von den eingesetzten Elektroden ab, z. B. Blei-Akku: 2 Volt; Stahl-Akku: 1.2 Volt. Die Nennspannung der Batterie ergibt sich aus der Multiplikation der Nennspannung der Zellen mit der Anzahl der in Serie geschalteten Zellen. Klemmenspannung: Diese weicht von der Nennspannung in Abhängigkeit des Betriebszustands mehr oder weniger ab. Ruhespannung U00: Diese wird im Ruhezustand, wenn alle inneren Ausgleichsvorgänge abgeschlossen sind, an den Batterieklemmen gemessen. (Die Ruhespannung entspricht abgesehen von Nebenreaktionen der Gleichgewichtsspannung – diese Unterschiede sind im Allgemeinen vernachlässigbar. Die Gleichgewichtsspannung ergibt sich theoretisch, wenn der chemische Energieinhalt vollständig in elektrische Energie umgewandelt wird.) Damit hängt sie in der Regel vom Ladegrad der Batterie ab. Leerlaufspannung U0: Die Leerlaufspannung wird im unbelasteten Zustand der Batterie gemessen. Durch innere Ausgleichsvorgänge nach Belastungsphasen ändert sich die Leerlaufspannung über der Zeit. Über entsprechende temperaturabhängige Zeitfunktionen kann aus der Leerlaufspannung die Ruhespannung ermittelt werden. Meistens hängt die Leerlaufspannung vom Ladegrad der Batterie ab, wobei es bei vielen Batterien einen linearen Bereich gibt, siehe Abb. 4.50.

Abb. 4.50. Typisches Verhalten der Batteriespannung in Abhängigkeit von Ladegrad und Strom [20]

Entladeschlussspannung: Bei dieser vom Hersteller angegebenen Klemmenspannung ist der Entladevorgang abzubrechen. Sie ist durch die Temperatur und die Betriebsart beeinflusst, d. h., bei tiefer Temperatur und oder Pulsbelastung kann die Entladeschlussspannung niedriger definiert werden. Ladeschlussspannung: Beim Erreichen dieser Spannung wird der Ladevorgang beendet. Sie ist vom gewählten Ladeverfahren abhängig. Bei vielen Batteriearten kann ein Überladen oder auch eine zu starke Entladung die Lebensdauer der Batterie reduzieren. Kapazität: Die Kapazität einer Batterie ist die in der Batterie gespeicherte Ladungsmenge („theoretische“ Kapazität) beziehungsweise die unter bestimmten Bedingun-

4.4 Energiespeicher

155

gen entnehmbare Ladungsmenge („praktische“ Kapazität). Die Kapazität wird meist in Amperestunden (Einheit: Ah) und selten in Coulomb (Einheit: C = A × s) angegeben. Die theoretische Kapazität hängt von der Menge des aktiven Materials in der Batterie ab. Die entnehmbare Kapazität einer Batterie hängt stark von den Entladebedingungen (beispielsweise Belastung, Entladeschlussspannung und Temperatur) sowie der Vorgeschichte der Batterie (beispielsweise Dauer und Bedingungen der Lagerung vor der Entladung) ab, siehe Abb. 4.51 und Abb. 4.52. Deswegen werden Batteriekapazitäten durch genormte Entladeverfahren unter vorgegebenen Bedingungen bestimmt.

Abb. 4.51. Abhängigkeit der Zellspannung und Kapazität vom Entladestrom für eine Lithium-Ionen-Batterie

Abb. 4.52. Abhängigkeit der Zellspannung und Kapazität von der Temperatur für eine LithiumIonen-Batterie

Die Nennkapazität einer Batterie wird oft mit definierten Entladebedingungen angegeben, z. B. mit Zeitdauer: K5, I5. Beispiel: Batterie K5 = 100 Ah d. h. 5 Stunden mit 20A

156

4 Hybridkomponenten

und nicht 1 h mit 100A. Oft wird die sog. C-Rate angewendet. Die jeweils fließenden Ströme werden in Teilen oder in dem Vielfachen der C-Rate angegeben. Bei einer 2 AhZelle würde z. B. die Angabe 3 C einen Strom von 6 A bedeuten (3 × 2 A) für 1/3 Stunde, die Angabe 0,1C würde einen Strom von 0,2 A bedeuten (0,1 × 2 A) für 10 Stunden. (Fallweise anstelle C-Rate auch Einheit CA oder It.) Ladezustand der Batterie SOC (State of charge): gibt in Prozent den Ladezustand der Batterie bezogen auf die Nennkapazität an. Entladetiefe DOD (depth of discharge): Der DOD-Wert gibt den Entladegrad der Batterie in Prozent an, der auf die Nennkapazität bezogen wird. 100 % DOD bedeuten demnach, dass die Batterie vollständig entladen ist. Innenwiderstand Ri: Wird als Quotient aus der Differenz von Ruhespannung UR und Klemmenspannung UK und dem Klemmenstrom definiert, siehe Gleichung (4-5). Der Innenwiderstand ist zudem von der Temperatur, dem Ladungszustand (SOC), dem Alter der Zelle (Ri steigt mit dem Alter) sowie der Belastungsdauer (besonders bei Pulsbelastungen im Hybridbereich) abhängig. (4-5) Ri .........

Innenwiderstand der Batterie [Ohm]

UR .......... Ruhespannung der Batterie [V] UK .......... Klemmenspannung [V] IK .......... Klemmenstrom [A] Arbeitsvermögen (gespeicherte Energie): [Wh] Amperestundenwirkungsgrad:

nAh = entnommene Ah/zugef. Ah

Wattstundenwirkungsgrad: nWh = entnommene Wh/zugef. Wh Speicherwirkungsgrad [86], siehe auch Abb. 4.53:

(4-6)

nSpeicher ..... Speicherwirkungsgrad [1] IEntlade ...... Entladestrom [A] UEntlade ..... Entladespannung [V] ILade ....... Ladestrom [A] ULade ..... Ladespannung [V]

4.4 Energiespeicher

157

Abb. 4.53. Zur Definition des Speicherwirkungsgrads über einen Lade-Entlade-Zyklus [20]

4.4.3 Blei-Batterien (Pb/PbO2)

Funktion [87] Bei Blei-Säure-Batterien wird als positive Elektrode Bleidioxid (PbO2) eingesetzt. Für die negative Elektrode wird feinporiges, schwammförmiges Bleimetall verwendet. Elektrolyt ist eine ca. 35 %ige Schwefelsäure. Zwischen den Elektrodenplatten wird eine hochporöse Polyethylenfolie oder ein Glasfaservlies als Separator angeordnet. Die elektrochemische Zellreaktion lautet: (4-7) Während der Entladung der Batterie wandeln sich das PbO2 auf der positiven und das metallische Blei der negativen Elektrode in Bleisulfat um. Im Gegensatz zu anderen Batteriesystemen nimmt der Elektrolyt aktiv an der Entladereaktion teil, was zu einer Absenkung der Konzentration der Schwefelsäure mit dem Entladegrad führt. Die Leerlaufspannung beträgt 2,1 V. Für eine Fahrzeuganwendung, die im Spannungsbereich von ca. 200 V arbeitet, werden also ca. 100 Zellen benötigt.

Aufbau Bei den technischen Ausführungen unterscheidet man zwischen: • Pb-Flüssigsäure-Batterien • Pb-Gel-Batterien • Pb-AGM-Batterien (AGM (engl.): Absorbent Glass Mat). Heutige Starterbatterien arbeiten meist mit flüssiger Säure, sie sind nur einer relativ geringen zyklischen Dauerbelastung ausgesetzt. Bei Traktionsbatterien mit hoher zyklischer Belastung wird der Elektrolyt in Form eines Gels oder in einem absorbierenden Glasfaservlies festgelegt. Diese Festlegung des Elektrolyts hat neben höherer

158

4 Hybridkomponenten

Sicherheit und besserer Handhabbarkeit der Batterien einen weiteren sehr wichtigen technischen Grund: Säureschichtung bei Tiefentladung, die bei Flüssigsystemen sehr schnell zur Einschränkung der Leistungsfähigkeit führen kann, wird vermieden. Der grundsätzliche Aufbau einer Pb-Batterie in Einzelplattenbauweise geht aus Abb. 4.54 hervor. In den einzelnen Zellen des Batteriemoduls werden eine gewisse Anzahl von positiven und negativen Platten, abwechselnd und durch einen Separator voneinander getrennt, angeordnet. Innerhalb dieser Zellen sind die Elektroden einer Polarität miteinander durch Polbrücken verbunden, auf denen wiederum die Poldurchführungen angeordnet sind, über die der Strom zur Nachbarzelle im Modul bzw. nach außen geleitet wird. Fast alle heute in Fahrzeugen eingesetzten Pb-Batterien arbeiten mit diesem Aufbau. Unterschiede betreffen im Wesentlichen die Gestaltung des Elektrodenaufbaus, die Zellgeometrie und die Art und Weise der Elektrolytfestlegung. Durch die Verwendung von dünneren Elektroden lassen sich die elektrischen Leistungsdaten generell steigern, allerdings meistens auf Kosten der Energiedichte und der Lebensdauer.

Abb. 4.54. Aufbau einer Starterbatterie von VARTA

Sonderformen des Pb-Batteriesystems sind Wickelzellen, wie sie in Abb. 4.55 gezeigt werden. Hier sind beide Polaritäten als Flachelektroden ausgebildet, die, durch einen Separator aus Glasfaservlies voneinander getrennt, spiralförmig gewickelt werden. Die Elektrodenkanten sind an den Stirnflächen der Wickel mit einer Kollektorplatte zur Ableitung des Stroms versehen. Diese Bauform bietet gegenüber Batterien in Plattenbauweise höhere Belastbarkeit (besonders bei tiefen Temperaturen) sowie eine erhöhte Lebensdauer und macht sie damit für Hybridfahrzeuganwendungen interessant. In Tabelle 4.5 sind die wichtigsten technischen Daten von heute verfügbaren Bleibatterien für typische Fahrzeuganwendungen dargestellt.

159

4.4 Energiespeicher

Abb. 4.55. Pb-Batteriesystem in Wickelzellen-Bauform von OPTIMA

Tabelle 4.5. Kenndaten von Bleibatterien Hochenergie

Hochleistung

Spezifische Energie (Wh/kg)

35

32

Spezifische Leistung (W/kg)

200

430

Energiedichte (Wh/l)

90

68

Leistungsdichte (W/I)

510

910

-Entladetiefe 80 %

700

350

-Entladetiefe 5 %

> 2000

1800

Zyklenzahl (NK)

Das im normalen Fahrzeugeinsatz heute dominierende Blei-Säure-System kann die an heutige Hybridfahrzeuge gestellten Forderungen nur bedingt erfüllen. Aus ökonomischer Sicht ist es zweifellos allen heute bekannten Batteriesystemen überlegen und wegen der geringeren Materialkosten wird es auch in Zukunft bleiben. Seit Jahrzehnten hat es sich im Starter-Batterie-Bereich bewährt. Durch technische Modifikationen, z. B. geringere Elektrodenhöhe, verbesserte Gitterkonstruktion, veränderte Anordnung der Anschlüsse, lässt sich das Leistungsverhalten von Bleibatterien deutlich verbessern. Dies wurde beispielsweise in der leistungsoptimierten POB-Batterie (POB = Power Optimized Battery) von VB Autobatterie GmbH realisiert. Die Bindung des Elektrolyts in einem Glasfaservlies (AGM: Absorptive Glass Mat) hat zudem eine erhebliche Verbesserung der Zyklenlebensdauer bewirkt. Trotz der in den vergangenen Jahren erzielten Fortschritte wird das Blei-Säure-System für Anwendungen mit extremen Anforderungen an Energiedurchsatz und Zyklenfestigkeit, wie sie im Hybridfahrzeug verlangt

160

4 Hybridkomponenten

werden, nicht in Frage kommen. Blei-Batterien sind allerdings durchaus für moderate Anforderungen wie Start/Stopp-Betrieb und moderaten Boostbetrieb wie bei „MicroHybrid“-Fahrzeugen geeignet.

4.4.4 Nickel-Cadmium-Batterien

Aufbau Die Elektroden des NiCd-Akkumulators bestehen in geladenem Zustand aus Platten, die am Minuspol mit fein verteiltem Cadmium und am Pluspol mit Nickel(III)-oxidhydroxid beladen sind. Als Elektrolyt wird 20-prozentige Kaliumhydroxid-Lösung verwendet. Diese Kombination liefert eine Spannung von 1,3 V. Der geringe Innenwiderstand, der hohe Ströme ermöglicht, die Robustheit gegen Tiefentladung und Überladung sowie das gute Tieftemperaturverhalten sind hier von Vorteil. Zellreaktion des NiCd-Systems: (4-8) Da NiCd-Akkus das giftige Schwermetall Cadmium enthalten, wurden sie für viele Anwendungen verboten und kommen daher für den Einsatz in Fahrzeugen zukünftig nicht mehr in Frage.

4.4.5 Nickel-Metallhydrid-Batteriesysteme

Funktion [84] Die Nickel-Metallhydrid-Batterie gilt als das Nachfolgesystem der Nickel-CadmiumBatterie, welche sowohl aus technischen als auch aus Gründen der Umweltverträglichkeit nicht im Hybridfahrzeug Verwendung finden wird. Der wesentliche Unterschied zum NiCd-System liegt in der Ausführung der negativen Elektrode, bei der als Aktivmaterial eine wasserstoffspeichernde Legierung (Metallhydrid) statt des Cadmiumhydroxids verwendet wird. Elektrolyt ist wie bei NiCd-Zellen eine stark konzentrierte Lauge mit Kaliumhydroxid (KOH) als Hauptbestandteil. Zur Separation wird ein Polymerfaservlies auf Polyethylen-(PE)/Polypropylen(PP)-Basis verwendet. Auffällig an der Zellreaktion des NiMH-Systems (4-9) ist die Tatsache, dass die Basisreaktion ohne Beteiligung des wässrigen Elektrolyts verläuft. Dieser spielt lediglich die Rolle eines Transportmediums für Protonen, die als Ladungsträger fungieren. Ähnlich wie bei der NiCd-Zelle liegt die Leerlaufspannung relativ niedrig. Abhängig vom Ladezustand bewegt sie sich zwischen 1,25 V und 1,35 V.

161

4.4 Energiespeicher

Ein Merkmal des NiMH-Systems ist die elektrochemisch bedingte Spannungshysterese, welche die Energieeffizienz auf maximal 92 % begrenzt. Das Nickel-Metallhydrid-Batteriesystem kann über einen weiten Temperaturbereich, wie er im Fahrzeugbereich typisch ist, betrieben werden. Wie auch bei anderen Batteriesystemen werden Energie- und Leistungsfähigkeit von der vorhandenen Menge an Aktivmaterial sowie der technischen Auslegung von Elektroden- und Zellgeometrie bestimmt. Die Leistungsfähigkeit hängt zum einen sehr stark von der Ausbildung der Kollektorstruktur in den Elektroden ab, zum anderen hat die Auswahl der Aktivmaterialien, besonders bei der negativen Elektrodenpolarität, einen dominierenden Einfluss. Auch die Gebrauchsdauer der Batterie hängt entscheidend von der Auswahl der hydridbildenden Legierung ab. Tabelle 4.6 verdeutlicht den vom NiMH-System abgedeckten Energie- und Leistungsbereich. Tabelle 4.6. Kenndaten von Nickel-Metallhydrid-Batterien Hochenergie

Hochleistung

Spezifische Energie (Wh/kg)

70

43

Spezifische Leistung (W/kg)

140

1300

Energiedichte (Wh/l)

200

90

Leistungsdichte (W/I)

400

2700

-Entladetiefe 80 %

2000

> 4000

-Entladetiefe 5 %

8000

> 20.000

Zyklenzahl (NK)

Das Nickel-Metallhydrid-Batteriesystem (NiMH) hat sich in den letzten Jahren als zuverlässiges und leistungsfähiges System für Hochleistungsanwendungen im Fahrzeugbereich erwiesen. Die Anwendungen reichen von Batterien für den Antriebsstrang in Hybrid-Pkws bis hin zur Versorgung von Traktionssystemen im Busbereich. Es werden hierbei höchste Anforderungen an das Batteriesystem bezüglich Leistungsdichte, Robustheit und Sicherheit gestellt. Das Nickel-Metallhydrid-Batteriesystem gilt aus elektrochemischer Sicht als weitgehend ausgereift; signifikante weitere Verbesserungen der Leistungsdaten werden in Zukunft nicht mehr erwartet. Heute konzentriert sich die Entwicklung auf die Optimierung des Gesamtsystems bezüglich Kosten, Packaging und Batteriemanagement. Auf dem Weg zu einer breiteren Kommerzialisierung des Nickel-Metallhydrid-Systems im Hybridfahrzeugbereich werden Kostenreduktion und Systemoptimierung eine wesentliche Rolle spielen.

Bauformen von Nickel-Metallhydrid-Zellen NiMH-Zellen werden in unterschiedlicher Weise aufgebaut. Große Zellkapazitäten werden in der Regel als prismatische Zellen mit gestapelten Einzelelektroden ausgeführt. Dies erlaubt es, die Zellen so flach zu halten, dass die beim Betrieb entstehende Verlustwärme gut abgeführt werden kann. Kleinere Zelltypen, wie sie auch in Hybridfahrzeugen verwendet werden, können auch als zylindrische Wickelzellen hergestellt werden, was besonders bei der Herstellung Vorteile bietet, siehe Abb. 4.56.

162

4 Hybridkomponenten

Abb. 4.56. NiMH-Module aus zylindrischen Einzelteilen bzw. als prismatisches Modul mit gemeinsamen Gasraum [84]

NiMH-Batterien für den Fahrzeugeinsatz Während für Hybridbusse Kapazitäten von mehr als ca. 20 Ah gefordert werden, benötigen Zellen für Hybrid-Pkws Kapazitäten deutlich unterhalb von 10 Ah. Solche Zellen können sowohl in zylindrischer als auch in prismatischer Form hergestellt werden. Abb. 4.57 zeigt die Prototypen von zwei Hochleistungsbatteriesystemen für Hybridfahrzeuge, die mit Zellen zylindrischer und Zellen prismatischer Bauform ausgeführt werden. Mit den weiterentwickelten Modulen prismatischer Bauweise wurde vor allem eine um ca. 20 % bessere Packungsdichte ermöglicht. Die kleinprismatische, flache Modulbauweise ist vor allem bei solchen Batterien vorteilhaft, die in einem beschränktem Bauraum eine effiziente Kühlung benötigen.

Abb. 4.57. Links: NiMH-Batterie mit 36 prismatischen Modulen 6NP7 (sechszellig); rechts: NiMH-Batterie mit 30 achtzelligen Modulen in zylindrischer Bauweise [84]

4.4 Energiespeicher

163

Für konventionelle Hybridfahrzeuge, die eine bestimmte rein elektrische Reichweite aufweisen müssen, wie z. B. Hybridbusse, sind Hochleistungszellen vorgesehen, die einen Kompromiss zwischen Energie- und Leistungsanforderungen darstellen. Hohe Leistung, Schnellladefähigkeit sowie eine lange Lebensdauer sind bei dieser Anwendung gefragt. Wegen der aus den Energie- und Spannungsanforderungen resultierenden relativ hohen elektrochemischen Speicherkapazitäten (25 bis 60 Ah) werden die Zellen nur in prismatischer Bauform hergestellt. Ein für Hochspannungsanwendungen optimiertes Batteriemanagementsystem (BMS) sorgt dafür, dass die Batterie ein definiertes Temperatur- und Ladezustandsfenster nicht verlässt. Zusätzlich zur ständigen Überwachung von Spannungs- und Temperaturdaten, die von Modulcontrollern geliefert werden, übernimmt das BMS noch weitere Funktionen zur Erfassung wichtiger Zustandsgrößen der Batterie wie Ladezustand (SOC = State of Charge), Allgemeinzustand der Batterie (SOH = State of Health) und Funktionstüchtigkeit (SOF = State of Function). Die zuverlässige Überwachung durch das elektronische Batteriemanagementsystem ist die Voraussetzung für die Erreichung langer Betriebsdauern. Abb. 4.58 zeigt den Einfluss von Temperatur und Entladetiefe auf die Zyklenlebensdauer einer NiMH-Batterie.

Abb. 4.58. Einfluss von Temperatur und Entladetiefe auf die Zyklenlebensdauer [88]

Zusammenfassung der generellen Eigenschaften des NiMH-Systems • • • • •

Spezifische Entlade- und Ladeleistung bis 1300 W/kg kein generelles Lebensdauerproblem hoher Energiedurchsatz möglich (abhängig von Entladetiefe) robust gegen kurzzeitige Überladung und Tiefentladung gute Ladungsaufnahme auch bei niedrigen Temperaturen (z. B.10C Pulse bei –20 °C) • hohe passive Sicherheit • relativ hohes Systemgewicht • maximale Energieeffizienz auf 92 % beschränkt (Spannungshysterese)

164

4 Hybridkomponenten

4.4.6 Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) Lithium-Ionen-Batterien stellen die technisch jüngste Entwicklung der Batterietechnik dar. Nach der erfolgreichen Einführung im Gerätebatteriemarkt wird erwartet, dass LiIonen-Batterien in Zukunft auch im Fahrzeugbereich eine zunehmend wichtige Rolle spielen werden.

Funktion [84] Die Elementar-Reaktion einer Lithium-Ionen-Zelle lautet: (4-10) Das Lithium-Ionen-System verwendet kathodenseitig Li-interkalierende Metalloxide (LiMO2 oder LiM2O4) oder Metallphosphate (LiMPO4) (= Einlagerung von Li in Metalloxid oder Metallphosphat ohne Änderung der Metalloxidstruktur) und als Anode ein Kohlenstoffmaterial, das ebenfalls zur Einlagerung von Lithium in der Lage ist, siehe Abb. 4.59. Elektrolyt ist ein Gemisch aus organischen Lösungsmitteln mit einem Li-Leitsalz. Für die Kathode bei Fahrzeugbatterien werden zurzeit Lithium-Manganoxide für Energieanwendungen bzw. Lithiumeisenphosphat für Leistungsapplikationen favorisiert. Das im Gerätebatteriebereich verwendete Lithium-Kobaltoxid scheidet aus Kosten- und Sicherheitsgründen aus.

Abb. 4.59. Prinzipieller Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle

Die Spannungslage hängt von der Wahl der Elektrodenmaterialien ab, liegt aber in der Regel für die heute interessierenden Komponenten im Bereich von: • Nennspannung: 3,3 V (LFP) bis 3,8 V (LMO) • Ladeschlussspannung: 3,8 V (LFP) bis 4,2 V (LMO) • Entladeschlussspannung: 2 V (LFP) bis 2,7 V (LMO). Die Materialauswahl bestimmt auch die Abhängigkeit der Spannungslage vom Ladezustand.

4.4 Energiespeicher

165

Bauformen von Li-Ionen-Zellen Wegen der im Verhältnis zu wässrigen Medien sehr geringen Leitfähigkeit des organischen Elektrolyts müssen Elektroden für Li-Ionen-Zellen sehr dünn ausgeführt werden. Aus der Implementierung dünner Elektroden resultiert ein komplexer Innenaufbau, der durch den hohen Anteil passiver Elemente, wie Stromsammlerfolien, kostenintensiv ist. Da sich selbst geringe Spuren von Wasser und Sauerstoff dauerhaft schädigend auf die Lebensdauer von Lithium-Zellen auswirken, werden an die Dichtigkeit der Zellen höchste Anforderungen gestellt. Die bevorzugte Bauform für Li-Ionen-Zellen sind zylindrische Zellen mit einem spiralförmigen Elektrodenwickel, siehe Abb. 4.60. Dieser Bautyp hat wegen der großen und damit langen Elektrodenflächen produktionstechnisch deutliche Vorteile. Die einzelnen Zellen werden zu einem Modul mit Kühl- und Batteriemanagementsystem zusammengefasst. Alternativ zu Rundzellen gibt es Bestrebungen zu prismatischen Bauformen, die sich beim Bau der Batterie vor allem durch Möglichkeiten zur besseren Raumausnutzung auszeichnen.

Abb. 4.60. Lithium-Ionen-Zellen in einem Batteriemodul von Daimler

Die wichtigsten technischen Kenndaten von Li-Ionen-Zellen unterschiedlichster Ausführung gehen aus Tabelle 4.7 hervor. Ursprünglich als reines Hochenergiebatteriesystem konzipiert, hat sich Li-Ion zu einem System entwickelt, das einen weiten Bereich von Energie- und Leistungsanforderungen abdecken kann.

166

4 Hybridkomponenten

Tabelle 4.7. Kenndaten von Lithium-Ionen-Batterien Hochenergie

Hochleistung

Spezifische Energie (Wh/kg)

100

70

Spezifische Leistung (W/kg)

200

> 2000

Energiedichte (Wh/l)

250

150

Leistungsdichte (W/I) Zyklenzahl (NK)

500

> 4200

-Entladetiefe 80 %

> 2000

> 2500

-Entladetiefe 5 %

k. A.

> 25.000

Ein großer Vorteil der Li-Ionen-Zellen ist die hohe Spannung der Einzelzelle, die es ermöglicht, einen Batterieverband mit einer verhältnismäßig geringen Anzahl von Zellen aufzubauen. Allerdings müssen alle Einzelzellen in einem solchen Batterieverband zuverlässig in einem Spannungsfenster von 2,5 V bis 4,2 V gehalten werden. Dies macht ein aktives Batteriemanagementsystem erforderlich. Bei der kalendarischen Lebensdauer konnten in den letzten Jahren durch die kontinuierliche Weiterentwicklung von aktiven und passiven Elektrodenmaterialien sowie der Fertigungstechnik drastische Verbesserungen erzielt werden, siehe Abb. 4.61. Unter Fahrzeugbedingungen gelten heute mehr als 10 Jahre Lebensdauer als realistisch. Die weitere Entwicklung strebt eine Ausdehnung auf mehr als 15 Jahre Lebensdauer an. Die Forderungen an den Energiedurchsatz von Hybridfahrzeugbatterien werden voll abgedeckt.

Abb. 4.61. Lebensdauer von Li-Ionen-Zellen in Abhängigkeit von der Lagertemperatur [84]

Li-Ionen-Batteriesysteme Li-Ionen-Batterien stellen hohe Anforderungen an die Systemtechnik. Insbesondere wegen ihres kritischen Verhaltens bei missbräuchlicher Anwendung wie Überladung, Tiefentladung und Kurzschluss ist die zuverlässige Funktion des Batteriemanagementsystems von entscheidender Bedeutung. Im Gegensatz zu NiMH-Modulen, die

4.4 Energiespeicher

167

eine gewisse Überlade- und Tiefentladetoleranz besitzen und daher in größeren Teilverbänden überwacht werden können, müssen in einem aus Li-Ionen-Zellen bestehenden Batterieverband alle einzelnen Zellspannungen überwacht werden. Unterschiede im Ladezustand müssen über ein aktives Ladezustandsmanagement ausgeglichen werden, um so die Zellen in einem optimalen Zustandsfenster zu halten. Zur Abfuhr der beim Dauerbetrieb entstehenden Verlustwärme ist ein effizientes Kühlsystem vorzusehen, das die Zellen im Batterieverband auf einem gleichmäßig niedrigen Temperaturniveau hält. In Abb. 4.62 wird der schematische Aufbau eines Li-Ionen-Batteriesystems dargestellt.

Abb. 4.62. Schematischer Aufbau eines Li-Ionen-Batteriesystems [84]

Generelle Eigenschaften Zusammenfassend lassen sich die Merkmale des Li-Ionen-Systems wie folgt darstellen: • hohe spezifische Entlade- und Ladeleistung bis zu 3000 W/kg (auf Zellebene) • hohe Leistungsdichte bis zu 6000 W/l (auf Zellebene) • hoher Energiedurchsatz möglich (abhängig von Entladetiefe) • hohe Zellspannung und damit verringerte Zahl im Batterieverband zu verschaltender Zellen • nahezu 100 % Ladungswirkungsgrad • sehr gutes Langzeitverhalten (kalendarisch und Zyklen) • sensibel gegen Überladung und Tiefentladung • Einzelzellüberwachung notwendig

168

4 Hybridkomponenten

4.4.7 Na-NiCl-Batterie (Zebra) Der Name ZEBRA steht für Zeolite Battery Research Africa Project oder auch für Zero Emission Battery Research Activity. Die Na-NiCl-Batterie ist eine Hochtemperaturbatterie, bei der die Arbeitstemperatur im Bereich von 270 – 350 °C liegt. Die Reaktanden sind Natriumchlorid und Nickel. Ein keramischer, für Natriumionen durchlässiger Elektrolyt trennt die Natriumelektrode von der Natriumchlorid/Nickelchlorid/Nickelelektrode. Die Zellreaktion der Na-NiCl-Batterie lautet: (4-11) Die Leerlaufspannung beträgt ca. 2,58 Volt und ist damit höher als bei den meisten Batterien. Vergleichbar hoch sind auch die Werte für die theoretische Energiedichte mit 788 Wh/kg und die maximalen Werte der praktischen Energiedichte mit etwa 100 –120 Wh/kg. Die Zellen besitzen einen sehr hohen Ah-Wirkungsgrad (ca. 100 %), allerdings liegt die maximale spezifische Leistung nur bei ca. 180 W/kg. Vorteile der Na-NiCl-Batterie sind ihre Robustheit, die hohe Lebensdauer und die relativ niedrigen Kosten. Als nachteilig gelten die hohe Betriebstemperatur und die Selbstentladung auf Grund von thermischen Verlusten. Die Batterie ist daher für Hybridfahrzeuganwendungen weniger geeignet und wurde bislang nur für Elektrofahrzeugkonzepte eingesetzt.

4.4.8 Natrium-Schwefel-Batterie Die Natrium-Schwefel-Batterie ist ähnlich wie die Na-NiCl-Batterie eine Hochtemperaturbatterie und arbeitet bei Temperaturen zwischen 290 und 390 °C. Im Unterschied zur ZEBRA-Batterie sind aber bei dieser Batterie die Elektroden in diesem Temperaturbereich flüssig. Die Anode besteht aus geschmolzenem Natrium, die Kathode aus einem mit flüssigem Schwefel getränkten Graphitgewebe. Als Elektrolyt kommt ein natriumhaltiges Aluminiumoxid zum Einsatz. Da Natrium ein heftig mit Wasser reagierendes Alkalimetall ist, muss der Akku gut gegenüber Umwelteinflüssen geschützt werden. Die Zellreaktion der Na-S-Batterie lautet: (4-12) Um einen ausreichenden Energiefluss zu gewährleisten, muss die Schmelztemperatur der Elektroden deutlich überschritten werden. Vorteilhaft ist, dass die Na-S-Zelle keinerlei elektrochemische Selbstentladung aufweist. Die Ruhespannung liegt je nach Ladezustand zwischen 1,78 und 2,08 V. Die Werte der spezifischen Speicherdichten und Leistungen sind sehr ähnlich denen der Na-NiCl-Batterie. Durch die hohe Arbeitstemperatur ist sie ebenfalls für den Einsatz in Hybridfahrzeugen eher weniger geeignet.

4.4.9 Superkondensatoren Kondensatoren sind elektrische Bauelemente zur Speicherung elektrischer Ladung. Ein Kondensator besteht aus zwei leitenden, voneinander isolierten Flächen (Platten), beispielsweise Metallplatten oder -folien. Als Isolator wird meist ein Luftspalt oder ein Di-

4.4 Energiespeicher

169

elektrikum aus Kunststoff eingesetzt. Die Kapazität eines Kondensators ist ein Maß für die Ladung, die er speichern kann, und lässt sich durch Gleichung (4-13) beschreiben: (4-13) C.........

Kapazität des Kondensators in Farad [F] = [As/V]

0 .......... Dielektrizitätskonstante des Vakuums: 8,8542 × 10-12 [F/m] r .........

relative Dielektrizitätskonstante des Isolators [-]

A .......... Fläche der Platten [m2] d .......... Dicke des Isolators [m] Bei konventionellen Kondensatoren werden große Kapazitäten durch hohe Dielektrizitätskonstanten r = 6500 . . .10.000, große Flächen A und geringe Elektrodenabstände d (Elektrolytschichtdicke) von einigen m erreicht. Die typischen Entlade-Zeitkonstanten liegen im Bereich von 100 ms. Die Entlade-Zeitkonstante ist definiert als der Quotient aus der spezifischen Energiedichte durch die spezifische Leistungsdichte. Sie sind ein Maß für die mittleren Zugriffszeiten bei vollständiger Entladung. Die Speicherung elektrischer Energie durch Kondensatoren hat erheblichen Auftrieb durch die Entwicklung der so genannten Doppelschichtkondensatoren (Supercap, Ultracap) erfahren. Der Doppelschichtkondensator nutzt den von Helmholtz bereits 1856 beschriebenen Effekt der Ausbildung einer Doppelschicht beim Anlegen einer Spannung an in eine leitende Flüssigkeit getauchte Elektroden. Daher werden diese Kondensatoren auch als elektrochemische Doppelschichtkondensatoren bezeichnet. Im ungeladenen Zustand verteilen sich die geladenen Teilchen (Ionen) gleichmäßig in der leitenden Flüssigkeit, dem Elektrolyten, der sich zwischen den Elektroden befindet. Beim Anlegen einer Spannung wandern die negativen Ionen im Elektrolyten an die positive Elektrode und die positiven Ionen an die negative Elektrode, siehe Abb. 4.63. Durch die Polarisierung der elektrolytischen Lösung wird Energie elektrostatisch gespeichert.

Abb. 4.63. Prinzipbild eines Doppelschichtkondensators im Vergleich mit einem Elektrolytkondensator

170

4 Hybridkomponenten

Obwohl es sich um elektrochemische Komponenten handelt, sind an dieser Art der Energiespeicherung keine chemischen Reaktionen beteiligt. Die enorme Steigerung der Kapazität von Superkondensatoren im Vergleich zum normalen Elektrolytkondensator wird dabei durch zwei Effekte erreicht: • Statt eines nicht leitenden Elektrolyts wird ein Material eingesetzt, welches Ionen, nicht aber Elektronen leitet, siehe Abb. 4.63. Über die Grenzfläche zwischen Elektronenleiter und Ionenleiter können keine Ladungen, weder Elektronen noch Ionen, übertreten. Die Ladungen sammeln sich deshalb auf beiden Seiten der Grenzfläche (im Elektronenleiter als Elektronen, im Ionenleiter als Ionen) in einer sehr dünnen Schicht. Für die Bestimmung der resultierenden Kapazität ist nicht die Schichtdicke des Ionenleiters, sondern allein die Dicke der Ladungsschicht maßgeblich, die im Bereich von 1 nm liegt. • Zum anderen wird eine beachtliche Vergrößerung der wirksamen Oberfläche durch die Verwendung porösen Kohlenstoffmaterials als Elektroden erreicht. Realisierbar sind inzwischen poröse Oberflächen bis zu 3000 m2/g, was eine spezifischen Kapazität von etwa 500 F/g bedeutet [58]. Im Vergleich zu Akkumulatoren bieten Doppelschichtkondensatoren einen wesentlich geringeren Innenwiderstand, 0,29 mOhm (3000F-Zelle) bis 2,8 mOhm (310F-Zelle), und damit sehr hohe Entladeströme (Leistungsdichte). Aus Abb. 4.64 ist ersichtlich, dass die Temperatur nahezu keinen Einfluss auf die Kapazität hat. Ähnlich verhält es sich auch mit dem Innenwiderstand und damit der Hochstromfähigkeit. Dabei werden laut Hersteller Lebensdauern von 10 Jahren und 1 Mio. Zyklen angegeben [Maxwell].

Abb. 4.64. Kapazität und Innenwiderstand von Superkondensatoren in Abhängigkeit der Temperatur

Eine maßgebliche Einflussgröße auf den Alterungsprozess stellt die Temperatur dar. Hier ergibt sich ähnlich wie bei den Batterien die Notwendigkeit der Kühlung, um die spezifizierte Temperatur nicht zu überschreiten. Ein Nachteil von Superkondensatoren ist ihre kleine zulässige Nominalspannung von 2,3 bis 2,7 V. Bei Überschreitung der zulässigen Spannung wird die Alterung stark beschleunigt bzw. wird der Elektrolyt elektrochemisch zersetzt, was zur Gasbildung und damit zur Zerstörung des Kondensators führt. Höhere Spannun-

4.4 Energiespeicher

171

gen erfordern eine Serienschaltung mehrerer Zellen. Hier ermöglicht ein Aufbau in „Sandwich“-Struktur auf Grundlage bipolarer Elektroden, die gleichzeitig die Anode einer Zelle und die Kathode der daran anschließenden Zelle bilden, womit Zellenverbinder und Elektrodenkontaktierungen fortfallenden, niedrige Innenwiderstände. Diese Zellen befinden sich allerdings noch in Entwicklung. Technische Zellen sind – vergleichbar konventionellen Elektrolytkondensatoren – häufig als zylindrische Wickel ausgeführt, siehe Abb. 4.65.

Abb. 4.65. Aufbau eines Superkondensators in Wickelbauform

Im Gegensatz zu Batterien geht die Energieentnahme bzw. das Aufladen des Kondensators mit einer Veränderung der Spannung einher, siehe Abb. 4.66.

Abb. 4.66. Prinzipieller Spannungsverlauf beim Be- und Entladen von Batterien und Supercaps

Deshalb kann der Kondensator in aller Regel nicht direkt an ein Gleichspannungsnetz eines Fahrzeugsystems angeschlossen werden, sondern benötigt einen Gleichstromsteller zur Spannungsanpassung. Der Gleichstromsteller wird meist nur für einen bestimmten Spannungsbereich ausgelegt. Die Maximalspannung soll so bemessen werden, dass die mögliche Kondensatorspannung voll genutzt werden kann [20]. Das tatsächliche Vermögen, Energie zu puffern, ergibt sich also nach Gleichung (4-14).

172

4 Hybridkomponenten

(4-14) E ......... Nutzbarer Energieinhalt eines Kondensators [J] C .......... Kapazität des Kondensators in Farad [F] Umax ......... Maximalspannung des Kondensators [V] Umin ......... Minimale Betriebsspannung [V] Ist die minimale Spannung beispielsweise 50 % der Maximalspannung, kann der theoretische Energieinhalt des Kondensators zu 75 % genutzt werden. Derzeitige Kondensatoren (Maxwell MC Power Serie) erreichen spezifische Energiedichten von über 5 Wh/kg bei maximalen Leistungsdichten von 13 –17 kW/kg. Abb. 4.67 zeigt Bauformen von einzelnen Superkondensatoren sowie Modulen.

Abb. 4.67. Superkondensatoren einzeln und in Modulform

Ultrakondensatoren gewinnen als hocheffiziente Speicher zur kurzzeitigen Abdeckung von Leistungsspitzen zunehmend an Bedeutung. Sie weisen eine hohe Leistungsfähigkeit und eine lange Lebensdauer gegenüber Batterien auf. Der Einsatz in Hybridfahrzeugen liegt daher bei Anwendungen, wo kurzfristig hohe Leistungen gefragt sind, wie beispielsweise beim Start, beim kurzzeitigen Boosten und beim Rekuperieren von Bremsenergie. So werden sie sehr häufig bei Stadtbussen eingesetzt, die Einsatzprofile mit häufigen Stopps und Anfahrvorgängen aufweisen, siehe auch Kapitel 7. Ebenfalls erwähnt sei auch noch die Bordnetzstabilisierung, die kurzfristig den am häufigsten im Automobil eingesetzten Anwendungsfall darstellt.

4.4 Energiespeicher

173

Ziel verschiedener Forschungs- und Entwicklungsabteilungen ist vor allem die Steigerung der Energiedichte. Durch noch größere Oberflächen von neuen Materialien sollen Steigerungen bis um den Faktor 10 möglich sein. Weiters wird an der Reduzierung des Innenwiderstands gearbeitet, um noch höhere Ströme realisieren zu können. Dadurch könnten sie zu einer idealen Ergänzung zu Lithium-Ionen-Batterien werden und im Verbund die hohen Leistungsanforderungen abdecken.

4.4.10 Schwungradspeicher Beim Schwungradspeicher wird das Trägheitsmoment einer drehbar gelagerten Masse für die Speicherung von kinetischer Energie herangezogen. Zum Be- oder Entladen des Speichersystems wird der Rotor beschleunigt bzw. verzögert. Die Zu- und Abfuhr der Energie kann mechanisch über Getriebe oder in den meisten Fällen über ein Elektromotor-/Generatorsystem erfolgen. Dabei sind nur Elektromaschinen geeignet, die für hohe Drehzahlen ausgelegt werden können und dabei gute Wirkungsgrade aufweisen. Zu beachten ist, dass bei niedriger Be- bzw. Entladeleistung Elektromaschinen niedrige Wirkungsgrade besitzen. Da bei einem Schwungrad die maximale Drehzahl begrenzt ist und es im Betrieb nicht bis zum Stillstand abgebremst wird, ergibt sich die speicherbare Energie nach Gleichung (4-15): (4-15) J ............. Trägheitsmoment der rotierenden Masse [kg · m2] max ......... maximale Winkelgeschwindigkeit des Rotors ( = 2 ·  · n) min ......... minimale Winkelgeschwindigkeit des Rotors n ............. Drehzahl [s-1] Die in einem Schwungrad speicherbare Energie hängt linear von seiner Massenträgheit und quadratisch von seiner Drehzahl ab, weshalb die Drehzahl von Schwungradspeichern in der Regel sehr hoch gewählt wird. Über die Fliehkraftbelastung und damit die Festigkeit des Rotors sind die beiden Größen miteinander gekoppelt. Bei Steigerung des Massenträgheitsmoments über den Durchmesser des Rotors nimmt auch die Fliehkraftbelastung zu, weshalb die Drehzahl reduziert werden muss. Die pro Masseeinheit maximal speicherbare Energie wird spezifische Energiedichte des Schwungrads genannt. Sie wird durch die Zugfestigkeit des verwendeten Materials, die Dichte und die geometrische Form bestimmt. Hohe spezifische Energiedichten lassen sich durch Materialien mit hoher Zugfestigkeit und geringer Dichte erreichen. Ein Vergleich der Energie- und Leistungsdichte zu anderen Speichersystemen ist in Kapitel 4.4.12, Vergleich der Energiespeichersysteme, angeführt. Wurden früher Rotoren ihrer hohen Masse wegen meist aus Stahl ausgeführt, geht man heutzutage in Richtung leichterer Faserverbundwerkstoffe. Diese weisen eine hohe Zugfestigkeit auf und lassen viel höhere Drehzahlen zu, wodurch höhere

174

4 Hybridkomponenten

speicherbare Energiedichten resultieren. In der Regel wird das Rotorgehäuse zur Minimierung der Reibung evakuiert. Wichtig ist, dass im Schadensfall die gespeicherte Energie im Gehäuse abgebaut werden kann und keine Teile nach außen dringen können. Als Lager werden häufig keramische Lager mit permanentmagnetischer Lagerentlastung oder elektromagnetische Lager eingesetzt. Des Weiteren ist durch geeignete Maßnahmen dafür zu sorgen, dass die Reaktionskräfte beim Beund Entladen sowie die Präzessionskräfte bei Fahrzeugbewegungen kompensiert werden. Schwungradspeicher haben sich auf Grund ihrer geringen spezifischen Energie und des möglichen Gefahrenpotenzials bei Unfällen bislang nicht im Fahrzeugbereich durchgesetzt. Es gibt allerdings spezielle Einsatzbereiche, in welchen bedingt durch die spezifischen Anforderungen Schwungradspeichersysteme durchwegs erfolgversprechend zur Anwendung kommen können, wie z. B. die Formel 1. In der Saison 2009 wurde vom Reglement ein Energiespeichersystem (Kinetic Energy Recovery System (KERS)) zugelassen, mit dem die Bremsenergie für den nächsten Beschleunigungsvorgang zwischengespeichert werden kann. Zu den Anforderungen des Kinetic Energy Recovering System (KERS) für die Formel 1 zählt die kurze Speicherung mit hoher Lade- und Entladeleistung, bedingt durch die Brems- und Beschleunigungswerte von typischen Rundenprofilen von Formel-1-Rennstrecken, sowie die Vorgaben der maximalen Boosterleistung. Ein rein mechanisches Schwungradsystem wurde in einer Kooperation von Flybrid Systems, Xtrac und Torotrak für die Formel 1 entwickelt. Das System besteht aus einer Kupplung zum Getriebe, einem CVT (Continuously Variable Transmission)Getriebe und einem ca. 5 kg schweren Schwungrad, welches mit einer Drehzahl zwischen 64.500 und 32.250 U/min im Vakuum rotiert [89]. Das System soll eine Energie von 400 kJ pro Runde zwischenspeichern und mit maximal 60 kW für 6,67 Sekunden pro Runde (entspr. 400 kJ) wieder abgeben. Abb. 4.68 zeigt eine Prinzipdarstellung und eine Ansicht des CVT-Getriebes mit dem Schwungrad.

Abb. 4.68. Prinzipdarstellung und eine Ansicht des Kinetic Energy Recovery-Systems (KERS) für die Formel 1 [89]

4.4 Energiespeicher

175

Neben diesem rein mechanischen System wurde von Compact Dynamics ein elektromechanisches System entwickelt (DYNASTORE®), welches aus zwei oder vier Motorgenerator-Schwungrad-Einheiten besteht, siehe Abb. 4.69. Jeweils zwei Schwungräder laufen gegensinnig, wodurch sich die Reaktionskräfte beim Be- und Entladen aufheben sowie die Präzessionskräfte bei Fahrzeugbewegungen kompensiert werden. Der Rotor des Motorgenerators ist gleichzeitig die Schwungmasse für die Energiespeicherung, siehe Abb. 4.70. Funktional handelt es sich um einen Innenläufer-Reluktanzmotor, siehe auch Kapitel 4.2.7. Diese Bauart ist besonders für hohe Drehzahlen geeignet und besitzt weiters den Vorteil, dass sie im unbestromten Zustand bei Drehung kein Drehmoment und keine Ummagnetisierungsverluste (Eisenverluste) aufweist. Für den Rotor wurde ein Werkstoff mit hoher Zugfestigkeit bei gleichzeitig guten weichmagnetischen Eigenschaften gewählt. Damit hält der Rotor einerseits den Fliehkräften bei entsprechend hohen Drehzahlen stand und besitzt nur geringe Ummagnetisierungsverluste.

Abb. 4.69. DYNASTORE® Vierfach-Schwungradspeicher mit Leistungselektronik [90]

Abb. 4.70. Einzelteile des Schwungradspeichers [90]

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4 Hybridkomponenten

Neben der hohen spezifischen Leistung ist vor allem die wesentlich höhere maximale Betriebstemperatur im Vergleich zu NiMH- und Li-Ionen-Batterien sowie Superkondensatoren und dadurch die leichtere Wärmeabfuhr ein entscheidender Vorteil speziell für den Einsatz im Rennsport. Zur Senkung der Gasreibungsverluste ist der Druck im Gehäuse abgesenkt, wodurch aber auch eine effiziente Wärmeabgabe des Rotors unterbunden wird. Um trotzdem eine ausreichende Kühlung des innenlaufenden Rotors zu gewährleisten, wurde ein Verdampfungskühlsystem installiert. Dabei befindet sich ein Kühlmittel im freien Innenraum des Rotors in Form eines Wandfilms. Bei hoher Rotortemperatur verdampft die Flüssigkeit und der Dampf wird am wassergekühlten Kondensator wieder verflüssigt, sodass sich ein geschlossener Heatpipe-Kreislauf ergibt. Die Wechselrichterelektronik sitzt am Gehäuse des Schwungrads, wodurch eine kurze Kontaktierung zum Motor gegeben ist. Neben dem Lademanagement der Speicher wird auch die Bordnetzspannung überwacht und stabilisiert. Bei der Entwicklung des DYNASTORE®-Speichers wurde besonderer Wert auf die Sicherheit speziell bei Versagen oder bei Unfällen gelegt. So entstehen durch den Aufbau des Rotors aus Blechen keine massiven Bruchstücke im Falle des Versagens, wobei der Stator zusätzlich als Schutzschild dient. Zudem werden bei einem Unfall oder bei Kurzschluss im Bordnetz die Speicher systematisch entladen, indem die Energie in den Motorwicklungen in Wärme umgewandelt wird. Der Speicher zeichnet sich durch eine sehr hohe Ladeleistung mit beliebiger Zyklenfestigkeit und seine Unempfindlichkeit gegen thermische Alterung aus. Neben dem Einsatz im Rennsport wird bei Compact Dynamics auch an Lösungen für Hybridfahrzeuge gearbeitet, wobei der Schwungradspeicher in Kombination mit einer konventionellen Grundlastbatterie die Leistungsspitzen abdecken kann.

4.4.11 Hydropneumatische Speicher Wie bereits in der Einleitung ausgeführt, kann Energie auch mittels Hydrospeicher gespeichert werden. Dabei wird eine Flüssigkeit zwischen zwei Speicherbehältern mit unterschiedlichem Druck über eine reversibel arbeitende Hydraulikmaschine ausgetauscht und damit der Energiezustand verändert. Zum Laden des Speichers – zum Beispiel mittels Bremsenergie – wird eine Hydraulikflüssigkeit in den bereits vorgespannten Hochdruckspeicher gepumpt, wodurch das darin befindliche Gas komprimiert wird (hydropneumatischer Speicher, siehe Abb. 4.71). Beim Entladen strömt die Hydraulikflüssigkeit über die in diesem Fall als Turbine arbeitende Hydraulikmaschine in den Niederdruckspeicher und gibt dabei Energie an den Antriebsstrang ab, siehe Abb. 4.72. Als Gas wird in der Regel Stickstoff eingesetzt. Damit das Gas nicht mit der Hydraulikflüssigkeit reagieren kann, wird es über eine flexible Trennwand getrennt. Je nach Art der Trennwand unterscheidet man Blasen-, Membran- und Kolbenspeicher, siehe Abb. 4.73.

4.4 Energiespeicher

Abb. 4.71. Beladen des hydropneumatischen Speichers im Bremsbetrieb [91]

Abb. 4.72. Entladen des hydropneumatischen Speichers zum Beschleunigen [91]

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4 Hybridkomponenten

Abb. 4.73. Bauformen von hydropneumatischen Energiespeichern

Blasenspeicher Blasenspeicher bestehen in der Regel aus einem Druckbehälter aus hochfestem Stahl, der flexiblen Blase aus gummielastischem Werkstoff, welche die Trennung der Medien gewährleistet, einem Gasventil und dem hydraulischen Anschlusskörper mit Rückschlagventil. Der um die Blase sich erstreckende Flüssigkeitsraum steht als Arbeitsseite mit dem hydraulischen Kreislauf in Verbindung, sodass bei Druckanstieg der Speicher mit der Hydraulikflüssigkeit gefüllt und das Gas komprimiert wird. Bei Druckabfall expandiert das Gas und drückt die gespeicherte Flüssigkeit in den Kreislauf. Damit die Blase nicht auf das Ventil aufschlägt, sollte bei der Entleerung immer ein Restvolumen von ca. 10 % des Nennvolumens im Behälter bleiben. Der Volumennutzungsgrad k,max (Nutzvolumen V = V2 – V1 zu Gasvolumen V1 bei niedrigstem Betriebsdruck p1) ist mit 0,6 bis 0,75 niedriger als beim Kolbenspeicher, das minimale Druckverhältnis (Fülldruck p0 zu höchstem Betriebsdruck p2 oder Einstelldruck Sicherheitsventil p3) nicht kleiner als 1: 4. Bei kleineren Druckverhältnissen sinkt die Gebrauchsdauer auf Grund erhöhter Walkarbeit und thermischer Beanspruchungen des Elastomerbalgs. Blasenspeicher eignen sich für Nennvolumina von 0,2 bis 200 l und zul. Betriebsüberdruck bis zu 550 bar [92]. Im Gegensatz zum Kolbenspeicher sind die Diffusionsverluste beim Blasenspeicher gering, da die Blase eine geschlossene Trennwand um die Gasfüllung bildet und dadurch eine hermetische Abdichtung bewirkt [93]. Für den Einsatz in Fahrzeugen – zum Beispiel zur Bremsenergierückgewinnung – wird der Druckbehälter des Blasenspeichers bevorzugt in Verbundbauweise (Hochleistungs-Faserverbundwerkstoff mit Metallinnenliner) ausgeführt.

4.4 Energiespeicher

179

Kolbenspeicher Beim Kolbenspeicher erfolgt die Trennung der Medien durch einen frei beweglichen Kolben in einem Zylinder. Kolbenspeicher eignen sich für Nennvolumina von 1 bis 250 l und einem zulässigen Betriebsüberdruck von 350 bar sowie für Speicherinhalte bis zu 1500 l [92]. Da sich der Bewegungsbereich des Kolbens über den vollen Zylinderhub erstreckt, können bis zu 90 % des Druckraums als Flüssigkeitsraum genutzt und extreme Verhältnisse zwischen Fülldruck p0 und höchstem Betriebsdruck p2 verwirklicht werden. Der Volumennutzungsgrad k,max ist damit hoch (0,85 . . . 0,9), das minimale Druckverhältnis p0/p2 sehr klein (1:10 bis 1:12). Außerdem sind Kolbenspeicher für große Volumenströme und damit hohe Leistungen geeignet. Nachteilig beim Kolbenspeicher ist die Reibung zwischen Kolben und Zylinderwand, wodurch eine Druckdifferenz zwischen den Medien entsteht, sowie die systembedingte Leckage.

Membranspeicher Trennwand ist eine eingespannte Membran aus gummielastischem Werkstoff ähnlich dem Werkstoff der Blase beim Blasenspeicher. Im Membranboden ist ein Ventilteller eingesetzt, welcher bei völliger Entleerung den hydraulischen Ausgang verschließt. Es gibt Bauformen mit nicht auswechselbaren Membraneinspannungen (Aufvulkanisierung an verschweißtem Ring) oder verschraubte Gehäuse mit eingeklemmtem Randwulst. Der zulässige Betriebsüberdruck beträgt bei geschweißten Speichern 330 bar und bei geschraubten Speichern 700 bar [92]. Beim Austausch des Flüssigkeitsvolumens sollte ein Restvolumen von 10 % des Nennvolumens beim Membranspeicher aus dem gleichem Grund wie beim Blasenspeicher zurückbehalten werden. Der Volumennutzungsgrad k,max ist mit (0,8 . . .0,85) ebenfalls niedriger als beim Kolbenspeicher. Das minimale Druckverhältnis p0/p2 lässt sich auf 1: (4 . . . 6) in Schweißkonstruktion bzw. 1:10 in Schraubkonstruktion herabsetzen, somit kleiner als beim Blasenspeicher wählen, da die Membrane keine schädigende Verformung erleiden kann.

Auslegung und Kenngrößen Für das Betriebsverhalten von hydropneumatischen Speichern ist in erster Linie das Gas im Speicher verantwortlich. Der Gasraum kann dabei als geschlossenes thermodynamisches System angesehen werden, welchem Energie als Wärme oder Arbeit zugeführt oder entzogen werden kann. Die Beschreibung der Zustandsänderungen erfolgt nach den Gesetzen der Thermodynamik. Der Zustand des Gases ist durch die Größen Druck, Volumen und Temperatur festgelegt. Bei einem idealen Gas gilt die Zustandsgleichung des idealen Gases: (4-16) p .........

Druck [N/m2]

V .........

Volumen [m3]

180

4 Hybridkomponenten

m .........

Masse [kg]

R .........

spezifische Gaskonstante [J/kg·K]

T .........

absolute Temperatur [K]

Der Zustand des idealen Gases in einem Hydrospeicher wird für unterschiedliche Arbeitsphasen (0 – Vorfüllen, 1 – Anfang des Ladens, 2 – Ende des Ladens) durch eine Polytrope nach Gleichung (4-17) beschrieben, siehe auch Abb. 4.74. (4-17) n .........

Polytropenexponent

Abb. 4.74. Zustandsdiagramm (p, V-Diagramm) mit Kenngrößen für Hydrospeicher [93]

Die polytropen Zustandsänderungen beim Be- und Entladen werden durch den Wärmeaustausch und damit der Geschwindigkeit der Vorgänge bestimmt. Bei langsamen Vorgängen (t > 3 min) bleibt für den vollständigen Wärmeaustausch zwischen Füllgas und Umgebung genügend Zeit, sodass die Temperatur annähernd konstant bleibt (isotherme Zustandsänderung mit n = 1. Bei raschen Vorgängen (t  1 min) tauscht das Gas kaum Wärme mit der Umgebung aus, sodass man näherungsweise eine isentrope Zustandsänderung annimmt mit n = . In der Praxis liegt der Polytropenexponent je nach Geschwindigkeit der Vorgänge und dem Wärmeaustausch zwischen 1 und  (mit  = 1,4 für Stickstoff ). Der Verlauf eines kompletten Arbeitszyklus inklusive der Zustandskurven und diverser Kenngrößen ist in Abb. 4.74 dargestellt. Der Verlauf eines kompletten Arbeitszyklus inklusive der Zustandskurven und diverser Kenngrößen ist in Abb. 4.75 dargestellt.

4.4 Energiespeicher

181

Abb. 4.75. Arbeitszyklus eines hydropneumatischen Speichers im pV-Diagramm mit Kenngrößen [91]

Zustände bzw. Zustandsänderungen 0

Vorspannzustand des Speichers (Fülldruck p0). Typischer Vorfülldruck: p0 = 0.9  p1 1 Ladebeginn 1 Æ2 Der Speicher wird durch eine Kompression des Gasvolumens geladen, wobei Druck und Temperatur ansteigen (polytrope Kompression) 2 Ladeende 2 Æ2 Ruhephase: Das Gas gibt Wärme an die Umgebung (Öl und Speichergehäuse) ab, der Druck sinkt bei gleich bleibendem Volumen (isochore Wärmeabfuhr) 2 Æ1 Beim Entladen des Speichers expandiert das Gas: Druck und Temperatur sinken (polytrope Expansion) 1 Æ1 Ruhephase: Der Gasdruck steigt durch die Aufnahme von Umgebungswärme (isochore Wärmezufuhr) 3 Zustand bei maximalem Betriebsdruck (Öffnen des Sicherheitsventils) Die eingeschlossene Fläche 1- 2-2´-1´-1 in Abb. 4.75 kennzeichnet den thermischen Verlust bei einem Be- und Entladezyklus. Der Verlust wird geringer, je schneller und damit adiabater die Kompression erfolgt, je kürzer die Ruhepause und damit die Wärmeabfuhr ist. Wurde bei Kompression und Ruhepause Wärme abgegeben, so kann während der Expansion von 1´ auf 2´ durch Wärmezufuhr aus der Umgebung der Verlust verringert werden. Die aufzubringende bzw. geleistete Arbeit beim Be- und Entladen berechnet sich aus der Volumenänderungsarbeit:

182

4 Hybridkomponenten

(4-18) Die Speicherkapazität W12 hängt von der Art der Zustandsänderung sowie den Zustandsgrößen V1, p1 und p2 ab. Baugröße und Tragfähigkeit sind durch das maximale Volumen V1 und den höchsten Druck p2 bestimmt. Zusätzlich beeinflusst der Vorspanndruck p0 über p1 den Energieaustausch [93]. Das für die Energiespeicherung entnehmbare Nutzvolumen V (V = V2 – V1) beträgt bei isothermer Zustandsänderung (4-19) und bei isentroper Zustandsänderung (4-20) Eine Extremwertberechnung zur Maximierung der Energiekapazität liefert das optimale Druckverhältnis p1/p2 mit dem zugehörigen Volumenfaktor k, (k =V / V1); für isotherme Zustandsänderung: (4-21) sowie für isentrope Zustandsänderung: (4-22) Die maximalen Energiekapazitäten folgen hieraus für Stickstoff zu Isotherm: Isentrop: Da bei höheren Drücken (> 200 bar) und tieferen Temperaturen (< 230 K) das Verhalten des realen Füllgases von dem des idealen stärker abweicht, kann für genauere Berechnungen auf temperatur- und druckabhängige Isentropenkoeffizienten bzw. auf Korrekturfaktoren zurückgegriffen werden [93]. Für eine genaue Berechnung des Speicherverhaltens insbesonders für zyklische Vorgänge werden in der Regel Simulationsmodelle herangezogen. Die thermischen Verluste bei hydropneumatischen Speichern werden durch den Speicherwirkungsgrad ga beschrieben. Dieser stellt das Verhältnis von abgegebener zur aufgenommenen Arbeit des Gases dar: ga =  W21 / W12 Der Wirkungsgrad ist einerseits vom Strömungsprofil (Zyklusprofil) und andererseits von der Zyklusfrequenz abhängig. Bei höherer Frequenz wird weniger Wärme an die

4.4 Energiespeicher

183

Umgebung abgeführt, wodurch der Wirkungsgrad höher liegt. Abb. 4.76 zeigt den Speicherwirkungsgrad eines Kolbenspeichers bei zyklischem Betrieb in Abhängigkeit des Zyklusprofils und der Zyklusfrequenz.

Abb. 4.76. Speicherwirkungsgrad eines Kolbenspeichers bei zyklischem Betrieb in Abhängigkeit der Einflussgrößen [93]

Hydrostatische Fahrantriebe Besonders leicht lassen sich hydropneumatische Speicher bei hydrostatischen Fahrantrieben integrieren, da in diesem Fall bereits ein geschlossener Ölkreislauf zwischen der von der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Pumpe und dem achsantreibenden Hydromotor vorhanden ist, siehe Abb. 4.77. Im Vergleich zu einem mechanischen Getriebe liegen die Vorteile eines hydrostatischen Antriebs (hydrostatisches Getriebe) in der aufgelösten Bauweise, der stufenlosen Drehmoment-/Drehzahlwandlung bzw. Fahrgeschwindigkeitsänderung aus dem Stillstand (iA = ) und dem großen Wandlungsbereich, insbesondere bei sequenzieller Pumpen-/Motorverstellung (bis i = 15) [93].

Abb. 4.77. Hydrostatischer Fahrantrieb

184

4 Hybridkomponenten

Als Pumpen bzw. Hydromotoren kommen in der Regel Axialkolbenmaschinen in Schrägscheiben- oder Schrägachsenbauart zu Anwendung, siehe Abb. 4.78 und Abb. 4.79. Beide arbeiten nach dem Verdrängerprinzip der Kolben.

Abb. 4.78. Schrägscheibenmaschine

Durch die oszillierende Bewegung der Kolben werden die Zylinder gefüllt bzw. entleert. Die Hubbewegung der Kolben wird bei der Schrägscheibenmaschine durch die nicht umlaufende Schrägscheibe bei Drehung des Zylinderblocks (Kolbentrommel) erzeugt, siehe Abb. 4.78. An- bzw. Abtrieb erfolgen über die Triebwelle, welche über eine Kerbverzahnung mit dem Zylinderblock verbunden ist. Die Ein-/Auslasssteuerung (Umsteuerung) erfolgt über eine ebene bzw. sphärische Steuerscheibe mit zwei nierenförmigen Steueröffnungen, die jeweils etwa die Hälfte der Zylinderräume mit dem Saug- bzw. dem Druckanschluss verbinden (Schlitzsteuerung) [93]. Die Steuerscheibe erfüllt neben der Umsteuerung die Funktion des Axiallagers, bei sphärischer Wirkfläche gleichzeitig die des Radiallagers für die Kolbentrommel. Die An- bzw. Abtriebsdrehzahl ist proportional dem Ölvolumenstrom. Das übertragene Drehmoment wird durch die Druckdifferenz bestimmt. Bei Verstellpumpen bzw. Verstellmotoren kann durch Variation des Schwenkwinkels das Verdrängungsvolumen und damit der Volumenstrom verändert werden. Die Wirkweise der Schrägachsenmaschine ist ähnlich der Schrägscheibenmaschine, wobei das Drehmoment über die Triebscheibe übertragen wird, siehe Abb. 4.79. Triebscheibe und Zylinderblock drehen sich mit gleicher Winkelgeschwindigkeit. Durch den eingestellten Schwenkwinkel ergibt sich bei der Drehbewegung eine oszillierende Kolbenbewegung. Schrägachsenmaschinen erlauben gegenüber Schrägscheibenmaschinen größere Verstellwinkel und besitzen höhere Wirkungsgrade bei niedrigen Drehzahlen – allerdings ist der Bauaufwand höher.

4.4 Energiespeicher

185

Abb. 4.79. Schrägachsenmaschine

Hydraulische Kenngrößen des verlustfreien Antriebs [93] Das geometrische Verdrängungsvolumen ist die geometrisch berechnete Summe sämtlicher Kammervolumen, die durch die Bewegung der Verdrängerelemente während einer Bewegungsperiode (Wellenumdrehung) ausgefüllt werden, ohne hierbei Toleranz, Spiel und Verformung zu berücksichtigen (DIN ISO 4391). Geometrisches Fördervolumen der Schrägscheibenbauart: (4-23) Geometrisches Fördervolumen der Schrägachsenbauart: (4-24) Mit dem geometrischen Fördervolumen und der Antriebsdrehzahl n folgt somit als hydraulische Kenngröße der theoretische Förderstrom: (4-25) Unter Vernachlässigung der Verluste sind Verdrängerarbeit und Antriebsenergie längs des Drehwinkels einer Wellenumdrehung gleich, woraus das theoretische Pumpendrehmoment errechnet werden kann: (4-26)

186

4 Hybridkomponenten

Vg ......... geometrisches Fördervolumen [mm3] z ..........

Kolbenanzahl [1]

A.........

Kolbenfläche A =  · d K2 / 4 [mm]

DK, Z ........ Teilkreisdurchmesser der Kolbentrommel [mm] DK, H ....... Teilkreisdurchmesser des Triebflansches [mm] h .......... Kolbenhub [mm] dK ......... Kolbendurchmesser [mm]  .......... Schwenkwinkel [°] qVg ......... theoretischer Förderstrom [l/min] n .......... Drehzahl [U/min] p ......... Druckdifferenz [bar] Mg .......... theoretisches Pumpendrehmoment [Nm]

Abb. 4.80. Antriebsstrang des Hydraulik-Hybridfahrzeugs [94]

Ein Hydraulik-Hybridantrieb für Personenwagen wurde von Innas und der RWTH Aachen vorgestellt, siehe Abb. 4.80 [94]. Das serielle Hydraulik-Hybridantriebssystem besitzt die gleiche Grundstruktur wie ein serieller elektrischer Hybridantriebsstrang. Es ermöglicht einen Allradantrieb mit verstellbarem Antriebsverhältnis zwischen Vorder- und Hinterachse sowie die Energierückgewinnung an allen vier Rädern. Ähnlich

4.4 Energiespeicher

187

wie beim seriellen elektrischen Hybrid arbeitet der Verbrennungsmotor nur, wenn der Speicher einen gewissen Ladezustand unterschreitet, in diesem Fall um ein bestimmtes Druckniveau in einem 20 Liter fassenden Hochdruckspeicher zu erhalten. Es können dabei Betriebsbereiche mit hohem Wirkungsgrad angefahren werden – große Teillastanteile werden auf diese Weise vermieden. Muss der Speicher nicht aufgeladen werden, wird der Motor ausgeschaltet und somit Leerlaufverluste vermieden.

Abb. 4.81. Querschnitt einer konstanten „Floating-Cup“-Einheit (Pumpe/Motor) [94]

An die Radnabenmotoren bestehen hohe Anforderungen. So muss ein großer Drehzahl- und Drehmomentbereich abgedeckt werden, wobei auch bei niedrigen Geschwindigkeiten und hohen Anfahrmomenten die Reibungsverluste und Ungleichförmigkeiten gering sein sollen. Diese Anforderungen wurden von konventionellen hydraulischen Maschinen bislang nicht zufriedenstellend erfüllt. In den letzten Jahren wurde ein neues hydrostatisches Prinzip entwickelt („Floating-Cup“-Prinzip), das diese Anforderungen erfüllt [95], siehe Abb. 4.81. Die Konstruktion besteht aus 24 axialen Kolben, die zur Reduktion der Lagerbelastung gespiegelt aufgebaut sind. Damit kann eine sehr effiziente Umwandlung von hydraulischem Druck in Drehmoment (und umgekehrt) dargestellt werden. Abb. 4.82 zeigt einen Vergleich der gemessenen Drehmomente von drei unterschiedlichen hydraulischen Motoren relativ zum theoretischen Maximalmoment für Drehzahlen nahe Null. Durch die 24 Kolben erreicht der „Floating-Cup“-Motor eine sehr gleichförmige Drehmomentabgabe bei hohen Wirkungsgraden. Das Druckniveau im Hochdruckspeicher variiert mit seinem Ladezustand und unterscheidet sich deutlich von dem Druck, der erforderlich ist, um das geforderte Drehmo-

188

4 Hybridkomponenten

ment am Rad zu erzeugen. Der Druck steigt an, wenn Bremsenergie zurückgewonnen wird oder die Motor-Pumpen-Einheit im Betrieb ist. Abb. 4.83 zeigt den berechneten Druckverlauf beim US-FTP-Zyklus, wobei positive Druckdifferenzen den Antriebsmodus des Fahrzeugs und negative Druckdifferenzen den Bremsvorgang kennzeichnen. In der Simulation wurde das Fahrzeug von zwei Radmotoren angetrieben.

Abb. 4.82. Ausgangsmoments von drei unterschiedlichen hydraulischen Motoren bezogen auf das theoretische maximale Moment @ 300 bar und n < 1 1/min [94]

Abb. 4.83. Druckdifferenz zwischen Hoch- und Niederdruckspeicher und die Druckdifferenz an den Radmotoren während der ersten 500 s des US-FTP-Zyklus [94]

Die Lücke zwischen den zwei dargestellten Druckdifferenzen wird beim Hydrid mit Hilfe eines hydraulischen Transformators überbrückt [94]. Dieser dient zur Anpassung des Speicherdrucks an die Erfordernisse des Antriebs und arbeitet ebenfalls nach dem „Floating-Cup“-Prinzip. Unter Vernachlässigung ergibt sich folgender Zusammenhang: (4-27) p ......... Druckdifferenz [bar] Q .........

Volumenstrom [l/min]

189

4.4 Energiespeicher

Abb. 4.84. Wirkungsgradkennfelder der hydraulischen Komponenten des Hydridsystems sowie NEDC-Betriebspunkte [94]

Tabelle 4.8. Spezifikation des hydraulischen Hybridfahrzeugs in der Simulation [94] Leergewicht

1450 kg

Max. Zugkraft

5700 N(Allrad)

Max. Geschwindigkeit

190 km/h

Frontfläche

2,26 m 2

cw-Wert

0,26

Raddurchmesser

0,63 m

Beiwert Rollwiderstand

0,008

Dieselmotor

100 kW

Speichervolumen

20 Liter

Speicherdruck

200 – 420 bar

Schluckvolumen Pumpe

56 cm3/U(konstant)

Schluckvolumen Transformator

56 cm3/U

Schluckvolumen Radmotoren

56 cm 3/U(konstant)

Max. Druckdifferenz p Radmotoren

500 bar

Mit dem hydraulischen Transformator ist es möglich, einen 4-Quadranten-Betrieb (vorwärts sowie rückwärts jeweils antreiben und bremsen) darzustellen. Eine wesentliche Eigenschaft des Transformators ist die Fähigkeit zur Druckverstärkung, die vor allem zur Erfüllung der Anforderungen hinsichtlich Steigfähigkeit,

190

4 Hybridkomponenten

Beschleunigungsleistung und Elastizität notwendig ist. Durch den hydraulischen Transformator können robuste und effiziente Konstantmotoren für den Radantrieb verwendet werden. Die Motoren können klein gehalten werden, da der Transformator den Druck auf bis zu 500 bar verstärken kann, selbst wenn der Speicherdruck bei 200 bar liegt. Der durchschnittliche Wirkungsgrad hydrostatischer Getriebe liegt nicht so hoch wie der von mechanischen Getrieben. Abb. 4.84 zeigt die gemessenen Wirkungsgradkennfelder für Pumpe, Motoren und Transformatoren [94]. Durch die freie Wahl des Betriebspunkts des Verbrennungsmotors und die Energierückgewinnung wird dieser Effekt jedoch deutlich überkompensiert. In Tabelle 4.8 sind die Spezifikationen des hydraulischen Hybridfahrzeugs, wie sie für die Simulationsrechnungen herangezogen wurden, angeführt.

4.4.12 Vergleich der Energiespeichersysteme

Elektrische Energiespeicher Da elektrische Speichersysteme die größte Verbreitung haben, werden diese zuerst gesondert und in weiterer Folge mit den mechanischen Systemen verglichen. Wie bereits im Kapitel Allgemeines angeführt, stellen die Energiedichte [Wh/kg] und Leistungsdichte [W/kg] wesentliche Kriterien bei der Auswahl von Energiespeichern dar. Diese Größen sind für die wichtigsten elektrischen Energiespeicher, die für Hybridfahrzeuge in Frage kommen, in einem Ragone-Diagramm dargestellt, siehe Abb. 4.85.

Abb. 4.85. Ragone-Diagramm für elektrische Energiespeicher

191

4.4 Energiespeicher

Wie aus dem Bild ersichtlich, weisen die Li-lon- und die NiMH-Batterien die höchsten Energiedichten auf. Doppelschichtkondensatoren (Ultracaps) werden eingesetzt, wenn eine hohe Leistungsdichte gefordert wird. Allgemein gilt, dass sich Superkondensatoren primär für Anwendungen mit hohem kurzzeitigem Leistungsbedarf eignen, während Batterien über höhere Energiedichten verfügen, die jedoch bei zunehmender Belastung stark abnehmen. Tabelle 4.9 gibt einen Überblick über Eigenschaften verschiedener elektrischer Energiespeichersysteme und deren technische Daten. Die Angaben sollen nur Größenordnungen angeben, da viele Daten sehr stark von Randbedingungen, wie Art des Fahrzeugs und Hybridsystems, Betriebsstrategie etc., abhängen. Beispielsweise können bei Hybridfahrzeuganwendungen mit einer dauernden Be- und Entladung im Betrieb aus Lebensdauergründen nur geringe SOC-Bereiche zugelassen werden (beispielsweise liegen die SOC-Differenzen beim Mercedes S400Hybrid in der Regel unter 10 %), während bei Elektrofahrzeugen teilweise bis zu 80 % der Batteriekapazität genützt werden können. Tabelle 4.9. Technische Daten von Speichersystemen [58], [64], [96] Leistungsmerkmal

Pb-Gel

NiCd

NiMH

Li-Ion

NaS

NaNiCl2

SuperCap

theor. Energiedichte [Wh/kg]

170

210

220 – 380

[Wh/l]

690

700

990 –1134 300 – 400

500

760 –790

790

1200

prakt. Energiedichte [Wh/kg]

20 – 50

40 – 55

40 – 80

110

90 –120

100 –120

2–4

[Wh/l]

70 –100

80 –110

100 – 270

270

100 –120

160

2,5 – 4,5

< 200 –1300 500

Leistungsdichte [W/kg]

80 –100

< 200

125 –130

110 –150

[W/l]

160 – 200

< 360

200 –700

1250

110 –140

130 – 265 3000 – 5000

2000 – 4000

Leerlauf [V]

2,1– 2,5

1,3

1,3

bis 4,2

2,1

2,59

Nenn [V]

2

1,2

1,2

3,8

Spannung 2,7 bis 3,0

Ladeschluss [V]

2,7

1,55

1,45

4,2

Entladeschluss [V]

1,6

0,8

0,9 –1,1

2,5

Energ. Wirkungsgrad [%]

> 90

78

70

93

83 – 85

91

90 – 95

0,1– 0,4

0,6 –1

1,5 – 20

0,15

3 – 20

Selbsentladung elektrisch [%/Tag]

0

0

thermisch [%/Tag]

15 –17

15 –17

Betriebstemp. [°C]

-10 bis 40 -40 bis 60 -20 bis 60 -20 bis 60 > 300

> 300

Ladungsaufnahme [%]

50 in 2 h

97 in 0,5 h 97 in 0,5 h 95 in 1 h

100 in 5 h 100 in 1 h 100 in 1 h 100 in 4 h

100 in 3 h 90 in 3,5 h 100 in 5 h

-40 bis 70 50 in 0,5 – 5 s 100 in 1–10 s

192

4 Hybridkomponenten

Tabelle 4.9 (Fortsetzung) Leistungsmerkmal Wartungsfreiheit

Pb-Gel

NiCd

ja

nein/ja

kalendarisch [Jahre]

3–5

>4

Zyklen [-]

700 – 800

2000

Tiefentladung

begr. mögl.

Überladung

NiMH ja

Li-Ion ja

NaS

SuperCap

NaNiCl2

ja

ja

ja

1– 2

5

> 10

> 2000

> 1000

> 600

> 1.000.000

möglich

möglich

problem.

möglich

möglich

möglich

notwendig

problem.

problem.

möglich

möglich

Recyclingfähigkeit [%]

98

100

Entwicklungsstand

Großserie Großserie (tw. Ver- Serie bot)

Erste Serien

Kosten Großserie [$/kWh]

50 –150

300 –1000 100

Lebensdauer

Besonderheiten

500

2000

Konzept in Arbeit

97

200

Vorserie

ausgereift schnellla- schnellla- hohes Heiz-/ defähig, defähig Potenzial, Kühlschlechte BMS er- system Ladungsforderlich, notwendig annahme Sicherbei hohen heitsTempeaspekt bei raturen, Unfällen Toxizität

Vorserie

Serie

200 Heiz-/ Kühlsystem notwendig, Selbstüberbrückung ausgefallener Zellen

keine Kühlung notwendig, schnellladefähig, extrem hohe Zyklenfestigkeit, auch bei Temperaturen unter -40°C voll funktionsfähig

Da Energiespeicher in Hybridantrieben gegenüber reinen Elektroantrieben bei geringem Energieinhalt meist hohen Leistungen ausgesetzt sind, ist hier meistens die Leistungsdichte das entscheidende Kriterium bei der Auswahl eines geeigneten Speichers. Bei den Batterien ist aus diesen Gründen derzeit die NickelMetallhydrid-Batterie das für den Einsatz in Hybridantrieben am ehesten geeignete System, in Zukunft werden aber auch trotz momentan höherer Kosten auch Li-IonSysteme zum Einsatz kommen. Interessant könnte dabei eine Kombination von Li-Ion-Systemen mit Doppelschichtkondensatoren werden, da sich damit ein Kompromiss zwischen Speicher- und Leistungsverhalten bei akzeptabler Größe finden lässt. Neben Sicherheitsaspekten stellen vor allem die Erhöhung der spezifischen Energiedichte und Leistung sowie die Reduzierung der Kosten die Forschungsschwerpunk-

4.4 Energiespeicher

193

te der Zukunft dar. Die spezifische Energiedichte wird bestimmt durch die theoretische spezifische Kapazität und die Potenzialdifferenz der Elektrodenmaterialien. Aus Abb. 4.86 ist ersichtlich, dass Lithium sehr günstige Eigenschaften als Elektrodenmaterial aufweist.

Abb. 4.86. Theoretische spezifische Kapazität verschiedener Elektrodenmaterialien [97]

Abb. 4.87. Ragone-Diagramm mit Ausblick für Lithium-Ionen-Batterien [97]

Durch Weiterentwicklungen im Bereich der Materialkombinationen wird bei Volkswagen ein Steigerungspotenzial auf über 200 Wh/kg bei der Lithium-Ionen-Technologie gesehen, siehe Abb. 4.87. Darüber hinausgehende Steigerungen sind nur durch revolutionäre Technologiewechsel möglich. Interessante Ansätze dafür sowie einen Vergleich mit der Lithium-Ionen-Technologie zeigt Abb. 4.88.

194

4 Hybridkomponenten

Abb. 4.88. Theoretische Energiedichten neuer Technologien für Sekundärzellen [97]

Vergleich aller möglichen Speicherformen Bislang wurden überwiegend elektrische Speichersysteme für Hybridfahrzeuganwendungen herangezogen, da sie mit Abstand die höchsten Energiedichten aufweisen und daneben auch eine sehr einfache Übertragung der Energie über elektrische Leitungen ermöglichen. Typische Energiedichten von Hybridbatterien liegen in der Größenordnung von 10 – 200 Wh/kg, siehe Abb. 4.89. Sie können daher – bezogen auf ihre Baugröße – große Mengen Energie speichern. Auf Grund einer Leistungsdichte von 10 – 2.000 W/kg und wegen des Innenwiderstands der Batterien muss dieser Vorgang vergleichbar langsam und kontinuierlich stattfinden, sofern die Baugrößen in einem vertretbaren Bereich bleiben sollen. Ausgedrückt wird dieses Verhalten durch die Entladezeit, welche sich aus der spezifischen Energiedichte Espez. und der spezifischen Leistung Pspez. bestimmen lässt: (4-28)

Abb. 4.89. Ragone-Diagramm für verschieden Speichertechnologien [58], [64], [91]

4.5 Nebenaggregate

195

Besonders bei sehr schweren Fahrzeugen, wie beispielsweise im Nutzfahrzeugbereich, ist daher eine weitestgehende Rekuperation der Bremsenergie sowie eine entsprechende Unterstützung des Anfahrvorgangs (Boost) bei Heranziehen von Batterien nur mit einem unverhältnismäßig hohen Aufwand möglich. Daher kommen bei diesen Fahrzeugen vor allem Systeme mit einer sehr hohen Leistungsdichte zur Anwendung. So werden vor allem bei Stadtbussen, die ein hohes Gewicht und ein Fahrprofil mit vielen Brems- und Anfahrvorgängen aufweisen, verstärkt Superkondensatoren als Energiespeicher eingesetzt, siehe auch Kapitel 7.1 Hybridbusse. Daneben wurden auch Hybridkonzepte mit hydropneumatischen Speichern in Müllsammelfahrzeugen realisiert, da diese Systeme noch höhere Leistungsdichten von 4.000 bis 200.000 W/kg aufweisen. Die auftretende Bremsleistung kann daher, selbst bei großen Fahrzeugen und starken Verzögerungen, vollständig im Speicher aufgenommen werden. Nachteilig können bei bestimmten Anwendungen Geräuschentwicklungen und Strömungsverluste werden, die bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten der Hydraulikflüssigkeiten auftreten. Schwungradspeichersysteme besitzen ebenfalls eine relativ hohe Leistungsdichte mit Energiedichten zwischen den Bereichen von Batterien und Superkondensatoren, siehe Abb. 4.89. Ihr großer Vorteil liegt in der hohen Zyklenfestigkeit sowie der hohen zulässigen Betriebstemperatur. Damit ist der Aufwand bei der Kühlung wesentlich geringer als beispielsweise bei elektrischen Systemen. Neben den Energie- und Leistungsanforderungen bestimmen weitere Faktoren wie Kosten, Sicherheitsaspekte, Integrierbarkeit etc. die Auswahl der Speichersysteme. Es werden sich daher in Zukunft je nach Anforderungen und Randbedingungen unterschiedliche Systeme durchsetzen. Einen großen Einfluss auf die Durchdringung der Speichersysteme wird jedenfalls die Entwicklung der Speicherdichte und der Kosten von Batteriesystemen, allen voran der Lithium-Ionen-Technologie, haben.

4.5 Nebenaggregate Zusätzlich zu den Änderungen im Antriebsstrang sind bei Hybridfahrzeugen, speziell bei Fahrzeugen, die rein elektrisch fahren können, auch Modifikationen bei den Nebenaggregaten erforderlich. Dies betrifft vor allem den Umstieg auf einen elektrischen Antrieb von Lenkhilfepumpe, Bremskraftverstärker, Klimaanlage, Kühlmittelpumpe, Getriebeölpumpe etc., um bei Stillstand des Verbrennungsmotors die volle Fahrzeugfunktionalität beizubehalten. In Folge der Elektrifizierung dieser Aggregate ergeben sich Vorteile durch die freiere Wahl der Anordnung sowie durch einen bedarfsgerechteren Betrieb – allerdings steigen in der Regel die Komplexität und Kosten an. Abb. 4.90 zeigt den Antriebsstrang und die Nebenaggregate für den Daimler Plug-In-Sprinter.

196

4 Hybridkomponenten

Abb. 4.90. Antriebsstrang und Nebenaggregate für den Daimler Plug-In-Sprinter [55]

Wichtig ist die Berücksichtigung des Energiebedarfs der Nebenverbraucher, der bei manchen Systemen auch kontinuierlich anfallen kann, wie beispielsweise bei diversen Temperaturkonditioniersystemen oder Elektromaschinen-Umrichtern-Einheiten. Durch den zusätzlichen Energiebedarf kann teilweise das Verbrauchsabsenkungspotenzial von Hybridkonzepten empfindlich reduziert werden. Nachfolgend werden einige, speziell für Hybrid- und Elektrofahrzeuge entwickelte, Nebenaggregate beschrieben.

4.5.1 Hydraulische Impulsspeicher HIS® Zur Steuerung und Aktivierung diverser Schaltelemente in Automatikgetrieben ist eine Öldruckversorgung erforderlich. Bei konventionellen Automatikgetrieben erfolgt die Öldruckversorgung durch eine interne Ölpumpe, die über die Pumpenseite des Drehmomentwandlers direkt an die Verbrennungsmotordrehzahl gekoppelt ist. Bei Hybridfahrzeugen, die über eine Motor-Start-Stopp-Funktion verfügen, wird in den Abstellphasen die Ölpumpe des Automatgetriebes nicht mehr angetrieben, somit fällt die Öldruckversorgung in diesen Phasen aus, die Schaltelemente öffnen und das Getriebe geht in Neutralstellung. Um aus einer Motor-Stopp-Phase heraus einem spontanen Anfahrwunsch des Fahrers gerecht zu werden, ist neben einem schnellstartenden Motor auch ein Automatgetriebe notwendig, dessen Schaltelemente während des Motorhochlaufs so schnell geschlossen werden können, dass allein der Motorhochlauf den Anfahrvorgang bestimmt. Das bedeutet, dass die Anfahrbereitschaft des Automatgetriebes in weniger als 350 ms erfolgen muss. Die zum Anfahren notwendigen Schaltelemente müssen innerhalb dieser Zeit sowohl gefüllt, als auch

4.5 Nebenaggregate

197

mit dem zur Übertragung des Momentes notwendigen Druck beaufschlagt werden. Dies kann beispielsweise über eine elektrisch angetriebene Ölpumpe erfolgen, wobei aber zusätzliche elektrische Energie benötigt wird und außerdem die Systemkosten weiter ansteigen. Als Alternative wurde bei ZF ein hydraulischer Energiespeicher entwickelt, mit dem beim Motorstart mit Hilfe eines gespeicherten Ölvolumens die Schaltelemente sehr schnell befüllt werden können und der Anfahrvorgang unverzüglich erfolgen kann [98]. Die Realisierung erfolgt über einen Kolbenfederspeicher, bei dem der Kolben in der durch die Feder gespannten Endlage elektromechanisch verrastet ist. Das Ölvolumen im Speicher ist während der Motor-Stopp-Phase drucklos, wodurch es bei dieser Ausführung keine Leckage im gespannten Zustand gibt. Die zur elektromechanischen Verriegelung benötigte elektrische Leistung ist zudem deutlich geringer als bei den elektrischen Zusatzpumpensystemen. Die Systemkosten stellen sich im Vergleich ebenfalls als günstig dar. In seinem Aufbau ist der HIS® ein Kolbenfederspeicher mit einer elektromechanischen Verriegelungseinheit für den federbeaufschlagten Kolben und einem Drosselrückschlagventil im hydraulischen Anschlussflansch. Beim Laden des HIS® geht das im hydraulischen Anschluss integrierte Drosselrückschlagventil in die Stellung, in der die Drosselfunktion wirkt, siehe Abb. 4.91. Damit ist sichergestellt, dass der Getriebeölversorgung nur ein geringer Volumenstrom entnommen wird und die Versorgung des Getriebes und der Steuerung während des Ladevorgangs des HIS® nicht beeinträchtigt wird. Druckeinbrüche des Systemdrucks, welche z. B. die Schaltqualität negativ beeinflussen können, sind damit ausgeschlossen. Durch die Auslegung der Drossel kann der Volumenstrom und damit die Ladezeit des HIS® einfach eingestellt werden. Der HIS® ist damit an unterschiedliche Voraussetzungen einfach anpassbar. Bei der Beladung bewegt sich der federkraftbelastete Kolben in Richtung der Rastierung und überfährt bei vollständiger Ladung die Kugelrastierung. Bei Erreichen des Endanschlags wird der Rastiermechanismus in die Verriegelungsstellung gebracht. Zur elektromechanischen Verriegelung dieses Zustands ist jetzt nur mehr der sehr geringe Haltestrom des Haltemagneten notwendig.

Abb. 4.91. Ladevorgang des HIS® – Drosselrückschlagventil in Drosselstellung – Endanschlag erreicht, Rastiermechanismus in Verriegelungsstellung

198

4 Hybridkomponenten

Wird der Motor im verriegelten Zustand des HIS® abgestellt und der Systemdruck fällt ab, so verliert auch der HIS® seinen Druck. Durch die Federkraft läuft der Kolben auf die Kugelrastierung auf und wird von dieser gehalten. Die für den hydraulischen Füllimpuls beim Verbrennungsmotorstart notwendige Energie ist in der gespannten Feder gespeichert. Da der HIS® während der Motor-Stopp-Phase drucklos ist, treten keinerlei Leckagen auf. Beim Wiederstart des Verbrennungsmotors wird durch Abschalten des Haltestroms das Öffnen der Verriegelung eingeleitet. Der Anker wird durch eine Auslösefeder in Richtung Kolben gedrückt und die Kugelrastierung löst sich. Durch die Federkraft beginnt der Kolben das im Kolbenraum gespeicherte Ölvolumen auszuschieben und das Drosselrückschlagventil geht in die offene Endstellung. Somit wird ein großer Ausströmquerschnitt für das Speicherölvolumen sichergestellt und der Druckverlust beim Entleervorgang gering gehalten, siehe Abb. 4.92.

Abb. 4.92. Entladevorgang des HIS® – Drosselrückschlagventil offen – Rastiermechanismus geöffnet

Abb. 4.93. Getriebesystemdruckaufbau mit HIS® beim automatischen Motorstart [98]

Durch die gewählte Auslegung wird je nach Drehzahlverlauf beim Motorhochlauf die Anfahrbereitschaft zwischen 300 und 350 ms hergestellt. Den Systemdruckauf-

4.5 Nebenaggregate

199

bau beim Start des Verbrennungsmotors aus einer Motor-Stopp-Phase mit HIS® zeigt Abb. 4.93. Zum Vergleich wurde der Systemdruckaufbau ohne HIS® ebenfalls dargestellt, welcher zu einer wahrnehmbar verzögerten Anfahrbereitschaft (ca. 800 ms) führen würde und somit inakzeptabel ist. Als idealer Einbauraum stellte sich der Raum hinter der hydraulischen Steuerung heraus. Damit können alle oben genannten Anforderungen einfach erfüllt werden. Die hydraulische Anbindung an die Steuerung erfolgt über eine im Getriebegehäuse eingegossene Rohrleitung. Abb. 4.94 zeigt ein Schnittbild des 8HP70-Automatgetriebes mit HIS®.

Abb. 4.94. Schnittbild des 8HP70-Automatgetriebes mit HIS®

4.5.2 Elektrische Servolenkung Full- und teilweise auch Mild-Hybridfahrzeuge ermöglichen rein elektrisches Fahren in gewissen Geschwindigkeitsbereichen. Aus Sicherheits- und Komfortgründen muss auch bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor eine Servounterstützung der Lenkung gewährleistet sein. Daher können hydraulische Servolenkungen (HPS – Hydraulic Power Steering), die direkt über den Riementrieb des Verbrennungsmotors angetrieben werden, hier nicht mehr eingesetzt werden. Bei Fahrzeugen mit Start/Stopp-Funktion führen Lenkbewegungen im Stillstand dazu, dass im Falle von rein hydraulischen Servolenkungen der Verbrennungsmotor gestartet werden muss, um eine entsprechende Lenkunterstützung leisten zu können. Damit wird allerdings das Verbrauchseinsparungspotenzial reduziert. Eine mögliche Abhilfe stellt der elektrische Antrieb des Pumpenaggregats dar: elektro-hydraulische Servolenkung (EPHS – Electrically Powered Hydraulic Steering). Damit kann die Lenkunterstützung bedarfsgerecht gesteuert werden, da die hydraulische Druckversorgung unabhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors ist. Dies führt zu einer Einsparung der Antriebsenergie um bis zu 80 % gegenüber der konventionellen hydraulischen Lenkung [99]. Der Bedarf an Servounterstützung wird aus den Signalen Fahrzeuggeschwindigkeit und Lenkwinkelrate ermittelt. Aus den beiden Größen

200

4 Hybridkomponenten

wird die Solldrehzahl des Motor-Pumpen-Aggregats berechnet, die den hydraulischen Volumenstrom bestimmt. Beim (EPHS – Electrically Powered Hydraulic Steering) von TRW kommt für den Pumpenantrieb (Außenzahnradpumpe) ein bürstenloser, sinuskommutierter Motor zum Einsatz. Damit werden ein max. Volumenstrom von 7.8 –12.0 l/min sowie ein max. Druck von 99–120 bar bereitgestellt. Die max. Stromaufnahme beträgt 85 –115 A @ 13.5 V bei einer Stand-by-Stromaufnahme von weniger als 2.5 A [99]. Eine weitere Alternative stellen elektromechanische Lenksysteme (Electric Power Steering, EPS) dar, da auch diese über das elektrische Bordnetz angetrieben werden können. Der Einsatz von EPS-Lenkungen bringt gegenüber konventionellen hydraulischen Servolenkungen erhebliche Vorteile durch eine stark erweiterte Funktionsvielfalt. Zu erwähnen sind hier vor allem die geschwindigkeitsabhängige Lenkmomentunterstützung, die aktive Lenkungsrückstellung sowie die geschwindigkeitsabhängige Lenkungsdämpfung zur Reduzierung der Schlingerneigung des Fahrzeugs. Durch Sensorsignale wie Fahrgeschwindigkeit, Lenkwinkel usw. ist es möglich, das resultierende Lenkradmoment mit ansteigender Fahrgeschwindigkeit harmonisch in Richtung höherer Lenkkräfte anzupassen. Die geschwindigkeitsabhängige Servounterstützung, mit niedrigen Lenkkräften bei Fahrzeugstillstand und geringen Fahrgeschwindigkeiten, stellt für den Fahrer einen gesteigerten Lenkkomfort dar.

Abb. 4.95. Aufbau der mechanischen Zahnstangenlenkung (ZF EPSc)

Die Abstimmung bzw. Applikation von EPS-Lenkungen erfolgt durch Variation von Parametern in der Funktionssoftware. Damit können Sport- oder komfortbetonte Abstimmungen bei gleicher Hardware allein durch Softwareänderungen realisiert und vom Fahrer ausgewählt werden. Ein weiterer Vorteil liegt in der geringeren Energieaufnahme. Eine Ansteuerung des elektrischen Servomotors erfolgt nur bei Lenkvorgängen durch den Fahrer. Aus dieser bedarfsgerechten Leistungsaufnahme resultiert

4.5 Nebenaggregate

201

ein deutlich reduzierter Kraftstoffverbrauch gegenüber konventionellen, hydraulischen Lenksystemen von ca. 0,2 l auf 100 km [100]. Als Beispiel eines elektromechanischen Lenksystems sei hier die ZF-Servolectric angeführt. Diese arbeitet mit einem elektronisch geregelten Elektromotor und berücksichtigt bei der Servounterstützung diverse Parameter wie z. B. Fahrgeschwindigkeit, Lenkwinkel, Lenkmoment oder Lenkgeschwindigkeit. In Abhängigkeit von der Fahrzeuggröße gibt es unterschiedliche Systeme. Bei Kleinfahrzeugen wird die Servoeinheit mitsamt ihrer Elektronik in die Lenksäule integriert, siehe Abb. 4.95. Über die Zwischenwelle mit Kreuzgelenken werden sie mit der mechanischen Zahnstangenlenkung verbunden. Sensorik und Drehstab befinden sich neben dem Schraubradgetriebe, siehe Abb. 4.95. Das vom Elektromotor erzeugte Moment wird über ein Schraubradgetriebe in ein Servounterstützungsmoment umgewandelt und auf die Lenkwelle übertragen. Für größere Fahrzeuge wird die Servoeinheit an einem zweiten Ritzel angeordnet, da damit größere Momente übertragen werden können, siehe Abb. 4.96.

Abb. 4.96. Aufbau der ZF-Servolectric mit Servoeinheit an einem zweiten Ritzel (ZF EPSdp)

Der Einbau der Servoeinheit an einem zweiten Ritzel erlaubt es auch, die Sensorund Antriebseinheit räumlich zu trennen. Dadurch, dass die Antriebsritzelübersetzung von der Lenkübersetzung unabhängig ist, wird eine leistungsoptimierte Auslegung möglich. Die Erhöhung der Systemleistung bewegt sich dabei in einer Größenordnung von 10 –15 %. Durch optimale Nutzung der Einbauräume ist eine ausgezeichnete Crash-Sicherheit gewährleistet. Die Auswahl und Anwendung der EPS-Konzepte wird durch die auftretende maximale Zahnstangenkraft und Stelldynamik bestimmt. Im mittleren Fahrzeugsegment sind Zahnstangenkräfte von ca. 10 kN erforderlich, wofür bei einer hinreichenden Stelldynamik etwa 1000 W elektrische Leistung notwendig sind [100]. Dieser Wert kann bei konventionellen Fahrzeugbordnetzen (12 V) gerade noch aufgebracht werden. Hybridfahrzeuge bieten hier durch höhere Spannungen mehr Potenzial und damit auch den erleichterten Einsatz für größere Fahrzeugklassen.

202

4 Hybridkomponenten

4.5.3 Heizung und Klimatisierung Fahrzeuge mit Hybridantriebssträngen erfordern auch modifizierte Lösungen im Bereich der Heizungs- und Klimaanlage für den Fahrgastraum. Höhere Gesamtwirkungsgrade führen naturgemäß zu einem geringen Angebot an Verlustwärme, welches für Heizungszwecke eingesetzt werden kann. Verstärkt wird dies durch Abschaltungen des Verbrennungsmotors bei Fahrzeugstillstand oder rein elektrischem Fahren. Die einwandfreie Funktion der Heizungs- und Klimaanlage ist aber nicht nur aus Komfort-, sondern auch aus Sicherheitsgründen von hoher Bedeutung. Beispielsweise muss eine rasche Enteisung bzw. Beschlag-Freihaltung der Windschutzscheibe gewährleistet sein. Bei konventionellen Fahrzeugen besteht durch den Betrieb des Verbrennungsmotors ein nutzbares Abwärmeangebot zu Heizzwecken, bzw. wird bei Bedarf der Kompressor der Klimaanlage über den Riementrieb angetrieben. Bei Hybridfahrzeugen mit Start/Stopp-Funktion sowie der Möglichkeit des rein elektrischen Fahrens ergeben sich daher durch den Betrieb des Fahrzeugs bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor neue Anforderungen an die Heizungs- bzw. Klimaanlage: • Einsatz zusätzlicher Wärmequellen zur Beheizung des Fahrgastraums • Autarker Antrieb der Klimaanlage bzw. Speicher-Klimatisierung

Zuheizsysteme Bei Hybridfahrzeugen bietet sich auf Grund des verstärkten Bordnetzes der Einsatz von elektrischen Lufterhitzern – meist nach dem PTC-Prinzip (Positive Temperature Coefficient) – an. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines Kühlmittel-/Abgaswärmetauschers, der die thermische Energie im Abgasstrom zur rascheren Erwärmung des Kühlmittels nach dem Kaltstart ausnützt. Beispielsweise wird dies beim Lexus RX 450 h realisiert, siehe auch Kapitel 6.2. Für Fahrzeuge mit Start/Stopp-Funktion oder mit der Möglichkeit, kurze Strecken rein elektrisch zurückzulegen, kann auch die Nutzung der im Motor gespeicherten Restwärme eine Option darstellen. Dazu ist der Betrieb einer motorunabhängigen Kühlmittelpumpe nötig. Die Restwärmemenge kann durch den Einsatz eines Kennfeldthermostaten vergrößert werden, der bei Teillast die Kühlmitteltemperatur anhebt.

Klimatisierung Fahrzeugantriebskonzepte ohne permanent betriebenen Verbrennungsmotor erfordern autarke Klimatisierungssysteme, die Wärme- und Kälteleistung fahrmotorunabhängig bereitstellen und verteilen können. Dies gilt insbesondere bei extremen Umgebungsbedingungen. Bei konventionellen Klimaanlagen führt eine vorübergehende Fahrtunterbrechung mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor zu einem Anstieg der Luftausblastemperatur und damit verbunden zu einer Erhöhung der Luftfeuchtigkeit im Fahrgastraum, was von den Insassen als störend empfunden wird.

4.5 Nebenaggregate

203

Abhilfe schaffen hier elektrisch angetriebene Klimakompressoren zur Standklimatisierung, die auch bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor die Aufrechterhaltung der Luftausblastemperaturen erlauben, siehe Abb. 4.97. Die Antriebsleistung von elektrischen Klimakompressoren beträgt bis zu 3 kW und erfordert daher ein entsprechend leistungsfähiges Bordnetz, wie es teilweise bei Mild-, aber jedenfalls bei Full-Hybridfahrzeugen vorhanden ist. So genannte Hybrid-Klimakompressoren können wahlweise mechanisch über den Riementrieb oder auch elektrisch über das Bordnetz angetrieben werden.

Abb. 4.97. Klimaanlage für Elektro- und Hybridfahrzeuge

Kältespeicher Micro- und fallweise Mild-Hybridfahrzeuge können die notwendige elektrische Leistung nicht bereitstellen, weshalb eine Alternative zum elektrisch angetriebenen Klimakompressor für die Klimatisierung in den Stopp-Phasen erforderlich ist. Ein solches Konzept besteht in der Klimatisierung mit Hilfe eines Kältespeichers. Durch den Einsatz eines Kältespeichers kann man der Luft prinzipiell Wärme entziehen und den Anstieg der Ausblastemperatur verzögern. Sehr effizient kann dies bei Verwendung eines Latentwärmespeichermediums erfolgen, welches im Betrieb des Kältespeichers einen Fest-flüssig-Phasenwechsel bei 5 °C durchläuft. Für die Speicher-Klimatisierung in kurzen Stopp-Phasen sind in erster Linie Häufigkeit und Dauer der Stopps im Stadtverkehr relevant. Eine wichtige Anforderung an diesen Speicher ist, dass er in kurzer Zeit beladen und entladen werden kann. Für den Stadtverkehr geeignete Beladezeiten sollten in der Größenordnung von kleiner 1 Minute liegen. Um dies zu erreichen, wird der Speicher in den Verdampfer integriert und als Rohr-in-Rohr-System aufgebaut. Dabei ist der Raum zwischen innerem und äußerem Rohr mit einem flüssigen Latentspeichermedium angefüllt. Beim Fahrbetrieb wird das innere Rohr vom Kältemittel durchströmt, das beim Verdampfen dem Speichermedium im äußeren Rohr so viel Wärme entzieht, dass es gefriert. Da die Wärmeleitfähigkeit des Latentspeichermediums nicht sehr hoch ist, darf die Schichtdicke nicht zu groß

204

4 Hybridkomponenten

gewählt werden. Bei Kompressor-Stopp wird das Latentspeichermedium nicht mehr gekühlt – es beginnt zu schmelzen. Die für den Schmelzvorgang benötigte Energie entzieht es der Kabinenluft, die im Umluftbetrieb den Speicherverdampfer durchströmt und dabei gekühlt wird. Abb. 4.98 zeigt den Speicherverdampfer der zweiten Generation von Behr mit geringerer Bautiefe.

Abb. 4.98. Aufbau des Speicherverdampfers der zweiten Generation

Abb. 4.99. Anstieg der Verdampfer-Ausblastemperaturen nach Kompressor-Stopp [101]

Er besteht aus zwei Blöcken: einem Hauptverdampfer und einem Speicherverdampferblock. Im Betrieb werden beide parallel vom Kältemittel durchströmt. Dieser Speicherverdampfer benötigt nur noch geringfügig mehr Bauraum als ein aktueller Standardverdampfer. Dadurch passt er in den meisten Fällen in ein bestehendes Kli-

4.5 Nebenaggregate

205

magerät. Der Standardverdampfer wird einfach durch den Speicherverdampfer ersetzt. Am Kältemittelkreislauf selbst braucht nichts verändert werden. Die notwendigen Adaptierungen betreffen ausschließlich die Regelung, zum Beispiel die der Umluftschaltung, der Luftmenge und der Verdampfer-Ausblastemperatur. Eingestellt werden diese Regelgrößen so, dass der Speicherverdampfer maximale Stoppzeiten bei akzeptablem Komfort ermöglicht. Abb. 4.99 zeigt einen prinzipiellen Vergleich des Anstiegs der Ausblastemperaturen bei Einsatz eines Speicher- und eines Standardverdampfers. Durch den Speicherverdampfer wird der Anstieg der Ausblastemperatur deutlich verzögert, die Komfortgrenze wird später erreicht.

Kapitel 5

Antriebsstrangmanagement Das Antriebsstrangmanagement koordiniert sämtliche Funktionen der Komponenten des Antriebsstrangs in Abhängigkeit vom Fahrerwunsch sowie den jeweiligen Betriebsbedingungen. Dem zu Grunde liegt eine Betriebsstrategie, die neben der primären Erfüllung der Fahrervorgaben auch Ziele, wie minimalen Kraftstoffverbrauch und Emissionen oder Komfortwünsche, verfolgt, unter Berücksichtigung diverser Bedingungen, wie die Einhaltung von Lebensdauervorgaben der Batterie. Die Betriebsstrategie koordiniert damit im Wesentlichen die elektrische Energieerzeugung sowie den elektrischen Energiekonsum, wobei in erster Linie das Zusammenspiel von Elektro- und Verbrennungsmotor geregelt wird. Durch das Vorhandensein von jeweils zwei Energiespeichern und Energiewandlern im Fahrzeug ist es möglich, den Verbrennungsmotor innerhalb gewisser Grenzen entkoppelt vom Wunschmoment des Fahrers zu betreiben. Die Betriebsstrategie des Hybridfahrzeugs nutzt diese Eigenschaft, um den Verbrennungsmotor, unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen, in möglichst verbrauchsgünstigen Betriebsbereichen zu halten, bei Erfüllung des Fahrerwunschs durch das Zusammenspiel der einzelnen Leistungskomponenten im Antriebsstrang. Randbedingungen sind dabei unter anderem die Einhaltung der Grenzen

Abb. 5.1. Schematische Übersicht des Antriebsstrangmanagements [Quelle: K-net KFZ]

208

5 Antriebsstrangmanagement

des Batterieladezustands (SOC = State of Charge), des Energiedurchsatzes durch die Batterie oder der zulässigen Temperaturbereiche von Elektromotor und Batterie. In die Betriebsstrategie werden auch Komfortwünsche miteinbezogen, um z. B. auch die Fahrzeuginnenraumheizung und Kühlung bestmöglich zu gewährleisten. Abb. 5.1 zeigt schematisch eine Übersicht des Antriebsstrangmanagements. Neben der mechanischen Leistung zum Antrieb der Räder wird auch der thermische und elektrische Energiehaushalt geregelt. Dies umfasst das Hochvolt- und Niedervolt-Stromnetz, elektrische Verbraucher wie den Klimakompressor, die Lenkhilfepumpe und diverse Gebläse und Pumpen. Weitere Aufgaben des Antriebsstrangmanagements sind der Daten- und Informationsaustausch zwischen den einzelnen Systemen bzw. Steuergeräten und dem Fahrer (Kommunikation) sowie die Durchführung von verschiedenen Diagnosefunktionen. Der Austausch der Daten erfolgt in der Regel über mehrere Bussysteme [102], [103]. Im Bild eingezeichnet ist im Kommunikationsbereich das übergeordnete Hybridsteuergerät (HCU – Hybrid Control Unit). Dieses setzt die Betriebsstrategie um. Es ist antriebsstrangseitig mit den Steuergeräten für Verbrennungsmotor, Elektromotor, Getriebe, Batterie etc. verbunden und auf der Fahrerseite mit den verschiedenen Ausund Eingabesystemen vernetzt.

5.1 Betriebszustände von Hybridfahrzeugen Das Vorhandensein von jeweils zwei Energiespeichern und Energiewandlern im Hybridfahrzeug erlaubt mehr Freiheitsgrade beim Betrieb der einzelnen Antriebsstrangkomponenten zur Erfüllung der Fahrervorgaben. Zusätzlich können Hybridfahrzeuge im Gegensatz zu konventionellen Fahrzeugen, die neben dem reinen VKM-Fahren noch unter Umständen einen Start/Stopp-Modus aufweisen, in weiteren Betriebsarten operieren. Dies betrifft neben der Wahl der verfügbaren Energiequellen (elektrische, verbrennungsmotorische oder eine Kombination aus beiden) auch die Möglichkeit der Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie sowie die Speicherung der elektrischen Energie. Folgende Betriebszustände (auch Betriebsmodi, Funktionen oder States) sind bei parallelen oder leistungsverzweigten Hybridkonzepten grundsätzlich möglich: Im Stillstand: • Motor aus – Start/Stopp: Das Fahrzeug befindet sich im Stillstand und alle Antriebsaggregate sind abgeschaltet. • Lastpunktanhebung (LPA) im Stillstand: Bei stehendem Fahrzeug treibt der Verbrennungsmotor die E-Maschine zur Stromerzeugung an. Beim Fahren: • Rekuperation (regeneratives Bremsen): Dabei wird über den generatorischen Betrieb der E-Maschine das Fahrzeug gebremst und elektrische Energie erzeugt. • Lastpunktanhebung (LPA) bei Fahrt: Die vom Verbrennungsmotor erzeugte mechanische Energie wird sowohl zum Antrieb des Fahrzeugs als auch zur Stromerzeugung über die E-Maschine eingesetzt. • Elektrisches Fahren mit Sonderfall „Segeln“: Der Antrieb erfolgt bei stehendem Verbrennungsmotor nur über die E-Maschine. Beim Segeln wird auch über die EMaschine kein Moment aufgebracht, d. h., das Fahrzeug rollt ohne Antriebsenergie.

5.2 Betriebsstrategien

209

• Boosten: Dabei unterstützt die E-Maschine den Verbrennungsmotor beim Antrieb. • Reiner VKM-Betrieb: Der Antrieb erfolgt ausschließlich über den Verbrennungsmotor (VKM-Verbrennungskraftmaschine). Bei seriellen Hybridkonzepten erfolgt der Antrieb immer elektrisch, wodurch sich einige Unterschiede zu den oben angeführten Betriebsarten ergeben. Grundsätzlich kann beim seriellen Hybridfahrzeug der Verbrennungsmotor in einem einzigen oder einigen wenigen Betriebspunkten mit hohem Wirkungsgrad intermittierend betrieben werden, wobei ein hoher Anteil an zwischengespeicherter elektrischer Energie erforderlich ist oder einen stetigen Betrieb entsprechend dem aktuellen Energiebedarf des Antriebs aufweisen. Die einzelnen Betriebszustände des Fahrzeugs unterliegen definierten Bedingungen. Diese werden mittels der Betriebsstrategie, abhängig von verschiedenen Eingangsgrößen, festgelegt. Folgende Größen werden dabei unter anderen berücksichtigt: • Fahrerwunsch: Fahrpedalstellung, Bremspedalstellung, Fahrtrichtungswunsch, Betriebsart (eingelegter Gang bei Handschaltgetriebe), Heizungs- bzw. Klimatisierungsanforderungen, evtl. Zieldaten in Navigationssystem • Systeminterne Daten: Momentane Drehzahlen und Drehmomente der Aggregate, Fahrzeuggeschwindigkeit, Batterieladezustand, Temperaturen, Abgleich mit internen Simulationsmodellen • Gelernte Daten: Vorgeschichte, Strecken (Energieprofil von häufig gefahrenen Strecken etc.), Daten aus Verkehrsinfosystemen und car2x-Kommunikation Ausgangsgrößen: Befehle an die Komponenten • Verbrennungskraftmaschine: Ein/Aus, Sollbetriebspunkt (Momentenvorgabe) • Elektromotoren: Ein/Aus, Drehrichtung, Drehzahl- oder Momentenregelung (abh. vom Hybridsystem), Sollmoment oder Solldrehzahl • Sämtliche Kupplungsstellungen und Vorgänge • Getriebe: Gangwahl (bei Automatikgetriebe) • Bremse: Bremskraft abhängig von Rekuperation • … Unter Einbeziehung der Eingangsgrößen werden durch die Betriebsstrategie die Betriebsmodi festgelegt und die entsprechenden Ausgangsgrößen an die jeweiligen Steuergeräte ausgegeben. Damit hat die Betriebsstrategie einen wesentlichen Einfluss auf den Energieverbrauch und die Emission von Hybridfahrzeugen.

5.2 Betriebsstrategien Bei der Betrachtung von Betriebsstrategien muss unterschieden werden, ob die zu fahrende Strecke bzw. der zu absolvierende Fahrzyklus vor Antritt der Fahrt bekannt ist oder nicht. Bekannte Zyklen erhält man beispielsweise durch Eingabe von Zielkoordinaten in ein Navigationssystem, bei dem auch entsprechende geographische

210

5 Antriebsstrangmanagement

Höhendaten abgespeichert sind, oder durch eine implementierte Fahrtstreckenerkennung auf Grund von Erkennungsmalen am Anfang der Strecke, siehe auch Kapitel 5.4. Dabei muss allerdings beachtet werden, dass in den besagten Fällen Einflüsse aus dem Verkehr nicht vorhergesagt und damit auch nicht berücksichtigt werden können. Grundsätzlich ist es nur bei bekannten Fahrzyklen mit einem definierten Anforderungsprofil möglich, die optimale Lösung hinsichtlich der gestellten Zielvorgabe, wie beispielsweise minimalen Verbrauch, zu finden. In der Praxis dienen in den meisten Fällen nur die online verfügbaren Betriebsparameter sowie gegebenenfalls Statistikdaten als Eingangsgrößen für die Betriebsstrategie und keinesfalls zeitlich oder lokal definierte Brems- und Verzögerungsvorgänge. Dadurch ist es in der Regel nicht möglich, die optimale Betriebsweise vorhersagen zu können. Andererseits ist es bei der Entwicklung von Hybridfahrzeugen notwendig, auch das Potenzial von verschiedenen Komponenten, Dimensionierungen etc. hinsichtlich der Erfüllung der Zielvorgaben bestimmen zu können, wodurch die Kenntnis einer optimalen Betriebsstrategie für vorgegebene Fahrzyklen erforderlich ist. Typischerweise werden hier unter anderem die für die Emissions- und Verbrauchsbestimmung vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Fahrzyklen sowie so genannte RealLife-Zyklen, die das typische Anforderungsprofil der Kunden repräsentieren sollen, herangezogen. Neben Vergleichszwecken für verschiedene Hardwarevarianten können aus einer Anzahl von optimalen Betriebsstrategien für die diversen vorgegebenen Zyklen universelle Strategien (suboptimale Betriebsstrategien) abgeleitet werden, die für den realen Praxiseinsatz eine gute Ausgangsbasis darstellen. Außerdem kann auch die Güte einer in der Praxis umsetzbaren Betriebsstrategie, im Vergleich zur optimalen Lösung, bestimmt werden. Nachfolgend sind einige Ansätze zur Erstellung und Optimierung von Betriebsstrategien angeführt. Die Erstellung einer Betriebsstrategie erfolgt im Zuge der Simulation von Fahrzeug und Zyklus, siehe auch Kapitel 5.3.

5.2.1 Einteilung von Betriebsstrategien Bei den Steuerungsstrategien kann zwischen „nicht kausalen“ Strategien und „kausalen“ Strategien unterschieden werden [104]. Eine weitere Einteilung kann nach dem Ergebnis in Hinblick auf die Zielfunktion in optimale und suboptimale Betriebsstrategien erfolgen. In der Praxis werden häufig heuristische Betriebsstrategien eingesetzt, benannt nach der Art der Erstellung der implementierten Gesetzmäßigkeiten.

Nicht kausale Betriebsstrategien Bei den „nicht kausalen“ Strategien muss das Fahrprofil bekannt sein. Aus dieser Apriori-Kenntnis kann unter Verwendung von verschiedenen Optimierungsverfahren die optimale Lösung abgeleitet werden. Die Lösung an sich bzw. die Ausgangsgrößen zu

5.2 Betriebsstrategien

211

jedem Zeitpunkt sind unmittelbar nicht mit bestimmten Zusammenhängen bzw. Gesetzmäßigkeiten begründbar.

„Kausale“ Betriebsstrategien Steuerungen, die nach diesem Prinzip arbeiten, basieren rein auf aktuell verfügbaren Fahrzeugdaten sowie gegebenenfalls Statistikdaten als Eingangsgrößen. In der Praxis sind für den Betrieb ausschließlich diese Steuerungen bzw. Betriebsstrategien möglich, da das genaue Fahrprofil mit den Einflüssen vom Fahrer bzw. aus dem Verkehr nicht vorausgesagt werden kann.

Optimale Betriebsstrategien Optimale Betriebsstrategien zielen darauf ab, für einen bekannten Zyklus eine hinsichtlich der gestellten Randbedingungen, wie beispielsweise Verbrauchsreduktion, optimale Lösung zu finden. Dabei wird nicht in jedem Zeitpunkt die effizienteste Betriebsweise gesucht, sondern der Kraftstoffverbrauch für den gesamten Zyklus minimiert. Wie auch bei allen anderen Strategiearten müssen diverse Grenzen für den Batterieladezustand (SOC), den Energiedurchsatz durch die Batterie, die maximale Leistung der elektrischen Komponenten, diverse Temperaturbereiche etc. eingehalten werden. Darüber hinaus kann über Index-Werte das Verhalten in Bezug auf weitere Zielgrößen bewertet werden. Damit ist es möglich, die Erfüllung von zusätzlichen Kriterien, wie beispielsweise minimale Emissionen oder schnellstmögliche Erwärmung, über eine entsprechende Wichtung mit in die Evaluierung aufzunehmen. Vor allem bei elektrischen Energiespeichersystemen muss auch der Energieinhalt zu Beginn und am Ende des Zyklus berücksichtigt werden. Dies kann entweder über die Vorgabe, dass der Energieinhalt zu Beginn und am Ende des Zyklus identisch ist (ausgeglichener oder balancierter SOC), erfolgen oder der Unterschied wird über eine Wichtungsfunktion bewertet. Zur Findung der optimalen Lösungen können verschiedene Ansätze herangezogen werden [104]: • Statische Optimierung • Numerische Optimierungsmethoden • Analytische Optimierungsmethode

Statische Optimierung Aus dem vorgegebenen Geschwindigkeits- und Höhenverlauf sowie den Fahrzeugdaten wird eine erforderliche Antriebskraft berechnet, wobei Wirkungsgrade bzw. Verluste berücksichtigt werden. Aus dem resultierenden Antriebskraftverlauf werden in weiterer Folge für alle Zeitschritte alle möglichen Varianten in Bezug auf Energieflüsse im Hybridsystem durchgerechnet und auf diesem Weg ein Optimum gefunden. Speziell bei vielen Variationsgrößen ergibt sich ein enormer Berechnungs- und Speicherplatzaufwand, wodurch das Verfahren nur für einfache Systeme geeignet ist.

212

5 Antriebsstrangmanagement

Numerische Optimierungsmethoden Das Minimum einer nichtlinearen Zielfunktion (z. B. Kraftstoffverbrauch in Abhängigkeit aller Eingangsgrößen) wird über numerische Optimierungsmethoden gefunden. Beispiele hierfür sind Gradientenverfahren, Levenberg-Marquardt-Algorithmus, genetische Algorithmen, dynamische Programmierung usw. [104].

Analytische Optimierungsmethoden Dieser Ansatz dient dazu, den enormen Rechnungsaufwand von direkten numerischen Optimierungsmethoden zu senken. Dabei wird versucht, über Vereinfachungen (z. B. Linearisierungen etc.) die Anzahl der Variablen zu verringern.

Suboptimale Betriebsstrategien Für den Fahrzeugbetrieb in der Praxis müssen „nicht kausale“ Betriebsstrategien in „kausale“, auf Gesetzmäßigkeiten und Funktionen basierende, Betriebsstrategien übergeführt werden. Durch die universelle Anwendbarkeit ist grundsätzlich keine optimale Lösung für verschiedene Fahrzyklen möglich. Ziel ist es, dass diese suboptimalen Steuerungen in den vielfältigen Betriebsweisen und Anforderungen im Fahrzeug der optimalen Lösung nahekommen.

Heuristische Steuerungsstrategien Diese basieren auf heuristisch erstellten Gesetzmäßigkeiten mit boolschen Variablen oder Funktionen in Fuzzy Logic. Ein typisches Beispiel für eine heuristische Betriebsstrategie ist die Aktivierung der einzelnen Betriebsmodi in Abhängigkeit von Fahrzeuggeschwindigkeit und erforderlichem Drehmoment, siehe Abb. 5.2. Diese Art der Steuerung wird sehr häufig in der Praxis verwendet wie z. B. beim VW twin Drive, siehe auch Abb. 6.103. Neben der Auswahl des entsprechenden Betriebsmoduls werden für die Bestimmung der verschiedenen Ausgangsgrößen weitere Einflussgrößen, wie beispielsweise der Batterieladezustand, herangezogen. Außerdem müssen verschiedene Randbedingungen, beispielsweise in Bezug auf die Batterielebensdauer oder der Überlastfähigkeit etc., eingehalten werden. Fließen sehr viele Kriterien und Randbedingungen als Eingangsgrößen in die Betriebsstrategie ein, können diese über Wichtungsfunktionen unter Anwendung von Fuzzy Logic berücksichtigt werden. In der Regel werden nur wenige harte Grenzen bzw. Schwellwerte definiert. Stattdessen werden Entscheidungen bzw. Ausgangsgrößen über die entsprechenden Wichtungsfunktionen begründet.

5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen

213

Abb. 5.2. Beispiel für die Aktivierung der einzelnen Betriebsmodi in Abhängigkeit von Fahrzeuggeschwindigkeit und erforderlichem Drehmoment

Der Vorteil von heuristischen Betriebsstrategien ist, dass sie meistens relativ leicht nachvollziehbar und implementierbar sind. Wenn sie gut abgestimmt sind, werden damit auch zufriedenstellende Ergebnisse in Bezug auf die Zielgrößen – zumeist einem minimalen Kraftstoffverbrauch – erreicht. Nachteilig bei dieser Art der Steuerungen ist, dass das Verhalten von den gewählten Schwellwerten geprägt wird. Dabei können sich aber die idealen Werte mit den jeweiligen Fahrbedingungen verändern. Aus Gründen der Erreichung einer guten Robustheit der Steuerungen sowie des Abstimmungsaufwands werden häufig modell-basierte Steuerungen entwickelt. Die prinzipielle Entscheidungsfindung mittels der Betriebsstrategie kann am besten im Zuge der Simulation der Vorgänge in einem Hybridfahrzeug erklärt werden. Im folgenden Kapitel wird daher auf die Simulation von Hybridfahrzeugen näher eingegangen.

5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen Durch die erhöhte Anzahl der Komponenten und Freiheitsgrade bei Hybridfahrzeugen und die sich dadurch ergebende Komplexität in Bezug auf Konzeptauswahl, Dimensionierung, Generierung von Betriebsstrategien usw. hat die Simulation des Gesamtfahrzeugs im Zuge der Entwicklung des Antriebsstrangmanagements eine große Bedeutung. Grundsätzlich kann die Simulation auf zwei verschiedene Arten erfolgen: Quasistationär:

Aus dem vorgegebenen Geschwindigkeits- und Höhenverlauf sowie den Fahrzeugdaten wierde für jeden Zeitschritt eine erforderliche Antriebskraft sowie die Energieflüsse berechnet, wobei Wirkungsgrade bzw. Verluste meist über Kennfelder berücksichtigt werden. Mit dem quasistationären Ansatz können die meisten nicht zu schnell ablaufenden Vorgänge hinreichend genau beschrieben werden, wie

214

5 Antriebsstrangmanagement

beispielsweise der Kraftstoffverbrauch im Zyklus auf Basis von Kennfelddaten. Dynamisch:

Diese Art der Simulation basiert auf einer genauen mathematischen Beschreibung des Gesamtsystems unter Verwendung von Differentialgleichungen. Damit kann vor allem das dynamische Verhalten gut abgebildet werden. Der Aufwand ist zwar wesentlich höher als beim quasistationären Ansatz, allerdings können damit auch Aussagen über Fahrbarkeit und Emissionen getroffen werden.

In der Regel wird in der ersten Entwicklungsphase zur Konzeptauswahl und Grobdimensionierung eine Längsdynamiksimulation des Gesamtfahrzeugs durchgeführt. Relevant dabei ist, dass eine möglichst gute Kenntnis (Modellierung) über die in Frage kommenden Komponenten vorliegt, deren Funktionen durch das Antriebsstrangmanagement koordiniert werden. Dazu gehören auch die Motor- und Getriebesteuerung sowie, falls bereits vorhanden, die meist übergeordnete Fahrzeugbetriebsstrategie. Zur Optimierung und Abstimmung des Zusammenspiels der verschiedenen Systeme werden Variationsrechnungen durchgeführt. Damit ist es möglich, den Einfluss verschiedener Parameter und Charakteristiken wie beispielsweise der Fahrzeugmasse, des Wirkungsgrades der elektrischen Komponenten und der elektrischen Energiespeichergröße auf das Gesamtfahrzeugverhalten aufzuzeigen. Um einen Einblick in die Simulation von Hybridfahrzeugen zu ermöglich, wird im Folgenden ein Beispiel eines Simulationstools näher beschrieben [105], [106], [107]. Typische Simulationswerkzeuge zur numerischen Berechnung sind Modelica/Dymola, MATLAB Simulink, AVL-Cruise, GT-Drive und andere. In dem nachfolgend angeführten Beispiel wurde ein dynamischer Simulationsansatz gewählt und das Programmpaket Dymola eingesetzt. Dymola (Dynamic Modeling Laboratory) ist ein Softwaretool zur Modellierung verschiedenartigster physikalischer Systeme. Mittels Dymola können hierarchisch aufgebaute, wiederverwendbare Modelle erstellt werden, wobei hierfür eine neue Methode der Modellierung, basierend auf Objekten und Gleichungen, benutzt wird. Dymola geht dabei den Weg der energieflussorientierten Modellierung. Das Programm verfügt über vorgefertigte Bibliothekselemente – neue Modelle können mit der im Programm integrierten Programmiersprache Modelica erstellt werden. Modelica ist eine objektorientierte Sprache zur Modellierung physikalischer Systeme. Aus dem Programm kann ein C-Code erstellt werden, der eine Verknüpfung mit Programmen wie Matlab/ Simulink oder Hardware in the Loop (HIL)-Plattformen ermöglicht. Damit können beim Betrieb von Einzelkomponenten auf Prüfständen der restliche, physisch nicht vorhandene Hybridantriebsstrang sowie das Gesamtfahrzeug und der Fahrer simuliert werden. Beim nachfolgend gezeigten Beispiel wurde eine Bibliothek an Komponenten und Strategien angelegt, die es ermöglicht, qualitative Aussagen über das Verhalten von Hybridfahrzeugen bezüglich Fahrleistungen, Verbrauch und Emissionen zu machen.

5.3.1 Modellierung eines Hybridfahrzeugs Als Modellierungsbeispiel wird ein Parallelhybridkonzept gewählt, siehe Abb. 5.3. Der Elektromotor (EM) ist hierbei zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe platziert und

5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen

215

kann durch entsprechende Schaltung der Kupplungen K1 und K2 zum rein elektrischen Fahren (Antrieb der Hinterachse), zum Boosten, Rekuperieren und Lastpunktanheben eingesetzt werden.

Abb. 5.3. Modellierungsbeispiel – Parallelhybridkonzept

Abb. 5.4 zeigt schematisch das zugehörige Modell des Parallelhybridantriebsstrangs. Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten des Modells kurz beschrieben.

Abb. 5.4. Dymola-Modell des Parallelhybridantriebsstrangs [108]

Mechanische Verbindung (rotatorisch) Die wesentlichen rotatorischen Massen werden wie in Abb. 5.5 dargestellt in den Blöcken modelliert und bei Änderungen der Drehzahl über den Drallsatz berücksichtigt.

216

5 Antriebsstrangmanagement

Abb. 5.5. Mechanisches Ersatzmodell der rotierenden Massen

Fahrer Damit das Modell dem vorgegebenen Geschwindigkeitsverlauf folgen kann, ist es notwendig, einen Fahrerregler in das Modell zu implementieren. Dieser Regler ist in der Modellbibliothek als PI-Regler hinterlegt. Der Fahrer ist als closed-loop-Modell abgebildet. Beim closed-loop-Fahrermodell wird die Fahrzeuggeschwindigkeit mit Hilfe der Ausgangsgrößen Fahr- und Bremspedalstellung geregelt. Dadurch folgt das Fahrzeug dem Fahrprofil in ähnlicher Weise, wie es bei einem realen Fahrer in einem realen Fahrzeug der Fall wäre. Bei einer open-loop-Simulation hingegen gibt es keinen Regler im Fahrermodell, sondern es wird nur der dem Fahrprofil zugehörige Fahrzustand aus diversen Funktionen ermittelt und umgesetzt. Die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit wird dem Fahrzeugbus aus dem Block „Fahrzeug“ übergeben und vom Fahrermodell abgegriffen. Vom Modell Zyklus wird für jeden Zeitschritt eine Sollgeschwindigkeit ausgegeben, die ebenfalls auf den Fahrzeugbus gesendet und von dort vom Fahrermodell eingelesen wird. Die Differenz aus der gewünschten zur augenblicklichen Fahrzeuggeschwindigkeit legt den Wert des Reglerausgangs fest. Negative Vorzeichen des Reglerausgangs bewirken eine Betätigung des Bremspedals, während positive Werte zu einer Verstellung des Fahrpedals führen. Soll das Fahrzeug verzögert werden und das Bremspedal wird betätigt, wird automatisch das Fahrpedal zurückgenommen und die VKM läuft, je nach Stellung der Kupplung K1, im Schleppbetrieb, im Leerlauf oder wird abgeschaltet. Im Schleppbetrieb wird das VKM-Schleppmoment entsprechend berücksichtigt. Soll das Fahrzeug beschleunigt werden, wird die Bremse vollständig geöffnet.

5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen

217

Um ein Rollen des stehenden Fahrzeugs auf einer geneigten Fahrbahn zu verhindern, betätigt das Fahrermodell im Stillstand das Bremspedal. Zum Einleiten eines Anfahrvorgangs ist es notwendig, die Bremse rechtzeitig zu lösen. Hierfür ist die Größe „Fahrzeugsollgeschwindigkeit in einer halben Sekunde“ eingeführt worden, die als Anfahrtriggersignal fungiert und es dem Fahrermodell rechtzeitig ermöglicht, die Bremse zu lösen und den Anfahrvorgang einzuleiten. Das Fahrermodell gibt die Fahrpedalstellung und die Bremspedalstellung an den Fahrzeugbus weiter.

Zyklus Jeder Fahrzyklus ist in der Simulation durch ein entsprechendes Fahrprofil festgelegt. Zum Durchfahren eines derartigen Fahrprofils ist die Übergabe folgender Größen an den Fahrzeugbus notwendig: • gewünschte Geschwindigkeit (in Abhängigkeit der Zeit) • gewünschte Fahrzeugsollgeschwindigkeit in einer halben Sekunde (in Abhängigkeit der Zeit) • gewünschter Gang (in Abhängigkeit der Zeit) und • Steigung der Fahrbahn in Abhängigkeit der zurückgelegten Strecke Als Zyklen wurden sowohl die für die Fahrzeugzertifizierung bekannten Fahrzyklen wie z. B. der Neue Europäische Fahrzyklus (NEDC) als auch so genannte „Real life cycle“ programmiert, die realistische Alltagsfahrten repräsentieren sollen. Des Weiteren wurden auch Volllastbeschleunigungen und Elastizitätstests abgebildet.

HCU HCU steht für Hybrid Control Unit. Darin ist die gesamte Betriebsstrategie des Fahrzeugs enthalten. Die Aufgaben der HCU umfassen folgende Bereiche: • Ermittlung des verfügbaren Gesamtmoments (VKM, EM) • Festlegung des Start/Stopp-Betriebs der VKM • Detektierung des augenblicklich möglichen Betriebszustands • Kupplungsansteuerung aller Kupplungen • Festlegung des Lastanhebungs- oder Lastabsenkungsmoments, siehe auch Kapitel 5.3.2, und • Momentaufteilung auf die einzelnen Aggregate Beim Bremsen wird die gewünschte Bremskraft in der Hybrid Control Unit (HCU) in einen regenerativen Anteil und einen Scheibenbremsenanteil aufgeteilt.

Ergebnisse In diesem Modellblock werden Größen berechnet, die nicht unmittelbar der Simulation, sondern zur Evaluierung dienen. Berechnet und an den Fahrzeugbus übermittelt werden unter anderem:

218

5 Antriebsstrangmanagement

• Treibstoffverbrauch [l/100 km], • Emissionen (NOx, Partikel bzw. HC [g/km]), • Durchsatz an elektrischer Energie (nur bei den Hybridvarianten) [kWh, kWh/100 km], • Wirkungsgrad des Antriebstrangs [-].

Fahrzeugbus Der Fahrzeugbus bietet die Möglichkeit, Signale, die von mehreren Komponenten im Modell benötigt werden, zur Verfügung zu stellen, ohne das Signal jeder Komponente einzeln zuführen zu müssen. Durch die Verbindung zum Fahrzeugbus kann jede einzelne Komponente alle am Bus liegenden Signale abgreifen. Der Fahrzeugbus dient lediglich als Austauschplattform von Signalen, d. h., es werden dort keine Signalmanipulationen durchgeführt. Auch werden alle Signale, die der Auswertung dienen, auf dem Bus abgelegt. Dies dient nur der Vereinfachung bei der Weiterbearbeitung, da hierdurch das Auswerten der einzelnen Größen erleichtert wird. Das Bussystem hat damit Ähnlichkeit zu dem heute in der Fahrzeugtechnik üblichen CAN-Bus (Controller Area Network) zur Kommunikation der Steuergeräte. Durch die Umsetzung des Bussystems ist die Adaptierung für HiL-Applikationen wesentlich vereinfacht.

Fahrzeug Dieser Modellblock berechnet die Beschleunigung sowie die dynamischen Achslastverteilung des Fahrzeugs auf Basis der Fahrwiderstände und der Antriebskraft. Bei der Antriebskraft sind sämtliche Verluste und Massenträgheiten des Antriebsstrangs berücksichtigt. Unter dem Fahrwiderstand versteht man jene Kraft, die der gewünschten Bewegung des Fahrzeugs entgegenwirkt. Diese gliedert sich in folgende Anteile: • Rollwiderstand, • Luftwiderstand, • Steigungswiderstand, • translatorischer Anteil des Beschleunigungswiderstands (rotatorische Anteile werden in anderen Modellblöcken berücksichtigt) Rollwiderstand: (5-1) FR ......... Rollwiderstand [N] fR .......... Rollwiderstandsbeiwert [-] mFahrzg .... Fahrzeugmasse [kg] g .......... Erdbeschleunigung [m/s2]  .......... Steigungswinkel [°]

5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen

219

Luftwiderstand: (5-2) FL ......... Luftwiderstand [N] cW .......... Luftwiderstandsbeiwert [-] A ......

wirksame Querschnittsfläche des Fahrzeuges [m2]

PL .......... spezifische Dichte der Luft [kg/m3] vA .......... Anströmgeschwindigkeit [m/s] Steigungswiderstand: (5-3) FS ......... Steigungswiderstand [N] mFahrzg ... Fahrzeugmasse [kg] g ......

Erdbeschleunigung [m/s2]

 .......... Steigungswinkel [°] Translatorischer Anteil des Beschleunigungswiderstands: (5-4) FB_trans .... Translatorischer Anteil des Beschleunigungswiderstands [N] v· ...... Fahrzeugbeschleunigung [m/s2] mFahrzg ... Fahrzeugmasse [kg] Für die Berechnung werden Parameter wie die Fahrzeugmasse, Abmessungen, Widerstandsbeiwerte etc. benötigt. Als weiterer Punkt werden in diesem Modell die Achslasten ermittelt. Diese setzen sich aus einem dynamischen Anteil, einem statischen Anteil und einem Anteil bedingt durch die Luftkräfte zusammen. Der Einfluss des Rollwiderstands wird hierbei vernachlässigt [109]. Die dynamische Achslast beschreibt die Veränderung der Achslast bedingt durch die Lastbewegungen des Fahrzeugaufbaus oder von Beschleunigungen bzw. Verzögerungen. Die statische Achslast beschreibt die Verteilung der Gewichtskraft auf Grund der Fahrzeugabmessungen auf die betrachtete Achse. Die Achslastverteilung wird an den Fahrzeugbus gesendet.

Schlupf Die Übertragung der Kräfte vom Reifen auf die Fahrbahn erfolgt durch Reibung, weshalb ein Radschlupfmodell in die Simulation implementiert wurde. Beim Schlupf wird zwischen Brems- und Treibschlupf unterschieden, je nachdem ob ein Rad gebremst oder angetrieben wird.

220

5 Antriebsstrangmanagement

Bremsschlupf: (5-5) Treibschlupf: (5-6) Sbrems ...... Bremsschlupf [-] Streib ....... Treibschlupf [-] ·0 ......... Winkelgeschwindigkeit des Rads ohne Momenteinwirkung [rad/s] ......... Winkelgeschwindigkeit des Rads bei Momenteinwirkung [rad/s] Es ergeben sich für das gebremste und das beschleunigte Rad unterschiedliche Ausdrücke, die immer ein positives Vorzeichen aufweisen und bei gleitendem Rad den Wert 0 annehmen [109]. Die auf die Fahrbahn übertragene Kraft wird aus dem Antriebsmoment der Räder über ein kennfeldbasiertes Schlupfmodell in Abhängigkeit der Achslast berechnet.

Hinterachse (Vorderachse) Das Modell der Hinterachse berücksichtigt die Massenträgheitsmomente von Kardanwelle, Rädern, Reifen, Bremsscheiben und Halbwellen sowie die Verluste im Achsdifferenzial. Des Weiteren wird die von der HCU ausgegebene Bremskraft in diesem Block umgesetzt.

VKM Ausgehend von einem einfachen, kennfeldbasierten VKM-Modell aus der Modellbibliothek wurden entsprechende Adaptierungen im Modell vorgenommen. Ein Austauschen der VKM ist, bedingt durch die kennfeldbasierte Modellierung, durch Hinterlegen eines neuen Datensatzes leicht zu bewerkstelligen. Jeder Motor ist durch folgende Daten charakterisiert: • Volllastkennlinie • Schleppmomentkennlinie • Saugvolllastkennlinie • Verbrauchskennfeld und • Emissionskennfelder (NOx, Ruß und HC) • Trägheitsmoment der VKM • Leerlaufverbrauch • Leerlaufemissionen (NOx, Ruß und HC) • Turboansprechverhalten (PT1 verzögertes Drehmoment mit Zeitkonstanten aus Kennfeldern)

5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen

221

Das Modell gliedert sich in drei Bereiche: • Umwandlung des VKM-Sollmoments aus der HCU in ein tatsächliches Drehmoment • Abbildung des Turboverhaltens und • Berechnung des Verbrauchs und der Emissionen Die Ansteuerung des VKM-Modells erfolgt über die ECU (Engine Control Unit). Dieses beschreibt das Verhalten eines der VKM vorgelagerten Steuergeräts und befasst sich u. a. mit Aufgaben wie Starten der VKM, Leerlaufdrehzahlregelung und Drehzahlbegrenzung.

K2+Getriebe In diesem Block ist das Verhalten des Getriebes sowie der Kupplung K2 abgebildet. Die Modellierung des Getriebes ist ähnlich dem Verhalten eines automatisierten Schaltgetriebes (ASG) ausgeführt. Wie bei einem ASG gibt es eine vorbestimmte Anzahl von Übersetzungsstufen, die in einer definierten Zeit geschaltet werden können. Bei einem ASG erfolgt der Wechsel einer Übersetzungsstufe derart, dass die Schaltkupplung automatisiert betätigt wird und ein Aktuator die gewünschte Übersetzungsstufe schaltet. Die Ansteuerung des Getriebemoduls erfolgt durch ein eigenes Steuergerät, die GBCU (Gear Box Control Unit). In der Simulation sind die Massenträgheitsmomente der Bauteile, die Wirkungsgrade der einzelnen Übersetzungsstufen sowie das Reibverhalten der Kupplungen abgebildet. Zusätzlich werden von der GBCU folgende Signale empfangen: • Kupplungssignal • zu schaltender Gang und • gefordertes Übersetzungsverhältnis Die Modellierung der Übersetzungsänderung weist eine Besonderheit auf. Im Fahrzeug bedeutet ein Gangwechsel das Ändern des Getriebeübersetzungsverhältnisses. Diese Änderung des Übersetzungsverhältnisses hat eine Änderung der Getriebeeingangsdrehzahl zur Folge. Im realen Fahrzeug erfolgt diese exakte Drehzahlanpassung über Synchronringe. Da der Vorgang der Synchronisation im Modell nicht abgebildet ist, würde hier das Ändern der Getriebeübersetzung eine sprunghafte Änderung der Drehzahl der rotierenden Massen bedeuten. Dies führt zu numerischen Problemen in der Simulation und ist daher in dieser Form nicht durchführbar. Stattdessen ist der Schaltvorgang mittels eines idealen CVT-Getriebes (Continuous Variable Transmission) ausgeführt. Die Übersetzungsänderung beim modellierten CVT erfolgt in der Art, dass das Ändern der Übersetzung weniger Zeit benötigt als der eigentliche Schaltvorgang. Die Zeitspanne für den Schaltvorgang setzt sich aus dem Öffnen der Kupplung, einer definierten Zeit für den Gangwechsel und dem Schließen der Kupplung zusammen. Das kontinuierliche Ändern der Übersetzung hat somit auf das Fahrzeug keinen Einfluss, da beim Schließen der Kupplung das gewünschte Übersetzungsverhältnis schon vorliegt.

222

5 Antriebsstrangmanagement

GBCU Die GBCU (Gear Box Control Unit) ist ein dem Getriebe vorgelagertes Steuergerät. Dieses modellierte Steuergerät ist für die Auswahl der Schaltstrategie, das Vorgeben der Schaltstufe und die Betätigung der Aktuatorik der Schaltkupplung zuständig.

CCU Die eigens erstellte Clutch Control Unit (CCU) ist ein den Kupplungen vorgelagertes Steuergerät. Die Modellierung der einzelnen Zustände dieser Kupplung erfolgt mit Hilfe von Petri-Netzen. Folgende Zustände sind damit abgebildet: • Öffnen (Open) • Frei (Free) • verschiedene Schließ-Strategien (Anfahren mit VKM, Start VKM aus E-Fahren, …) • Geschlossen (Closed)

EStorageCU Die EStorageCU beschreibt das Verhalten eines, dem elektrischen Energiespeicher vorgelagerten, Steuergeräts. In der Simulation hat die EStorageCU die Aufgabe, die vom elektrischen Energiespeicher empfangenen Größen dem Fahrzeugbus zuzuführen. Weiters wird der minimale und maximale Ladezustand der Batterie überwacht (SOCmax und SOCmin). Außerdem beinhaltet der Block ein Überlastmodell mit Leistungsbegrenzung.

ElectricStorage Das Modell ElectricStorage bildet das Verhalten von elektrischen Energiespeichern nach. Zur Auswahl stehen in der Modellbibliothek Batteriemodelle und ein SuperCap-Modell. In den Batteriemodellen sind die Eigenschaften von NiMh- und Li-Ionen-Hochleistungsbatterien modelliert und im Superkondensatormodell das Verhalten eines Doppelschichtkondensators. Zum Einsatz kommen vereinfachte Klemmen-Größen-Modelle, die das Verhalten an den Klemmen der Batterie beschreiben. Sie sind vor allem für die Simulation konkreter Anwendungen und Gesamtsysteme geeignet. In der Regel basieren Klemmen-Größen-Modelle auf empirischen Modellen oder auf „einfachen“ Ersatzschaltbildern. Bei den Ersatzschaltbildern muss man berücksichtigen, dass ihre Parameter nicht konstant sind, sondern nichtlinear von Strom, Temperatur, Ladezustand (SOC) und Alterung der Batterie abhängen. Im Beispiel in Abb. 5.6 hängt das Verhalten an der Klemme beim Batteriemodell nur vom SOC ab. Folgende Größen werden in dem Modell berechnet: • aktueller State of Charge (SOC) der Batterie [-] • Batteriespannung [V]

5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen

• • • •

223

Batteriestrom [A] Leistung [W] maximale Ladeleistung [W] maximale Entladeleistung [W]

Abb. 5.6. Ersatzschaltbild von Batterie- und Superkondensatormodell

UL(SOC) ... Leerlaufspannung abhängig vom SOC [V] UBatt ....... Batterie-Klemmenspannung [V] USC ......... Superkondensator-Klemmenspannung [V] Ri(SOC) ..... Innenwiderstand abhängig vom SOC [] Rd(SOC) ..... dynamischer Widerstand abhängig vom SOC [] Cd(SOC) ..... dynamische Kapazität abhängig vom SOC [F]

EUnit Die EUnit umfasst die Modellierung der E-Maschine EM, des Umrichters sowie des zugehörigen Steuergerätes EMCU. Mit diesem wird das von der EM geforderte Moment festgelegt, wie beispielsweise das Moment zum Starten der VKM. Im Modell der E-Maschine werden das Trägheitsmoment des Rotors, das Dauervolllastmoment der EM sowie ein zeitabhängiges Überlastverhalten simuliert. Des Weiteren ist ein Wirkungsgradkennfeld für die E-Maschine und des Umrichters hinterlegt.

5.3.2 Beispiel Betriebsstrategie Wie bereits in Kapitel 5.1 angeführt, unterliegen die einzelnen Betriebszustände des Fahrzeugs definierten Bedingungen. Nachfolgend wird eine heuristische Betriebsstrategie für das in Abb. 5.3 und Abb. 5.4 gezeigte Parallelhybridkonzept erläutert. In dieser Basisbetriebsstrategie sind noch keine Komfort- bzw. Thermomanagementanforderungen berücksichtigt.

224

5 Antriebsstrangmanagement

Das Konzept erlaubt grundsätzlich die nachfolgend angeführten Betriebsmodi, die nach der Priorität, mit der die Strategie versucht sie zu aktivieren, aufgelistet sind. Wenn z. B. der reine VKM-Betrieb an letzter Stelle steht, bedeutet dies, dass nur mit dem Verbrennungsmotor gefahren wird, wenn alle anderen Betriebsmodi nicht möglich sind. Im Stillstand: • Lastpunktanhebung (LPA) im Stillstand • Motor aus (Start/Stopp) Beim Fahren: • Rekuperation • Lastpunktanhebung (LPA) • Elektrisches Fahren (mit Sonderfall „Segeln“) • Boosten • Reiner VKM-Betrieb

Lastpunktanhebung (LPA) im Stillstand Die Bedingung für diesen Betriebsmodus ist, dass sich das Fahrzeug im Stillstand befindet und Bedarf an elektrischer Energie zum Nachladen der Batterie besteht. Weitere Bedingungen werden durch Komfort- und Sicherheitsanforderungen gestellt. Bei dieser Form der Lastpunktanhebung handelt es sich um die Generierung von Strom im Stillstand. Die Lastpunktanhebung im Stillstand wird in der Regel nur dann angewendet, wenn dringend Strom erzeugt werden muss. Bei der Lastpunktanhebung im Stillstand ist die Kupplung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem E-Motor geschlossen und die Kupplung zwischen dem E-Motor und dem Getriebe geöffnet. Die Berechnung des energieeffizientesten Punkts für Lastpunktanhebung im Stillstand erfolgt mittels (5-7) Durch Kürzen im Bruch ergibt sich (5-8) beStillstand–LPA ......... berechneter Kraftstoffverbrauch zur Erzeugung und zum Einsatz der elektrischen Energie [g/kWh] beVKM .................. spez. Verbrauch im Betriebspunkt der VKM [g/kWh] PVKM ................... Leistung der VKM bei bestimmter Drehzahl und Moment [kW]

K gen .................... Wirkungsgrad der E-Maschine im generatorischen Betrieb bei n und MEM K batein .................. Einspeisewirkungsgrad der Batterie K bataus .................. Ausspeisewirkungsgrad der Batterie K ..................... geschätzter Wirkungsgrad der E-Maschine für den Einsatz der elektmot

rischen Energie (z. B. Statistikdaten)

5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen

225

Aus Komfort- und Sicherheitsanforderungen ist vorgesehen, dass man eine Drehzahl- und Momentgrenze angibt, bis zu der eine LPA im Stillstand gestattet werden soll. Es wird dann der effizienteste Betriebspunkt ermittelt, der unterhalb dieser Drehzahlgrenze liegt. Eine Beschränkung der Drehzahl und des Moments soll verhindern, dass sich eine zu große Geräuschentwicklung bzw. ein zu heißer Abgasstrom im Stillstand des Fahrzeugs ergibt.

Motor aus (Start/Stopp) Befindet sich das Fahrzeug im Stillstand und die VKM im Leerlauf, wird der Verbrennungskraftmotor ausgeschaltet. Bei häufigem Anfahren aus dem Stillstand, dem so genannten „Stop & Go“-Betrieb, verringert diese Maßnahme den Verbrauch und somit die Emissionen erheblich. Die Bedingungen für Start/Stopp (Motor aus) lauten: • Bremspedal ist betätigt und • Fahrzeug wird mit einer Geschwindigkeit kleiner 1 km/h betrieben.

Rekuperation Durch Rekuperation kann ein Teil der Bremsenergie, der bei einer konventionellen mechanischen Bremse in Wärme umgewandelt wird, in Form von elektrischer Energie in der Batterie zwischengespeichert werden. In der Simulation werden auch die Fahrtwiderstände und die Verluste im Antriebsstrang berücksichtigt, welche die rekuperierbare Energie verringern, wie beispielhaft in Abb. 5.7 dargestellt.

Abb. 5.7. Beispiel rekuperierbare Bremsenergie eines Oberklassefahrzeugs im NEFZ

Grundsätzlich gilt für jede Art der Rekuperation die Vorbedingung, dass der SOC unter einer vorgegebenen Obergrenze liegen muss. Diese Grenze wird meist aus Lebensdauergründen vorgegeben und liegt je nach Batterietechnologie und Einsatzzweck

226

5 Antriebsstrangmanagement

in einem Bereich von 65 – 80 %. Es können zwei Arten der Rekuperation unterschieden werden: normaler Bremsvorgang und Simulation des Schleppverhaltens. •

Bremsvorgang durch Rekuperation: Wird eine Bremsung durch Betätigung des Bremspedals vom Fahrer eingeleitet und damit eine bestimmte Verzögerung gefordert, kann im generatorischen Betrieb der E-Maschine ein Bremsmoment aufgebracht werden und die so erzeugte elektrische Energie der Batterie zur Speicherung zugeführt werden. Die Rekuperationsleistung wird durch die maximale Leistung begrenzt, die in die Batterie eingespeist werden kann. Wird vom Fahrer mehr Bremsleistung gefordert, als elektrisch aufgebracht werden kann, wird die Differenzleistung mit der mechanischen Bremsanlage gebremst.

•

Simulation des Schleppverhaltens mittels Rekuperation: Geht der Fahrer vom Gaspedal, wird bei dieser Art der Rekuperation das Verzögerungsverhalten des Fahrzeugs infolge des Schleppmoments des Verbrennungsmotors simuliert. Dazu wird die VKM entkoppelt und die E-Maschine bringt ein Moment auf, welches dem Schleppmoment des Verbrennungsmotors entspricht. Diese Form der Rekuperation ist in der Simulation nur beim Betriebsmodus EFahren implementiert.

Ein regeneratives Bremsen wird durchgeführt, wenn unter anderen folgende Bedingungen erfüllt sind: • der Fahrer betätigt das Bremspedal, • der elektrische Energiespeicher darf weiter beladen werden, • die Schaltkupplung ist geschlossen und • die Fahrzeuggeschwindigkeit ist größer als 1 km/h. Sind die angeführten Bedingungen erfüllt, dann wird das Fahrzeug mit Hilfe des EM verzögert und elektrische Energie in den elektrischen Energiespeicher geladen.

Lastpunktanhebung (LPA) Bei einer Lastpunktanhebung wird die E-Maschine generatorisch betrieben. Zusätzlich zu dem für den Fahrzeugantrieb vom Verbrennungsmotor geforderten Moment Msoll, siehe Abb. 5.8, wird ein Moment auf die Kurbelwelle aufgebracht. Dabei kann der Betriebspunkt der VKM in Bereiche besseren spezifischen Verbrauchs verschoben werden. Im Gegensatz zu einem konventionellen Antriebsstrang erzeugt die Verbrennungskraftmaschine unter angehobener Last mehr Leistung als für den Antrieb des Fahrzeugs gefordert. Diese Mehrleistung wird vom Generator in elektrische Leistung umgewandelt und einem elektrischen Energiespeicher zugeführt und steht damit für den Antrieb mit der Elektromaschine zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung. Um eine Lastpunktanhebung bezüglich der Effizienz beurteilen zu können, müssen diese Leistungsflüsse berücksichtigt werden.

5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen

227

Abb. 5.8. Prinziperklärung Lastpunktanhebung bei konstanter Drehzahl [107]

Soll eine Lastpunktanhebung die Effizienz des Hybridantriebsstrangs steigern, so muss die zum Vortrieb des Fahrzeugs umgesetzte Leistung (aus VKM- und E-Antrieb) bei einem kleineren spezifischen Verbrauch erzeugt werden als bei konventionellem Betrieb ohne Elektromaschine (nur Verbrennungsmotor). Der spezifische Verbrauch des konventionellen Antriebsstrangs wird nach Formel (5-9) errechnet. (5-9) mit: be(konv) ................ spezifischer Verbrauch des konventionellen Antriebsstrangs [g/kWh] BEBP ................. Absolutverbrauch im Betriebspunkt der VKM [g/h] PVKM ................. Leistung der VKM im Betriebspunkt [kW] Gemäß Abb. 5.8 geht man bei der Berechnung des spezifischen Verbrauchs für eine Lastpunktanhebung nach Formel (5-10) vor. (5-10) mit: be(LPA)

n=konst

......... spezifischer Verbrauch bei Lastpunktanhebung unter Berücksichtigung der erzeugten und eingesetzten elektrischen Energie [g/kWh]

228

5 Antriebsstrangmanagement –

PEM · K gen · K batein· K bataus· K Mot ....... mechanische Leistung der E-Maschine, die später von der E-Maschine nach Berücksichtigung der Wirkungsgrade aller elektrischen Komponenten abgegeben werden kann [kW] BE(MVKM) ............. Absolutverbrauch der VKM bei n und [g/h], siehe auch Abb. 5.8 Psoll .................... Leistung der VKM bei n und [kW] Msoll ................... gefordertes Moment der VKM [Nm] PEM .................... Leistung des Elektromotors bei n und MEM [kW] MEM .................... Moment des E-Motors, mit dem die Last der VKM angehoben wird (Lastanhebemoment) [Nm]

K gen .................... Wirkungsgrad der E-Maschine im generatorischen Betrieb bei n und MEM (aus Kennfeld)

K batein .................. Einspeisewirkungsgrad der Batterie K bataus .................. Ausspeisewirkungsgrad der Batterie – K Mot .................... geschätzter Wirkungsgrad der E-Maschine für den Einsatz der elektrischen Energie (z. B. Statistikdaten)

Da bei dem gegenständlichen Hybridkonzept die E-Maschine direkt an die Kurbelwelle der VKM gekoppelt ist, sind die Drehzahlen der beiden Aggregate gleich groß. Formel (5-10) lässt sich dadurch in folgender Form anschreiben: (5-11) mit: be(MVKM) .... spezifischer Verbrauch der VKM bei n und MVKM [g/kWh] Die Lastpunktanhebung MEM ist bei gegebener Drehzahl n einerseits durch das maximale Moment der VKM und andererseits durch das maximale Moment der verwendeten E-Maschine begrenzt. Stellt man die Berechnung für be(LPA) nach Formel (5-11) schrittweise für jeden Betriebspunkt der VKM und jedes Lastanhebemoment MEM an, ergeben sich für jeden Betriebspunkt die spezifischen Verbrauchswerte der Lastpunktanhebung über dem Lastanhebemoment. Die Größen, die eine Lastanhebung in einem bestimmten Betriebszustand eindeutig definieren, sind somit: • geforderte Drehzahl der VKM (n) • gefordertes Moment der VKM (Msoll) • Lastanhebungsmoment (MEM) Abb. 5.9 zeigt den Verlauf des spezifischen Verbrauches be(LPA) bei Lastpunktanhebung. Es handelt sich um die Berechnung von be(LPA) in einem bestimmten Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine (VKM). Ziel ist es, den geringsten spezifischen Verbrauch zu ermitteln (siehe markierter Punkt).

5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen

229

Exemplarisch ist in Abb. 5.9 ein Betriebspunkt der VKM mit den möglichen Lastanhebungsmomenten auf der Abszisse und den zugehörigen spezifischen Verbrauchswerten (be(LPA)) auf der Ordinate dargestellt. Die waagrechte Linie zeigt den spezifischen Verbrauch der VKM ohne Lastpunktanhebung (be(P )), d. h. bei MEM = 0. Der Anstieg VKM des spezifischen Verbrauchs be(LPA) bis zu einem Lastanhebemoment von ca. 10 Nm wird dadurch verursacht, dass die spezifische Verbrauchsverbesserung in diesem Bereich die vielen Energieumwandlungsverluste nicht kompensieren kann, sowie durch den schlechten Wirkungsgrad der E-Maschine bei kleinen Momentwerten MEM.

Abb. 5.9. be(LPA) über LPA-Moment für effiziente LPA bei Betriebspunkt MVKM =15 Nm und n = 2000 U/min [107]

Abb. 5.10. be(LPA) über LPA-Moment für ineffiziente LPA im Betriebspunkt der VKM [107]

230

5 Antriebsstrangmanagement

Für die Betriebsstrategie wählt man das LPA-Moment mit dem geringsten be(LPA) (in dem gezeigten Beispiel wären dies ein Lastanhebemoment von MEM = 105 Nm – siehe markierter Punkt in Abb. 5.9) aus. Wird im Betrieb vom Fahrer bei n = 2000 U/min auf Grund der Gaspedalstellung ein Moment von 15 Nm gefordert, so gibt die Betriebsstrategie vor, das Moment der VKM mit dem E-Motor in diesem Betriebspunkt um 105 Nm anzuheben. Die so erzeugte elektrische Energie wird in der Batterie gespeichert. Wird in weiterer Folge garantiert, dass diese durch Lastpunktanhebung erzeugte gespeicherte elektrische Energie im Durchschnitt bei einem elektrischen Wirkungsgrad – – des E-Motors K mot, Betrieb  K mot für den Antrieb eingesetzt wird, so ist mindestens eine Effizienzsteigerung, wie sie nach Formel (5-11) errechnet wird, erreicht. –

K mot, Betrieb ........... Wirkungsgrad der E-Maschine im entsprechenden Betriebspunkt – K mot .................... gemittelter Wirkungsgrad der E-Maschine Ein Vorteil dieser Auswertung ist, dass hier auch der Spezialfall MEM = 0 als Lösung möglich ist, d. h. der Betrieb der VKM ohne LPA. Dies vereinfacht die Auswertung der Daten, da auf einen Vergleich von dem minimalen be(LPA) in jedem Betriebspunkt der VKM mit dem konventionellen spezifischen Verbrauch VKM verzichtet werden kann. In Abb. 5.10 ist ein Betriebspunkt der VKM gewählt, in dem eine Lastpunktanhebung zu einem Mehrverbrauch führen würde. be(LPA) liegt immer über dem spezifischen Verbrauch des Verbrennungsmotors, womit das Minimum der spezifischen Verbrauchs mit LPA bei MEM = 0 liegt, was einem konventionellen Antrieb ohne Elektromotor entspricht.

Abb. 5.11. Darstellung der Lastanhebemomente im Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine [107]

Abb. 5.11 zeigt in dreidimensionaler Darstellung für alle Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine (Horizontalebene), mit welchem Drehmoment Last angehoben werden soll, um den Betrieb der VKM effizienter zu gestalten.

5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen

231

Die hellen Punkte in der X-Y-Ebene zeigen die Punkte, in denen die VKM betrieben wird, wenn die Lastanhebung erfolgt. Es handelt sich um das Moment, das sich aus der Addition von Msoll und MEM ergibt. Die Linie in der X-Y-Ebene zeigt das maximale Moment der Verbrennungskraftmaschine. Weiters zeigt Abb. 5.11, dass es für das betrachtete Aggregat nur einen engen Bereich gibt, in dem sich eine Lastpunktanhebung auszahlt. Dies resultiert daraus, dass die Vorgabe für die oben vorgestellte Lastpunktanhebungsstrategie lautet, einen besseren spezifischen Verbrauch zu erzielen, als die verwendete Verbrennungskraftmaschine im konventionellen Betrieb aufweist. Wird dringend Strom zum Nachladen der Batterie benötigt, z. B. nach mehreren Volllastbeschleunigungen, kann eine Lastpunktanhebung aktiviert werden, auch wenn damit keine Verbrauchseinsparung möglich ist. In diesem Fall erfolgt eine „Kostenbetrachtung“ des mit Lastanhebung erzeugten Stroms, wobei, ähnlich zu der oben beschriebenen Berechnung, ein Lastanhebungsmoment berechnet wird, welches den geringsten Mehrverbrauch aufweist. Die Lastpunktanhebung wird aktiv, wenn unter anderen folgende Bedingungen erfüllt sind: • der elektrische Energiespeicher ist nicht vollständig aufgeladen, • das Bremspedal ist nicht betätigt, • die Lastpunktanhebung ist für den augenblicklichen Betriebspunkt entweder energetisch sinnvoll oder auf Grund eines dringenden Bedarfs an elektrischer Energie notwendig und • die VKM ist gestartet.

Elektrisches Fahren (E-Fahren) Beim Betriebsmodus Elektrisches Fahren wird die vom Fahrer geforderte Leistung ohne Unterstützung der VKM nur von der E-Maschine aufgebracht, um den gewünschten Fahrzustand herzustellen. Abb. 5.12 zeigt, in welchem Bereich E-Fahren von der Betriebsstrategie zugelassen wird. Dieser Bereich erstreckt sich von der Linie des maximalen E-Maschinen-Moments bis zum Bereich der Lastpunktanhebung. Im Falle eines hohen SOC wird auch in diesem Bereich elektrisch gefahren. Nachstehend sind die wesentlichen Bedingungen für den Betriebszustand Elektrisches Fahren angeführt: • das maximal von der E-Maschine abrufbare Moment ist größer als das zum Erreichen des gewünschten Fahrzustandes benötigte Moment, • der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers ist ausreichend hoch, • die geforderte elektrische Leistung kann vom Energiespeicher bereitgestellt werden und • das Bremspedal ist nicht betätigt. Ein Sonderfall des elektrischen Fahrens ist das so genannte Segeln. Dabei wird der Antriebsstrang ohne aktiven Antrieb betrieben, d. h., sowohl der Verbrennungsmotor als auch die E-Maschine sind nicht aktiviert.

232

5 Antriebsstrangmanagement

Abb. 5.12. Bereiche der Betriebsstrategie für E-Fahren [107]

Boosten Beim Boosten wird zusätzlich zum abgegebenen Moment des Verbrennungsmotors MVKM ein Moment vom Elektromotor MEM an den Getriebeeingang aufgebracht, siehe Abb. 5.13. Dieses zusätzliche Moment hat die gleiche Wirkrichtung und unterstützt damit das Moment des Verbrennungskraftmotors. Damit können entweder dynamische Anfahrschwächen, wie beispielsweise bei Turbomotoren die Zeit für den Aufbau des Ladedrucks, überbrückt oder generell höhere Antriebsmomente realisiert werden. Da dies nur bei einem ausreichenden Ladezustand der Batterie möglich ist, muss mittels der Betriebsstrategie gewährleistet werden, dass für den Fahrer immer ein reproduzierbares Beschleunigungsverhalten sichergestellt wird. Ein Beispiel für eine derartige Betriebsstrategie ist in Kapitel 6.12, AVL Turbohybrid, beschrieben.

Abb. 5.13. Prinziperklärung Boosten [107]

5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen

233

Alternativ kann ein zusätzliches Drehmoment der E-Maschine auch zur Lastpunktabsenkung des Verbrennungsmotors eingesetzt werden, um den Betriebspunkt der VKM in Bereiche besseren spezifischen Verbrauchs zu verschieben. Wenn beispielsweise das gewünschte Sollmoment über dem Moment mit minimalem Verbrauch liegt, wird, sofern der Batterieladezustand es erlaubt, der Verbrennungsmotor im Punkt mit minimalem Verbrauch betrieben und die Differenz vom Elektromotor aufgebracht, siehe Abb. 5.13. Dabei muss die Wirkungsgradkette für die Erzeugung und den Einsatz der elektrischen Energie berücksichtigt werden. Die wichtigsten Kriterien zur Aktivierung von Boosten sind die folgenden: • der elektrische Energiespeicher hat einen ausreichend hohen Ladezustand und • das geforderte Moment liegt über dem bei der aktuellen Drehzahl maximal möglichen Moment der VKM oder das geforderte Moment liegt über dem verbrauchsoptimalen Moment der VKM.

Reiner VKM-Betrieb Der Hybridantriebsstrang wird dann ausschließlich mit der VKM betrieben, wenn sämtliche „hybrid-spezifischen“ Betriebsmodi nicht möglich bzw. nicht effizient sind. Zusammengefasst kann man sagen, dass ein reiner VKM-Betrieb dann stattfindet, wenn: • das Fahrzeug sich nicht im Stillstand befindet • keine Lastpunktanhebung (LPA) stattfindet, weil entweder der Betriebspunkt außerhalb des LPA-Bereichs liegt oder kein Strom benötigt wird • elektrisches Fahren nicht möglich ist • Boosten nicht möglich ist

5.3.3 Beispiel für Dimensionierung der E-Komponenten Als Beispiel für die Anwendung des Simulationswerkzeugs werden in diesem Kapitel Rechenergebnisse für das in Abb. 5.3 und Abb. 5.4 gezeigte Parallelhybridkonzept erläutert. Dabei wurden die Eigenschaften der E-Komponenten variiert, um die Auswirkungen einer unterschiedlichen Dimensionierung auf die Bewertungsgrößen Beschleunigungsvermögen sowie Energieverbrauch aufzuzeigen. Der Antriebsstrang soll als Downsizing-Konzept ausgeführt werden, d. h., die Basis bildet ein konventionelles Fahrzeug mit einem Sechszylinder-Dieselmotor (3 l D), welcher in der Hybridvariante durch einen Vierzylinder-Dieselmotor (2 l D) in Kombination mit unterschiedlichen EMotoren ersetzt wird. Differenzial- und Getriebeübersetzungen für die Hybridvarianten werden für diese Betrachtung nicht geändert. Im Folgenden werden Volllastbeschleunigungen von 0 auf 100 km/h zur Bewertung des Beschleunigungsverhaltens sowie der Verbrauch im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEDC) untersucht. Um den Einfluss von Asynchronmaschinen (ASM) unterschiedlicher Dauerleistungen im Hybridantriebsstrang zu untersuchen, werden Aggregate mit 10 kW, 20 kW und 30 kW Dauerleistung implementiert. Da für die nachfolgende Variationsrechnung die drei unterschiedlichen Asynchronmaschinen aus einer Maschine skaliert worden sind, ist das Überlastverhalten, wie in Abb. 5.14 qualitativ dargestellt, für alle drei Maschinen gleich.

234

5 Antriebsstrangmanagement

Das gewählte Beispiel enthält kein thermisches Modell der Asynchronmaschinen. Zur Berücksichtigung der Überlastfähigkeit ist eine maximale Überlastzeit von 10 s festgelegt. Es ist zu erkennen, dass die Überlastleistung bis zum Feldschwächbereich der ASM nahezu um das Fünffache der Dauerleistung ansteigen kann. Erst nach Erreichen des Feldschwächbereichs fällt die Leistung entsprechend dem Drehmoment wieder ab, siehe auch Kapitel 4.2.1.

Abb. 5.14. Dauer- und Überlastverhalten einer Asynchronmaschine [108]

Als zweiter Variationsparameter soll die Speicherkapazität und damit die Masse des elektrischen Energiespeichers untersucht werden. Für die Betrachtung der Fahrleistung und des Primärenergieverbrauchs sind die spezifische Energie (Wh/kg) und die spezifische Leistung (W/kg) des Energiespeichers wichtige Kriterien für die Auswahl der Speichertechnologie. Im Beispiel wird eine NiMh-Batterie mit unterschiedlicher Zellenanzahl in das Simulationsmodell implementiert, siehe Tabelle 5.1. Bei Erhöhung der Speicherkapazität über die Zellenanzahl steigt somit, bei gleichen spezifischen Werten, auch die maximal mögliche Leistungsabgabe bzw. maximal mögliche Leistungsaufnahme, was besonders für Beschleunigungs- oder Bremsvorgänge relevant ist. Wie zuvor beschrieben, ist für Volllastbeschleunigungen vorgesehen, das Überlastvermögen der ASM auszunutzen. Dazu ist es notwendig, den Energiespeicher dahingehend auszulegen, dass die zur Nutzung des Potenzials benötigte Energie bereitgestellt werden kann. Wie Tabelle 5.1 verdeutlicht, können auch NiMh-Batterien bei Überlast betrieben werden. Dies ist aus thermischen Gründen jedoch nur kurzzeitig möglich. In den meisten Fällen ist im Überlastbetrieb die ASM im Vergleich zur Batterie der thermisch kritischere Bauteil. Bedingt durch die Vorgabe, dass die ASM nur 10 s im Überlastbetrieb operieren kann, ist dadurch auch die maximale Überlast für die Batterie festgelegt. Abb. 5.15 zeigt die geschwindigkeitsabhängige theoretische, elektrische Leistungsaufnahme der E-Maschinen sowie die maximale Leistung einer Batterie und

235

5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen

eines massegleichen SuperCap-Moduls (SC 136 Mod) bei einer Volllastbeschleunigung von 0 auf 100 km/h für das Parallelhybridkonzept. Tabelle 5.1. Daten der verwendeten NiMh-Batterien NiMh-Batterie Zellenanzahl [-] Nennspannung [V]

28

42

56

70

201,6

302,4

403,2

504,0

Max. Dauerentladestrom [A]

80

80

80

80

Max. Dauerladestrom [A]

80

80

80

80

Max. Überlastentladestrom [A]

120

120

120

120

Max. Überlastladestrom [A]

80

80

80

80

Energieinhalt [kWh]

1,31

1,97

2,62

3,28

Max. Dauerleistung [kW]

15,66

23,49

31,32

39,14

Max. Überlastleistung [kW]

21,87

32,81

43,75

54,68

38

54

70

86

Masse [kg]

Abb. 5.15. Elektrische Leistungsaufnahme bzw. -abgabe der simulierten Komponenten im Überlastbetrieb bei einer Volllastbeschleunigung [108]

Bei den Schaltvorgängen zeigt sich ein Ansteigen der elektrischen Leistungsaufnahme der unterschiedlichen Asynchronmaschinen. Dies resultiert daraus, dass im Zuge eines Schaltvorgangs das Drehzahlniveau der ASM deutlich abgesenkt wird und dadurch eine bessere Überlastfähigkeit gegeben ist. Die hier auftretenden elektrischen Leistungsspitzen im Überlastbetrieb können von den betrachteten Batterien nicht abgedeckt wer-

236

5 Antriebsstrangmanagement

den. Neben der Überlastleistung der NiMh-Batterie mit 70 Zellen sind in Abb. 5.15 auch die Werte eines massegleichen SuperCap-Moduls (SC 136 Mod) eingezeichnet. In Abb. 5.16 sind die Beschleunigungszeiten für Volllastbeschleunigungen von 0 auf 100 km/h für die zuvor beschriebenen Varianten dargestellt. Als Basis mit 100 % ist der Wert für das konventionelle Fahrzeug mit einem Sechszylinder-Dieselmotor (3 l D) eingetragen. Die Hybridvarianten besitzen jeweils einen Vierzylinder-Dieselmotor (2 l D) in Kombination mit einem 10 – 30 kW Asynchron-Elektromotor. Die Batterien werden in der Abbildung nicht auf ihre Module, sondern auf die Masse bezogen.

Abb. 5.16. Vergleich der Volllastbeschleunigung von 0 auf 100 km/h für verschiedene Parallelhybridvarianten [108]

Wie aus Tabelle 5.1 und Abb. 5.15 ersichtlich, ist es für die simulierten Batterien nicht möglich, die verschiedenen ASM im Überlastbetrieb vollständig mit Energie zu versorgen. Auf Grund des Umstands, dass mit steigender Leistung die Masse der ASM steigt, erweist sich für die kleinste Batterie die 10 kW ASM als beste Wahl der simulierten Varianten. Mit steigender Batteriegröße wird die 10 kW ASM in Gebieten immer größer werdender Überlast betrieben, in denen der Wirkungsgrad immer stärker sinkt. Dies hat zur Folge, dass die 10 kW ASM mit steigender Batteriegröße im Vergleich zu den beiden anderen ASM die geringste Leistung abgeben kann. Auf Grund der erheblichen Masseunterschiede der verschiedenen ASM zeigt sich, dass für den Batteriebetrieb der Antriebsstrang mit der 20 kW ASM das beste Verhältnis von abgegebener Leistung zur Masse hat und demzufolge die besten Fahrleistungen liefert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass es bei der Hybridvariante mit vergleichbar geringen elektrischen Leistungen bei optimaler Dimensionierung von E-Maschine und Batterie möglich ist, nahezu die gleichen Beschleunigungswerte von 0 auf 100 km/h zu erreichen, wie das mit einem wesentlich größeren Verbrennungsmotor ausgestattete Referenzfahrzeug. Als weitere Bewertungsgröße wurde der Kraftstoffverbrauch im NEDC mit den unterschiedlichen Varianten berechnet. Bei der Berechnung wurde auf einen balancierten Ladezustand des Energiespeichers geachtet. Darunter ist zu verstehen, dass sich am

5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen

237

Beginn des Zyklus die gleiche Energiemenge im elektrischen Energiespeicher befindet wie am Ende des Zyklus. Wie aus Abb. 5.17 deutlich hervorgeht, zeichnen sich die „Downsizing“-Hybridvarianten im NEDC durch einen bedeutend geringeren Energieverbrauch im Vergleich zum Referenzfahrzeug aus, allerdings bei geringerer Dauerleistung. Der Wechsel der Verbrennungskraftmaschine von 3 l D auf 2 l D alleine würde einen bezogenen Energieverbrauch von 86 %, d. h. eine Einsparung von 14 %, bewirken (nicht im Bild dargestellt). Durch die zusätzliche Hybridisierung werden Verbesserungen von rund 35 % erreicht. Bei der Variation der Batteriegröße zeigt sich, dass die Vorteile einer größeren Batterie in Bezug auf Leistungs- und Speicherfähigkeit durch das Mehrgewicht kompensiert werden. Tendenziell bringt die Vergrößerung der Leistung bei der ASM Vorteile in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch im NEDC. Bei diesen Berechnungen wurde eine zusätzliche Variante, mit im Vergleich zu den Batterien massegleichen SuperCaps, simuliert. Diese können das Rekuperationspotenzial am besten nützen und erreichen damit speziell mit den stärkeren E-Maschinen die niedrigsten Verbrauchswerte.

Abb. 5.17. Verbrauchsvergleich mit den untersuchten Hybridvarianten im NEDC [108]

Dieses einfache Dimensionierungsbeispiel soll aufzeigen, wie komplex die Zusammenhänge bei der Auswahl und Dimensionierung der Komponenten sind. In der Praxis sind bei der Auslegung eine Vielzahl von Bewertungsgrößen, Anforderungen, Einsatzbereichen etc. zu berücksichtigen, weshalb ohne detaillierte Modellierung und Simulation keine optimale Lösung gefunden werden kann.

5.3.4 Betriebsstrategien unter Einbeziehung des Thermomanagements Wie bereits beschrieben, werden die einzelnen Betriebsmodi eines Hybridfahrzeugs durch die Betriebsstrategie festgelegt. In diesem Kapitel werden anhand eines Beispiels die Auswirkungen von verschiedenen Betriebsstrategien auf den Kraftstoffverbrauch aufgezeigt. Bei dem Beispiel soll zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Eingangsgrö-

238

5 Antriebsstrangmanagement

ßen auch die Motortemperatur eingebunden werden, um in der Warmlaufphase jene Betriebsmodi zu priorisieren, die zu einem schnelleren Warmlauf führen [110]. Die zusätzlichen Komponenten des Hybridfahrzeugs: Umrichter, elektrische Maschine und Batterie, weisen Verluste auf, die als Wärme über geeignete Kühlsysteme abgeführt werden müssen, um die Einhaltung der jeweiligen Temperaturgrenzen sicherzustellen. Es bietet sich an, eine Vernetzung der Kühlsysteme dieser Komponenten mit dem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors zu untersuchen, um eventuelle Synergien durch eine Lenkung der Wärmeströme von den Komponenten zum Verbrennungsmotor zu identifizieren. Ausgangspunkt ist ein konventionelles Fahrzeug (SUV) mit einer Masse von 1885 kg, dem die in Abb. 5.18 dargestellten elektrischen Komponenten hinzugefügt werden. Dadurch entsteht ein Vollhybrid mit einer Masse von 2045 kg. Die Kupplung K1 zwischen dem Ottomotor mit einer Leistung von 147 kW und dem Elektromotor mit 35,5 kW ermöglicht rein elektrisches Fahren. Über die Kupplung K2 wird die Verbindung zum automatisierten Schaltgetriebe hergestellt. Die NiM-Batterie mit einem Energieinhalt von 2,6 kWh und einer Spannung von 400 V kann mit maximal 48 kW entladen und 32 kW geladen werden. Die Batterie wird in einem Ladefenster von SOC = 20 % bis SOC = 80 % betrieben.

Abb. 5.18. Struktur des Antriebstrangs [110]

Mit diesem Hybridantriebsstrang lassen sich folgende Betriebsmodi darstellen: 1. Start/Stopp: Abschalten des Verbrennungsmotors bei Fahrzeugstillstand 2. Rekuperation der kinetischen Energie beim Bremsen 3. Lastpunktanhebung: Erhöhung der Motorlast zu Betriebspunkten mit besserem spezifischen Verbrauch durch generatorischen Betrieb des Elektromotors 4. Elektrisches Fahren bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor 5. Boosten: Unterstützung des Verbrennungsmotors durch den Elektromotor 6. Verbrennungsmotorisches Fahren: Bereitstellung des angeforderten Moments durch den Verbrennungsmotor bei inaktivem Elektromotor Mittels einer intelligenten Betriebsstrategie werden diese Betriebsmodi aktiviert, wobei als Eingangsgrößen der aktuelle Betriebszustand des Fahrzeugs, die momentane

5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen

239

Lastanforderung, der Batterieladezustand usw. einfließen und als Zielgröße ein minimaler Kraftstoffverbrauch steht. Bezüglich des Batterieladezustands ist es wichtig, dass die durch Rekuperation und Lastpunktanhebung in die Batterie eingespeiste Energie durch elektrisches Fahren wieder abgebaut wird, weshalb eine SOC-Hysterese zwischen 60 % und 80 % des SOC definiert wird. Beim Durchlaufen der Hysterese nach oben wird der Modus Lastpunktanhebung zugelassen. Beim Durchlaufen nach unten wird dieser gesperrt, sodass die Funktion „Elektrisches Fahren“ zum Tragen kommt. Bei der Einbeziehung des Thermomanagements wird nun auch der thermische Zustand der Komponenten bei der Aktivierung der einzelnen Betriebsmodi berücksichtigt. Dazu werden das Aufwärmverhalten der relevanten Komponenten und der Temperatureinfluss auf den Wirkungsgrad im Simulationsmodell des Fahrzeugs abgebildet. Die Erwärmung der einzelnen Komponenten ist die Folge der Verluste bei der Energieumsetzung. Beim Verbrennungsmotor sind dies neben der Reibung vor allem Wandwärmeverluste aus dem Brennraum. Die Komponenten werden in Teilwärmekapazitäten aufgeteilt, zwischen denen Wärme über thermische Widerstände ausgetauscht werden kann. Die Größen der Wärmekapazitäten sowie der Widerstände werden mit Messergebnissen abgeglichen. Der Wärmeeintrag wird durch entsprechende Kennfelder abgebildet. Umgekehrt werden über den aktuellen Temperaturzustand der einzelnen Komponenten die Verluste bzw. Wirkungsgrade aus entsprechenden Kennfeldern bestimmt. Nach der Integration der Temperaturmodelle in die Antriebstrangmodelle werden Simulationen des NEFZ-Testzyklus durchgeführt. Beim Hybridfahrzeug ergibt sich mit der oben beschriebenen Basisbetriebsstrategie ein Verbrauch von 7,05 l/100 km gegenüber 9,08 l/100 km beim konventionellen Fahrzeug, d. h. eine Reduktion um 22,4 %. Die Temperaturverläufe für die beiden simulierten Fahrzeuge zeigt Abb. 5.19.

Abb. 5.19. Vergleich der Temperaturverläufe von einem konventionellen Fahrzeug und einem Hybridfahrzeug [110]

240

5 Antriebsstrangmanagement

Betriebsstrategien für schnellen Warmlauf – ohne Vernetzung der Kühlkreisläufe Die Kühlkreisläufe von Verbrennungsmotor und Elektromotor werden zunächst nicht gekoppelt, sodass kein Wärmeaustausch zwischen den beiden Komponenten stattfindet. Es wird versucht, nur durch eine geänderte Wahl der Betriebsmodi während der Warmlaufphase Verbrauchsverbesserungen zu erreichen. Während des Warmlaufs werden Funktionen mit hoher Motorlast bevorzugt. Elektrisches Fahren wird bis zum Erreichen der Betriebstemperatur unterbunden, außer es wird schon vorher ein Batterieladezustand von 80 % erreicht. Als zusätzliche Funktion wird der Modus Lastpunktanhebung bei Stillstand des Fahrzeugs (LPA-Stillstand) eingeführt. Dabei ist der Verbrennungsmotor mit der Kupplung K1 an die Elektromaschine gekoppelt, während K2 geöffnet ist, siehe Abb. 5.18. Mit dieser Funktion wird elektrische Energie bei Fahrzeugstillstand generiert, die später zum elektrischen Fahren eingesetzt wird. Da die Energie den elektrischen Pfad beim Laden und beim Entladen durchlaufen muss, ergibt sich ein höherer spezifischer Verbrauch als im gleichen Betriebspunkt ohne Energiezwischenspeicherung: (5-12) beStillstand–LPA ......... berechneter Kraftstoffverbrauch zur Stromerzeugung [g/kWh] beVKM ................. spez. Verbrauch im Betriebspunkt der VKM [g/kWh]

K gen .................... Wirkungsgrad der E-Maschine im generatorischen Betrieb bei n und MEM (aus Kennfeld)

K batein ................. Einspeisewirkungsgrad der Batterie K bataus ................. Abgabewirkungsgrad der Batterie – K mot ................... gemittelter Wirkungsgrad der E-Maschine

Abb. 5.20. Verbrauchskennfeld für die elektrische Energieerzeugung im Stillstand [110]

5.3 Simulation von Hybridfahrzeugen

241

Wenn die Energie aber eingesetzt wird, um, durch elektrisches Fahren, Phasen verbrennungsmotorischen Fahrens oder Phasen der Lastpunktanhebung während des Fahrens zu ersetzen, in denen der spezifische Verbrauch schlechter ist, ergibt sich insgesamt eine Verbesserung. Durch die Wahl eines relativ hohen Lastpunkts entsteht auch ein erhöhter Wärmeeintrag in den Motor. In Abb. 5.20 ist das nach Gleichung (5-12) ermittelte spezifische Verbrauchskennfeld mit den Betriebsgrenzen für die Lastpunktanhebung im Stillstand dargestellt. Durch die Lage des Wirkungsgradoptimums der elektrischen Maschine verschiebt sich das Verbrauchsoptimum des Gesamtsystems zu einer höheren Drehzahl (2850 U/min), die für den Betrieb bei Fahrzeugstillstand zu

Abb. 5.21. Temperaturverläufe, State of Charge (SOC) und kumulierter Verbrauch im NEDC. Vergleich der Betriebsstrategie mit Lastpunktanhebung im Stillstand mit der Basisbetriebsstrategie [110]

242

5 Antriebsstrangmanagement

hoch erscheint. Für die Simulation werden in diesem Betriebsmodus deshalb 1500 U/min und das bei dieser Drehzahl optimale Drehmoment von 113 Nm gewählt. Den Vergleich dieser Betriebsstrategie mit der Basisbetriebsstrategie zeigt Abb. 5.21. Bis Sekunde 200 erfolgt eine Lastpunktanhebung in den Stillstandsphasen im Vergleich zu Start/Stopp bei der Basisvariante. (Die Basisvariante ist im Bild jeweils mit Ref. gekennzeichnet.) Dadurch ergibt sich eine raschere Erwärmung des Kühlmittels und Öls. Ab Sekunde 200 wird das obere Limit des Batterieladezustands erreicht, weshalb ab hier elektrisches Fahren anstelle der Lastpunktanhebung zum Einsatz kommt, obwohl die Betriebstemperatur des Kühlmittels noch nicht ganz erreicht ist. Ab Sekunde 450 stimmen die Betriebsmodi überein, da hier auch mit der Basisbetriebsstrategie das obere Limit der Batterie erreicht wird. Es ergibt sich also zunächst eine deutlich schnellere Erwärmung fast bis zur Betriebstemperatur. Der weitere Anstieg verläuft langsamer, wobei der Einfluss auf den Verbrauch nur mehr gering ist. Ein schnelles Erreichen der Kühlmitteltemperatur wäre nur mit einer höheren Kapazität der Batterie möglich. Die Schnelligkeit des Warmlaufs lässt sich über die Wahl der Drehzahl bei LPA-Stillstand einstellen, wobei eine geringfügig höhere Drehzahl auch eine Effizienzsteigerung durch einen besseren spezifischen Verbrauch bedeuten würde. Mit dieser Strategie wird eine zusätzliche Verbrauchsverbesserung zur zuvor beschriebenen Betriebsstrategie von 2,1 % auf 6,90 l/100 km erreicht. Daneben wird gegebenenfalls bei tiefen Temperaturen auch das Heizverhalten für den Fahrgastraum verbessert.

Betriebsstrategien für schnellen Warmlauf – mit Vernetzung der Kühlkreisläufe Bei einer weiteren untersuchten Betriebsstrategie werden die Kühlkreisläufe der Elektrokomponenten und des Verbrennungsmotors miteinander vernetzt. Dabei wird in der ersten Phase nur elektrisch gefahren und die Abwärme der E-Komponenten zur Aufwärmung des Verbrennungsmotors genützt. Sobald der Batterieladezustand unter eine definierte Schwelle sinkt oder die Momentanforderung des Fahrers über dem Maximalmoment des Elektromotors liegt, werden die Kühlkreisläufe getrennt und der Verbrennungsmotor gestartet. Die Temperatur der elektrischen Komponenten wird dann über den eigenen Kühler und eine eigene Kühlmittelpumpe geregelt. Abb. 5.22 zeigt, dass sich durch diese Art des Vorwärmens nur eine geringe Temperaturerhöhung im Verbrennungsmotor erreichen lässt. Sie beträgt hier 3,5 °C. Das lässt sich durch die kleinen Verlustleistungen der elektrischen Komponenten erklären. Nur während der Beschleunigungsphasen treten Verlustspitzen von bis zu 4 kW auf, während der Konstantfahrt liegen sie bei etwa 1 kW. Diese Verluste müssen außerdem zuerst die elektrische Maschine aufwärmen, bevor Wärme ans Kühlmittel abgegeben werden kann. Nach dem Start des Verbrennungsmotors steigt die Temperatur durch die Lastpunktanhebungen im Stillstand und während der Fahrt schnell an. Die Lastpunktanhebungen sorgen auch für das Wiederaufladen der Batterie.

5.4 Betriebsstrategien mit Prognosefunktionen

243

Abb. 5.22. Temperaturverläufe im NEDC bei E-Fahren nach dem Start und Vorwärmung des Verbrennungsmotors [110]

Der Verbrauch liegt mit dieser Betriebsstrategie bei 6,94 l/100 km, die Einsparung fällt mit 1,6 % kleiner aus als mit der ersten Strategie. Der Anteil der Motorvorwärmung an der Verbrauchseinsparung ist wegen der nur geringen Temperaturerhöhung klein. Die Strategie entspricht dadurch im Wesentlichen der obigen, wobei das elektrische Fahren zeitlich vorgezogen wird. Das Beispiel zeigt, dass das thermische Verhalten einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf den Verbrauch hat und damit in die Modellierung bzw. in die Betriebsstrategie mit einbezogen werden sollte. Daneben müssen auch Auswirkungen auf die Abgasemissionen berücksichtigt werden, da Schaltschwellen für diverse Motorfunktionen bzw. manche Kennfelder temperaturabhängig sind.

5.4 Betriebsstrategien mit Prognosefunktionen Die Schwierigkeit bei der Erstellung von Betriebsstrategien ist, dass man das zu fahrende Lastkollektiv in der Regel nicht kennt, siehe auch Kapitel 5.2.1 Einteilung von

244

5 Antriebsstrangmanagement

Betriebsstrategien. Dies ist besonders beim elektrischen Energiespeichermanagement essentiell, da z. B. eine volle Batterie keine Rekuperation zulässt und umgekehrt man mit leerem Speicher nicht boosten kann. Es gibt daher Ansätze zur Entwicklung von Konzepten, die mittels interner Fahrzeuginformationen online eine Prognose des Geschwindigkeits- und Höhenprofils während eines Fahrzyklus vornehmen können [111]. Darauf aufbauend kann die Betriebsstrategie den zukünftigen Leistungs- bzw. Energiebedarf des Fahrzeugs berechnen und vorsteuernde Maßnahmen einleiten, um einen effizienteren Fahrbetrieb zu ermöglichen. Die Grundlage dieses Systemkonzepts ist die Erkennung von Fahrstrecken anhand charakteristischer Lenkradwinkelinformationen und das Anlegen einer Historiendatenbank für die gefahrenen Strecken mit den jeweiligen Geschwindigkeits- und Höhenprofilen. Neben der Effizienzsteigerung kann durch derartige Vorhersagen die Lade- und Entladestrategie der Traktionsbatterie so weit angepasst werden, dass die aufgenommene und abgegebene Leistung einen vorgegebenen Mittelwert über den Fahrzyklus nicht überschreitet, was einen unmittelbaren Einfluss auf das Temperaturverhalten und damit auf die Lebensdauer der Energiespeicher hat. Prinzipiell wird zwischen vorausschauenden Fahrerassistenzsystemen und Konzepten mit Fahrstreckenerkennung unterschieden:

Vorausschauende Fahrerassistenzsysteme Das besondere an diesen Systemen ist, dass sie durch Streckendatenbanken und Fahrzeugumfelderfassung eine Vorausschau des weiteren Streckenverlaufs und der zu erwartenden Verkehrssituation ermöglichen. Die Fahrzeugumfelderfassung kann einerseits über fahrzeuginterne Sensorik wie z. B. Laser-, Radar- oder bildverarbeitende Sensoren und andererseits über infrastrukturgestützte Datenquellen wie z. B. Verkehrsmessschleifen erfolgen. Die in den Datenbanken abgelegten Informationen sind streckenspezifisch, d. h., hier liegen Angaben von Geschwindigkeitsbegrenzungen, Höhenprofile, Kurvenverlauf usw. für die Fahrstrecken vor. Aktuelle und zukünftige vorausschauende Assistenzsysteme sind unter anderem: • Navigationssystem und digitale Karte der 2. Generation • Adaptive Cruise Control (ACC) • Verkehrszeichenerkennung • Car to Car Communication Ein Problem stellt hierbei nicht die technische Machbarkeit dieser Systeme dar, sondern einerseits die Verfügbarkeit in allen Fahrzeugklassen und andererseits die zeitnahe Schaffung einer entsprechenden Infrastruktur für die Fahrzeugkommunikation. Die Integration von derartigen Assistenzsystemen wird auf Grund der Mehrkosten sehr wahrscheinlich vorerst nur den Oberklassefahrzeugen vorbehalten sein und nicht zur Serienausstattung gehören. Hinzu kommt, dass die Bedienung bzw. Aktivierung einiger Systeme, wie z. B. das Navigationssystem, durch den Fahrer erfolgt. Dadurch ist es möglich, dass gerade bei häufig gefahrenen und bekannten Strecken die Start-Zielführung des Navigationssystems eher nicht aktiviert wird, wodurch keine Vorhersagen mehr über den weiteren Streckenverlauf möglich sind.

5.4 Betriebsstrategien mit Prognosefunktionen

245

Fahrstreckenerkennung und Prognose Das Konzept der Fahrstreckenerkennung und Prognose beruht daher darauf, eine bereits in der Vergangenheit gefahrene Strecke anhand charakteristischer Streckeninformationen wieder zu erkennen und die ebenfalls zu den Strecken in einer Historiendatenbank gespeicherten Geschwindigkeits- und Höhenprofile als Prognose zu nutzen. Ein mobiler Durchschnittsbürger legt nach einer Studie des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Wohnungswesen an einem Werktag in Deutschland ungefähr 4 Wege mit dem Pkw zurück [112]. Die Wegzwecke bei der Fahrt sind in Abb. 5.23 dargestellt. Es wird daher angenommen, dass sich die meisten dieser Fahrten beispielsweise zur Arbeit, zum Einkaufen oder zur Freizeitaktivität wiederholen und somit auch die dazugehörigen Strecken häufig gefahren werden.

Abb. 5.23. Wegezwecke in Deutschland [112]

Abb. 5.24 verdeutlicht das Konzept des Prognosesystems und deren Einbindung in die Betriebsstrategie zur Steuerung der Energieflüsse in einem Fahrzeug mit alternativem Antrieb. Zur Erfassung der Streckeninformationen werden ausschließlich Sensorsignale verwendet, die serienmäßig vorhanden sind. Nach Erkennung der Strecke werden die Prognoseinformationen der Betriebsstrategie zur Weiterverarbeitung übergeben. Als internes Fahrzeugsensorsignal für die Fahrstreckenerkennung hat sich der Lenkradwinkel über dem Weg als geeignete Größe herausgestellt. Das Lenkprofil charakterisiert eine Strecke durch positive und negative Ausschläge abhängig von einer Rechts- bzw. Linkskurve an den jeweiligen Wegpunkten. Die Kurvenlänge und der Kurvenradius werden durch die Dauer und Amplitude des Signals repräsentiert. Abb. 5.25 zeigt als Vergleich die Signalverläufe des Lenkradwinkels über den Weg bei zwei Fahrten auf derselben Strecke. Das Signal wird über den Weg aufgetragen, um verkehrsbedingte zeitliche Verzerrungen des Lenkradwinkelverlaufs über dieselbe Strecke zu vermeiden. Das Signal kann hier nur durch unterschiedliche Parkplatzwahl am Anfang oder Ende der Strecke, wie auch in Abb. 5.25 dargestellt, gegeneinander verschoben sein.

246

5 Antriebsstrangmanagement

Abb. 5.24. Konzept der Fahrstreckenerkennung und Prognose [111]

Abb. 5.25. Gemessener Lenkradwinkelverlauf für zwei Fahrten auf derselben Strecke [111]

5.4 Betriebsstrategien mit Prognosefunktionen

247

Die Strecke kann mit Hilfe des Lenkradwinkelsignals, wie in Abb. 5.26 gezeigt, durch das Vorzeichen und die Größe des Lenkradeinschlags hkurve, die Kurvenlänge skurve und den Abstand zwischen zwei Kurven sgerade identifiziert werden. Der Erkennungsalgorithmus vergleicht die approximierten Lenkradwinkelsignale, indem das Vorzeichen, die Höhe und Länge der Amplitude und die Abstände zwischen diesen analysiert werden. Der Algorithmus startet die Prüfung während der aktuellen Fahrt erst dann, wenn zwei Kurven detektiert worden sind. Dabei bleibt der Vergleich nicht auf die ersten beiden Kurven der in der Historiendatenbank abgelegten Strecken beschränkt, da durch die Parkplatzwahl, wie schon erwähnt, Unterschiede am Anfang und Ende der Fahrt gegeben sein können. Um die Güte der Fahrstreckenerkennung zu erhöhen, können mehrere Kurven und Geradeausstrecken der Prüfung unterzogen werden. Hieraus resultiert der Nachteil, dass erst eine längere Wegstrecke gefahren sein muss, bevor der Algorithmus eine mögliche Erkennung ausgibt. Folglich ist ein Kompromiss zwischen frühzeitiger Erkennung und Güte der Erkennung notwendig.

Abb. 5.26. Charakteristische Merkmale im Lenkradwinkelsignal [111]

Nach der Erkennung einer Strecke soll, basierend auf den dazugehörigen gespeicherten Geschwindigkeitsvektoren, eine repräsentative Geschwindigkeitsprognose für den Rest der Strecke ausgegeben werden. Da das Verkehrsaufkommen nicht vorhersehbar ist, wird auch aus Speicherplatzgründen beim vorgestellten System für die Geschwindigkeitsprognose eine wahrscheinlichkeitsbasierte Methode angewendet. Dabei wird aus den jeweiligen Geschwindigkeitsvektoren für jeden gespeicherten Wegpunkt die am häufigsten vorkommende Geschwindigkeit ausgewählt. Falls zu einem Wegpunkt mehrere Geschwindigkeiten die gleiche Wahrscheinlichkeit haben, dann wird diejenige Geschwindigkeit ausgewählt, die der für den vorherigen Wegpunkt am nächs-

248

5 Antriebsstrangmanagement

ten liegt. Dadurch wird unter anderem gewährleistet, dass der Übergang zwischen den Geschwindigkeitsstufen reduziert wird. Abb. 5.27 zeigt den tatsächlichen Geschwindigkeitsverlauf, die prognostizierte Geschwindigkeit und vorhergesagten Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen.

Abb. 5.27. Prognostizierter Geschwindigkeitsverlauf für eine Autobahnfahrt [111]

Die gewonnene Geschwindigkeitsprognose wird nun in die Betriebsstrategie eingebunden, wobei das vorrangige Ziel dabei ist, die nicht optimale Ausnutzung von Rekuperationsenergie auf Grund einer voll geladenen Batterie zu beheben. Dadurch ist es möglich, vor dem Eintreffen von Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen vorsteuernde Maßnahmen für die Energieverteilung einzuleiten. Vorsteuernde Maßnahmen sind zum Beispiel das Entladen der Traktionsbatterie über die Nebenaggregate (u. a. elektrischer Klimakompressor, Bordnetz), um zukünftige Rekuperationsenergie besser ausnutzen zu können. Das Verbesserungspotenzial bei der Verwendung von Prognoseinformationen innerhalb der Betriebsstrategie liegt nach Simulationsergebnissen in einer Erhöhung der genutzten Rekuperationsenergie um 3 % bis 7 % im Vergleich zu der Betriebsstrategie ohne Prognose.

Kapitel 6

Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte 6.1 Toyota Prius Der Toyota Prius ist der bekannteste Vertreter der Sparte der Hybridfahrzeuge. Erstmals auf den Markt gekommen ist er im Oktober 1997 in Japan. 2001 wurde in Amerika und Europa eine überarbeitete Version des Prius der 1. Generation eingeführt und 2003 folgte die 2. Generation. Abb. 6.1 zeigt diese zwei Generationen. Mittlerweile wurde bereits die 3. Generation vorgestellt.

Abb. 6.1. Toyota Prius der 1. Generation (links) [113] und der 2. Generation (rechts) [114]

Das Besondere am Toyota Prius ist sein originärer Hybridantriebsstrang. Im Gegensatz zu den bisher in Serie gegangenen Parallelhybridkonzepten, die auf einem konventionellen Antriebsstrang aufbauen und eine E-Maschine meist vor dem Getriebe

Abb. 6.2. Der Antriebsstrang des Toyota Prius

250

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

integrieren, besitzt der Toyota Prius einen von Grund auf neu entwickelten Hybridantriebsstrang [115], [116]. Das von Toyota als THS (Toyota Hybrid System) bezeichnete System besteht aus einem 4-Zylinder-Benzinmotor, einem Starter-Generator, einem Planetengetriebe, einem Elektromotor-Generator, einem Inverter und einer Hochleistungsbatterie und stellt einen sogenannten Powersplithybrid dar. Abb. 6.2 zeigt den Aufbau des Antriebsstrangs, Abb. 6.3 ein Schnittbild des elektrisch leistungsverzweigten Getriebes.

Abb. 6.3. Schnittbild elektrisch leistungsverzweigtes Getriebe mit Elektromotoren sowie Planetenradsatz im Detail

Abb. 6.4. Hochspannungsstromkreis im THS 1. Generation und THS II [117]

Die VKM ist über einen Torsionsschwingungsdämpfer mit dem Planetenträger eines Planetengetriebes verbunden. Am Sonnenrad des Planetensatzes sitzt der Generator. Er hat die Aufgabe, die VKM zu starten und den E-Motor und die Batterie mit Strom zu versorgen. Dadurch entfällt die klassische Lichtmaschine. Direkt am Hohlrad

6.1 Toyota Prius

251

greift der Elektromotor an, der den Antrieb beim elektrischen Fahren und beim Rückwärtsfahren bewerkstelligt. Weiters unterstützt er die VKM beim Beschleunigen und speist beim regenerativen Bremsen Strom in die Batterie zurück. Das Planetengetriebe wirkt als ein Überlagerungsgetriebe, dessen Hohlrad über eine Übersetzungsstufe direkt mit dem Abtrieb über das Achsdifferenzial verbunden ist. Die Drehzahl des Hohlrads ist also stets proportional zur Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Der Generator, der E-Motor und die Batterie bilden einen gemeinsamen Hochspannungsstromkreis. Im Prius der ersten Generation beträgt die Spannung 274 V. Durch einen neuen Hochspannungsstromkreis konnte die Betriebsspannung des Generators und des E-Motors auf maximal 500 V im THS II gehoben werden. Somit kann den Elektromotoren die elektrische Leistung bei geringeren Strömen zu- bzw. abgeführt werden, was zu einer Wirkungsgradsteigerung führt. Im Prius II hat die Batterie selbst nur 202 V. Abb. 6.4 zeigt die Strukturveränderung des Hochspannungsstromkreises. Weiters speist der Hochspannungsstromkreis über einen DC/DCKonverter das 12-V-Bordnetz. Die luftgekühlte Batterie des Prius befindet sich im Heck des Fahrzeugs hinter der Rücksitzbank, siehe Abb. 6.5 Während bei der ersten Generation des Prius die Batterie noch aus 38 prismatischen Modulen mit jeweils 6 in Serie geschalteten Zellen bestand, wurde bei der zweiten Generation die Modulanzahl auf 28 reduziert. Durch eine Optimierung im Bereich der Zellverbindungen und des Thermomanagements konnte die verfügbare Energie konstant gehalten werden.

Abb. 6.5. Anordnung der Batterie im Toyota Prius II [30] [Quelle: Toyota]

In Tabelle 6.1 sind die technischen Spezifikationen der Aggregate des THS I und THS II, die Fahrleistungen und Verbrauchswerte zusammengefasst.

252

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Tabelle 6.1 Technische Spezifikationen des THS I und THS II [116], [117] sowie Fahrleistungen und Verbrauchswerte [114], [118], [119] 1. Generation, 1998 (Japan); THS I VKM Typ

überarbeitete 1. Generation, 2001; THS I

2. Generation, 2003; THS II

INZ-FXE 4-Zylinder-Reihenmotor, Benzin, Atkinson-Zyklus, zwei oben liegende Nockenwellen, 4 Ventile pro Zylinder, VVT-i*, elektronische Kraftstoffeinspritzung, flüssigkeitsgekühlt

Bohrung und Hub [mm]

75,0 × 84,7

Hubraum [cm³]

1496

Maximale Leistung [kW (PS)] / [U/min]

43 (58) / 4000

53 (71) / 4500

57 (76) / 5000

Maximales Moment [Nm] / [U/min]

102 / 4000

115 / 4200

115 / 4200

13,5 :1

13,0 :1

13,0 :1

Expansionsverhältnis Elektromotor

AC permanenterregte Synchronmaschine, flüssigkeitsgekühlt

Maximale Leistung [kW (PS)] / [U/min]

30 (41) / 940 – 2000

33 (45) / 1040 – 5600

50 (68) / 1200 –1450

Maximales Moment [Nm] / [U/min]

305 / 0 – 940

350 / 0 – 400

400 / 0 –1200

275

275

500

Maximale Systemspannung [V] Batteriemodul Zellenform]

Nickel-Metallhydrid rund

rechteckig

rechteckig

Modulspannung (6 Zellen) [V]

7,2

7,2

7,2

Nennkapazität [Ah]

6,0

6,5

6,5

Anzahl der Module [-]

40

38

28

Batteriemasse [kg]

75

56,3

45

Gesamtes System (unter der Bedingung, dass die max. VKM- und Batterieleistung stets zur Verfügung steht; nach Toyota internen Versuchen) Maximale Leistung [kW (PS)] / Fahrzeuggeschwindigkeit [km/h]

-

Leistung bei 85 km/h [kW (PS)]

-

65 (88)

82 (113)

Maximales Moment [Nm] / Fahrzeuggeschwindigkeit [km/h]

-

421 / 11 oder niedriger

478 / 22 oder niedriger

Kraftstoffverbrauch

74 (101) / 120 oder höher 82 (113) / 85 oder höher

nach 1999/100/EG

Städtisch [l/100 km]

-

5,9

5

Außerstädtisch [l/100 km]

-

4,6

4,2

*) „intelligent“ variable-valve timing

253

6.1 Toyota Prius

Tabelle 6.1 (Fortsetzung) 1. Generation, 1998 (Japan); THS I VKM Typ

überarbeitete 1. Generation, 2001; THS I

2. Generation, 2003; THS II

INZ-FXE 4-Zylinder-Reihenmotor, Benzin, Atkinson-Zyklus, zwei oben liegende Nockenwellen, 4 Ventile pro Zylinder, VVT-i*, elektronische Kraftstoffeinspritzung, flüssigkeitsgekühlt

Kombiniert [l/100 km]

-

5,1

4,3

CO2 -Emissionen [g/km]

-

120

104

Höchstgeschwindigkeit [km/h]

-

160

170

Beschleunigung 0 –100 km/h [s]

-

13,4

10,9

Leergewicht/Zuladung [kg]

-

1.260/385

1.375/350

Kofferraumvolumen (VDA) [l]

-

390

410 –1.210

Fahrleistungen

Gewichte / Maße

*) „intelligent“ variable-valve timing

Der Verbrennungsmotor wurde eigens für den Einsatz im Hybridfahrzeug entwickelt. Der Motor besitzt ein sehr hohes geometrisches Verdichtungsverhältnis von  = 13,5 und arbeitet nach dem Atkinson-Prozess, siehe Abb. 6.6 Das hohe Verdichtungsverhältnis bringt grundsätzlich Verbrauchsvorteile im Teillastbereich, siehe auch Abb. 6.7, allerdings sinken der Wirkungsgrad und das erreichbare Drehmoment bei hohen Lasten bedingt durch die Klopfproblematik. Um dem entgegenzuwirken, wird die Einlassnockenwelle in Richtung spät verdreht. Durch ein sehr spätes Schließen der Einlassventile wird während der Kompression ein Teil der Ladung wieder ausgeschoben und das effektive Verdichtungsverhältnis damit reduziert, siehe Abb. 6.6.

Abb. 6.6. Vergleich p-V-Diagramm von konventionellem Ottomotor und Atkinson-Zyklus [120]

254

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Durch das VVT-i-System (Nockenwelle mit intelligenter variabler Ventilsteuerung) ist der Schließzeitpunkt der Einlassventile zwischen 80° und 120° KWnUT und damit das effektive Verdichtungsverhältnis zwischen 9,3 und 4,8 einstellbar. Auf diese Weise wird durch das Expansionsverhältnis von 13,5 ein hoher thermischer Wirkungsgrad erreicht und durch das niedrige effektive Verdichtungsverhältnis die Klopfneigung gering gehalten. Abb. 6.7 zeigt den thermischen Wirkungsgrad über dem effektiven Mitteldruck. Mit steigendem Expansionsverhältnis und spätem Einlassschluss steigt der Wirkungsgrad bis zu einem Expansionsverhältnis von 14,7 an. In Abb. 6.8 sind der thermische Wirkungsgrad und der erreichbare effektive Mitteldruck an der Volllast dargestellt. Um hohe Wirkungsgrade zu erreichen, muss das Einlassschließen aus Klopfgründen nach spät verschoben werden. Damit ergibt sich allerdings ein relativ niedriger effektiver Mitteldruck.

Abb. 6.7. Thermischer Wirkungsgrad über effektivem Mitteldruck bei verschiedenen Expansionsverhältnissen [120]

Abb. 6.8. Wirkungsgrad und erreichbarer effektiver Mitteldruck an der Volllast bei verschiedenen Expansionsverhältnissen [120]

6.1 Toyota Prius

255

Verglichen mit konventionellen 1,5 l-Motoren ergeben sich geringe Nenndaten von 57 kW bei 5000 1/min bzw. 115 Nm bei 4200 1/min an. Die maximale Motordrehzahl wurde wegen einer kompakten und leichten Bauweise von Kurbelwelle, Pleuel, reibungsarmen Kolbenringen und kleineren Ventilfedern auf 5000 1/min beim THS II begrenzt. Beim Starten des Motors wird das späte Einlassschließen verwendet, um einen komfortablen vibrationsarmen Hochlauf zu erreichen. Wie bereits in Kapitel 2.3 angeführt, besitzt der Antriebsstrang des Prius eine Leistungsverzweigung, die innerhalb gewisser Grenzen eine freie Drehzahlwahl des Verbrennungsmotors zulässt. Die Strategie ist nun so ausgelegt, dass sich die Betriebspunkte im Kennfeld entlang einer Trajektorie befinden, wie in Abb. 6.9 für den Neuen Europäischen Fahrzyklus dargestellt. Der Verbrennungsmotor wird dabei bei möglichst hohen Lasten, also in Bereichen geringen spezifischen Verbrauchs betrieben.

Abb. 6.9. Betriebspunkte des Verbrennungsmotors im NEFZ und die daraus ermittelte Trajektorie [106]

Für den US-Markt wird im Prius II der Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine zusätzlich mit einem Wärmespeicher ausgestattet, der 2,5 l Kühlflüssigkeit fasst. Dies ermöglicht, die Anforderungen für Kaltstartemissionen für ein AT-PZEV (Advanced Technology-Partial-Zero Emissions Vehicle) mit dem Prius zu erfüllen [116]. Als weitere Innovation hat der Prius II statt einem konventionellen riemengetriebenen einen elektrisch angetriebenen Klimakompressor. Darüber hinaus verfügt der Prius II über einen vom Fahrer wählbaren EV-Mode (Electric Vehicle-Mode), bei dem bei ausreichendem Batterieladezustand und geringem Heiz- oder Klimatisierungsbedarf

256

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

rein elektrisches Fahren bei niedrigen Beschleunigungsanforderungen (sanfter Gaspedalbetätigung) bis zu einer Geschwindigkeit von 50 km/h und einer Reichweite bis zu 2 km möglich ist [30]. Bei stärkeren Beschleunigungsanforderungen oder höherer Geschwindigkeit wird der Verbrennungsmotor automatisch gestartet. Zum besseren Verständnis der Verhältnisse im elektrisch leistungsverzweigten Getriebe ist in Abb. 6.10 eine Schnittskizze des Getriebes mit Angabe der Zähnezahlen angeführt. Der Verbrennungsmotor ist mit dem Steg der Planetenräder verbunden und rotiert mit der Drehzahl n2, die elektrische Maschine 1 mit dem Sonnenrad mit n1 und die elektrische Maschine 2 am Ausgang zum Differential verbunden mit der Welle des Hohlrads mit n3 . Die Untersetzung der Hohlradwelle zu den Antriebswellen der Räder beträgt 3,905 (Prius I) bzw. 4,113 (Prius II).

Abb. 6.10. Schnittskizze des Getriebes mit den beiden elektrischen Maschinen und Zähnezahlen des Planetengetriebes

Auf Grund der Zahnzahlen des Planetengetriebes ergeben sich für die Drehmomente in Abhängigkeit des verbrennungsmotorischen Drehmoments M2 folgende Zusammenhänge: (6-1)

(6-2) 72 % des Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine werden direkt mechanisch an den Getriebeabtrieb weitergegeben, nur 28 % gelangen zum Generator (EM1). Diese Drehmomentverhältnisse zusammen mit den entsprechenden Drehzahlen ergeben die übertragene Leistung. Die Drehzahl n3 ist proportional der Fahrgeschwindigkeit v, welche sich aus der Triebachsuntersetzung und dem Abrollumfang der Antriebsräder ergibt. Bei maximaler Geschwindigkeit von 160 km/h rotiert die E-Maschine 2 (n3) mit rund 6000 1/min. Abb. 6.11 zeigt den Zusammenhang zwischen der Drehzahl des Verbrennungsmotors und der Fahrgeschwindigkeit bei verschiedenen Fahrzuständen [20]. Die folgenden sechs Fahrzustände sind im Diagramm dargestellt: 1. Anfahren mit elektrischer Maschine 2 – Die Drehzahl des Verbrennungsmotors wird durch passende Wahl der Drehzahl n1 bei Null gehalten. Da der

6.1 Toyota Prius

2. 3.

4. 5. 6.

257

Verbrennungsmotor kein Drehmoment erzeugt, dreht auch die elektrische Maschine 1 ohne Drehmoment. Elektrisches Fahren bis maximal 50 km/h – Drehzahl n1 wird passend verstellt. Zum Starten des Verbrennungsmotors wird EM 1 (n1) auf Drehzahl Null oder ggf. positive Drehzahl gebracht. Beim Zuschalten des Verbrennungsmotors wird das Drehmoment der E-Maschine 2 derart reduziert, sodass das Gesamtdrehmoment konstant bleibt und kein Ruck verursacht wird. Anfahren mit Verbrennungsmotor – Dazu sind höhere EM1-Drehzahlen notwendig. Fahrt mit mittlerer Geschwindigkeit und geringem Leistungsbedarf. Fahrt mit der gleichen Geschwindigkeit, aber höherem Leistungsbedarf – Zur Erhöhung der Leistung wird die Drehzahl des Verbrennungsmotors erhöht und das Drehmoment entlang der Trajektorie in Abb. 6.9 eingestellt.

Abb. 6.11. Zusammenhang zwischen der Drehzahl des Verbrennungsmotors und der Fahrgeschwindigkeit beim elektrischen Anfahren bzw. beim Umschalten in den hybriden Betrieb

Im Vergleich dazu ist in Abb. 6.12 der Zusammenhang zwischen der Drehzahl des Verbrennungsmotors und der Fahrgeschwindigkeit bei höheren Geschwindigkeiten dargestellt [20]. Wenn E-Maschine 1 die Drehrichtung wechselt, entsteht Blindleistung, vgl. auch Kapitel 2.3. Es sind wieder drei typische Fahrzustände eingezeichnet:

258

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

1. 2. 3.

Fahrt mit maximaler Geschwindigkeit und maximaler Leistung Fahrt mit höherer Geschwindigkeit und mittlerem Leistungsbedarf – EM1 (n1) steht bei diesem Fahrzustand – Mechanischer Punkt Fahrt mit höherer Geschwindigkeit und niedrigerem Leistungsbedarf – EM1 (n1) dreht bei diesem Fahrzustand in negativer Richtung und arbeitet motorisch (EM2 generatorisch Blindleistungsfluss)

Abb. 6.12. Zusammenhang zwischen der Drehzahl des Verbrennungsmotors und der Fahrgeschwindigkeit bei verschiedenen Fahrzuständen

Bei Hybridfahrzeugen muss beachtet werden, dass je nach Ladezustand der Batterie zu Beginn und am Ende des Fahrzyklus die Verbrauchswerte stark schwanken können. In Abb. 6.13 sind die Kraftstoffverbrauchswerte des Toyota Prius I über den Batterieladezuständen bei NEFZ-Start für ein kaltes und ein betriebswarmes Fahrzeug aufgetragen. Die Ergebnisse wurden mit einem Fahrzeug aus der Flotte am Rollenprüfstand ermittelt [106]. Unter der Annahme eines linearen Verhältnisses zwischen SOC und Kraftstoffverbrauch können Trendgeraden eingezeichnet werden. Aus den Steigungen dieser Geraden lässt sich schließen, dass bei Kaltstart und 10 % mehr SOC bei Zyklusbeginn ca. 0,7 l/100 km Kraftstoff weniger im Zyklus verbraucht werden. Bei betriebswarmen Fahrzeugen bei Zyklusstart sind es nur noch 0,3 l/100 km Kraftstoff, die sich für 10 % mehr SOC bei Zyklusstart einsparen lassen. Dies zeigt auf, dass es für eine Kraftstoffangabe wesentlich ist, welcher Batterieladezustand bei Beginn des Messzyklus herrscht.

6.1 Toyota Prius

259

Weiters ist aus Abb. 6.13 abzulesen, dass beim balancierten SOC (gleicher SOC bei Zyklusstart und am Ende) von 62 % der vermessene Toyota Prius I mit Kaltstart ca. 6,0 l/100 km im NEFZ verbraucht und im betriebswarmen Zustand bei Zyklusstart ca. 5,3 l/100 km.

Abb. 6.13. Kraftstoffverbrauch des Toyota Prius I im NEFZ über dem SOC Start [106]

Toyota Prius III

Abb. 6.14. Toyota Prius – 3. Generation

260

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Tabelle 6.2. Technischen Daten des Toyota Prius III im Vergleich zum Prius II [121]

Verbrennungsmotor

Prius 2.Gen.

Prius 3.Gen.

1.5l-Ottomotor mit Atkinson-Zyklus

1.8l-Ottomotor mit Atkinson-Zyklus

Nennleistung

57 kW

73 kW

Nenndrehmoment

115 Nm

142 Nm

permanenterregte Synchronmaschine, flüssigkeitsgekühlt

permanenterregte Synchronmaschine, flüssigkeitsgekühlt

Elektromotor Nennleistung Nenndrehmoment Max. Strom Max. Drehzahl

50 kW

60 kW

400 Nm

207 Nm

230 Amp.

170 Amp.

6400 U/min

13.500 U/min

-

2,636

Getriebe Drehzahlübersetzung E-Motor Übersetzung Achsantrieb

4,113

3,267

Energiespeicher

Nickel-Metallhydrid-Batterie

Nickel-Metallhydrid-Batterie

Max. Leistung

25 kW

27 kW

Spannung

201,6

201,6

104 g/km

89 g/km

46 mpg

50 mpg

35,5 km/l

38,0 km/l

1.375/350

1.420/385

Verbrauch NEDC (Europa) US combined (US label value) 10.15 (Japan) Gewichte / Maße Leergewicht/Zuladung (kg) zulässiges Gesamtgewicht (kg) Kofferraumvolumen (l)

1.725

1.805

410 –1.210

445 –1.120

Wie bereits zu Beginn des Kapitels angeführt, ist mittlerweile die 3. Generation des Toyota Prius auf dem Markt, siehe Abb. 6.14. Sie basiert auf den Vorgängermodellen, jedoch wurden nahezu alle Komponenten überarbeitet und einige grundlegende Änderungen vorgenommen. Dazu zählen die Vergrößerung des Hubraums des Verbrennungsmotors, die Erhöhung des Hochvolt-Spannungsniveaus von 500 V auf 650 V sowie die Einführung einer Übersetzungsstufe für den Elektromotor ähnlich wie beim Toyota Lexus, siehe Kapitel 6.2, Abb. 6.16. Alle Maßnahmen zusammen führten zu einer Reduzierung des Hybridsystemgewichts um 17 % sowie einer Senkung des Volumens um 13 %. Gleichzeitig konnte die Systemleistung über den gesamten Geschwindigkeitsbereich im Vergleich zum Vorgänger um 14 – 20 % angehoben werden [121]. Die Erhöhung des Hubraums von 1,5 l auf 1,8 l unter Beibehaltung des AtkinsonZyklus wurde gewählt, um den Wirkungsgrad bei hohen Lasten zu verbessern. Zur Verringerung der Reibleistung wurde der Motor mit Rollenschlepphebeln ausgestattet sowie die Vorspannung der Kolbenringe reduziert. Durch den elektrischen Antrieb der

6.2 Lexus RX400 h und RX450h

261

Kühlmittelpumpe, des Klimakompressors sowie der Servolenkung konnte der Riementrieb am Motor eingespart und damit die Reibleistung weiter gesenkt werden. Um die Ladungswechselverluste in der Teillast zu reduzieren, besitzt der neue 2ZR-FXE-Motor ein gekühltes Abgasrückführsystem. Um hohe Abgasrückführraten zu ermöglichen, sind die Einlasskanäle als Hochtumble-Kanäle ausgeführt, die eine entsprechende Stabilisierung der Verbrennung gewährleisten. Durch die Übersetzungsstufe für den Elektromotor wurde das Drehzahlniveau auf bis zu 13.500 U/min angehoben. Zur Ermöglichung dieser hohen Drehzahl wurde die Spannung auf 650 V erhöht. Die beiden Maßnahmen führen zu einem besseren Leistungsverhalten und gleichzeitig zu geringeren Verlusten auf Grund niedrigerer Ströme. Im Bereich der Leistungselektronik und der Batterie wurde vor allem die Kühlung verbessert, wodurch in erster Linie Bauraum und Gewicht eingespart werden konnten. Eine weitere Neuerung ist der Einsatz eines Abgaswärmetauschers zur rascheren Erwärmung des Kühlmittels nach dem Kaltstart, was vor allem den Heizkomfort im Winter verbessert. In Summe konnte damit der Verbrauch in Abhängigkeit vom Fahrzyklus um 7–14 % im Vergleich zum Vorgänger gesenkt werden. In Tabelle 6.2 sind die technischen Daten des Toyota Prius III im Vergleich zum Vorgängermodell angeführt.

6.2 Lexus RX400 h und RX450h Der Lexus RX400 h, siehe Abb. 6.15, wird seit 2005 von Lexus als Serienfahrzeug angeboten. Er stellte bei seiner Markteinführung das erste Hochleistung-Hybrid-SUV dar. Ziel war es, die Fahrleistungen eines Fahrzeugs mit 8-Zylindermotor zu erreichen bei Verbrauchswerten eines 4-Zylindermotors. Mittlerweile gibt es bereits die 2. Generation des RX-Modells im RX450 h, siehe Abb. 6.15 rechts.

Abb. 6.15. Lexus RX400 h und RX450 h [Quelle. Toyota]

Das Grundkonzept ist ähnlich wie beim Toyota Prius. Geändert wurde zum einen das leistungsverzweigte Getriebe, welches um einen zusätzlichen Planetenradsatz erweitert wurde, um höhere Drehzahlen und damit eine höhere Leistung des Elektromotors zu ermöglichen, siehe Abb. 6.16. Dabei wurde die Drehzahl verdoppelt und

262

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

bei gleichen Abmessungen der Getriebeeinheit die Leistung von 50 kW auf 123 kW gesteigert. Abb. 6.17 zeigt den Querschnitt des Toyota RX400h-Getriebes und einen Vergleich der spezifischen Daten mit dem Prius II.

Abb. 6.16. Getriebeschema Vorderachse Lexus RX400 h [30]

Abb. 6.17. Querschnitt des Toyota RX400h-Getriebes und Vergleich mit dem Prius II [30]

6.2 Lexus RX400 h und RX450h

263

Weiters wurde an der Hinterachse ein Elektromotor installiert und damit ein elektrischer Allradantrieb realisiert. Dieser wird automatisch vom Hybridsteuergerät aktiviert, wenn stark beschleunigt wird, zum Rekuperieren von Bremsenergie oder zur Verbesserung der Traktion auf glattem Untergrund. Der gesamte Antriebsstrang kann als eine Kombination aus zwei bekannten Hybridanordnungen aufgefasst werden. Zum einen handelt es sich um eine Power-Split-Anordnung (Leistungsverzweigung), die als Hybridantrieb für die Vorderräder genutzt wird, und zum anderen um einen Parallelhybrid mit Zugkraftaddition („Through the Road“-Anordnung) als elektrisch angetriebene Hinterachse, siehe Abb. 6.18.

Abb. 6.18. Gesamter Antriebsstrang des RX400 h

Beim Elektromotor an der Hinterachse handelt es sich um eine luftgekühlte, permanenterregte Synchronmaschine mit 650 V, die einen Drehzahlbereich von über 10.000 1/min aufweist. Die maximale Leistung beträgt 50 kW – das maximale Moment 130 Nm von 0-650 1/min. Das Untersetzungsgetriebe zum Radantrieb hat eine Untersetzung von 6,859 :1. Eine Schnittdarstellung sowie ein Bild des Elektromotors an der Hinterachse zeigt Abb. 6.19. Der Lexus RX400 h ist ein Fullhybrid, der auch elektrisch fahren kann. Unterhalb von 60 km/h erfolgt ein zyklischer Wechsel zwischen E-Fahren und VKM-Fahren mit Lastpunktanhebung, vergleiche auch Kapitel 3.2.3. Ähnlich wie beim Prius ergibt sich ein Wirkungsgradnachteil bei hohen Geschwindigkeiten, da hier viel Leistung über den elektrischen Pfad transportiert wird [46]. Die Nickel-Metallhydrid-Batterie mit 240 Zellen befindet sich unter der Rückbank und wird mittels drei Ventilatoren mit Kühlluft versorgt, siehe Abb. 6.20.

264

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Abb. 6.19. Elektromotor mit Übersetzung an der Hinterachse [30]

Abb. 6.20. Nickel-Metallhydrid-Batterie des RX400 h [30]

Lexus RX450h Seit 2009 ist die zweite Generation des Lexus Hybrid RX-Modells auf dem Markt. Der neue RX450 h besitzt zwar grundsätzlich den gleichen Aufbau wie der RX400 h, jedoch wurden alle Komponenten optimiert, so dass das neue Modell bei 10 % höheren Leistungswerten einen um 23 % geringeren Verbrauch aufweist. So wurde der 3MZ-FE-V6-Motor durch den hubraumstärkeren 2GR-FE-V6-Motor ersetzt. Neben höheren Leistungs- und Drehmomentwerten ist der Motor durch ein Atkinson-Cycle-Ventilsteuerkonzept charakterisiert und besitzt ein gekühltes Abgasrückführsystem sowie einen Abgaswärmetauscher zur rascheren Erwärmung des Kühlmittels nach dem Kaltstart. Sowohl der Atkinson-Cycle als auch die gekühlte Abgasrückführung tragen zu einer Senkung der

265

6.2 Lexus RX400 h und RX450h

Abgastemperatur speziell im hohen Lastbereich bei und minimieren so den Anreicherungsbedarf und damit den Kraftstoffverbrauch aus Katalysatorschutzgründen. Beim Atkinson-Cycle wird der Motor mit einem höheren geometrischen Verdichtungsverhältnis ausgeführt. Da die Einlassventile aber erst sehr spät schließen, ist das Kompressionsverhältnis niedrig, was zu einer geringeren Verdichtungsendtemperatur und damit zu einer niedrigeren Klopfneigung führt. Durch das höhere Expansionsverhältnis wird der Wirkungsgrad erhöht und die Abgastemperatur gesenkt. Ebenso wirkt die Zumischung von gekühltem Abgas klopfneigungssenkend, wodurch frühere Verbrennungslagen und damit niedrigere Abgastemperaturen erzielt werden können. Neben diesen Verbesserungen im hohen Lastbereich wird bei Zumischung von Abgas auch eine Entdrosselung und damit eine Wirkungsgradverbesserung im niedrigen Lastbereich erreicht. Durch den Abgaswärmetauscher nach dem Katalysator erfolgt speziell bei tiefen Umgebungstemperaturen eine schnellere Erwärmung des Kühlmittels und damit des Verbrennungsmotors, wodurch dieser sehr viel früher bei niedrigen Leistungsanforderungen abgeschaltet werden kann. Obwohl sowohl der vordere als auch der hintere Elektromotor nicht geändert wurden, konnte mit einer verbesserten Kühlung der Leistungselektronik der Bereich des maximalen Drehmoments der beiden Motoren erweitert werden. Mit der Leistungselektronik wird auch die Batteriespannung von 288 V auf 650 V hochgesetzt. Daneben wurden noch weitere Optimierungen durch reibungsreduzierende Maßnahmen sowie verbesserten oder neuen Steuerungsfunktionen etabliert. Einen Vergleich der technischen Daten des RX400 h und des RX450 h zeigt Tabelle 6.3. Tabelle 6.3. Technische Daten des Lexus RX 400 h und des RX450h

Verbrennungsmotor

Hubraum (cm³) Bohrung / Hub (mm)

Lexus RX400h

Lexus RX450h

3MZ-FE 4-Ventil-V6-Benzinmotor, DOHC, intelligente variabe Ventilsteuerung (VVT-i)

2GR-FXE 4-Ventil-V6-Benzinmotor, DOHC, intelligente variabe Ventilsteuerung (VVT-i) Atkinson-Zyklus

3.311

3.456

92,0 / 83,0

94,0 / 83,0

Nennleistung (kW bei 1/min)

155 bei 5600

183 bei 6.000

Nenndrehmoment (Nm bei 1/ min)

288 bei 4400

350 / 2.400 – 5.000

Verdichtung / Oktanbedarf

10,8 / ROZ 95

12,5 / ROZ 95

permanenterregte Synchronmaschinen

permanenterregte Synchronmaschinen

Elektromotor Vorderachse Leistung (kW bei 1/min) Drehmoment (Nm bei 1/min) Spannung (V)

123 bei 4500 333 von 0 bis 1500 650

174 335 650

Elektromotor Hinterachse Leistung (kW bei 1/min) Drehmoment (Nm bei 1/min) Spannung (V)

50 von 4610 bis 5120 130 von 0 bis 610 650

67 139 650

Elektromotor/Generator

266

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Tabelle 6.3 (Fortsetzung) Lexus RX400h

Lexus RX450h

200

220

Antrieb kombiniert Nennleistung (kW) Energiespeicher Spannung / Zellspannung Kapazität (Ah) Max. Leistung (kW)

Ni-MH-Batterie

Ni-MH-Batterie

288 V; 30 Module (8 × 1,2 V)

288 V; 30 Module (8 × 1,2 V)

6,5 Ah

6,5 Ah

45

37

Fahrleistungen Beschleunigung 0 –100 km/h (s)

7,6

7,8

Höchstgeschwindigkeit (km/h)

200

200

Antrieb

Vorderradantrieb + Elektrischer Hinterradantrieb

Vorderradantrieb + Elektrischer Hinterradantrieb

Getriebe

Kontinuierlich variables Getriebe CVT

Kontinuierlich variables Getriebe CVT

vorne 3,080, hinten 3,944

vorne 3,137, hinten 3,944

Kraftstoffverbrauch innerorts (l/100 km)

9,1

6,6

Kraftstoffverbrauch außerorts (l/100 km)

7,6

6,0

Kraftstoffverbrauch kombiniert (l/100 km)

8,1

6,3

CO2-Emissionen (g/km) kombiniert

192

148

Euro 4

Euro 4

2.000 – 2.040 / 465 – 505

2.110 – 2.205 / 495 – 590

2.505

2.700

439

496

Kraftübertragung

Triebachsuntersetzung Verbrauch

Emissionsklasse Gewichte / Maße Leergewicht/Zuladung (kg) zulässiges Gesamtgewicht (kg) Kofferraumvolumen (l-VDA)

6.3 Lexus GS450h Der Lexus GS450 h ist das erste hybridgetriebene Fahrzeug im Segment der leistungsstarken Oberklasselimousinen, siehe Abb. 6.21. Der in diesem Segment übliche Hinterradantrieb wurde auch im GS450 h verwirklicht.

6.3 Lexus GS450h

267

Abb. 6.21. Antriebskonzept beim Lexus GS450 h [Quelle: Toyota]

Abb. 6.22. Antriebsstrang des Lexus GS450 h [30]

Auch dieses Fahrzeug basiert grundsätzlich auf dem Konzept des Toyota Prius. Bedingt durch den Hinterradantrieb besitzt das Fahrzeug ein längs eingebautes Getriebe. Diese Konfiguration erfordert konstruktiv bedingt eine Bauhöhe des Elektromotors, die der eines herkömmlichen Automatikgetriebes vergleichbar ist. Daher wurde ein Elektromotor mit hoher Leistung und vergleichsweise kleinem Durchmesser realisiert (Hochdrehzahlkonzept). Zur Umsetzung wurde neben der stufenlos variablen Leistungsverzweigung zwischen den Antriebskomponenten im Gegensatz zum Lexus RX400 h erstmals eine zweistufige Untersetzung zwischen Verbrennungs- und Elektromotor verbaut, siehe Abb. 6.22. Durch das wesentlich größere Übersetzungsverhältnis wird zum einen eine hohe Endgeschwindigkeit erreicht und gleichzeitig ein gutes Beschleunigungsverhalten bei niedrigen Geschwindigkeiten. Beim 2-stufigen Getriebe wird ein Ravigneaux-Planetenradsatz eingesetzt, der einerseits eine kompakte Bauform und andererseits große Übersetzungsspreizungen erlaubt. Mit zwei nasslaufenden hydraulisch betätigten Bremsen kann zwischen den beiden Übersetzungsstufen gewechselt werden, siehe Abb. 6.23. Beim Fixieren der Bremse B1 wird der hohe Geschwindigkeitsbereich mit einer Übersetzung von 1,9 abgedeckt – beim Aktivieren der Bremse B2 der niedrige Geschwindigkeitsbereich mit einer Übersetzung von 3,9. Neben der Leistungserhöhung ist auch die Ausdehnung des Bereichs mit hohen EMaschinenwirkungsgraden ein weiterer Vorteil der 2-stufigen Übersetzungsstufe, siehe Abb. 6.24. Abb. 6.25 zeigt einen Querschnitt des längs eingebauten Getriebes des Lexus GS450 h. Das 2-stufige Übersetzungsgetriebe ist am Getriebeausgang angeordnet.

268

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Abb. 6.23. 2-stufiges Übersetzungsgetriebe in beiden Betriebszuständen, Drehzahlverhältnisse und technische Daten [30]

Abb. 6.24. Auswirkung der 2-stufigen Übersetzung auf den Wirkungsgrad des motorischen Teils des Getriebes [30]

Der GS450 h besitzt einen 3,5-l-V6-Ottomotor (D-4S), der sowohl mit Benzindirekteinspritzung als auch Saugrohreinspritzung ausgestattet ist. Im Leerlauf wird der Motor nur mit Direkteinspritzung betrieben, während bei mittleren Lasten zur Stabilisierung der Verbrennung und zur Senkung von Verbrauch und Emissionen sowohl Direkt- als auch Saugrohreinspritzung aktiv sind. Bei hohen Lasten führt der Betrieb mit Direkteinspritzung alleine zu einer verstärkten Kühlung des Gemischs und damit zu einer höheren Zylinderfüllung. Beim Kaltstart wird Kraftstoff sowohl während des Ansaugens in das Saugrohr eingespritzt als auch während der Kompression direkt in den Zylinder. Damit wird das Emissionsverhalten verbessert und eine frühere Kon-

269

6.3 Lexus GS450h

vertierung des Katalysators erreicht. Durch die unterstützende Wirkung des E-Motors kann das Gemisch stärker abgemagert und die Zündung später eingestellt werden. Damit kann die Abgastemperatur deutlich gesteigert werden. Gleichzeitig kann durch das leistungsverzweigte Getriebe die Drehzahl des Verbrennungsmotors optimaler für eine schnellere Erwärmung des Katalysators eingestellt werden.

Abb. 6.25. Querschnitt durch das längs eingebaute Getriebe des Lexus GS450 h [30]

Zur Erzielung guter Verbrauchswerte wird die Drehzahl des Verbrennungsmotors beim Fahren mit konstanter Geschwindigkeit über das E-CVT-Getriebe extrem niedrig gewählt. Beispielsweise liegt die Drehzahl beim Fahren mit 100 km/h bei rund 1.400 1/min und damit um rund 400 1/min niedriger als bei einem 8-Zylindermotor mit 6-Gang-Stufenautomat [122]. Beim Beschleunigen wird trotzdem ein gutes Ansprechverhalten erreicht, da über den Generator die Verbrennungsmotordrehzahl rasch erhöht und außerdem über die Batterie und den E-Motor unterstützt werden kann. Tabelle 6.4 zeigt die technischen Daten des GS300 im Vergleich zum GS450 h. Durch den Hybridantrieb werden wesentlich bessere Fahrleistungen erzielt bei deutlich geringerem Verbrauch. Tabelle 6.4. Technische Daten des Lexus GS300 und GS450 h im Vergleich

Verbrennungsmotor Hubraum (cm³)

Lexus GS300

Lexus GS450h

4-Ventil-V6-Benzinmotor mit Dual VVT-i

4-Ventil-V6-Benzinmotor mit Dual VVT-i

2.995

3.456

Nennleistung (kW bei 1/min)

183 bei 6200

218 bei 6400

Nenndrehmoment (Nm bei 1/min)

310 bei 3500

368 bei 4800

11,5 : 1

11,8 : 1

Verdichtungsverhältnis Elektromotor

permanenterregte Synchronmaschine

Nennleistung motorisch (kW)

147 kW

Nenndrehmoment (Nm)

275 Nm

Antrieb kombiniert (Hybrid) Nennleistung (kW)

250

270

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Tabelle 6.4 (Fortsetzung) Lexus GS300

Lexus GS450h

Energiespeicher

Nickel-Metallhydrid-Batterie

Spannung / Zellspannung

288 V; 40 Module (6 × 1,2 V)

Kapazität [Ah]

6,5 Ah

Fahrleistungen Beschleunigung 0 –100 km/h (s)

7,2

5,9

Höchstgeschwindigkeit (km/h)

240

250 (elektronisch begrenzt)

Kraftübertragung Antrieb Getriebe

Übersetzungen automatisch Übersetzung Achsantrieb

Hinterradantrieb

Hinterradantrieb

6-Gang-Automatikgetriebe mit sequenziellem Schaltmodus

Hybrid-Drive: E-CVT-Getriebe mit zweistufigem Untersetzungsgetriebe

3,538 / 2,060 / 1,404 / 1,000 / 0,713 / 0,582 / R 3,168 3,727

Verbrauch Kraftstoffverbrauch innerorts (l/100 km)

14,0

9.1

Kraftstoffverbrauch außerorts (l/100 km)

7,0

7.0

Kraftstoffverbrauch kombiniert (l/100 km)

9,5

7.6

CO2-Emissionen (g/km) kombiniert

224

180

Euro 4

Euro 4

Emissionsklasse Gewichte / Maße Leergewicht/Zuladung (kg)

1660/465

1930/425

zulässiges Gesamtgewicht (kg)

2.125/

2.355

Kofferraumvolumen (VDA) (l)

430

330

6.4 Lexus LS600h Der Lexus LS600 h ist ein weiteres Beispiel für den Einsatz der Hybridtechnologie im Segment der leistungsstarken Oberklasselimousinen, siehe Abb. 6.26. Die Zielsetzung bei diesem Fahrzeug war, mit einem V8-Motor die Fahrleistungen eines Fahrzeuges mit 12-Zylinder-Motor zu erreichen. Der Hybridantriebsstrang ist ähnlich wie beim GS450 h aufgebaut, allerdings besitzt der LS600 h ein mechanisches Allradantriebssystem mit einem Torsen-Differential, siehe Abb. 6.27.

6.4 Lexus LS600h

271

Abb. 6.26. Lexus LS600 h [Quelle: Toyota]

Abb. 6.27. Antriebskonzept des Lexus LS600 h [30]

Den Aufbau des Getriebes zeigt Abb. 6.28. Die mechanische Ölpumpe wird vom Verbrennungsmotor angetrieben. Bei stehendem Motor versorgt die elektrische Ölpumpe das System mit Öldruck. Das hydraulische Steuerungssystem zur Betätigung der beiden Bremsen der Übersetzungsstufe ist unter dem Getriebe angebaut. Generator und E-Motor besitzen neben den Funktionen zur Leistungsübertragung eine zusätzliche Aufgabe hinsichtlich Schwingungsdämpfung im Antriebsstrang. So werden über den Generator die vom Verbrennungsmotor und vom E-Motor die vom Antriebsstrang verursachten Schwingungen gedämpft. Damit werden auch an die Fahrgastzelle weniger Vibrationen übertragen und es wird eine deutliche Komfortverbesserung erreicht. Ähnlich wie der Motor des GS450 h besitzt auch der 5,0-l-V8-Ottomotor sowohl Saugrohr- als auch Benzindirekteinspritzung. Eine Besonderheit dieses Motors ist der elektrische verstellbare Nockenwellenphasensteller. Damit können im Vergleich zu hydraulischen, wie beim GS450 h eingesetzten, Stellern deutlich schnellere Verstellgeschwindigkeiten erreicht werden. Abb. 6.29 zeigt das Ansprechverhalten des elektrisch betätigten Phasenstellers bei einem Beschleunigungsvorgang aus 40 km/h im Vergleich zum hydraulischen System des GS450 h. Der Verstellvorgang beginnt rund 0,5 Sekunden früher, wodurch auch der Drehmomentaufbau bzw. die Beschleunigung in dieser Zeit entsprechend höher liegt.

272

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Abb. 6.28. Querschnitt und Bild des Lexus LS600h-Getriebes [30]

Abb. 6.29. Phasensteller Ansprechverhalten bei einem Beschleunigungsvorgang [30]

6.4 Lexus LS600h

273

Die Nickel-Metallhydrid-Batterie mit 288 V Nennspannung, bestehend aus 20 in Serie geschalteten Modulen mit je 14,4 V Spannung, sitzt hinter der Rücksitzbank und wird mit kalter Luft aus dem Klimatisierungssystem für den Fondbereich gekühlt, siehe Abb. 6.30.

Abb. 6.30. Batteriemodul des Lexus LS600 h [30]

Ähnlich wie auch beim Prius kann der Fahrer auch beim LS600 h einen E-FahrModus (EV- Electric Vehicle Mode) aktivieren, und fährt dann bei entsprechendem Batterieladezustand und geringem Energiebedarf durch Heizung und Klimatisierung im unteren Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbereich rein elektrisch. Abb. 6.31 zeigt den Betriebsbereich für das rein elektrische Fahren im FTP-Fahrzyklus in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der Gaspedalstellung. In Tabelle 6.5 sind die technischen Daten des LS460 im Vergleich zum LS600 h angeführt.

Abb. 6.31. Betriebsbereich des EV-Mode (Electric Vehicle-Mode) im FTP-Fahrzyklus [30]

274

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Tabelle 6.5. Technische Daten des LS460 und LS600 h im Vergleich Lexus LS460 Verbrennungsmotor Hubraum (cm³)

Lexus LS600h

4-Ventil-V8-DI-Benzinmotor mit 4-Ventil-V8 DI-Benzinmotor mit Dual VVT-i Dual VVT-i (einlassseitig VVT-iE) (einlassseitig VVT-iE) 4.608

4.969

Nennleistung (kW bei 1/min)

280 bei 6400

290 bei 6400

Nenndrehmoment (Nm bei 1/min)

493 bei 4100

520 bei 4000

Verdichtungsverhältnis

11,8 :1

11,8 :1 permanenterregte Synchronmaschine

Elektromotor Nennleistung motorisch (kW)

165 kW

Nenndrehmoment (Nm)

300 Nm

Antrieb kombiniert (Hybrid) Nennleistung (kW)

327

Energiespeicher

Nickel-Metallhydrid-Batterie

Spannung / Zellspannung

288 V; 20 Module (12 × 1,2 V)

Fahrleistungen Beschleunigung 0 –100 km/h (s)

5,7

6,3

Höchstgeschwindigkeit (km/h)

250 (elektronisch begrenzt)

250 (elektronisch begrenzt)

Antrieb

Hinterradantrieb

Permanenter Allradantrieb

Getriebe

8-Gang Automatikgetriebe mit sequenziellem Schaltmodus

Hybrid-Drive: E-CVT-Getriebe mit zweistufigem Untersetzungsgetriebe

Kraftübertragung

Übersetzungen automatisch Übersetzung Achsantrieb

4,596 / 2,724 / 1,863 / 1,464 / 1,231 / 1,000 / 0,824 / 0,685 / R 2,176 2,937

Verbrauch Kraftstoffverbrauch innerorts (l/100 km)

16,5

11,3

Kraftstoffverbrauch außerorts (l/100 km)

7,9

8,0

Kraftstoffverbrauch kombiniert (l/100 km)

11,1

9,3

CO2-Emissionen (g/km) kombiniert

261

219

Euro 4

Euro 4

2055/440

2355/375

zulässiges Gesamtgewicht (kg)

2495/

2730

Kofferraumvolumen (VDA) (l)

565

390

Emissionsklasse Gewichte / Maße Leergewicht/Zuladung (kg)

6.5 Integrated Motor Assist (IMA)-Hybridsystem von Honda

275

6.5 Integrated Motor Assist (IMA)-Hybridsystem von Honda Das IMA-Hybridsystem ist erstmals 1999 im Honda Insight in Serie gegangen. 2003 wurde das IMA-System der 2. Generation im Honda Civic Hybrid und 2005 im Honda Accord V6 Hybrid vorgestellt. Neuere Entwicklungen sind zum einen eine weitere Modifikation des Honda Civic IMA Hybrid von 2006 sowie die 3. Generation im Honda Insight 2010, siehe Abb. 6.32.

Abb. 6.32. Modellgeschichte des Honda IMA-Systems

Abb. 6.33 zeigt den Aufbau und das Package des IMA-Antriebssystems im neuen Honda Insight. Der IMA (Integrated Motor Assist)-Antriebsstrang ist bei allen Modellen quer eingebaut. Der Elektromotor sitzt zwischen dem Verbrennungsmotor und dem CVT-Getriebe. Die Batterie und Leistungselektronik befinden sich hinter der Rücksitzbank bzw. unter dem Kofferraum (Insight 2010) und sind über ein Hochvoltkabel, welches durch ein Aluminiumrohr geschützt wird, mit dem Elektromotor verbunden. Das IMA-System entspricht einem Parallelhybridsystem, im Speziellen einem Kurbelwellenstartergenerator mit einer Hochleistungsbatterie mit 158,4 V Spannung beim Honda Civic Hybrid sowie 101 V beim neuen Honda Insight. Herzstück des IMA ist der zwischen VKM und Kupplung platzierte Elektromotor/Generator. Anschließend folgt ein CVT-Getriebe. Abb. 6.34 zeigt ein Beispiel dieser Antriebseinheit mit Blick auf den Elektromotor sowie inklusive CVT-Getriebe.

276

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Abb. 6.33. Fahrzeugkonzept des neuen Honda Insight 2010 [Quelle: Honda]

Abb. 6.34. Antriebseinheit des Honda IMA-Antriebssystems [Honda]

Um die Vorteile des IMA-Hybridsystems wie Rekuperation von Bremsenergie und elektrisches Fahren optimal ausnützen zu können, wurde auf Basis des 1,3 l SOHC i-DSI-Aggregates ein Motor mit einem 3-stufigen i-VTEC (Variable Valve Timing and Lift, Electronic Control)-System für den Civic Hybrid 2006 entwickelt. Dieser 2-Ventil-DOHC-Motor verfügt einlassseitig über 3 Kipphebel und 2 Nockenkonturen und auslassseitig über 2 Kipphebel und eine Nockenkontur. Das mechanische System erlaubt die Umschaltung zwischen 2 unterschiedlichen Nockenkonturen auf der Einlassseite sowie eine Ventilabschaltung für die Ein- und Auslassventile, siehe Abb. 6.35. Die Aktivierung erfolgt über drei verschiebbare Mitnehmerbolzen, die mittels drei getrennter Hydraulikpfade mit Öldruck angesteuert werden und die Bewegung der Rollenkipphebeln mit den Ventilkipphebeln koppeln oder freigeben, siehe Abb. 6.36.

6.5 Integrated Motor Assist (IMA)-Hybridsystem von Honda

277

Abb. 6.35. 3-stufiges i-VTEC (Variable Valve Timing and Lift, Electronic Control)-System [Honda]

Abb. 6.36. Hydraulikpfade zur Ansteuerung der verschiebbaren Mitnehmerbolzen und zusammengebaute Nockenwelle beim 3-stufigen i-VTEC-System

Damit lassen sich die in Abb. 6.37 dargestellten Schaltmöglichkeiten mit den entsprechenden Ventilhubverläufen realisieren. Im Teillastbetrieb und bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen betätigen die äußeren Nocken die außen liegenden Rollenkipphebel, die über einen Verriegelungsbolzen die Kipphebel zur Ventilbetätigung mitnehmen, siehe Abb. 6.37 links. Der mittlere Rollenkipphebel schwingt federbelastet zunächst „leer“ mit dem mittleren steileren Nocken mit. Für hohe Drehzahlen wird der mittlere Rollenkipphebel über einen weiteren hydraulisch betätigten Bolzen mit dem Schwinghebel zur Einlassventilbetätigung verbunden, siehe Abb. 6.37 Mitte. Das Einlassventil folgt jetzt dem mittleren steileren und fülligeren Nocken. (Der äußere Rollenkipphebel hebt dabei während des Ventilhubs von seiner Nocke ab.) Dadurch werden das Volllastverhalten und damit die Drehfreudigkeit des Motors deutlich verbessert.

278

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Zur Deaktivierung der Ventile und damit zur Zylinderabschaltung werden die äußeren Bolzen nach „innen“ und der mittlerer Bolzen nach „rechts“ gedrückt, um alle Verbindungen zwischen den Hebeln zu öffnen, siehe Abb. 6.37 rechts. Die Zylinderabschaltung hilft die Motorschleppleistung im Schubbetrieb sowie beim elektrischen Fahren deutlich zu senken, wie Abb. 6.38 zeigt. Da der Verbrennungsmotor nicht vom E-Motor abgekuppelt werden kann, muss der Verbrennungsmotor beim E-Fahren mitgeschleppt werden.

Abb. 6.37. Schaltmöglichkeiten und zugehörige Ventilhubverläufe beim i-VTEC-System [Honda]

Abb. 6.38. Reibleistung über der Drehzahl bei aktivierten und deaktivierten Ventilen beim Honda i-VTEC-Motor [Honda]

Im Unterschied zum Civic Hybrid 2006 verfügt der Insight 2010 nur über ein 2-stufiges VTEC-System, d. h., er kann nur zwischen einem Fahrmodus und der Ventilabschaltung wählen. Sowohl der Civic Hybrid 2006 als auch der Insight 2010 verfügen über ein sequentielles Doppelzündungsbrennverfahren, siehe Abb. 6.39 links. Daneben weist der Insight zusätzlich einen Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer auf, siehe Abb. 6.39 rechts. Eine weitere Besonderheit des Honda IMA-Antriebssystem ist das CVT-Getriebe, siehe Abb. 6.40. Durch die freie Wahl des Übersetzungsverhältnisses kann der Verbrennungsmotor über weite Geschwindigkeitsbereiche des Fahrzeugs in einem engen, verbrauchsoptimalen Drehzahlbereich betrieben werden.

6.5 Integrated Motor Assist (IMA)-Hybridsystem von Honda

279

Abb. 6.39. Intelligente sequentielle Doppelzündung (i-DSI) und Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer des Insight 2010

Abb. 6.40 CVT-Getriebe des IMA-Antriebsstrangs [Honda]

Als Elektromotor wird beim IMA-System seit 2006 ein permanenterregter Synchronmotor mit vergrabenen Magneten: IPM-Motor (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor), verwendet. Damit wird unter Einsatz von Seltene-Erden-Magneten (Nd-Fe-B) mit hoher Flussdichte eine hohe magnetische Induktivität erreicht. Dies ermöglicht die Absenkung der feldschwächenden Ströme bei hohen Drehzahlen und damit eine Reduktion der Kupferverluste im Vergleich zum Vorgänger-Motor, der eine konventionelle PSM-Bauart aufwies. Eine weitere Änderung besteht in der Ausführung der Kupferdrähte für die Statorwicklung mit einem rechteckigen Querschnitt statt den bislang verwendeten runden Drähten. Damit konnte zum einen der Leiterquerschnitt erhöht und der Widerstand gesenkt werden und gleichzeitig der Nutenquerschnitt für die Wicklung besser ausgenützt werden. Alle Maßnahmen zusammen führten von der 2003er-Ausführung zur 2006er zu einer Anhebung des maximalen motorischen Moments von 49 Nm auf 103 Nm und des generatorischen Moments auf 123 Nm, siehe Abb. 6.41. Gleichzeitig konnten die Phasenströme und damit die Verluste deutlich reduziert werden. Durch die Optimierung des Verbrennungsmotors und der E-Maschine konnte in Summe die Performance des Antriebssystems im Vergleich zum Vorgänger-

280

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

modell wesentlich verbessert werden, wie die Momenten- und Leistungsverläufe an der Volllast in Abb. 6.42 eindrucksvoll zeigen.

Abb. 6.41. Drehmoment des E-Motors – Vergleich Modell 2003 und 2006 [124]

Abb. 6.42. Gesamtdrehmoment und Gesamtleistung – Vergleich Modell 2003 und 2006 [Honda]

Beim Insight 2010 wurde die Batteriespannung auf 101 V reduziert, was eine Anhebung der Ströme und damit der Wärmeentwicklung im Motor zur Folge hat. Durch eine Anhebung der Induktivitäten und Splittung der Magnete in zwei Teile konnte die Wärmeentwicklung konstant gehalten werden. Weiters wurde die Länge des Rotor- und Stator-Jochs reduziert, was eine Senkung des Gewichts des Motors um 15 % zur Folge

281

6.5 Integrated Motor Assist (IMA)-Hybridsystem von Honda

hatte [123]. Trotz etwas reduzierter Performance im Vergleich zum Vorgängermodell, siehe Tabelle 6.6, leistet der Motor den gleichen Beitrag zur Kraftstoffeinsparung. Tabelle 6.6. Vergleich der technischen Daten des Elektromotors im Civic Hybrid 2006 und Insight 2010 [123]

Batteriespannung [V] Max. Moment [Nm] Max. Leistung [kW]

VKM-Start

Civic Hybrid 2006

Insight 2010

158

101

103

100

Boosten

103

78

Rekuperieren

123

85

Boosten

15

10

Rekuperieren

15,5

13,5

Wie bereits einleitend beschrieben, befindet sich der Umrichter für den Elektromotor in der Leistungseinheit IPU (Intelligent Power Unit) hinter der Rücksitzbank und ist mit einem 3-phasigen Hochspannungskabel verbunden, siehe Abb. 6.43. Der Umrichter für den IMA-Antriebsmotor ist zusammen mit einem weiteren Umrichter für den Antrieb des Hybrid-Kältekompressors, dem 12V-DC-DC-Wandler sowie dem Batteriesteuergerät zu einer Leistungseinheit PCU (Power Control Unit) kombiniert. Neben der PCU sind die Nickel-Metallhydrid-Hochvoltbatterie und das Kühlluftsystem Bestandteile der IPU. Alle Komponenten der IPU sind luftgekühlt, wobei ein integriertes Gebläse für den erforderlichen Kühlluftstrom sorgt.

Abb. 6.43. Leistungseinheit IPU (Intelligent Power Unit) des Honda Civic Hybrid 2006 [Honda]

Die Zellen der Batterie sind zylindrisch ausgeführt. Durch eine Änderung der gitterförmigen Zellenanordnung auf eine versetzte Stapelung konnte trotz Erhöhung der Zellenanzahl von 120 auf 132 das Volumen der Batterie beim Honda Civic Hybrid 2006 um 12 % gegenüber dem 2003er-Modell reduziert werden [124]. Weiters konnte auf Luftleitbleche zwischen den Zellen verzichtet werden. In Tabelle 6.7 sind die wichtigsten Daten der Nickel-Metallhydrid-Hochvoltbatterie aufgelistet.

282

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Tabelle 6.7. Daten der Nickel-Metallhydrid-Hochvoltbatterie des Honda Civic Hybrid Modell 2003 und 2006 [124] Honda Civic Hybrid Modell 2003

Honda Civic Hybrid Modell 2006

Kapazität [Ah]

6,0

5,5

Zellspannung [V]

1,2

1,2

Innenwiderstand [m]

3,27

2,1

Zellgewicht [kg]

0,164

0,166

Zellenanzahl

120

132

Batteriespannung [V]

144

158,4

Leistung motorisch [kW]

11,5

16,1

Leistung generatorisch [kW] Elektrolytdichte [mmol/Zelle]

10,6

13,3

KOH

5

8

NaO

3

9

LiO

1

6

Bei der Weiterentwicklung für den neuen Honda Insight 2010 wurde das Volumen der Leistungseinheit (IPU) um weitere 19 % auf 48 Liter reduziert – das Gewicht wurde sogar auf 38 kg und damit um 28 % vermindert [123]. Dies wurde einerseits durch die konsequente Optimierung der einzelnen Komponenten erreicht, andererseits wurden der Umrichter, der DC-DC-Wandler und das Batteriesteuergerät in einem Gehäuse integriert. Das neue IMA-Hybridsystem im Honda Civic Hybrid 2006 erlaubt 8 verschiedene Betriebsmodi, die über eine intelligente Strategie aktiviert werden können, Abb. 6.44. Dazu zählen auch die 3 Stufen des i-VTEC-Ventilsteuerungssystems. Bei Fahrzeugstillstand sind sowohl Verbrennungsmotor und E-Motor abgeschaltet. Zum Anfahren mit hoher Beschleunigung sind beide Motoren aktiv. Bei geringer Beschleunigung erfolgt der Antrieb nur über den Verbrennungsmotor. Konstantfahrten bei geringer Geschwindigkeit werden hingegen alleine vom E-Motor angetrieben (low-speed cruising). Da der Verbrennungsmotor dabei nicht abgekoppelt werden kann, werden die Zylinder zur Reibungsreduzierung über die Ventilsteuerung deaktiviert (Cylinder idle). Beim Beschleunigen wird der Verbrennungsmotor zugeschaltet. Im oberen Drehzahlbereich wird auf das steilere und fülligere Ventilhubprofil gewechselt, solange eine hohe Lastanforderung erfolgt. Bei niedriger Lastanforderung wird auch im hohen Drehzahlbereich auf das Einlassnockenprofil mit niedrigem Hub umgeschaltet. Die Batterieaufladung erfolgt im Motor-Schleppbetrieb (deceleration), indem die Motorbremswirkung vom Generator ausgeht und zur Regeneration genutzt wird. Zur Erhöhung des Rekuperationspotenzials werden die Ventile deaktiviert (Cylinder idle). Beim Bremsen wird versucht, einen maximalen Anteil der kinetischen Energie zu rekuperieren. Dazu wird mit einem Bremsdrucksensor der Verzögerungswunsch des Fahrers erfasst und in einen regenerativen Anteil über den E-Motor und einen hydraulischen Teil über das Reibungsbremssystem aufgeteilt, Abb. 6.45. Um möglichst viel Energie zu speichern, wird bei moderater Bremspedalbetätigung zuerst nur regenerativ über den Generator gebremst, sofern der Batterieladezustand dies zulässt. Erst für höhere Verzögerungswerte wird die klassische, hydraulische Bremsanlage mit herangezogen.

6.5 Integrated Motor Assist (IMA)-Hybridsystem von Honda

283

Abb. 6.44. 8 Betriebsstrategien je nach Leistungsanforderung beim Honda Civic Hybrid 2006 [Honda]

Abb. 6.45. Bremsen mit regenerativem Anteil [124]

Zusammenfassend sind in Tabelle 6.8 einige technische Daten des Honda Civic Hybrid und des Insight 2010 im Vergleich zum konventionellen Honda Civic-Modell angeführt.

284

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Tabelle 6.8. Technische Daten des Honda Civic – 1.4 i-VTEC im Vergleich zu den Hybridmodellen Civic IMA Hybrid1.3 und Insight Hybrid Civic – 1.4 i-VTEC Basis

Verbrennungsmotor

Hubraum (cm³)

Civic Hybrid – 1.3 2006

Sequentielle Doppelzündung (i-DSI) 4-Ventil-R4-Benzinmo2-Ventil-R4-Benzinmotor (SOHC) tor (SOHC), i-VTEC-Ventilsteuerung 3-stufiges i-VTECSystem

Insight Hybrid 1.3 2010 Sequentielle Doppelzündung (i-DSI) 2-Ventil-R4 -enzinmotor (SOHC) 2-stufiges i-VTECSystem

1.339

1.339

1.339

73 × 80

73 × 80

73 × 80

Nennleistung (kW [PS] bei 1/min)

73 [100] / 6.000

70 [95] / 6.000

65 [88] / 5.800

Nenndrehmoment (Nm bei 1/min)

127 / 4.800

123 / 4.600

121 / 4.500

Verdichtungsverhältnis

10,5: 1

10,8: 1

10,8: 1

IPM (Interior permanent magnet)

IPM (Interior permanent magnet)

15 / 2.000

10 / 1.500

Nenndrehmoment motorisch (Nm bei 1/min)

103 / 0 –1.160

92 / 0 – 500

Nenndrehmoment generatorisch (Nm bei 1/min)

123 / 0 –1.160

Bohrung × Hub (mm)

Elektromotor/Generator Nennleistung (kW bei 1/min)

Antrieb kombiniert Nenndrehmoment (Nm)

167

167

Leistung [kW]

81

72

Energiespeicher

Nickel-Metallhydrid

Nickel-Metallhydrid

Spannung / Zellspannung

158,4 V (132 Zellen / 1,2 V) 11 Module

100,8 V (84 Zellen / 1,2 V) 7 Module

Kapazität [Ah]

5,5

5,75

Max. Leistung [kW]

16,1

12,4

Gewicht [kg]

30,73

20,14

Fahrleistungen Beschleunigung 0 –100 km/h (s)

13,0

12,1

12,4

Höchstgeschwindigkeit (km/h)

177

185

182

285

6.6 Mercedes-Benz S 400 HYBRID

Tabelle 6.8 (Fortsetzung) Civic – 1.4 i-VTEC Basis

Civic Hybrid – 1.3 2006

Insight Hybrid 1.3 2010

Vorderradantrieb

Vorderradantrieb

Kraftübertragung Antrieb

Vorderradantrieb

Getriebe

Schaltgetriebe

Übersetzungen Übersetzung Achsantrieb

CVT Automatikgetriebe CVT Automatikgetriebe

3,461 / 1,869 / 1,235 / 0,948 / 0,809 / 0,727 / R 3,307

2,526 – 0,421 R 4,510 –1,875

3,172 – 0,528 R 5,664 – 2,125

4,750

3,937

4,200

7,3

5,2

4,6

Kraftstoffverbrauch Innerorts (l/100 km) Außerorts (l/100 km)

5,0

4,3

4,2

Kombiniert (l/100 km)

5,9

4,6

4,4

CO 2-Emissionen (g/km) kombiniert

135

109

101

EURO 5

EURO 4

EURO 5

1.257 / 433

1.368 / 352

1.276 / 374

zulässiges Gesamtgewicht (kg)

1.690

1.720

1.650

Kofferraumvolumen (VDA) (l)

456

350

339/408

Emissionsklasse Gewichte / Maße Leergewicht / Zuladung (kg)

6.6 Mercedes-Benz S 400 HYBRID Bei Mercedes-Benz wurde im Luxusklassensegment ein Mild-Hybridfahrzeug in Form des S 400 HYBRID realisiert, siehe Abb. 6.46. Beim S 400 HYBRID ist zwischen dem 3,5-l-6-Zylinder-Benzinmotor und dem Wandlereingang des 7-Gang-Automatikgetriebes eine E-Maschine mit einer Spitzenleistung von 15 kW installiert. Zum Einsatz kommt dabei eine permanenterregte Synchronmaschine in Außenläuferbauweise mit 160 Nm Nenndrehmoment. Sie ist direkt auf der Kurbelwelle montiert und hat eine aktive Länge von 32 mm, siehe Abb. 6.47. Das System entspricht damit einem Parallelhybridkonzept in Kurbelwellenstartergenerator-Bauweise. Mit der installierten elektrischen Leistung kann das Fahrzeug als Mild-Hybrid klassifiziert werden. Als elektrischer Energiespeicher wird erstmals serienmäßig eine Lithium-IonenBatterie in Fahrzeugen eingesetzt. Sie besitzt 35 Zellen, eine Nennspannung von 126 Volt und einen Energieinhalt von 0,8 kWh, siehe Abb. 6.48. Daneben verfügt der Antriebsstrang auch über eine konventionelle 12-Volt-Bleibatterie zur Versorgung des 12-Volt-Bordnetzes. Die beiden Batterien können über einen DC/DC-Wandler bidirektional Energie austauschen.

286

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Abb. 6.46. Hybridsystem des Mercedes-Benz S 400 HYBRID [125]

Abb. 6.47. Elektromotor des Mercedes-Benz S 400 HYBRID [125]

Durch die sehr kurze Bauform der Elektromaschine von 45 mm kann diese ohne große Änderungen am Fahrzeug in den Antriebsstrang integriert werden. Abb. 6.49 zeigt das Package des Hybridantriebsstrangs im S 400 HYBRID. Die Leistungselektronik ist direkt an die E-Maschine angebaut und über Stromschienen verbunden. Die Lithium-

6.6 Mercedes-Benz S 400 HYBRID

287

Ionen-Batterie ist im Bauraum der konventionellen 12-V-Starterbatterie untergebracht. Mit dieser Anordnung ergeben sich kurze Leitungslängen im Hochvoltnetz. Damit auch bei Motorstillstand alle Komfort- und Sicherheitsfunktionen erhalten bleiben, sind der Klimakompressor, die Lenkhilfepumpe sowie die Bremsunterdruckpumpe elektrisch ausgeführt. Durch den Entfall der Riemenverluste und der bedarfsgerechten Ansteuerung der Nebenaggregate trägt diese Maßnahme auch zur Verbrauchsreduktion bei.

Abb. 6.48. Lithium-Ionen-Batteriesystem des Mercedes-Benz S 400 HYBRID [125]

Abb. 6.49. Package des Hybridantriebsstrangs im S 400 HYBRID [125]

Eine Besonderheit stellt das Batteriekühlsystem dar. Da die Temperatur der Zellen ein wesentlicher Einflussfaktor für die Lebensdauer der Li-Ionen-Batterie ist, wird die HV-Batterie über das Kältemittel der Klimaanlage gekühlt. Während des Motorstillstands wird über den elektrischen Klimakompressor nicht nur die Klimatisierung

288

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

gesichert, sondern ebenfalls gewährleistet, dass auch in diesem Zustand die Batterie nicht die Grenztemperaturen überschreitet und immer im optimalen Bereich zwischen 10 °C und 40 °C bleibt. Abb. 6.50 zeigt Schema und Package des Batteriekühlsystems im Fahrzeug.

Abb. 6.50. Schema und Package des HV-Batteriekühlsystems im S 400 Hybrid [125]

Neben der Temperatur wirkt sich auch die Lade-/Entladetiefe maßgeblich auf die Lebensdauer der Batterie aus. Durch eine entsprechende Betriebsstrategie konnte realisiert werden, dass der Schwerpunkt der SOC-Differenzen (Startklasse zu Zielklasse) im Bereich bis zu 5 % liegt. Werte bis zu 10 % treten auf sehr viel niedrigerem Niveau ebenfalls noch auf, SOC-Zyklen mit einer Lade-/Entladetiefe von mehr als 10 % sind selten, siehe Abb. 6.51. Hier gilt es vor allem beim Rekuperieren einen guten Kompromiss zu finden, um einerseits möglichst viel Energie zu speichern und andererseits den SOC-Hub der Batterie aus Haltbarkeitsgründen möglichst klein zu halten.

Abb. 6.51. Häufigkeit der einzelnen Klassen von Ladezuständen [125]

6.6 Mercedes-Benz S 400 HYBRID

289

Grundsätzlich erlaubt das gewählte Hybridkonzept drei zusätzliche Betriebsmodi zum reinen verbrennungsmotorischen Fahren, die mittels der Betriebsstrategie aktiviert werden können: • Start/Stopp • Rekuperieren • Boosten/Lastpunktverschieben

Start/Stopp Wie bereits in Kapitel 3.2.2 beschrieben, erlaubt diese Funktion ein automatisches Abstellen des Verbrennungsmotors in Stillstandsphasen sowie Starten beim nächsten Anfahrvorgang. Beim Motorstopp ist es möglich, während Abbremsungen auf Grund der elektrischen Lenkhilfeunterstützung den Verbrennungsmotor sicherheitsunkritisch bereits bei Geschwindigkeiten unterhalb von ca. 15 km/h abzustellen. Dies hat sowohl Vorteile beim Verbrauch, da die Motorstoppzeit damit verlängert wird, als auch beim Komfort, weil möglicherweise auftretende Restvibrationen vom Bremsvorgang überlagert werden und somit nicht spürbar sind. Das Automatikgetriebe ist mit einer elektrischen Zusatzölpumpe ausgestattet, damit im Start/Stopp-Betrieb unverzüglich angefahren werden kann, siehe Abb. 6.46. Als weiterer Aspekt im Umfeld des Startvorgangs sei noch der komfortable Hochdrehzahlstart genannt, der nicht nur beim Wiederstart aus Motorstopp, sondern auch beim Kaltstart hilft, durch Aktivierung der Einspritzung erst ab höheren Drehzahlen die Schadstoffemissionen erheblich zu reduzieren.

Rekuperation Das Bremssystem des S 400 HYBRID erlaubt es, die Bremsmomente, die von der Radbremse erzeugt werden, und diejenigen, die durch die E-Maschine entstehen, zu überlagern. So kann in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie unter Berücksichtigung der Ladestrategie sowie bei Eingriffen diverser Fahrzeugstabilisierungsmaßnahmen jeweils eine in Hinsicht auf größtmögliche Energiespeicherung optimale Verteilung der Radbremsmomente erfolgen, wobei durch Nutzung eines Pedalwegsimulators für den Fahrer immer bei gleicher Pedalstellung auch gleiche Gesamtbremsmomente resultieren. Neben den Bremsvorgängen gibt es mit dem Schubbetrieb noch einen weiteren Betriebsfall, bei dem Energie zurückgewonnen werden kann. Hierbei wird im Schub ein festgelegtes elektrisches Bremsmoment der verbrennungsmotorischen Motorbremse hinzugefügt. Dabei darf allerdings nur ein kleiner Rekuperationsanteil addiert werden, da das Schubverhalten des Fahrzeugs für den Kunden sonst nicht nachvollziehbar wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Phase der Schubabschaltung beim Hybrid bis nahe an die Leerlaufdrehzahl erfolgen kann, da die E-Maschine ein Abwürgen des Verbrennungsmotors bei niedrigen Drehzahlen verhindert.

290

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Boost/Lastpunktverschiebung Die als Boost bezeichnete Unterstützung durch die E-Maschine wird besonders bei geringen Drehzahlen, also beim Anfahren nach einer Stillstandsphase (Ampelstart) und beim Beschleunigen aus niedrigen Geschwindigkeiten, eingesetzt. Dabei wird das Verbrennungsmotor-Drehmoment durch die E-Maschine so ergänzt, dass sich über das gesamte Drehzahlband ein in Summe höherer, aber auch harmonischerer Drehmomentverlauf ergibt, siehe Abb. 6.52. Um die Zyklenfestigkeit der HV-Batterie nicht negativ zu beeinflussen, wird die Boost-Funktion nur bei Anforderung nach sehr schneller Leistungsbereitstellung durch den Fahrer aktiviert. Indikatoren dafür sind eine entsprechende Gaspedalstellung und ein großer Pedalwertgradient.

Abb. 6.52. Maximales Drehmoment von Verbrennungsmotor (M 272) sowie in Kombination mit E-Maschine (M 272 + ISG)

Der andere nicht agilitätsorientierte Aspekt der Kombination von Verbrennungsmotor und E-Maschine ist die Lastpunktverschiebung, bei der der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors zur Verbrauchseinsparung bewusst verlagert wird und die E-Maschine die sich ergebende Differenz zur Drehmomentanforderung des Kunden zur Verfügung stellt. Die Entladetiefen sind hierbei üblicherweise niedrig, so dass die Zyklenfestigkeit der Batterie wenig beeinträchtigt wird. Die Lastpunktverschiebung lässt sich gerade bei stationären Autobahnfahrten gut nutzen, so dass auch hier Verbrauchsvorteile durch den Hybrid dargestellt werden können. In Tabelle 6.9 sind die technischen Daten des Mercedes S 400 HYBRID im Vergleich zum Mercedes S 350 gegenübergestellt:

291

6.6 Mercedes-Benz S 400 HYBRID

Tabelle 6.9. Technische Daten des Mercedes S 400 HYBRID im Vergleich zum Mercedes S 350 Mercedes S 350

Mercedes S 400 HYBRID

4-Ventil-V6-Benzinmotor

4-Ventil-V6-Benzinmotor

3.498

3.498

Nennleistung (kW bei 1/min)

200 / 6.000

205 / 6.000

Nenndrehmoment (Nm bei 1/ min)

350 / 2.400 – 5.000

350 / 2.400 – 5.000

10,7 : 1

11,7 : 1

Verbrennungsmotor Hubraum (cm³)

Verdichtungsverhältnis Elektromotor/Generator

permanenterregte Synchronmaschine

Nennleistung motorisch (kW bei 1/min)

15 kW @ 105 V @ 1500/min

Nennleistung generatorisch (kW bei 1/min)

19 kW @ 130 V @ 2000/min

Maximales Startmoment

210 Nm @ -25°C

Nenndrehmoment (Nm bei 1/ min)

160 Nm @ 900/min

Antrieb kombiniert Nenndrehmoment (Nm bei 1/ min)

385 / 1.000 – 3.600

Energiespeicher

Li-Ionen-Batterie

Spannung / Zellspannung

126 V (35 Zellen / 3,6 V)

Energieinhalt

0,8 kWh

Kapazität [Ah]

6,5 Ah

Max. Leistung [kW]

19 kW / 10 sek.

Fahrleistungen Beschleunigung 0 –100 km/h (s)

7,3

7,2

Höchstgeschwindigkeit (km/h)

250, elektr. abgeregelt

250, elektr. abgeregelt

Hinterradantrieb

Hinterradantrieb

Kraftübertragung Antrieb Getriebe

7G-TRONIC

7G-TRONIC

4,38/ 2,86/ 1,92/ 1,37/ 1,00/ 0,82/ 0,73/ R1 3,42/ R2 2,23

4,38/ 2,86/ 1,92/ 1,37/ 1,00/ 0,82/ 0,73/ R1 3,42/ R2 2,23

3,07

3,07

Kraftstoffverbrauch innerorts (l/100 km)

14,5 –14,7

10,7–10,9

Kraftstoffverbrauch außerorts (l/100 km)

7,7–7,9

6,3 – 6,5

10,1–10,3

7,9 – 8,1

Übersetzungen automatisch Übersetzung Achsantrieb Verbrauch

Kraftstoffverbrauch kombiniert (l/100 km)

292

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Tabelle 6.9 (Fortsetzung) Mercedes S 350

Mercedes S 400 HYBRID

242 – 247

186 –189

EU5

EU5

1.895/595

1.955/595

zulässiges Gesamtgewicht (kg)

2.490

2.550

Kofferraumvolumen (VDA) (l)

560

560

Verbrauch CO2-Emissionen (g/km) kombiniert Emissionsklasse Gewichte / Maße Leergewicht/Zuladung (kg)

6.7 Mercedes-Benz ML 450 Hybrid Der ML 450 HYBRID ist das erste Mercedes-Benz-Hybridfahrzeug im SUV-Segment, siehe Abb. 6.53. Er basiert auf der aktuellen M-Klasse und ist mit einem leistungsverzweigten Getriebe – dem Two-Mode-Hybridsystem AHS-C (Advanced Hybrid System) mit zwei Hochleistungselektromaschinen ausgestattet. Das AHS-C-Two-ModeGetriebe wurde im Rahmen der Kooperation zwischen Daimler, BMW, General Motors und Chrysler am Standort Troy in Michigan, USA, entwickelt, siehe auch Kapitel 2.3. Im Fokus der Entwicklung des ML 450 HYBRID standen die Maximierung der Effizienz und die Minimierung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen.

Abb. 6.53. Mercedes ML 450 HYBRID [27]

Abb. 6.54 zeigt den Antriebsstrang des ML 450 HYBRID. Das AHS-C TwoMode-Hybridsystem ist mit einem permanenten Allradantrieb kombiniert. Die NiMH-Hochvoltbatterie befindet sich in der Ersatzradmulde im Fahrzeugheck und

6.7 Mercedes-Benz ML 450 Hybrid

293

ist über ein Hochvoltkabel mit der über dem Verbrennungsmotor positionierten Leistungselektronik für die Elektromotoren verbunden. Direkt neben den Umrichtern sitzt der DC-DC-Wandler bzw. die APU (Auxiliary Power Unit), womit ein Energieaustausch mit der 12V-Bordbatterie durchgeführt wird. Da mit dem Hybridsystem rein elektrisch gefahren werden kann, besitzt das Fahrzeug ein elektro-hydraulisches Lenksystem sowie einen elektrischen Klimakompressor. Dadurch konnte der Riementrieb des Verbrennungsmotors modifiziert werden – er treibt nur mehr die Wasserpumpe an.

Abb. 6.54. Der Antriebsstrang des AHS-C-Two-Mode-Hybridsystems des ML 450 [126]

AHS-C-Two-Mode-Hybridgetriebe Kernstück des Hybridsystems ist das elektrisch leistungsverzweigte Two-Mode-Getriebe, welches im Wesentlichen aus zwei E-Motoren (EMA, EMB), drei Planetensätzen (PS1–PS3), einer Ölpumpe (EMP) und vier Kupplungen (C1–C4) besteht, siehe Abb. 6.55. Den schematischen Aufbau mit den einzelnen Komponenten zeigt Abb. 6.56. Durch die Kombination der Ansteuerung der Kupplungen in Verbindung mit der für die AHS-Familie charakteristischen Verschaltung lassen sich 4 fixe mechanische Gänge sowie die zwei elektrisch variablen Übersetzungen (EVT 1 und EVT 2) wählen. In Anfahrvorgängen sowie in dynamischen Fahrzuständen im unteren Geschwindigkeitsbereich wird durch die Wahl des EVT 1 eine sehr harmonische, komfortable und für den Kunden ruckfreie Zustandsänderung erreicht. In den stationären Fahrzuständen ermöglichen bei der jeweiligen Geschwindigkeit die effizienten festen Gänge einen verbrauchsoptimalen Betriebspunkt des Hybridgetriebes. In dynamischen Betriebszuständen im höheren Geschwindigkeitsbereich wird durch die Wahl des elektrisch variablen EVT-2-Modus wiederum ein sehr komfortables Beschleunigen sowie Verzögern erreicht. Über einen Betriebsmodus-Wähltaster kann der Kunde je nach Wunsch zwischen dem komfortablen E-CVT-Modus und dem klassischen Getriebe-Modus (8Gang) des AHS-C-Two-Mode-Getriebes auswählen.

294

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Abb. 6.55. Schnittdarstellung des AHS-C-Two-Mode-Getriebes [126]

Die genaue Funktion und Schaltmöglichkeiten des Getriebes wurden bereits in Kapitel 2.3, Leistungsverzweigte Hybride, beschrieben.

Abb. 6.56. Schematischer Aufbau des AHS-C-Two-Mode-Getriebes [126]

6.7 Mercedes-Benz ML 450 Hybrid

295

E-Maschinen Auf Grund ihrer Anordnung im Getriebe und der speziellen Leistungsanforderung ergaben sich unterschiedliche Packageanforderungen für die in Abb. 6.57 dargestellten E-Motoren. Während E-Motor A im vorderen Bereich vom größeren Durchmesser profitiert und speziell auf Leistung und niedrigste Verluste optimiert wurde, ist beim E-Motor B das hohe Drehmoment für elektrisches Anfahren sowie die hohe Leistungsdichte und maximale Drehzahl durch Vergrößerung der Maschinenlänge bei gleichzeitig leichterer Integrierbarkeit ins Getriebe möglich.

Abb. 6.57. Wirkungsgradkennfeld und technische Daten der E-Maschinen im AHS-C-Two-ModeGetriebe [126]

Beide Maschinen sind als 3-Phasen-Synchronmotoren mit permanenterregtem Rotorfeld ausgelegt. Die Permanentmagnete sind in IPM (Interior Permanet Magnet)Bauweise, also im Rotorblechpaket eingebettet, realisiert. Diese Anordnung erlaubte neben der hohen Drehzahlfestigkeit eine Optimierung der verfügbaren Drehmomente und Leistung gegenüber den Verlusten bei hohen Drehzahlen. Ermöglicht wird das durch die konsequente Ausnutzung des Reluktanzmoments. Durch die V-Stellung der Magnete im Rotor und der speziellen feldorientierten Regelung, die auf bestmögliche Ausnutzung des Reluktanzmoments optimiert wurde, lassen sich die angeführten Spitzenwerte erreichen. Zur Optimierung des Geräuschverhaltens wurde bei der Rotorkonstruktion konsequent auf die Vermeidung von Rastmomenten geachtet. Im Stator finden Rechteckleiter in so genannter „Hairpin“-Anordnung Verwendung, die bezüglich der Kupferausnutzung in Verbindung mit der speziellen Kühltechnik die höchsten Drehmoment- und Leistungsdaten zulassen. Die kombinierte Wickelkopf- und Statorjoch-Kühlung mittels Getriebeöl transportiert die bei E-Maschinen grundsätzlich anfallende Abwärme durch Kupfer- und Eisenverluste dort ab, wo sie entsteht: – im drehmomentorientierten Niedrigdrehzahlbereich an den Wickelköpfen – im Hochdrehzahlbereich am Statorjoch. Damit konnten Stromdichten in den elektrischen Leitern von 23 – 26 A/mm2 sowie magnetischen Flussdichten in den Blechen von 1,8 T realisieren werden, wodurch sich die

296

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

folgenden Leistungsmerkmale der E-Maschinen bei der durch die Batterie vorgegebenen mittleren Betriebsspannung von ca. 300 V darstellen lassen: E-Motor A (EMA): 67 kW / 260 Nm (max. 45 s) max. Drehzahl: 10.680 rpm E-Motor B (EMB): 63 kW / 280 Nm (max. 45 s) max. Drehzahl: 13.500 rpm

NiMH-Hochvoltbatterie Für den ML 450 HYBRID kommt eine flüssigkeitsgekühlte NiMH-Hochvoltbatterie zum Einsatz, welche in die Ersatzradmulde integriert ist, siehe Abb. 6.58. Die Batterie besteht aus 24 Modulen mit in Summe 240 Zellen und einer Nennspannung von 288 V. Die flüssigkeitsgekühlten Batteriemodule sowie die Integration des Kühlkreislaufs der Batterie in die Fahrzeugklimatisierung reduzieren den Einfluss der durch den Betrieb entstehenden Wärme auf die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der HV-Batterie auf ein Minimum. Auch bei extremen Außentemperaturen kann stets die volle Leistung abgerufen werden. Durch die in die Module integrierte Kühlung ist ein optimales Packaging innerhalb der Batterie möglich. Die Batterie-Einheit liefert eine Leistung von 45 kW bei einer Kapazität von 2,4 kWh und einem Gewicht von nur 83 kg.

Abb. 6.58. NiMH-Hochvoltbatterie des Mercedes ML 450 HYBRID [126]

Emissionskonzept Der ML 450 HYBRID wird im Mercedes-Benz-Produktionswerk in Tuscaloosa, USA, vorerst für den amerikanischen Markt gefertigt. Um die strengen SULEV-Emissionsgrenzwerte erfüllen zu können, ist der ML 450 HYBRID mit einer optimierten Abgasanlage ausgestattet. Die Katalysatoren sind mit ca. 4,7 Litern Volumen um mehr als 2 Liter größer als im Basisfahrzeug. Auch die Anzahl der Zellen sowie die Edelmetallbeschichtung wurden signifikant erhöht. Somit können die schärfsten Emissionsgrenzen über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs erfüllt werden. Um Verdunstungsemissionen zu verhindern, ist das Fahrzeug mit einem Zero-Evap-Drucktanksystem aus-

6.8 BMW X6 ActiveHybrid

297

gestattet. In Verbindung mit dem AHS-C-Two-Mode-Hybridsystem kann der ML 450 HYBRID zeitweise emissionslos betrieben werden. Dadurch ist eine AT-PZEV-Zertifizierung (Typ E Hybrid) möglich. Insgesamt werden mit dem ML 450 HYBRID höchste Emissionsstandards erfüllt. Die Erfüllung wird in den ZEV-Staaten mit Silver-Credits honoriert, siehe auch Kapitel 3.1.1, Situation in Kalifornien/USA.

6.8 BMW X6 ActiveHybrid Als weiteres Anwendungsbeispiel für das in Kooperation zwischen BMW, Daimler und GM entstandene Two-Mode-Hybridantriebssystem ist der BMW X6 ActiveHybrid zu nennen. Im Gegensatz zum ML 450 Hybrid steht bei diesem Fahrzeug die sportliche Abstimmung im Vordergrund. Trotz gleichem AHS (Advanced Hybrid System)-Getriebe ergibt sich auf Grund des V8-TwinPowerTurbo-Motors und der sehr konsequent auf Sportlichkeit und Fahrspaß ausgelegten Betriebsstrategie ein gänzlich unterschiedlicher Charakter des Fahrzeugs. Abb. 6.59 zeigt den Antriebstrang mit dem 600 Nm starken V8-TwinPowerTurbo-Motor, dem AHS-Getriebe und dem angeflanschten Verteilergetriebe sowie der Hochvoltbatterie im Heck. Die zentrale Power Electronic Box, die den Master-Controller und die Leistungselektroniken der E-Maschinen beinhaltet, befindet sich über dem Motor.

Abb. 6.59. BMW X6-Hybridantriebstrang mit Hochvoltbatterie im Heck [127]

Die Funktionalität des Two-Mode-Getriebes wurde bereits ausführlich in Kapitel 2.3, Leistungsverzweigte Hybride, beschrieben. Die E-Maschinen besitzen eine maximale Leistung von 67 kW bzw. ein maximales Drehmoment von 280 Nm. Die beiden E-CVT-Betriebsbereiche (Mode 1/Mode 2) decken zwei Übersetzungsbereiche ab.

298

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Mode 1 erlaubt hohe Übersetzungen vom Anfahrpunkt bis zum festen Gang 2, resultierend in hohen Antriebsmomenten. Mode 2 deckt Übersetzungen oberhalb des 2. festen Gangs bis hin zur hohen Overdrive-Übersetzung jenseits des 4. festen Gangs ab. Im Mode 2 ist der Anteil der elektrisch übertragenen Leistung auf ein Maximum von ca. 20 % reduziert, wodurch eine erhebliche Wirkungsgradverbesserung zu Single-ModeSystemen erzielt wird [127]. Obwohl das AHS-Getriebe funktional ein E-CVT (Electrical Continously Variable Transmission) mit vier zusätzlichen festen Gängen darstellt, muss zur Aufrechterhaltung des BMW-typischen Fahrverhaltens im X6 ActiveHybrid ein Getriebe mit diskreten Übersetzungsstufen zum Einsatz kommen. Außerhalb des Anfahrvorgangs wird ein gewohntes geschwindigkeitsproportionales Drehzahlerlebnis durch sieben fahraktive Gänge sichergestellt, siehe Abb. 6.60. Unter Berücksichtigung einer weitgehend optimalen Stufungsharmonie werden hierzu zwischen den vier festen Gängen drei virtuelle Gänge durch Drehzahlregelung der E-Maschinen emuliert. Da bei den virtuellen Gängen Verluste im elektrischen Leistungspfad entstehen, werden diese nur kurz zum Überbrücken verwendet.

Abb. 6.60. Übersetzungsbereiche mit 4 festen und 3 virtuellen Gängen, eDrive und Schub-Overdrive [127]

Für eine gewohnt direkte Anbindung, auch in den virtuellen Gängen, ist eine „steife“ Drehzahlregelung erforderlich. Zur Steigerung der Bremsenergierückgewinnung kommt in Schubphasen ein weiterer „Overdrive“ zum Einsatz, der die Drehzahl des Verbrennungsmotors nochmals um bis zu 900 1/min absenkt. Die Gangwechsel erfolgen im Teillastbereich zugkraftneutral mit maximalem Komfort. Unter kurzzeitiger Nutzung der Batterieleistung wird hierbei die Getriebeausgangsleistung konstant gehalten und die Drehzahl des Verbrennungsmotors mittels der E-Maschinen auf die Zieldrehzahl überführt, siehe Abb. 6.61. Bei einer Volllastbeschleunigung kommt zur Steigerung der Dynamik neben den E-Maschinen noch eine zusätzliche Kupplung zum Einsatz. Beim Rennstart wird

6.8 BMW X6 ActiveHybrid

299

im stufenlosen Anfahrvorgang das Ausgangsmoment durch einen parallel zu den E-Maschinen befindlichen schaltbaren Momentenpfad mittels schlupfender Kupplung gesteigert. Dadurch wird möglichst früh der 1. feste Gang für maximales Boosten erreicht. Um beim anschließenden schnellen Wechsel vom 1. in den 2. Gang einen Zugkrafteinbruch zu vermeiden, geht temporär die am Abtrieb wirkende Kupplung in Schlupfbetrieb und stützt so das Abtriebsmoment.

Abb. 6.61. Drehzahlen, Drehmomente und Leistungen bei einem Schaltvorgang [127]

Zur größtmöglichen Verbrauchseinsparung wird der Geschwindigkeitsbereich unter 65 km/h rein elektrisch gefahren, vorausgesetzt die Batterie weist einen entsprechenden Ladezustand auf. Bei höheren Geschwindigkeiten bzw. Beschleunigungsvorgängen, die nicht rein elektrisch abgedeckt werden können, wird der Verbrennungsmotor gestartet und nahtlos auf die entsprechende Drehzahl gebracht. Die Nachladung der Batterie erfolgt mittels einer Lastpunktanhebungsstrategie sowie in Schub- und Bremsphasen. Als elektrischer Energiespeicher wurde eine Hochvoltbatterie in NiMH-Technologie mit 260 in Serie geschalteten Zellen verwendet, siehe Abb. 6.62. Die Einzelzellen sind gebündelt in zwei übereinander liegenden Kassetten angeordnet, bestehend jeweils aus 13 Modulen à 10 Zellen. Damit ergibt sich eine Nennspannung von 312 V. Der Gesamtenergieinhalt beläuft sich auf 2,4 kWh, von denen 1,4 kWh lebensdauergerecht genutzt werden. Das Gewicht beträgt ca. 85 kg. Angeordnet wird der Energiespeicher im Kofferraum unterhalb des Ladebodens, ohne die Variabilität des Fahrzeugs einzuschränken. In dem Batteriegehäuse befinden sich zusätzlich auch das Batteriesteuergerät, eine Kühlmitteleinheit, Sicherung, Vorladeschaltung und Schütze. Die Batterie besitzt eine Flüssigkeitskühlung mit einer ins Gehäuse integrierten Wasserpumpe. Die Energie zur Kühlung der Batterie wird vorrangig über einen LuftWasser-Wärmetauscherkreislauf abgeführt, siehe Abb. 6.63. Um auch unter Heißlandbedingungen weiterhin genügend Kühlleistung zur Verfügung stellen zu können, ist dieser Kühlkreislauf über einen Chiller an den Klimakompressor gekoppelt. Damit sind die notwendigen Voraussetzungen geschaffen, um hohe Rekuperationsleistungen, hohe

300

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Boostleistungen, eine angemessene Reichweite im eDrive und der notwendigen Reproduzierbarkeit dieses Verhaltens zu erfüllen.

Abb. 6.62. Schnittstellen und Komponenten NiMH-Hochvoltbatterie im BMW X6 ActiveHybrid [127]

Abb. 6.63. Batterie Kühlkreislauf mit Koppelung an den Klimakreislauf im BMW X6 ActiveHybrid [127]

6.8 BMW X6 ActiveHybrid

301

Betriebsstrategien und Hybridfunktionen Bei der Entwicklung der Betriebsstrategie für den BMW X6 ActiveHybrid standen neben einem exzellenten Fahrverhalten auch eine deutliche Verbrauchsreduktion und das erlebbare elektrische Fahren im Vordergrund. Deutlich wird dies beispielsweise beim Übergang von z. B. einer dynamischen Landstraßenfahrt mit anschließender rein elektrisch betriebener Ortsdurchfahrt mit stehendem Verbrennungsmotor. Wie bereits erwähnt, ist rein elektrisches Fahren bis ca. 60 km/h inklusive Beschleunigungen zum „Mitschwimmen“ im Verkehr möglich. Darüber hinaus wird der Verbrennungsmotor in Verzögerungs- und Stillstandsphasen abgelegt. In die Entscheidung für die einzelnen Hybridfunktionen gehen eine Vielzahl von Parametern ein. Die Wirkungsgradkennfelder aller Teilsysteme sind dazu in der Software verfügbar. Ein Softwaremodul vergleicht für die erforderliche Antriebsleistung ständig die Effizienz von verbrennungsmotorischem und elektrischem Betrieb. Durch Überlagerung von weiteren Kriterien wie z. B. Ladezustand, Fahrsituation und Komponentenzustand wird letztendlich die optimale Funktion festgelegt. Abb. 6.64 zeigt die Anzeige der eDrive-Reserve in der Instrumententafel sowie den Einsatz der Hybridfunktionen in Abhängigkeit des Batterieladezustands.

Abb. 6.64. Einsatz der Hybridfunktionen in Abhängigkeit des Ladezustands [127]

Deutlich zu erkennen sind die großen eDrive- und Motor-Start/Stopp-(MSA-)Bereiche (eDrive @v = 0 km/h). Bei hohem Batterieladezustand wird die Rekuperation ausgeblendet, bei niedrigem SOC der Verbrennungsmotor gestartet und durch vermehrte Lastpunktanhebung die Batterie wieder geladen. Im Bereich des Ziel-SOC erfolgt bis ca. 60 km/h elektrisches Fahren. Verbrauchsvorteile werden aber nicht nur durch Nutzung der gespeicherten Energie zum elektrischen Fahren erzielt, sondern auch durch die Assist-Funktion. Diese senkt gezielt den Lastpunkt des Verbrennungsmotors ab und die E-Motoren liefern

302

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

einen Anteil zum Antriebsmoment. „Assisten“ ist beim Einsatz von rekuperierter Energie effizient und wird bei hohem Batterieladezustand in Bereichen eingesetzt, in denen der Verbrennungsmotor nicht abgestellt wird, z. B. bei höheren Geschwindigkeiten. Als zweiten wesentlichen Bestandteil der Betriebsstrategie unterscheidet die Ladestrategie eine Vielzahl von Situationen wie z. B. Warmlauf, Getriebeprogramm sowie Bergfahrt und stellt jeweils eine strategische Wunschladeleistung und einen Ziel-SOC ein. Sie sorgt so für eine bestmögliche Erfüllung der jeweiligen Anforderungen. Unter anderem wird bei höheren Geschwindigkeiten der Ziel-SOC abgesenkt, um die Batterie auf eine mögliche bevorstehende Rekuperation vorzubereiten. In Abb. 6.65 ist die Betriebsstrategie am Beispiel eines niederdynamischen Zyklus (NEFZ) dargestellt. Aus Emissionsgründen wird der Motor zu Beginn gestartet und nach ca. 70 s erstmals abgestellt. Im innerstädtischen Teil werden alle Konstantfahrten unterhalb von 50 km/h sowie alle Verzögerungs- und Stillstands-Phasen ohne Verbrennungsmotor durchgeführt. Der „Zustart“ des Verbrennungsmotors erfolgt bei Beschleunigungen ab ca. 15 km/h. Im Überlandteil wird die 50-km/h-Konstantfahrt elektrisch gefahren. Die Verbrauchsvorteile des X6 ActiveHybrid, bezogen auf das gleich motorisierte Basisfahrzeug, sind stark vom Nutzungsprofil abhängig. Während in eher niederdynamischen Zyklen (ähnlich NEFZ) ca. 20 % Verbrauchsreduktion erreicht werden, benötigt der X6 ActiveHybrid im mitteldynamischen US Combined etwa 15 % Kraftstoff weniger und bei einem kundennahen europäischen Fahrbetrieb mit höherem Autobahnanteil ca. 10 % weniger als das Basisfahrzeug.

Abb. 6.65. Betriebsstrategie im NEFZ [127]

6.9 Magna HYSUV

303

6.9 Magna HYSUV Am zukünftigen Hybridfahrzeugmarkt wird der SUV-Klasse ein großes Potenzial eingeräumt. Aus diesem Grund wurde als Technologieträger für die Hybridprodukt- und Gesamtfahrzeugentwicklung bei MAGNA STEYR der Mercedes ML350 von Daimler als Basisfahrzeug für die Adaptierung mit dem Magna-Hybridsystem ausgewählt, siehe Abb. 6.66. Das prinzipielle Schema der Antriebsstrangtopologie ist in Abb. 6.67 dargestellt. Der Längsantriebsstrang wird um ein Modul ergänzt, das zwischen dem Verbrennungsmotor und dem automatisierten Schaltgetriebe positioniert ist, siehe Abb. 6.68. Das Modul (sog. E4WD-Modul) besteht aus zwei Elektromaschinen EM1 und EM2 und kann je nach Ausbauvariante mit bis zu vier nasslaufenden Lamellenkupplungen (K1 bis K4) ausgestattet werden, siehe Abb. 6.69. Die Variante mit drei Kupplungen deckt den Parallelhybrid, die elektrische Vorderachse sowie den Serienhybrid ab [52], [128]. Das Schließen der Kupplung K4 ermöglicht die Momentenaddition beider Elektromaschinen für den Antrieb der Vorderachse sowie der Hinterachse. Das E4WD-Modul vereint die Funktionalität für den klassischen Parallelhybrid mit Zweikupplungstopologie und der abkuppelbaren elektrischen Antriebseinheit für die Vorderachse. Die Anordnung mit vier Kupplungen sowie zwei Elektromaschinen umfasst – einschließlich der Betriebsmodi für Verbrennungskraftmaschine, Getriebe und Bedieneingriffe durch den Fahrer – eine Vielzahl an Betriebszuständen, von denen insgesamt 21 Modi sinnvoll und funktional implementiert sind. Darunter befindet sich auch der Serienhybrid-Modus, der, wie die Übersicht in Abb. 6.70 zeigt, den Parallelhybrid und den Elektrischen-Achsen-Modus kombiniert und einen permanenten Allradbetrieb ermöglicht. Sämtliche klassische Hybridfunktionen wie Lastpunktanhebung, Start/Stopp-Funktion, Rekuperation und Boost (beides auch auf beide Achsen) sind ohnehin notwendig, um sämtlich Potenziale bzgl. Emissions- bzw. Kraftstoffverbrauchsreduzierung auszuschöpfen. Da beide Achsen rein elektrisches Fahren unter-

Abb. 6.66. HySUV Magna Steyr Hybrid-Demonstrator

304

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

stützen, müssen beide Hybrid-Electric-Drive-(HED)Einheiten uneingeschränkt vierquadrantentauglich sein.

Abb. 6.67. Schema des HYSUV-Antriebsstrangs [129]

Abb. 6.68. Antriebsstrang mit E4WD-Modul [129]

Abb. 6.69. E4WD-Modul

6.10 VW Touareg Hybrid

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Abb. 6.70. Darstellung der Multifunktionalität mit den Kupplungen des E4WD-Moduls [129]

Das aufgebaute HYSUV dient als Hybrid-Demonstrator-Fahrzeug, um Funktionalitäten zu optimieren und Erfahrungen zu sammeln. Für eine spätere Überführung in ein Serienprodukt ist eine Reduktion der Komponenten und Features zur Senkung von Gewicht und Kosten notwendig.

6.10 VW Touareg Hybrid Konzeptbedingt weisen Fahrzeuge der SUV- und Off-Road-Klasse einen höheren Kraftstoffverbrauch als konventionelle Fahrzeuge auf. Um dem entgegenzuwirken, wurde von Volkswagen für den Touareg zusätzlich zu den bereits existierenden Otto- und Diesel-Motorisierungen ein Hybridantrieb in Kombination mit einer Otto-Motorisierung entwickelt, siehe Abb. 6.71. Damit besteht die Möglichkeit, dem Kunden auch in Märkten, in denen Diesel-Konzepte, z. B. aus Imagegründen, keine Verbreitung finden, ebenfalls ein überdurchschnittlich sparsames Fahrzeug anzubieten [130]. Als Entwicklungsziele sollten neben der Verbrauchsabsenkung, und der Möglichkeit rein elektrisch fahren zu können, die Fahrleistungen und die Funktionalität des Touareg mit konventionellem Antriebsstrang zumindest beibehalten oder sogar noch verbessert werden. Mit einem erreichten Durchschnittsverbrauch von weniger als 9,0 l/100 km bzw. weniger als 210 g/km CO2 des seriennahen Hybrid-Prototypen ergibt sich dadurch im Vergleich zu einem konventionellen SUV gleicher Größe im Stadtverkehr eine Verbrauchseinsparung von mehr als 25 Prozent. Während des kombinierten Betriebs aus Stadt-, Landstraßen- und Autobahnfahrten wurde eine durchschnittliche Einsparung von 17 Prozent ermittelt. Des Weiteren hält der Touareg V6 TSI Hybrid die Grenzwerte der Euro-5-Norm und der amerikanischen Abgasnorm ULEV2 ein. Der VW Touareg Hybrid ist als klassischer Parallel-Full-Hybrid realisiert. Der gesamte Antriebsstrang ist in Abb. 6.72 dargestellt. Er wird von einem neuen V6 TSI, einem per mechanischen Kompressor aufgeladenen direkteinspritzenden Ottomotor und einem Elektromotor angetrieben. Der V6 TSI des Touareg Hybrid leistet 245 kW bei

306

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

5.500 U/min und schöpft bereits ab 3.000 U/min aus einem Hubraum von 2.995 cm3 ein maximales Drehmoment von 440 Nm. Die Hybridantriebsstrangkomponenten in Form eines Hybridmoduls sind zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe angeordnet, siehe Abb. 6.73.

Abb. 6.71. VW Touareg Hybrid

Abb. 6.72. Antriebsstrang des VW Touareg Hybrid

6.10 VW Touareg Hybrid

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Abb. 6.73. Komponenten des Touareg Parallel-Hybridantriebstrangs (ohne Achsen) [130]

Hybridmodul Das Hybridmodul umfasst dabei in einem gemeinsamen Gehäuse eine dem Motor nachgeordnete, trockene Trennkupplung K0 mit integriertem Torsionsdämpfer und hydraulischem Zentralausrücker sowie einen Elektromotor mit 34 kW mechanischer Leistung. Die Anbindung des Rotors der Elektromaschine an den Wandler des Automatgetriebes erfolgt über ein so genanntes Flexplate. Der bereits im konventionellen Antriebsstrang vorhandene Stufenautomat samt Drehmomentwandler wurden beibehalten. Abb. 6.74 zeigt einen Schnitt durch das Hybridmodul sowie die Eckdaten des Hybridmoduls. Mittels der Trennkupplung K0 nach dem Schwungrad kann die E-Maschine vom Verbrennungsmotor getrennt werden, wodurch elektrisches Fahren ermöglicht wird. Wie bereits in Kapitel 2.2.3, Elektrisches Fahren, ausgeführt, verfügt der Verbrennungsmotor über keinen eigenen Startermotor, sondern wird von der E-Maschine über die Trennkupplung mittels einer komplexen Prozedur aus dem Stand oder während des elektrischen Fahrens gestartet. Die Betätigung der Trennkupplung zum An- und Abschalten des Verbrennungsmotors wird durch einen Spindelaktuator gesteuert. Die entsprechenden Regelalgorithmen sind im so genannten Hybridmanager hinterlegt, der zusätzlich im Motorsteuergerät integriert ist.

308

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Abb. 6.74. Schnitt durch das Hybridmodul [130]

Getriebe Das Seriengetriebe des Touareg ist ebenso wie die dem Getriebe nachfolgenden Komponenten des Touareg-Triebstrangs für Drehmomente bis 800 Nm erprobt und damit ohne weitere Verstärkungsmaßnahmen für die Kombination des 450 Nm starken Verbrennungsmotor mit dem 300-Nm-Elektromotor geeignet. Lediglich beim Wandler und der Überbrückungskupplung (WÜK) wurde eine den spezifischen Anforderungen gerechte Kombination vorhandener Komponenten verbaut. Für die Anwendung im Hybridantriebstrang wurde eine zusätzliche elektrische Getriebe-Ölpumpe (EOP) zur Aufrechterhaltung der Getriebeölversorgung bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor installiert, da die mechanische Ölpumpe des Automatikgetriebes erst ab einer bestimmten Mindestdrehzahl in der Lage ist, eine für die sichere Kraftübertragung ausreichende Druckbeaufschlagung von Wandlerüberbrückungskupplung WÜK und Kupplung K1 sicherzustellen. Damit im rein elektrischen Fahrbetrieb mit dem Elektromotor ohne schlupfenden Drehmomentwandler angefahren werden kann, muss die Wandlerüberbrückungskupplung und für die Kraftübertragung innerhalb des automatischen Getriebes auch die Kupplung K1 ab Eingangsdrehzahl „Null“ geschlossen werden können. Um einen Teil des Gewichts der Hybridkomponenten (ca. 175 Kilogramm) zu kompensieren, weist der Prototyp gegenüber der Serie zahlreiche Modifikationen auf. Ein Beispiel ist hier der permanente 4XMotion-Allradantrieb. Im konventionellen Touareg wird die Antriebskraft über ein Verteilergetriebe mit sperrbarem Zentraldifferential an die Vorder- und Hinterachse übertragen. Beim Touareg V6 TSI Hybrid kommt statt des zweistufigen Verteilergetriebes ein leichteres Torsen-Differential zum Einsatz, wie es auch Audi im Q7 verwendet. Paradedisziplinen des Touareg, wie etwa die optimalen Eigenschaften als Zugfahrzeug, konnten dabei voll erhalten bleiben.

6.10 VW Touareg Hybrid

309

Elektromaschine Als Elektromaschine kommt eine 288-V-Synchronmaschine mit 34 kW mechanischer Leistung und einem maximalen Drehmoment von 300 Nm zum Einsatz. Wie aus Abbildung 11 ersichtlich, ist die Kupplungsscheibe der Trennkupplung K0 über eine kurze Antriebswelle mit dem Rotor der Elektromaschine verbunden. Die Lagerung des Rotors erfolgt über diese Antriebswelle und ein auf Lebensdauer geschmiertes Leichtlauf-Kugellager in einem mit dem Hybridmodul vergossenen Lagerschild.

Trennkupplung „K0“ Die Trennkupplung K0 wurde als trockene Einscheibenkupplung nach dem „normally closed“-Prinzip ausgeführt. Der Grundaufbau entspricht grundsätzlich dem herkömmlicher Anfahrkupplungen, allerdings wurden Schwungrad, Kupplungsscheibe und Ausrücker an den Hybrideinsatz angepasst. Um den Wiederstart des Verbrennungsmotors zu erleichtern, wurde bei der Dimensionierung des Schwungrads darauf Wert gelegt, dieses mit möglichst geringem Massenträgheitsmoment auszuführen. Auf den Einsatz eines 2-Massenschwungrades (ZMS) wurde bewusst verzichtet. Stattdessen wurde zur Isolierung der Drehungleichförmigkeiten des Verbrennungsmotors ein Torsionsdämpfer mit einem maximalen Verdrehwinkel von 30° in die K0-Kupplungsscheibe integriert. Für die automatisierte Betätigung der Trennkupplung K0 wird ein elektrohydraulischer „Spindelaktuator“ eingesetzt. Ausschlaggebend für dieses Konzept war die Überlegung, dass Hybridfahrzeuge eine drastisch höhere Zahl an Motorstarts aufweisen als konventionelle Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Zentrales Element des Spindelaktuators ist ein bürstenloser Gleichstrom-Elektromotor. Er treibt eine Kugelumlaufspindel an, die einen Hydraulikkolben zur Druckerzeugung und Volumenverschiebung bewegt, siehe Abb. 6.75. Der Aktuator ist mit einem Kugelgewindetrieb ohne Selbsthemmung ausgestattet. Um das Zerstören der inneren Bauteile (Kolben, Spindel etc.) auf Grund einer zu schnellen Bewegung bei Spannungsabfall bzw. -wegfall zu vermeiden, ist die Einheit mit einer Motorbremse ausgestattet. Zur Lagebestimmung des bürstenlosen Gleichstrom-Elektromotors, der fest mit der Spindel verbunden ist, sind zwei Winkelsensoren integriert. Des Weiteren gibt es für die Initialisierung und Wegsensierung der Einheit einen Linearwegsensor und einen Schaltpunktsensor sowie optional einen Drucksensor. Die in den Spindelaktuator integrierte Elektronik hat einerseits die Aufgabe, den Gleichstrom-Elektromotor zu steuern; andererseits schließt sie unter Einbeziehung der integrierten Sensoren den Regelkreis für den Kolbenverfahrweg. Das Gesamtsystem stellt damit einen „intelligenten“ Aktuator dar, der auf der einen Seite einen elektrischen Leistungseingang und elektronischen Sollwerteingang und auf der anderen Seite einen geregelten hydraulischen Leistungsausgang besitzt. Der Sollwerteingang ist als CAN-Verbindung ausgeführt. Die Ansteuerung des Spindelaktuators erfolgt über den in das Motorsteuergerät integrierten „Hybridmanager“.

310

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Abb. 6.75. Schnitt durch den Spindelaktuator [130]

Batterie Als elektrischer Energiespeicher dient eine luftgekühlte Nickel-Metallhydrid-Batterie mit 240 Zellen und einer Nennspannung von 288 V, die in der Reserveradmulde eingebaut ist, siehe Abb. 6.72 bzw. Abb. 6.76. Die Speicherkapazität beträgt 1,87 kWh,

Abb. 6.76. Luftgekühlte NiMh-Batterie des VW Touareg Hybrid

6.10 VW Touareg Hybrid

311

wobei ein SOC-Bereich von 30 –70 % bzw. 0,75 kWh nutzbar sind. Über einen in die Innenraumlüftung des Touareg integrierten Zusatzkanal und zwei separate Lüfter wird die Batterie in einem optimalem Temperaturbereich gehalten. Die Batterie wiegt 67 kg. Im Crashfall wird die Hochvoltbatterie durch eine so genannte „Protect Box“ geschützt. Inklusive dieser Box und der Belüftungsanlage wiegt das Batteriesystem 79 kg.

Hybridsteuerung Die Hybridsteuerung wurde in das Verbrennungsmotorsteuergerät integriert, da dieses ausreichend Prozessorleistung und Speichergröße besitzt. Es wird eine drehmomentbasierte Softwarestruktur verwendet, die aus dem Fahrerwunsch und den Anforderungen der Teilsysteme, wie z. B. Nebenaggregate oder ESP, das erforderliche Verbrennungsmotor- und E-Motormoment ermittelt. Die Betriebsstrategie bestimmt dabei aus der im System verfügbaren Energie und den Wirkungsgraden der Teilsysteme die verbrauchsgünstigste Betriebsart. Soll die aktuelle Betriebsart verlassen werden, so resultiert daraus eine Anforderung zum Start oder zum Stopp des Verbrennungsmotors. Der Betriebsartenwechsel erfolgt durch das Zusammenwirken von Verbrennungs-, Elektromotor, Trennkupplung und Getriebe und wird durch eine entsprechende Ablaufsteuerung koordiniert. Je nachdem, ob der Verbrennungsmotor aktiv oder abgekoppelt ist, ergeben sich die folgenden Betriebsarten, siehe Abb. 6.77.

Abb. 6.77. Darstellbare Betriebsarten [130]

Die Versorgung der elektrischen Verbraucher bildet eine Grundlast, deren Höhe die Wahl der Betriebsarten beeinflusst. Des Weiteren muss auch eine Energie- und Drehmomentreserve zum Wiederstarten des Verbrennungsmotors berücksichtigt werden. Abb. 6.78 zeigt die elektrischen Energieströme in den jeweiligen Betriebsarten. Im Folgenden werden die darstellbaren Betriebsarten und ihre charakteristischen Merkmale beschrieben:

312

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Abb. 6.78. Energieströme und Betriebsarten [130]

Instationärausgleich Die Elektromaschine ist ein sehr schnell reagierender und mit hohem Wirkungsgrad arbeitender Drehmomentsteller, der positive und negative Drehmomentanforderungen in gleicher Güte erfüllen kann. In transienten Betriebszuständen, in denen die Stellgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors der Sollwertdynamik nicht zu folgen vermag, (z. B. Ladedruckaufbau), oder mit geringem Wirkungsgrad verbunden ist, (z. B. Drehmomentreduzierung durch Zündzeitpunkt-Spätverstellung bei Getriebeschaltungen oder ESP-Eingriffen), wird deshalb die Elektromaschine genutzt, um Drehmomentänderungen schnell und mit gutem Wirkungsgrad durchführen zu können. Dieser als Instationärausgleich bezeichnete Vorgang ist durch kurzzeitig hohe elektrische Leistung, aber geringe umgesetzte Energie gekennzeichnet und korrespondiert deshalb gut mit dem „Energieangebot“ der Traktionsbatterie. Abb. 6.79 zeigt das Prinzip des Instationärausgleichs sowie weiterer Boost- und Ladefunktionen.

Abb. 6.79. Prinzip Instationärausgleich / Boost / Laden [130]

6.10 VW Touareg Hybrid

313

Boost

Abb. 6.80. Maximale Leistung und Drehmoment des Verbrennungsmotors mit bzw. ohne E-Maschinenunterstützung

Beim Boost wird durch die Elektromaschine das maximal darstellbare Radmoment über die konventionelle, verbrennungsmotorische Volllast hinaus erhöht. Die Fahrleistungen können so signifikant verbessert werden. Beim Kickdown oder Wählhebel in Stufe „S“ ergibt sich kurzfristig eine Leistung von 275 kW; das maximale Drehmoment steigt auf bis zu 550 Nm, siehe Abb. 6.80. In diesem Fall beschleunigt der Touareg V6 TSI Hybrid-Prototyp in nur 6,8 Sekunden von 0 auf 100 km/h. Grundsätzlich unterscheidet man beim Boosten zwischen dem „aktivem Boost“, bei dem die Elektromaschine zusätzlich zum Verbrennungsmotor einen Drehmomentanteil in den Antriebsstrang liefert, und dem „passiven Boost“, bei dem sich die Elektromaschine drehmomentneutral verhält und die Versorgung der elektrischen Verbraucher allein durch die Traktionsbatterie erfolgt.

Elektrisches Fahren Der elektrische Fahrbetrieb wird auf Grund seiner Emissionsfreiheit und Geräuscharmut als typisches Merkmal eines Full-Hybridfahrzeugs empfunden und vom Kunden gefordert. Elektrisches Fahren ist allerdings nur dann sinnvoll, wenn der Gesamtwirkungsgrad trotz des mehrfachen verlustbehafteten Konvertierens der Energie inkl. der Startvorgänge größer ist als im reinen Verbrennungsmotorbetrieb. Der resultierende Betriebsbereich elektrischen Fahrens ist vergleichsweise klein. Dem Fahrer wird deshalb die Möglichkeit gegeben, über eine E-Fahrtaste diesen Betrieb innerhalb der Grenzen des elektrischen Systems aktiv einzustellen, wenn geringes Fahrgeräusch oder Emissionsfreiheit gewünscht wird. Der Betriebsbereich elektrischen Fahrens muss bei

314

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

diesem Konzept stets eine Drehmomentreserve der Elektromaschine vorhalten, die für den Start des Verbrennungsmotors benötigt wird.

Motorstart Der Wiederstart des Verbrennungsmotors prägt mit seiner Qualität den Komforteindruck des Antriebsstrangs. Der Einwellen-Parallel-Hybrid stellt hier eine besondere Herausforderung dar, da während des Starts die Stellglieder Trennkupplung, Wandlerüberbrückungskupplung und diverse Fahrkupplungen, die alle den Kraftschluss beeinflussen, gesteuert werden müssen. Aus dem elektrischen Fahren oder der Rekuperation heraus wird die Startanforderung durch die Betriebsstrategie ermittelt. Sie startet eine Ablaufsteuerung, die den Start zwischen den Teilsystemen Verbrennungsmotor, Trennkupplung, Elektromaschine und Getriebe koordiniert. Liegt eine Startanforderung vor, so wird die Wandlerüberbrückungskupplung des Getriebes in Schlupf gebracht und die Drehzahl der Elektromaschine auf den vom Getriebesteuergerät vorgegebenen Sollwert erhöht. Erst dann erhält das Motorsteuergerät die Freigabe zur Betätigung der Trennkupplung. Über die schließende Trennkupplung wird der Verbrennungsmotor durch die Elektromaschine hochgeschleppt und, wenn die Füllung der Zylinder die Darstellung des Solldrehmoments ermöglicht, durch Freigabe von Einspritzung und Zündung gestartet. Das Drehmoment der Elektromaschine wird dabei entsprechend des aktuell von der Trennkupplung übertragenen Drehmoments während des Anschleppvorgangs erhöht und nach dem Start des Verbrennungsmotors entsprechend dessen Drehmomentanstiegs reduziert. Auf diese Weise wird das Getriebeeingangsmoment und damit das Radmoment auf dem vom Fahrer gewünschten Sollwert gehalten. Ist Kraftschluss an der Trennkupplung eingestellt, so wird die Wandlerüberbrückungskupplung wieder geschlossen. Eine detaillierte Beschreibung der Abläufe befindet sich in Kapitel 2.2.3 Elektrisches Fahren. Dieser grundsätzlich immer gleiche Startablauf kann nun zwischen Komfortorientierung und Dynamikorientierung skaliert werden, indem die Dauer der einzelnen Teilabläufe variiert wird. Auf diese Weise können unterschiedliche Anforderungen des Fahrers, die über die Betätigung des Fahrpedals erkannt werden, wirksam umgesetzt werden.

Lastpunktverschiebung Das Laden der Traktionsbatterie erfolgt über Rückgewinnung der Bremsenergie oder, wenn das nicht möglich ist, durch generatorischen Betrieb der vom Verbrennungsmotor angetriebenen Elektromaschine. Der Lastpunkt des Verbrennungsmotors wird dabei über das zur Überwindung des Fahrwiderstands notwendige Maß angehoben und der entstehende Drehmomentüberschuss der Batterie als elektrische Energie zugeführt. Der Betriebspunkt wird unter Berücksichtigung der Teilwirkungsgrade und des Energiebedarfs des elektrischen Systems definiert. Die Betriebspunkte des Verbrennungsmotors können so im Zusammenwirken mit Start/Stopp- und elektrischem Fahren deutlich wirkungsgradoptimaler als beim konventionellen Fahrzeug eingestellt werden. Erfolgt keine Nachladung, wird das generatorische Moment der Elektromaschine so skaliert, dass der Leistungsbedarf der Nebenaggregate gedeckt wird.

6.11 AVL ECO Target

315

Rekuperation Die Rückgewinnung der Bremsenergie stellt die verbrauchsoptimale Art des Ladens der Traktionsbatterie dar. Die direkte Nutzung der kinetischen Energie des rollenden Fahrzeugs durch minimales Schubmoment im Antriebsstrang ist energetisch nochmals effektiver. Der Verbrennungsmotor wird deshalb im Schub durch das Öffnen der Trennkupplung vom Antriebsstrang getrennt, sodass seine Schleppverluste den Gesamtwirkungsgrad nicht beeinflussen. Die Rekuperation wird nur bei einer Betätigung des Bremspedals durch den Fahrer aktiviert.

6.11 AVL ECO Target Beim ECO TARGET wurde das Ziel verfolgt, einen Hybridantriebsstrang für ein Mittelklassefahrzeug mit einem Leergewicht von 1350 kg zu entwickeln, siehe Abb. 6.81. Emissionsentwicklungsziele sind die Einhaltung der Abgasgesetzgebung Euro IV sowie die Erfüllung zukünftiger CO2-Emissionsanforderungen von 90 –120 g pro Kilometer im NEDC. Hinsichtlich Komfort und Fahrdynamik sollen im Vergleich zum Basisantriebsstrang (2-l-Dieselmotor mit 5-Gang-Handschaltgetriebe) keine Abstriche gemacht werden. Der Gesamtaufbau des Mild-Hybrid-Systems ist in Abb. 6.82 dargestellt.

Abb. 6.81. AVL Mild-Hybriddemofahrzeug ECO TARGET™ [131]

Abb. 6.82. ECO TARGET-Antriebsstrang [132]

316

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Hauptantriebsquelle bildet ein gegenüber der Basismotorisierung verkleinerter Motor (Downsizing) mit 1,2 l Hubraum, der mit einem automatisierten Schaltgetriebe (ASG) mit 6 Gängen gekoppelt ist. Eine 42-V-E-Maschine mit 10 kW Dauerleistung (maximal 25 kW für 5 s) ist über ein Zwischengetriebe mit dem ASG verbunden. Das Zwischengetriebe kann durch eine Schaltung die E-Maschine einerseits mit der Antriebswelle und andererseits mit der Abtriebswelle des ASG koppeln. Gegenüber der Anordnung des E-Motors an der Kurbelwelle hat das ECO TARGET-Konzept den Vorteil, dass die Baulänge des automatisierten Schaltgetriebes im Kupplungsbereich nicht vergrößert werden muss, was insbesondere für Anwendungen mit vorne quer eingebautem Motor wichtig ist. Die E-Maschine im ECO TARGET ist eine eigenständige, in sich optimierbare und vom Getriebe unabhängige Einheit. Bei Systemen, die auf der Kurbelwelle sitzen, ist z. B. die Optimierung des Luftspalts zwischen Stator (sitzt im Getriebegehäuse) und Rotor (sitzt auf der Kurbelwelle) insbesondere bei Asynchronmaschinen schwierig, was immer zu Wirkungsgradeinbußen führt. Die Leistungselektronik, bestehend aus Prozessor, Umrichter und DC-DC-Wandler, ist am Zwischengetriebe verschraubt. Der als Energiespeicher verwendete 150-Doppelschichtkondensator (Supercapacitor) sitzt über dem Getriebe und ist karosserieseitig befestigt, siehe Abb. 6.83. Die Kühlung der Leistungselektronik und der E-Maschine ist direkt in den Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine integriert.

Abb. 6.83. Package ECO TARGET [132]

Die E-Maschine kann sowohl als Anlasser als auch als Generator fungieren, womit diese beiden Bauteile entfallen. Zusätzlich kann mit der E-Maschine Bremsenergie rückgewonnen (rekuperiert) werden, wobei die Verbrennungskraftmaschine mit ihrer Reibleistung abgekoppelt wird, was bei kurbelwellenseitigen Systemen nur mit einer zweiten Kupplung erreicht werden kann. Ein weiterer wichtiger Aspekt von ECO TARGET ist, dass die E-Maschine während der Getriebeschaltung die Zugkraftun-

6.11 AVL ECO Target

317

terbrechung auffüllen kann, was die Schaltung eines automatisierten Schaltgetriebes sehr komfortabel macht. Dadurch ergibt sich ein Schaltkomfort, der dem von Wandlerautomatgetrieben nahekommt. Die Auswahl eines Supercapacitors anstelle einer 42-VBatterie ermöglicht es, die E-Maschine sowohl motorisch als auch generatorisch kurzzeitig mit sehr hohen Strömen zu betreiben. Dies hat sowohl Vorteile beim Boosten und der Zugkraftunterstützung beim Schalten als auch bei der Rekuperation. Jedoch ist die gespeicherte Energiemenge des Supercaps im Vergleich zur Batterie geringer, sodass elektrische Funktionen bevorzugt werden, die keinen längeren Betrieb der E-Maschine benötigen. Die Strategie des Energiemanagements ist demzufolge auf möglichst viele kurze Lade- und Entladezyklen des Supercaps ausgelegt, wofür dieser auch sehr gut geeignet ist. Die Lastpunktverschiebung durch die Hubraumanpassung (Downsizing) bzw. das automatisierte Schaltgetriebe haben deutlich höhere Motorlasten im NEDC mit entsprechend besseren thermodynamischen Wirkungsgraden der VKM zur Folge. Allerdings führen die daraus resultierenden höheren Lasten zu erschwerten Randbedingungen bezüglich NOx-Emissionen. Der Schwerpunkt der Verbrennungsentwicklung lag daher auf der Optimierung der verbrennungsrelevanten Parameter Kolbenmulde, Verdichtung, Düsenspezifikation, Düsenvorstand, AGR-Raten, Ladungsbewegung (Drall) sowie Einspritzdruck und Einspritzbeginn unter der Randbedingung entsprechend hoher spezifischer Motorlasten.

Abb. 6.84. Schema des Radsatzes [132]

318

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Der schematische Aufbau des Getriebes ist in Abb. 6.84 dargestellt. Die Kupplung wird durch einen elektromotorisch angetriebenen Kupplungsaktuator über einen Ausrückhebel betätigt. Die Getriebeschaltung erfolgt ebenfalls elektromotorisch. Über jeweils 2 Zahnradstufen werden 2 Schaltwalzen betätigt und dadurch die Gänge ein- und ausgelegt. Dabei sind der einen Schaltwalze die Gänge Rückwärts, 2, 4 und der anderen die Gänge 1, 3, 5 und 6 zugeordnet. Dieses Schaltkonzept sorgt für sehr kurze Getriebeschaltzeiten. Da benachbarte Gänge auf unterschiedlichen Schaltwalzen liegen, kann durch ein gleichzeitiges Auslegen des Start- und Einlegen des Zielgangs eine sehr kurze Getriebeschaltzeit erreicht werden, wie sie bislang nur mit hydraulischen Betätigungen möglich waren. Auch Doppelschaltungen (z. B. 5 nach 3) können sehr schnell erfolgen, da der Zwischengang nicht eingelegt werden muss. Die Koppelung der E-Maschine mit dem automatisierten Schaltgetriebe erfolgt durch das Zwischengetriebe. Von der E-Maschine kommend geht der Kraftfluss über zwei Stirnradstufen (Stufe 4 und 3) auf die Zwischenwelle, auf der sich die Schalträder der Stufe 2 und Stufe 1 befinden. Diese beiden Schalträder lassen sich durch die Schaltwalze der Gänge R/2/4 schalten, sodass hierfür keine weitere Aktuatorik benötigt wird. Die Stufe 2 verbindet die E-Maschine über das Festrad des 4. Ganges mit der Antriebswelle. In dieser Schaltposition kann z. B. die Verbrennungskraftmaschine angelassen werden. Die Stufe 1 verbindet die E-Maschine mit dem Abtrieb, wodurch z. B. das Boosten ermöglicht wird. Da die E-Maschine mit bis zu 20.000 min-1 läuft, wurde auf die Auslegung der Verzahnungen, insbesondere der Stufe 4, sowie die Konstruktion der Lagerung und des Gehäuses besonderes Augenmerk gelegt.

Funktionalitäten von ECO TARGET Im Gegensatz zu herkömmlichen Antriebssträngen bietet die Integration der E-Maschine im ECO TARGET folgende zusätzliche Funktionen: • Geräuscharmes, schnelles und emissionsreduziertes Anlassen der VKM • Generatorbetrieb zur Versorgung des 12-V- und 42-V-Bordnetzes • Rekuperation (Bremsenergierückgewinnung durch elektrisches Bremsen bzw. VKM-Schubsimulation) • Leerlaufabschaltung (Start-Stopp-Funktion) mit geräuscharmem Motorschnellstart • Schalten mit Zugkraftunterstützung • Elektrische Anfahrunterstützung • Boosten • Impulsstart

6.12 AVL Turbohybrid Ein Beispiel für ein innovatives Hybridkonzept mit Ottomotor ist der Turbohybrid von AVL [133]. Wie bereits in Kapitel 3.2.1 dargestellt, stellt die Lastpunktverschiebung eine besonders effektive Möglichkeit zur Verbrauchsreduzierung dar. Grundsätzlich kann durch eine andere Getriebeauslegung (z. B. längere Achsübersetzung oder Doppelkupp-

6.12 AVL Turbohybrid

319

lungsgetriebe und damit verbundene Möglichkeit der Optimierung der Schaltpunkte im Zyklus) eine Lastpunktanhebung und damit Verbrauchsverbesserung in der Größenordnung von 5 –10 % (abhängig von der Auslegung des Basisantriebs) erzielt werden. Bei einem konventionellen Antrieb kann dieses Potenzial aber nur unter Akzeptanz einer reduzierten Fahrleistung (längere Achsübersetzung, Hubraumreduzierung) oder verbunden mit höheren Kosten (Doppelkupplungsgetriebe) umgesetzt werden.

Abb. 6.85. AVL Turbohybrid-Fahrzeug [131]

Beim Parallelhybrid hingegen können die Fahrleistungseinbußen auf Grund verbrauchsoptimierter Getriebe bzw. Achsauslegung durch die elektrische Zusatzleistung (in Abhängigkeit von der Batteriekapazität) weitgehend kompensiert werden, wobei in dieser Fahrzeugklasse bereits mit einer elektrischen Leistung von rund 15 kW ein Großteil des Verbrauchspotenzials erschlossen werden kann. Der Effekt des Hybridantriebes ist damit nicht nur auf die Potenziale Start/Stopp und Rekuperation begrenzt, sondern bietet bei einer darüber hinausgehenden Gesamtoptimierung des Antriebs deutlich höhere Verbrauchspotenziale bei vergleichbaren Fahrleistungswerten. Bei elektrischer Unterstützung der Fahrleistungen ist es aber essentiell, dass die Unterstützung immer zur Verfügung steht und nicht durch einen geringen Ladezustand der Batterie eingeschränkt wird. Ein nicht reproduzierbares Beschleunigungsverhalten wird allgemein als kritisch angesehen. Beim Lösungsansatz der AVL wird ein aufgeladener Ottomotor in einem Parallelhybridantriebsstrang mit einer elektrischen Leistung von etwa 15 kW für ein Mittelklassefahrzeug vorgeschlagen. Als Fahrzeugplattform für das Konzeptfahrzeug wurde ein BMW 320 i (Version 2006) gewählt, siehe Abb. 6.85.

320

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Der Antrieb besteht aus einem 1,6 l turboaufgeladenen Otto-DI-Motor (GDI-tc) [131], einem Kurbelwellen-Hybridmodul mit zwei Kupplungen, einem manuellen Getriebe, einem Hochspannungs-Energiespeicher (Double Layer Capacitor – DLC, kann alternativ auch durch eine Lithium-Ionen-Batterie ersetzt werden) und einem Hybridcontroller mit entsprechender Regelstrategie, siehe Abb. 6.86.

Abb. 6.86. AVL Turbohybridantriebskonzept – Ausbaustufe 1 [131]

Die Ausbaustufe 1 repräsentiert folgende Antriebskonfiguration: • 1,6 l GDI-tc • 6-Gang manuelles Getriebe mit langer Achsübersetzung • Anfahrkupplung (die zweite, Trenn-Kupplung ist nicht aktiviert) • Double Layer Capacitor (334 kJ / 93 Wh) • Kurbelwellen-Starter-Generator mit 15 kW (elektronisch limitiert) • AVL RPEMS – Prototype Hybrid Control Unit Zur Demonstration der Wirkweise dieses Hybridkonzepts wird der 1,6 l turboaufgeladene Otto-DI-Motor mit einem 2,0-l-Saugmotor verglichen. Da der Turbomotor ein deutlich höheres Drehmoment besitzt, kann eine längere Getriebeübersetzung mit entsprechenden Verbrauchsvorteilen eingesetzt werden. Mit dieser Getriebeauslegung können zwar dieselben maximalen Zugkräfte erreicht werden, jedoch mit Nachteilen im niedrigen Drehzahlbereich, siehe Abb. 6.87. Dieser Nachteil wird im dynamischen Beschleunigungsfall (in Abb. 6.87 dargestellt für den 3. Gang) durch die Turboladerdynamik noch verstärkt. In dieser Konfiguration wäre der Antrieb aus Fahrbarkeitssicht nicht akzeptabel und muss daher mit zusätzlichen Maßnahmen hinsichtlich Fahrbarkeit verbessert werden.

6.12 AVL Turbohybrid

321

Abb. 6.87. Zugkraftdiagramm. 1,6 l GDI-tc mit langer Achse im Vergleich zu 2,0-l-Saugmotor [131]

Abb. 6.88. AVL Turbohybrid. Volllastperformance [131]

Dies gelingt durch die Kombination mit einem elektrischen Antrieb. Abb. 6.88 zeigt die Volllastcharakteristik des Turbohybridantriebs. Wird der 1,6 l GDI-tc mit ei-

322

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

nem 15 kW elektrischen Antrieb kombiniert, ergibt sich ein theoretisches Potenzial, das in Abb. 6.88 strichliert als Summe von beiden Momenten dargestellt ist. Der Elektroantrieb wird jedoch nur bei niedrigen Drehzahlen und im transienten Fall genutzt, um das Antriebsmoment immer auf dem maximalen Motormoment zu halten. Das resultierende Antriebsmoment des Turbohybrid führt zu identischer bzw. besserer Zugkraft im Vergleich zum Basisantrieb trotz signifikant längerer Getriebeübersetzung, siehe Abb. 6.89. Damit ist auch im transienten Fall dieselbe oder bessere Fahrperformance und damit Fahrbarkeit bzw. Fahrspaß garantiert.

Abb. 6.89. AVL Turbohybrid. Zugkraftdiagramm [131]

Wie bereits erwähnt, muss diese E-Motor-Unterstützung unter allen Umständen verfügbar sein, d. h. der Energiespeicher immer einen entsprechenden Ladezustand aufweisen. Um das zu ermöglichen, hat AVL den Turbohybrid mit einer intelligenten Nachladestrategie kombiniert, welche das Nachladen des Energiespeichers auch während einer Volllastbeschleunigung erlaubt. Dabei wird die benötigte Energie für die elektrische Unterstützung im niedrigen Drehzahlbereich von der Verbrennungskraftmaschine im höheren Drehzahlbereich wieder zur Verfügung gestellt, siehe Abb. 6.90. Damit kann der Beschleunigungsvorgang energiebilanziert und daher auch bei niedrigem Ladestand des Speichers mit derselben Performance erfolgen. Voraussetzung dafür ist die Overboost-Fähigkeit (= kurzzeitiges Überhöhen des Motormoments über das stationäre Volllastniveau) der Verbrennungskraftmaschine. Dieser Momentenüberschuss wird zum Laden des Energiespeichers genutzt. Der restliche Antrieb muss nicht auf die Momentenüberhöhung ausgelegt werden. Diese Nachladestrategie wird nur bei entsprechend niedrigem Ladezustand im Energiespeicher verwendet.

6.12 AVL Turbohybrid

323

Abb. 6.90. AVL Turbohybrid. Volllastperformance – Overboost [131]

Abb. 6.91. Messung. Volllastbeschleunigung von 30 auf 90 km/h im 3. Gang, ohne elektrische Unterstützung [131]

Zur Verifizierung der Fahrzeugperformance werden im Folgenden Volllastbeschleunigungen (Tipp-In) von 30 auf 90 km/h im 3. Gang mit verschiedenen Setups verglichen. Abb. 6.91 zeigt das Ergebnis, bei welchem das Fahrzeug ohne elektrische Unterstützung betrieben wird. Die Startdrehzahl von 1.000 min-1 führt zu einem deutlichen Turbo-Loch, sodass erst nach ca. 5 Sekunden das volle Antriebsmoment der Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung steht. Der gesamte Beschleunigungsvorgang dauert 10,5 Sekunden. Mit elektrischer Unterstützung, siehe Abb. 6.92, ist das volle Antriebsmoment auch bei sehr niedrigen Drehzahlen sofort verfügbar (begrenzt lediglich durch Komfortbedingungen bezüglich Ruckelverhalten des Antriebs). Das volle Moment der Verbren-

324

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

nungskraftmaschine ist nach 3,5 Sekunden erreicht (BOOST-Bereich) und der gesamte Beschleunigungsvorgang ist nach 8,5 Sekunden abgeschlossen. Nach Erreichen des max. Motormoments wird die VKM im Overboost-Bereich betrieben und das Überschussmoment zum Laden des Energiespeichers genutzt. Diese Art der Nachladung wird allerdings nur bei niedrigem Ladezustand angewendet, um auch dann ein reproduzierbares Verhalten zu garantieren.

Abb. 6.92. Messung. Volllastbeschleunigung von 30 auf 90 km/h im 3. Gang, mit elektrischer Unterstützung und Overboost-Funktion [131]

Für einen Vergleich verschiedener Fahrzeugkonzepte mit dem Turbohybrid wurden Rollenmessungen mit identischen Fahrwiderständen durchgeführt (Referenzfahrzeug: BMW 320 i MT6, Modelljahr 2008), um den Einfluss unterschiedlicher Fahrzeuge zu eliminieren. Es wurden Verbrauchsmessungen im „New European Driving Cycle“ (NEDC) und Messungen zur Fahrbarkeit (bzw. „Fahrspaß“) durchgeführt. Die Bewertung der Fahrbarkeit (bzw. des „Fahrspaß“) wurde auf Basis einer Messung mit AVL-DRIVE [134] ermittelt. Folgende Fahrzeuge wurden mit identischem Fahrwiderstand vermessen: • BMW 320 i, 2,0L NA geschichtetes, mageres Brennverfahren, Start/Stopp, intelligentes Bordnetzmanagement, MT6 (Referenz) • AVL Turbohybrid – Berücksichtigung von 100 kg Zusatzgewicht (nächste Schwungmassenklasse)

6.13 Opel Flextreme und Ampera

325

• Voll-Hybridfahrzeug mit einer Powersplit-Konfiguration (elektrischer CVT) – Berücksichtigung von 175 kg Zusatzgewicht im Vergleich zum Referenzfahrzeug (nächste Schwungmassenklasse) Mit dem Turbohybrid gelingt es vor allem durch die Lastpunktverschiebung mittels einer langen Achsübersetzung, eine hohe Verbrauchsverbesserung im Vergleich zur Referenz zu erzielen, siehe Abb. 6.93. Dies ist bei konventionellen Antrieben auf Grund der Einbußen in Bezug auf Fahrdynamik nicht umsetzbar. Trotzdem weist er von allen Fahrzeugen den höchsten Fahrspaßfaktor auf. Durch die zweite Kupplung (Trennkupplung – bessere Nutzung der Rekuperation) und in Kombination mit einem automatisierten Getriebe besitzt er in der 2. Ausbaustufe noch ein weiteres Verbrauchspotenzial von ca. 7 %. Im Vergleich zum Vollhybrid auf Powersplitbasis ist die gesamte installierte elektrische Leistung im Turbohybrid deutlich niedriger, was sich auch in signifikant niedrigeren Zusatzkosten für das Antriebssystem niederschlägt.

Abb. 6.93. Vergleich von „Fahrspaß“, NEDC-Verbrauch und Antriebskosten der verschiedenen Antriebskonzepte mit BMW 320 i, Modelljahr 2008 als Referenz [131]

6.13 Opel Flextreme und Ampera Neben dem Chevrolet Volt ist der Opel Flextreme ein weiteres Konzeptfahrzeug von GM, welches die E-Flex-Antriebsstrang-Architektur verwendet, siehe Abb. 6.94. Kern

326

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

des Systems ist ein serieller Hybridantrieb mit einem 1,3-Liter-Dieselmotor und einer Lithium-Ionen-Batterie, welche eine rein elektrische Reichweite von bis zu 55 Kilometern erlaubt. Bei niedrigem Ladezustand der Batterie schaltet sich der 1,3-LiterTurbodieselmotor ein und erhöht die Reichweite des Fahrzeuges auf bis zu 715 km. Er läuft stets im optimalen Drehzahlbereich, wobei seine zylinderdruckbasierte ClosedLoop-Technologie den Verbrennungsprozess kontrolliert und damit die Schadstoffemissionen des Fahrzeugs weiter reduziert. Nach dem europäischen Fahrzyklus (ECE R101) sind Emissionswerte von weniger als 40 g CO2/km zu erwarten, siehe auch Tabelle 6.1 [135].

Abb. 6.94. E-Flex-Antriebsstrangstruktur des Opel Flextreme

Abb. 6.95. Antriebsstrang des Opel Ampera mit Voltec-Technologie

327

6.13 Opel Flextreme und Ampera

Tabelle 6.10. Technische Daten Opel Flextreme Konzeptfahrzeug [135] Modell

Opel Flextreme Concept

Karosserie und Antrieb

Viersitziges Monocab-Coupé, elektrisch über die Vorderräder angetrieben

Antriebssystem Prinzip

Elektro-Antrieb mit Range Extender, Laden der Batterie über konventionelle Steckdose

Batteriesystem Typ

Lithium-Ionen-Nanophosphat

Energieinhalt

16 kWh (Minimum)

Spitzenleistung

136 kW

Spannung

320 bis 350

Ladezeit

3 bis 3,5 Stunden bei 220 V Netzspannung

Elektrisches Antriebssystem Elektrische Spitzenleistung

120 kW

Mechanische Spitzenleistung

120 kW

Elektrische Leistung im Dauerbetrieb

45 kW

Mechanische Leistung im Dauerbetrieb

40 kW

Maximales Drehmoment

370 Nm

Generator Spitzenleistung

53 kW

Antrieb

Direkt

Range Extender Typ

4-Zylinder-Turbodiesel CDTI

Hubraum

1.3 L

Spitzendrehzahl

3.200 min-1

Tankinhalt

26, 5 Liter

Ladegerät Typ

Netzstecker

Spannung / Stromstärke

220 V / 20 A

Reichweite im reinen Elektrobetrieb

55 km

C02-Emission per km nach ECE R101

unter 40 g

Beschleunigung 0 –100 km/h

ca. 9.5 Sekunden

Höchstgeschwindigkeit

ca. 160 km/h

Das E-Flex-System ermöglicht den Einbau verschiedener Antriebssysteme in ein einheitliches Chassis mit Elektroantrieb. Als Sekundärantrieb können neben dem Dieselmotor auch eine weiterentwickelte Wasserstoff-Brennstoffzelle oder ein 1,0-LiterDreizylinder-Turbobenzinmotor, ausgelegt für den Betrieb mit Benzin oder E85 (Mischung aus 85 Prozent Ethanol und 15 Prozent Benzin), eingesetzt werden, je nachdem, welche Energie im jeweiligen Einzugsbereich des Nutzers gut verfügbar ist.

328

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Ein möglicher Serienstart dieser bei GM auch mit dem Begriff Voltec bezeichneten Technologie ist im Opel Ampera für 2011 geplant, siehe Abb. 6.95. Die aus mehr als 220 Lithium-Ionen-Zellen bestehende Batterie ist bei diesem Konzept T-förmig aufgebaut. Der äußerst geräuscharme Elektroantrieb liefert 370 Nm Drehmoment ab Stillstand, das entspricht 111 kW/150 PS. Er beschleunigt den Ampera in rund neun Sekunden von 0 auf 100 km/h und ist auf eine Höchstgeschwindigkeit von 161 km/h ausgelegt. Der Generator wird von einem kleinen mit Benzin oder Bioethanol (E85) betriebenen 1,0-Liter-Dreizylinder-Turbobenzinmotor angetrieben. Das Chassis und ein aufgebautes Konzeptfahrzeug des Opel Ampera sind in Abb. 6.96 dargestellt.

Abb. 6.96. Chassis des Opel Ampera und Konzeptfahrzeug Opel Ampera

6.14 VW twinDrive Ein Beispiel für ein modernes Plug-In-Hybridantriebskonzept stellt der twinDRIVE von VW dar, siehe Abb. 6.97. Mit den eingesetzten Li-Ionen-Batterien ist er ausgelegt für elektrische Reichweiten von ca. 30 bis 80 km und deckt damit die Anforderung der Kurzsteckenmobilität ab.

Abb. 6.97. VW twinDrive [12]

6.14 VW twinDrive

329

Eine wesentliche Besonderheit des twinDRIVE-Antriebskonzeptes besteht darin, dass der Verbrennungsmotor im Unterschied zu einem klassischen Range Extender in den Bereichen mit der größten Energieübertragung über eine automatisierte Kupplung direkt an den Antrieb gekoppelt werden kann, wodurch im Vergleich zu rein seriellen Hybridkonzepten bessere Wirkungsgrade erreicht werden. Entsprechend der Einteilung von Kapitel 2 entspricht das Konzept damit einem „kombinierten Hybridsystem“, siehe Abb. 6.98. Die Getriebefunktionalität kann für dieses stark elektrifizierte Konzept auf einen Gang reduziert werden, ohne die rein mechanische Energieübertragung vollständig aufgeben zu müssen. Neben dem Vorderradantrieb in kombinierter Hybridantriebs-

Abb. 6.98. Antriebskonzept des VW twinDRIVE als Allrad-Variante [12]

Abb. 6.99. Lithium-Ionen-Hochenergiebatterie des VW twinDrive [12]

330

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

strangbauweise verfügt ein realisierter Prototyp über zusätzliche Radnabenmotoren an den Hinterrädern und stellt damit einen elektrischen Allradantrieb dar. Die elektrische Antriebsleistung von insgesamt 90 kW wird somit bei diesem Fahrzeug auf drei Elektromaschinen mit je 30 kW aufgeteilt. Das Summenradmoment durch die Elektromaschinen beträgt über 2.000 Nm. Als Energiespeicher für den rein elektrischen Betrieb kommt eine Lithium-IonenBatterie zum Einsatz, siehe Abb. 6.99. Sie hat eine Nennspannung von 300 V, einen Energieinhalt von ca. 12 kWh und wiegt etwa 150 Kilogramm. Im nutzbaren Ladezustandsbereich hat sie eine Leistung von mehr als 60 Kilowatt, so dass im innerstädtischen Betrieb auch ohne Unterstützung des Verbrennungsmotors eine ansprechende Fahrdynamik erreicht wird. Als Verbrennungsmotor dient beim twinDRIVE ein hubraumreduzierter 75-kWTDI-Motor, siehe Abb. 6.100. Mit diesem Motor erreicht der twinDRIVE eine Höchstgeschwindigkeit von über 170 km/h. Sowohl der Verbrennungsmotor als auch die elektrischen Komponenten des Antriebs haben die gleiche Drehachse und können als Inline-Lösung im Bauraum heutiger Serienmodelle der Golf- und Passat-Plattform verbaut werden.

Abb. 6.100. VW twinDRIVE – Inline-Antriebsaggregat [12]

Die Steuerungsarchitektur unterscheidet vier Softwareebenen, siehe Abb. 6.101. Auf der obersten Softwareebene erfolgt die Umwelt- und Fahrerverhaltensidentifikation. Die hier gewonnenen Informationen werden auf der Ebene der strategischen Software zum Beispiel in den Modulen Energie- und Funktionsmanagement genutzt, um die effiziente Steuerung von Energieströmen an die Umweltbedingungen und die Fahrererwartungen anzupassen. Während auf der strategischen Softwareebene die Aktivitäten definiert werden, erfolgt die Umsetzung der Entscheidungen unter Berücksichtigung dynamischer Übergangszustände auf der operativen Softwareebene. Auf dieser Ebene werden zum Beispiel die komplexen Aufgaben des Verbrennungsmotorstarts als auch die Ein- und Auskoppelfunktionen bearbeitet. Auf der untersten hier dargestellten Softwareebene erfolgt die Steuerung der einzelnen Drehmomentquellen ausgehend von den Sollwertvorgaben der operativen Ebene.

6.14 VW twinDrive

331

Abb. 6.101. VW twinDRIVE – Steuerungsarchitektur (Allrad-Variante) [12]

Abb. 6.102. Betriebsarten des VW twinDrive [12]

Der VW twinDRIVE erlaubt grundsätzlich sechs verschiedene Betriebsarten, siehe Abb. 6.102. Dabei kann zwischen dem rein elektrischen Betrieb mit entweder elektrischem Fahren oder Rekuperieren von Bremsenergie und vier weiteren Hybridbetriebsarten (Hybridmodus) mit kombiniertem Einsatz von Verbrennungskraftmaschine und Elektromaschinen unterschieden werden. In serieller Betriebsweise arbeiten Verbrennungsmotor und Generator im Sinne eines Range Extenders als Stromerzeuger zusam-

332

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

men. Je nach Leistungsanforderung des Fahrers kann in dieser Betriebsart die Batterie geladen oder zum Boosten verwendet werden. Im Geschwindigkeitsbereich ab ca. 50 km/h wählt der twinDRIVE den Modus des gekoppelten Fahrens. Die Kupplung wird für den Fahrer nicht spürbar geschlossen und die Energie kann ohne zusätzliche elektrische Wandlungsverluste direkt zu den Rädern fließen. Auch in diesem Modus kann wahlweise geladen oder bei hohen Fahrleistungsanforderungen aus der Batterie unterstützt werden. Die Auswahl und der Wechsel der verschiedenen Betriebsarten sind abhängig von der jeweiligen Fahrsituation und diversen Randbedingungen wie z. B. dem Batterieladezustand oder auch Fahrervorgaben. Beispielsweise hat der Fahrer die Möglichkeit, die Charakteristika der vor ihm liegenden Fahrt bis zum nächsten Nachladevorgang über spezielle Bedienerseiten am Radio-Navigationssystem einzustellen. So kann ausgewählt werden, welche Fahrstrecke im Elektromodus zurücklegt werden soll bzw. muss. Im Hybridmodus wird dann in Abhängigkeit des Ausgangsladezustands die Batterie entweder auf den korrespondierenden Ladezustand geladen oder gezielt entladen und damit eine optimale Nutzung beider Energieressourcen – Strom und Kraftstoff – erreicht. Hierfür kann der Fahrer am Radio-Navigationssystem neben der reservierten Fahrstrecke im Elektromodus auch die voraussichtliche Gesamtfahrstrecke bis zur nächsten Nachlademöglichkeit einstellen. Je kürzer die eingestellte Fahrstrecke, desto mehr kann rein elektrisch gefahren werden. Die Unterstützung durch den Verbrennungsmotor ist dann nur noch bei starken Beschleunigungsvorgängen erforderlich. Bei Fahrstrecken im Bereich der Batteriereichweite wird natürlich auch im Hybridmodus im Rahmen der installierten elektrischen Antriebsleistung ausschließlich elektrisch gefahren. Das adaptive Energiemanagement [136] hat hierbei das Ziel, die Batterie bis zur nächsten Nachlademöglichkeit optimal zu entladen. So kann sichergestellt werden, dass so viel wie möglich mit Strom und so wenig wie nötig mit Kraftstoff gefahren wird. Abb. 6.103 zeigt die gewählten Betriebsarten im Hybridmodus in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit sowie der geforderten Antriebsleistung am Rad. Weiters ist die Fahrwiderstandslinie eingezeichnet.

Abb. 6.103. Betriebsverhalten des VW twinDrive im Hybridmodus [12]

6.15 Toyota Supra HV-R (Hybrid)

333

Geschwindigkeitsbereich unter 50 km/h Bei Geschwindigkeiten unter 50 km/h ohne stärkere Beschleunigungsanforderung wird rein elektrisch gefahren. Ab einer Radleistungsanforderung von ca. 10 kW ist es im Langstreckenbetrieb am effizientesten, den Verbrennungsmotor zu starten und mit dem Generator den Strom für den Fahrbetrieb sowie ggf. für das Laden der Batterie zu erzeugen. Bei Radleistungsanforderungen über der Leistungsgrenze des Generators von ca. 30 kW wird aus der Batterie unterstützt. Diese Betriebsart wird typischerweise nur kurzzeitig beim Beschleunigen benötigt und hat keinen großen Energieumsatz.

Geschwindigkeitsbereich über 50 km/h Bei höheren Geschwindigkeiten und sehr niedriger Leistungsanforderung wie z. B. Fahrt auf Strecke mit leichtem Gefälle erfolgt der Antrieb rein elektrisch. Im Normalfall wird ab der Einkoppelgrenze von ca. 50 km/h der Verbrennungsmotor durch Schließen der Kupplung direkt „an die Räder“ gekoppelt. Dies ist für die meisten Fahrer der Modus mit dem größten Energieumsatz. Erst bei Fahrleistungsanforderungen über der Volllast des Verbrennungsmotors wird zusätzlich aus der Batterie unterstützt. Beim Betätigen der Bremse, d. h. bei einer negativen Fahrleistungsanforderung, wird die Bremsenergie in die Batterie zurückgespeist. Beim Bremsen, beim elektrischen Fahren und bei Fahrzeugstillstand ist der Verbrennungsmotor wie bei einem Vollhybridantrieb abgeschaltet.

6.15 Toyota Supra HV-R (Hybrid) Auch im Rennsport beginnen sich erste Hybridfahrzeuge zu etablieren, siehe Abb. 6.104. Ein werksseitig eingesetzter Toyota Supra HV-R (Hybrid), basierend auf dem Modell der japanischen Super-GT-Serie, war das erste Hybridfahrzeug der Welt, das ein Rennen gewann, wenn man von den frühen Erfolgen der Lohner-Porsche-Rennwagen absieht. Beim 24-Stunden-Rennen von Tokachi (Japan) im Juli 2007 hatte der Wagen zusätzlich zu einem 150-Kilowatt-Elektromotor im Heck zwei kleine 10-kW-Elektromotoren in den Vorderrädern. Über diese Motoren, die gleichzeitig auch als Generatoren funktionieren, gewinnt der Supra HV-R beim Abbremsen aus hohen Geschwindigkeiten sehr effizient Energie zurück. Anstelle der üblichen Hybridbatterien wird allerdings ein Kondensatorsystem eingesetzt, das hohe Stromleistungen schnell aufnehmen, kurzzeitig speichern und sehr schnell wieder abgeben kann, um dem raschen Wechsel aus voller Beschleunigung und starker Verzögerung im Rennbetrieb gerecht zu werden. Haupttriebwerk war jedoch Toyotas 4,5-Liter-V8-Verbrennungsmotor (3UZ-FE) mit etwa 475 PS und 510 Nm [137], siehe auch technische Daten in Tabelle 6 .11. Damit wird eine Systemleistung von über 600 PS – bei gerade einmal 1.080 Kilogramm erreicht.

334

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Abb. 6.104. Toyota Supra HV-R (Hybrid). Quelle: Toyota Deutschland GmbH Tabelle 6.11. Daten des Denso Toyota Supra HV-R Fahrzeugklasse

GT/TP1

Verbrennungsmotor

V8 Motor modifiziert (Super GT version 3UZ-FE engine)

Hubraum

4.480 cm 3

Air-restrictor-Durchmesser

2 × 29.6 mm

Nennleistung

480 PS bei 6.800 1/min

Nennmoment

510 Nm bei 5.600 1/min

Front-E-Maschinen

2 × 10 kW (Radnabenmotoren)

Heck-E-Maschine

150 kW

Fahrzeugmasse

1.080 kg

Team

TOYOTA Team SARD

6.16 Piaggio MP3 Hybrid Der Piaggio MP3 Hybrid ist der weltweit erste serienmäßig hergestellte Hybridroller, siehe Abb. 6.105.

6.16 Piaggio MP3 Hybrid

335

Abb. 6.105. Piaggio MP3 Hybrid

Abb. 6.106. Antriebsstrang des Piaggio MP3 Hybrid

Er besitzt einen Parallelhybridantriebsstrang, bei dem Verbrennungsmotor und Elektromotor das Hinterrad antreiben. Hauptantriebsquelle ist ein 125-cm3 -1-Zylinder-4-Takt-Motor mit Saugrohreinspritzung und Katalysator. Der Verbrennungsmotor verfügt über einen Elektrostarter und ist über eine Fliehkraftkupplung an ein Automatikgetriebe gekoppelt. Der Elektromotor ist als permanenterregte Synchronmaschine ausgeführt und hat eine Leistung von 2,6 kW (3,5 PS). Abb. 6.106 und Abb. 6.107 zeigen den Antriebsstrang mit Integration der Elektromaschine.

336

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Abb. 6.107. Antriebseinheit des Piaggio MP3 Hybrid

Ein innovatives elektronisches Antriebsstrangmanagement VMS (Vehicle Management System) koordiniert den Betrieb der beiden Antriebsaggregate, wobei die Steuerung beider Maschinen elektronisch erfolgt (Ride-by-Wire), siehe Abb. 6.108.

Abb. 6.108. Antriebsstrangmanagement VMS (Vehicle Management System) des Piaggio MP3 Hybrid

Der Elektromotor unterstützt beim Anfahren, wodurch kurzfristig bis zu 85 % mehr Drehmoment zur Verfügung stehen und für einen souveränen Vortrieb sorgen. Beim Bremsen und im Schubbetrieb arbeitet er generatorisch und nützt die kinetische Energie zur Aufladung der Batterie. Die Synergieeffekte, die auf diese Weise zwischen den

6.16 Piaggio MP3 Hybrid

337

beiden Maschinen erzeugt werden, tragen nicht nur zur Leistungssteigerung, sondern ebenso zu einer signifikanten Verbrauchsminderung bei. Der Hybridroller verfügt über eine spezielle Wähltaste, mit welcher der Fahrer zwischen vier Betriebsmodi auswählen kann. Zur Auswahl stehen dabei zwei Hybrid- sowie zwei Elektromodi (inklusive Rückwärtsgang). Mit Hilfe der beiden Hybridmodi (Hybrid Charge für maximale Batterieladung und Hybrid Power für maximale Antriebsleistung) kann der Fahrer Leistung, Verbrauch und Ladestrategie individuell beeinflussen beziehungsweise optimieren. Im Elektromodus wird das Fahrzeug bis 30 km/h rein elektrisch betrieben – darüber hinaus steht ein elektrischer Rückwärtsgang zum Einparken zur Verfügung. Die Lithium-Ionen-Batterien, das Steuergerät sowie die Ladeeinheit befinden sich unter der Sitzbank, siehe Abb. 6.109. Die Batterie kann auch über ein Ladekabel an Steckdosen aufgeladen werden (Plug-In-Hybrid). Eine Ladeanzeige im Cockpit informiert den Fahrer über den aktuellen Ladezustand.

Abb. 6.109. Batterie und Ladeeinheit unter der Sitzbank

Optisch unterscheidet sich der MP3 Hybrid kaum von den konventionellen Varianten mit Benzinmotor. Er besitzt ebenso die Parallelogramm-Aufhängung mit zwei Vorderrädern. Wie die anderen MP3-Modelle ist auch die Hybridversion mit einer elektro-hydraulischen Blockiervorrichtung ausgestattet, die auf Knopfdruck die Neigetechnik der Vorderradaufhängung arretiert und dafür sorgt, dass der Roller aufrecht und stabil angehalten werden kann, ohne die Füße auf den Boden bringen zu müssen. Selbst beim Parken ist kein Ständer erforderlich. Die wichtigsten technischen Daten sind in Tabelle 6.12 zusammengefasst.

338

6 Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Tabelle 6.12. Technische Daten des Piaggio MP3 Hybrid Verbrennungsmotor

124 cm3 (Bohrung × Hub: 57 × 48,6 mm), flüssigkeitsgekühlt, EURO 3, elektronische Einspritzung, Katalysator

Hybridleistung

11,0 kW @ 8.500 U/min

Hybriddrehmoment

16,0 Nm @ 3.000 U/min

Elektromotor

permanenterregte Synchronmaschine, 3-phasig, luftgekühlt

Nennleistung

2,6 kW (3,5 PS)

Nenndrehmoment Getriebe Energiespeicher Kapazität

15 Nm CVT mit Fliehkraftkupplung Lithium Ionen-Batterie 31 Ah

Verbrauch/Reichweite (2/3 Hybridmodus, 1/3 E-Modus)

60 km/L

CO2-Emissionen (2/3 Hybridmodus, 1/3 E-Modus)

40 g/km

Kapitel 7

Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte Derzeit werden hybride Fahrzeugantriebe als ein Schritt in Richtung umweltfreundlicher Fahrzeuge gesehen, wobei der Schwerpunkt der öffentlichen Wahrnehmung auf dem Pkw liegt. Neben Pkw bieten aber auch andere Fahrzeugklassen, wie Nutzfahrzeuge oder Baumaschinen, interessante Anwendungsmöglichkeiten für hybride Antriebe. Grundsätzlich ist die Motivation ein Hybridantriebssystem in einem Lkw oder Bus einzusetzen gleich wie beim Pkw, siehe auch Kapitel 3, Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen. Beachtenswert scheint, dass Fahrzeuge im kommunalen, gewerblichen und industriellen Einsatz vielfach gut definierte Einsatzprofile erfüllen. Darauf abgestimmt, lassen sich entsprechend ausgelegte Hybridsysteme entwickeln, die die Vorteile vielfach besser umsetzen können, als es beim viel weniger strukturierten Individualverkehr möglich ist. Wesentliche Parameter der Auslegung, wie Länge und Eigenschaften der Arbeitszyklen – eine komplette Schleife bei Linienbussen bis zu Heben und Senken einer Baggerschaufel – bestimmen den Grad der Hybridisierung, • von mild bis full oder plug-in, wie • die technische Ausführung als Parallel- oder Seriellhybrid, aber auch • die Wahl von Energiespeichern von Batterien über Supercaps bis zu hydraulischen oder mechanischen Systemen. Die Platzverhältnisse in Nutzfahrzeugen zum Einbau ganzer Module sind in der Regel günstiger als in Pkw, jedoch fällt bei Lastkraftwagen die Verringerung der Nutzlast aus ökonomischen Gründen stärker ins Gewicht. Historisch betrachtet wurden vor allem bei Linienbussen schon Ende der 60er und Anfang der 70-er Jahre Hybridversionen entwickelt. Beim ersten Hybridomnibus von 1969 handelte es sich um einen elf Meter langen Mercedes-Benz OE 302 in der Ausführung als Stadtlinienbus, siehe Abb. 7.1. Das „E“ in der Modellbezeichnung deutete auf den Elektroantrieb hin. Die damals auch innerhalb von Städten verwendeten Hochboden-Omnibusse boten generell gute Voraussetzungen für den Hybrideinsatz: Unter dem Fußboden fand sich genug Platz für eine zweite Antriebstechnik mitsamt Batterien. Der Gleichstromfahrmotor erreichte eine Dauerleistung von 115 kW (156 PS) sowie eine Spitzenleistung bei niedrigen Geschwindigkeiten von 150 kW (204 PS), abrufbar über das Gaspedal. Für einen Stadtbus mit damals 16 t Gesamtgewicht bedeutete dies eine üppige Motorisierung. Gespeist wurde der Fahrmotor von fünf Batterieblöcken im Unterboden mit 189 Zellen, einer Batteriespannung von insgesamt 380 Volt sowie einer Kapazität von 91 kWh. Zum Einsatz kamen so genannte „Panzerplatten-Traktionsbatterien“ mit einer Lebensdauer von 1.500 Zyklen bei einer Entladung pro Tag. Leistung und Kapazität der Batterien erlaubten eine Höchstgeschwindigkeit von 70 km/h und eine Reichwei-

340

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

te im Linienbetrieb bei 400 m Haltestellen-Abstand von etwa 55 km. Auf Grund des hohen Batteriegewichts von 3,5 t beschränkte sich das Platzangebot auf 65 Personen. Damit der Bus im Zweischichtbetrieb einen ganzen Tag im Linieneinsatz fahren konnte, erhielt er zusätzlich einen Vierzylinder-Dieselmotor des Typs OM 314 aus dem damaligen „Düsseldorfer“ Transporter mit 3,8 Liter Hubraum, der im Hybridbus zugunsten von Verbrauch und Geräusch auf 48 kW (65 PS) Leistung gedrosselt wurde. Dieses Aggregat, quer im Heck montiert, wurde in Stadtrandgebieten zugeschaltet und lief kraftstoffsparend mit konstanter Drehzahl im optimalen Kennfeldbereich. Der Bus verfügte über eine elektrische Bremse. Sie diente, der Druckluftanlage vorgeschaltet, zur Energierückgewinnung [138].

Abb. 7.1. Mercedes-Benz OE 302 – Elektrischer Hybridlinienbus von 1969

Daneben wurde auch mit mechanischen und hydraulischen Speichern experimentiert. Entscheidend für die Beurteilung, wie und in welchem Umfang eine Antriebsstrangoptimierung bzw. Hybridisierung sinnvoll ist, sind folgende Parameter: • Effizienz des aktuellen, konventionellen Systems • Kostenstruktur (Aufteilung: Invest-, Personal-, Betriebs- und Wartungskosten) • Notwendige Leistungsfähigkeit des Hybridsystems • Nutzlastanforderungen • Laufleistung pro Jahr • Fahrprofil (Dynamik, Stillstandsanteile, Streckentopologie, . . .) Aus der Betrachtung der verschiedenen Fahrzeugklassen lässt sich ableiten, dass die Einsatzprofile stark unterschiedlich sind und daher eine Hybridisierung nur fallweise sinnvoll ist und jedenfalls genau für die Hauptanwendung angepasst werden muss. Abb. 7.2 zeigt grundsätzlich, bei welchen Fahrzeugklassen eine Hybridisierung sinnvoll erscheint. Verteiler-Lkw mit einem zulässigen Gesamtgewicht von 7,5 bis

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

341

16 t werden für die Warenfeinverteilung eingesetzt und weisen daher überwiegend städtische Einsatzprofile mit häufigen Stopps und Anfahrvorgängen auf. Für diese Anwendungen eignen sich Mild- bis Power-Assist-Hybridkonzepte. Eine stärkere Elektrifizierung zur Nutzung der Bremsenergie würde zu deutlich teureren Energiespeichersystemen und Nutzlasteinbußen führen [139]. Auf Grund der großen Zeitanteile mit konstanten Fahrgeschwindigkeiten sowie der sehr effizienten Antriebe ist der Einsatz von Hybridantriebssystemen bei Fernverkehr-Lkws wenig erfolgversprechend. Verbesserungen wären nur mit einem überproportional hohen Aufwand erreichbar. Abhängig von den verfügbaren technischen Lösungen werden jedoch zukünftig verstärkt elektrische Hilfssysteme, wie zur Standklimatisierung und Bordnetzversorgung, Einsatz finden, um den derzeit praktizierten, ineffizienten und hinsichtlich Geräusch störenden Leerlaufbetrieb während der Ruhezeiten zu vermeiden.

Abb. 7.2. Maßnahmen zur Antriebsstrangoptimierung in Abhängigkeit der Fahrzeugklasse [139]

Ähnlich verhält es sich bei Bussen. So sind Stadtbusse auf Grund der häufigen Stopps (2 – 3 Halte/km), der hohen Stillstandsanteilen (20 – 45 %), des häufigen Teillastbetriebs und der relativ hohen Betriebsdauer (meist bis zu 16 h/Tag) sowie durch ihren Einsatz im emissionssensiblen Stadtbereich wiederum prädestiniert für Full-Hybridantriebsstränge. Dagegen ist die Elektrifizierung bei Reisebussen eher für die Standklimatisierung und Bordnetzversorgung sinnvoll. Der Bereich der Sonderfahrzeuge ist bzgl. Fahrzeugtyp und Einsatzprofil so breit gefächert, dass hier neben dem konventionellen Antrieb auch Mild- bis Full-Hybridantriebe denkbar sind. Insbesondere in den stark belasteten Innenstädten wird nach Möglichkeit versucht, die Schadstoffemissionen des Verkehrs zu minimieren oder lokal gänzlich zu vermeiden. Die Betreiber des öffentlichen Nahverkehrs nehmen dabei vielfach eine Vorreiterrolle ein, indem sie verstärkt unkonventionelle und emissionsarme Antriebskonzepte in ihren Fahrzeugen einsetzen. Linienbusse müssen meist auf unterschiedlichen Strecken hinsichtlich Fahrprofil, Verkehrsfluss, Fahrgastzahlen und zum Teil auch Höhenprofil innerhalb ihres Betreibernetzes

342

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

einsetzbar sein. Hybridantriebssysteme können jedoch am effizientesten betrieben werden, wenn sie auf das jeweilige Einsatzprofil optimiert sind. Hier gilt es einen Kompromiss zu finden, wenn möglich mit einem kostensparenden, modularen Komponentenbaukasten. Theoretische Überlegungen und praktische Anwendungen zeigen, dass für Stadtlinienbusse der serielle Hybridantrieb ein hohes Entwicklungspotenzial bezüglich der Kraftstoffeinsparung verspricht. Der Schlüssel zum Erfolg ist dabei die Realisierung intelligenter Betriebsstrategien für den jeweiligen Fahrzyklus. Serielle Hybridantriebe, gekennzeichnet durch die vollständige mechanische Entkopplung zwischen Verbrennungskraftmaschine und Elektroantrieb, ermöglichen ein ausgeprägtes Downsizing-Konzept. Vorteilhaft sind dabei nicht nur die Betriebspunktverschiebung, sondern auch die deutliche Reduzierung des Motorgewichts und der Entfall eines herkömmlichen komplexen Automatikgetriebes auf Grund des elektrischen Antriebs. Diese Gewichtseinsparungen kompensieren bereits einen wesentlichen Teil des Mehrgewichts durch die zusätzlichen Energiespeichersysteme. Der serielle Hybridantrieb erlaubt dabei auch den Antrieb mittels Radnabenmotoren bzw. so genannter elektrischen Achsen. Abb. 7.3 zeigt beispielhaft die Stadtbusachse AVE 130 von ZF in seiner kompakten Bauform. Trotz des Einbaus leistungsfähiger Elektromotoren entspricht der benötigte Einbauraum der Hybridantriebsachse nahezu dem der Standardportalachse für Niederflurbusse. Dadurch wird die Verwendung in Standardbussen ermöglicht, ohne den Unterwagen aufwändig anzupassen.

Abb. 7.3. Stadtbusachse AVE 130 von ZF

Bei diesem Konzept erfolgt der Antrieb durch hochtourige Asynchronmotoren mit einer Zwei-Stufen-Übersetzung. Durch die feste Übersetzung finden keine Schaltvorgänge statt. Pro Achse ist eine kurzzeitige, maximale Antriebsleistung von 240 kW und eine Dauerleistung von 120 kW abrufbar. Alternativ zu seriellen Hybridantriebssystemen wurde für Linienbusse ein paralleles Konzept realisiert. Voith Turbo entwickelte aufbauend auf einem Differenzial-Wandlergetriebe mit dem DIWAhybrid eine parallele Hybridlösung durch Ergänzung um eine

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

343

Asynchronmaschine, siehe Abb. 7.4. Der Parallelhybrid nutzt bekannte DIWA-Vorteile wie die Leistungsverzweigung im Anfahrbereich (Aufsplittung der Eingangsleistung in einen mechanischen und einen hydrodynamischen Anteil), den Sekundärretarder und die bewährte Elektronik E 300 mit der Diagnosesoftware ALADIN. Erweitert wird dies um eine verlustarme Asynchronelektromaschine, die den Dieselmotor beim Anfahren und Beschleunigen unterstützt. Während des Bremsvorgangs arbeitet die Asynchronmaschine als Generator und wirkt wie ein Primärretarder, der den DIWA-Sekundärretarder in idealer Weise ergänzt. Die Betriebsbremse wird folglich entlastet und Bremsenverschleiß und die daraus resultierende Feinstaubbelastung auf ein Minimum reduziert. Die Stärke dieses Parallelhybrids liegt in der universellen Einsetzbarkeit, insbesondere bei Fahrzeugen mit höheren Durchschnittsgeschwindigkeiten. Ein Prototyp in einem Vorführfahrzeug wurde gemeinsam mit dem US-amerikanischen Bushersteller Gillig bereits realisiert und getestet.

Abb. 7.4. Parallehybrid in Form des Differenzial-Wandlergetriebes – DIWAhybrid von Voith Turbo

Abb. 7.5. eTronic-Hybridgetriebe von ZF mit 41 kW Elektromotor

344

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

Von ZF wurde ebenfalls ein paralleles Hybridantriebssystem in Form eines modular aufgebauten, kompakten Hybridgetriebes „eTronic“ entwickelt, das sich besonders für leichte Nutzfahrzeuge bis zu 6,5 Tonnen eignet, siehe Abb. 7.5. In den Antriebsstrang des elektromechanischen Hybridgetriebes ist eine 41 kW starke Elektromaschine integriert, wodurch sich das System sowohl für Mild- als auch Vollhybridversionen eignet. Eine Trennkupplung kann diese elektrische Maschine und das Getriebe komplett vom Verbrennungsmotor abkoppeln, wodurch alle Hybridfunktionen bis hin zum elektrischen Fahren möglich sind. Das Hybridgetriebe kann im Generatorbetrieb zudem als Stromquelle genutzt werden. Eine weitere Parallelhybridlösung stellt das DynaStart-Modul von ZF dar, siehe Abb. 7.6. Dieser Startergenerator stellt für Nutzfahrzeuganwendungen bis zu 120 kW Leistung sowie ein zusätzliches Drehmoment von 1.000 Nm bereit. ZF bietet DynaStart auch als einbaufertiges Modul inklusive Trennkupplung an, mit dem rein elektrisches Fahren möglich ist.

Abb. 7.6. ZF Dynastart – Bild rechts mit Trennkupplung

Im Folgenden werden einige ausgeführte Beispiele von Hybridfahrzeugen im Bereich von Bussen, Lkw und Sonderfahrzeugen vorgestellt.

7.1 Hybridbusse 7.1.1 Orion VII HybriDrive In Nordamerika hat der Einsatz von Hybridbussen eine längere Tradition als in Europa. Seit 1996 werden bei Orion, einer nordamerikanischen Tochter von Daimler, Hybridbusse gebaut – inzwischen sind 2.200 Hybridbusse von Orion im täglichen Einsatz unterwegs. Den Orion VII HybriDrive, siehe Abb. 7.7, entwickelte Orion zusammen mit dem US-amerikanischen Partner BAE Systems.

7.1 Hybridbusse

345

Abb. 7.7. Orion VII HybriDrive

Abb. 7.8. Serieller Hybridantriebsstrang des Orion VII HybriDrive

Der Orion VII HybriDrive hat einen seriellen Hybridantrieb, bei dem der Dieselmotor ständig in Betrieb ist, siehe Abb. 7.8. Dieses Fahrzeug ist mit einem 6-Zylinder6-Liter-Cummins-Diesel-Motor mit Partikelfilter ausgerüstet, der quer im Heck eingebaut 194 kW leistet, siehe auch Technische Daten in Tabelle 7.1 Ein 120 kW-Generator liefert die elektrische Energie zum Laden der Batterie bzw. zum Antrieb einer 186 kWElektromaschine, die auch zur Bremsenergierückgewinnung genutzt wird. Kurzfristig

346

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

leistet die ölgekühlte Elektromaschine sogar 235 kW (320 PS). Auf ein Getriebe kann der Orion bei dieser Anordnung verzichten. Ursprünglich wurden 32 kWh-Bleibatterien verwendet, die in zwei Behältern links und rechts auf dem Dach des Omnibusses untergebracht waren. Sie bestanden jeweils aus 23 Modulen und wogen zusammen 1,8 t. Mittlerweile werden Li-Ionen-Batterien eingesetzt. Eine Aufladung an der Steckdose ist beim Orion nicht vorgesehen, der Ladevorgang erfolgt durch die Rückgewinnung der Bremsenergie sowie durch den Dieselmotor. Der Orion erzielt einen Minderverbrauch im Vergleich zu dieselgetriebenen Wettbewerbsfahrzeugen in Höhe von etwa 20 % bis 25 % [138]. Tabelle 7.1. Technische Daten des Stadtbus Orion VII NG HybriDrive Herkunft

USA / Kanada

Bauart / Aufbau

Stadtlinienbus

Antrieb

Serieller Hybridantrieb, dieselelektrisch

Motor

6-Zylinder-Reihenmotor

Kraftstoff

Diesel

Hubraum

5.900 cm 3

Nennleistung

194 kW (260 PS) bei 2.300 1/min

Elektrischer Antrieb

E-Maschine Leistung 186 kW, Generatorleistung 120 kW, Blei-Batterien, Kapazität 32 kWh

Abgasstandard

EPA 04

Serienfertigung

Seit 2002

7.1.2 Mitsubishi Fuso Aero Der Niederflurhybridbus Mitsubishi Fuso Aero wurde von der Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corporation (MFTBC), der japanischen Nutzfahrzeug-Tochtergesellschaft von Daimler, entwickelt und ist bereits in 3 japanischen Städten im Linienbetrieb im Einsatz. Der technische Aufbau des seriellen Antriebs ähnelt dem nordamerikanischen Orion: Ein quer im Heck eingebauter Dieselmotor mit 177 kW (241 PS) mit einem optimierten Kennfeld treibt einen Generator an. Dieser wiederum versorgt zwei elektrische Fahrmotoren mit zusammen 134 kW (182 PS), die ihr Drehmoment über ein Summiergetriebe weiterleiten. Zum Einsatz kommt eine herkömmliche Portalachse. Auf Grund der Niederflurkonstruktion sind die Batterien ebenfalls auf dem Dach untergebracht. Es handelt sich um Lithium-Ionen-Batterien mit einem Gewicht von nur 323 kg. Fuso erreicht damit einen Kraftstoffminderverbrauch von bis zu 30 % im Vergleich zum Dieselantrieb [138]. Ende September 2007 hat Mitsubishi Fuso unter der Bezeichnung Aero Star Eco Hybrid die zweite Generation vorgestellt, siehe Abb. 7.9. Die komplett überarbeitete Antriebstechnik basiert seitdem auf einem kompakten Vierzylinder-Dieselmotor mit nur 4,9 Liter Hubraum. Er leistet 132 kW (180 PS) und dient allein zur Stromerzeugung. Die beiden Elektromaschinen leisten nun jeweils 79 kW. Bei Ampelstopps und an Haltestellen schaltet sich der Dieselmotor des Niederflur-Busses automatisch ab,

347

7.1 Hybridbusse

Türen sowie Nebenaggregate werden deshalb rein elektrisch betrieben. Auch das Anfahren erfolgt elektrisch, der Dieselmotor schaltet sich erst ab mittlerer Geschwindigkeit zur Stromerzeugung zu.

Abb. 7.9. Niederflurbus Fuso Aero Star Eco Hybrid

Die technischen Spezifikationen des Niederflurbus Fuso Aero Star Eco Hybrid sind in Tabelle 7.2 angeführt. Tabelle 7.2. Technische Spezifikationen des Niederflurbus Fuso Aero Star Eco Hybrid Herkunft

Japan

Bauart / Aufbau

Stadtlinienbus

Antrieb

Serieller Hybridantrieb, dieselelektrisch

Motor

4-Zylinder-Reihenmotor

Kraftstoff

Diesel

Hubraum

4.899 cm 3

Nennleistung

132 kW (180 PS) bei 2.700 1/min

Elektrischer Antrieb

2 zentrale E-Maschinen Leistung 2 × 79 kW, Generatorleistung 40 kW, Lithium-Ionen-Batterien, Kapazität 13,95 kWh

Abgasstandard

JP 05

Serienfertigung

Serienstart 2007

7.1.3 Mercedes-Benz Citaro G BlueTec Hybrid Für den europäischen Markt wurde im Rahmen der Linienbusbaureihe „Citaro“ seit 2007 ein Hybridmodel entwickelt, das ab 2009 in Kleinserie erzeugt wird, siehe Abb. 7.10.

348

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

Abb. 7.10. Linienbus – Mercedes-Benz Citaro G BlueTec Hybrid

Bei dem Mercedes-Benz Citaro G BlueTec Hybrid handelt sich um einen seriellen Hybridantrieb mit elektrischen Radnabenmotoren. Er ermöglicht, Teilstrecken abgasfrei im reinen Batteriebetrieb zu fahren. Der Hybridbus kann auch an Haltestellen, im Stand und beim Beschleunigen rein elektrisch betrieben werden. Der Dieselmotor besitzt keine mechanische Verbindung zu Antriebsachsen und arbeitet nur im Generatorantrieb zur bedarfsweisen Stromerzeugung. Auch die Nebenaggregate wie Lenkhilfepumpe, Druckluftkompressor, Türantrieb und Klimaanlage werden elektrisch angetrieben. Den erzeugten Strom speichert eine wartungsfreie 19,4 kWh-Lithium-Ionen-Batterie, die auf dem Dach des Citaro montiert ist. Das Batteriesystem leistet 180 kW und ist mit einem Gewicht unter 350 kg vergleichsweise leicht. Die Batterien werden auch durch die beim Bremsen rückgewonnene Energie gespeist. Ein Hochvolt-Zwischenkreis mit 650 Volt stellt die Stromversorgung zwischen Generator, Batterie und den Radnabenmotoren sicher. Den eigentlichen Antrieb auf die Räder des Citaro Hybrid übernehmen vier elektrische Radnabenmotoren an Mittel- und Hinterachse mit jeweils 80 kW Spitzenleistung bzw. 60 kW Dauerleistung. Der größte Vorteil bei der Verbrauchseinsparung ergibt sich aus dem DownsizingKonzept. Anstelle des herkömmlichen Reihensechszylindermotors mit 12,0 Litern Hubraum verwendete dieses Konzept einen 4-Zylinder-4,8-Liter-160 kW-Motor, der einen entsprechenden 160 kW-Generator antreibt, siehe Tabelle 7.3. Allein das Motorgewicht reduziert sich auf diesem Weg von etwa 1.000 kg auf nur noch rund 450 kg. Weiters kann durch Lastpunktverschiebung und Betrieb nahe dem Bestpunkt der Motor als reiner Generatorantrieb in einem engen Drehzahlfeld operieren. Deshalb wurde die Drehmomentkennlinie des Triebwerks emissions- und verbrauchsoptimiert auf die überwiegend stationäre Betriebsweise im Hybridbus abgestimmt.

349

7.1 Hybridbusse

Tabelle 7.3. Technische Daten des Mercedes-Benz Citaro G BlueTec Hybrid Gelenklinienbus [140] Herkunft

Deutschland

Bauart / Aufbau

Stadtlinien- Gelenkbus

Antrieb

Serieller Hybridantrieb, dieselelektrisch

Motor

4-Zylinder-Reihenmotor OM 924

Kraftstoff

Diesel

Hubraum

4.800 cm 3

Nennleistung

160 kW (218 PS) bei 3.200 1/min

Elektrischer Antrieb

4 asynchron Radnabenmotoren an Mittel- und Hinterachse, Leistung 4 × 80 kW, Generatorleistung 170 kW, Lithium-Ionen-Batterien, Kapazität 19,4 kWh

Abgasstandard

Euro IV

Serienfertigung

Prototyp, Kleinserie geplant ab 2009

Das Mehrgewicht des Citaro-Hybrid hält sich mit rund einer Tonne im Vergleich zu einem herkömmlichen dieselgetriebenen Gelenkbus in Grenzen, auch da ein herkömmliches Automatikgetriebe wegen des elektrischen Antriebs entfallen kann. Durch den leichteren Dieselmotor im Heck des Fahrzeugs sowie dem Batteriepaket über der zweiten Achse am Dach ergeben sich überdies Vorteile bei der Gewichtsverteilung des Gelenkbusses. Der Citaro G BlueTec Hybrid Bus dient weiters als Basis für den Mercedes-Benz Citaro FuelCELL-Hybrid Bus, bei dem zwei auf dem Dach angeordnete Brennstoffzellenstacks für die Stromerzeugung sorgen. Sie erzeugen Strom für eine Dauerleistung der E-Maschinen von 120 kW. Die Stacks enthalten jeweils 396 einzelne Brennstoffzellen. Der Wirkungsgrad erreicht einen beeindruckenden Wert von 51 bis 58 Prozent. Die Radnabenmotoren stammen ebenso wie Wechselrichter und Batterien aus dem Citaro G BlueTec Hybrid. Neben den Brennstoffzellenstacks sind auch die Druckgasbehälter mit zusammen 35 kg Wasserstoff, die Traktionsbatterien in Lithium-Ionen-Technik sowie die Klimaanlage für den Fahrgastraum am Dach des Busses untergebracht. Beim Kraftstoffverbrauch wird ein Wert von 11 bis 13 kg Wasserstoff pro 100 km für den Prototyp angegeben [138].

7.1.4 MAN Hybridbusse Die Konzeptfahrzeuge IDEAS 1 und IDEAS 2 (IDEAS = Innovativer DE-Hybrid-Antrieb für Stadtbusse) von MAN zeigen zwei unterschiedliche Strategien, die mit seriellen Hybridantriebssystemen möglich sind. IDEAS 1 ist auf maximale Verbrauchseinsparung konzipiert und seit 2007 im Testbetrieb. Der Einsatz von Superkondensatoren als Energiespeicher erlaubt hohe elektrische Leistungen, aber nur geringe gespeicherte Energiemengen, siehe Abb. 7.11. Die Doppelschichtkondensatoren sind dabei auf dem Dach des Fahrzeugs angebracht. Der Dieselmotor mit 191 kW Leistung treibt einen permanenterregten Synchrongenerator (150 kW) über ein angeflanschtes Anpassgetrie-

350

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

be an. Der Generator bzw. die Doppelschichtkondensatoren versorgt zwei Asynchronmaschinen mit jeweils 75 kW, die über ein Summiergetriebe miteinander verbunden sind, mit elektrischem Strom. Die Drehmomentübertragung zur Hinterachse erfolgt über eine Gelenkwelle. Die Architektur des Antriebssystems ist in Abb. 7.12 dargestellt.

Abb. 7.11. MAN Linienbus IDEAS 1 (Verbrauchsoptimierte Version) [141]

Die elektrische Anbindung der Kondensatoren erfolgt über den Gleichstromzwischenkreis. Damit die Energieaufnahme und -abgabe des Speichers aus bzw. in den Gleichstromzwischenkreis definiert gesteuert werden kann, erfolgt eine Spannungsanpassung über eine Hoch-/Tiefsetzstellereinheit, siehe Abb. 7.12.

Abb. 7.12. Schematische Darstellung des DE-Antriebssystems mit Ultracap-Speicher [139]

7.1 Hybridbusse

351

Abb. 7.13. MAN Linienbus IDEAS 2 (Partial Zero Emission Version) [141]

Abb. 7.14. MAN Lion’s City Hybridstadtbus

Durch die Kombination des diesel-elektrischen (DE) Antriebs mit dem elektrischen Energiespeicher kann die Dieselmotorleistung und -drehzahl vom Fahrzustand entkoppelt werden. Ein Teil der kinetischen Energie des Fahrzeugs kann beim Bremsvorgang im elektrischen Speicher zwischengespeichert und zur Beschleunigung wieder genutzt werden. In Abhängigkeit vom Speicherladezustand, der geforderten Dieselmotorleis-

352

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

tung und der Motortemperatur wird der Dieselmotor bei Erreichung des Fahrzeugstillstands abgeschaltet. Gestartet wird über den Generator, nachdem rein elektrisch angefahren wird. Der Startvorgang wird abhängig von der Fahrerwunschleistung, der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Speicherladezustand eingeleitet. Durch die elektrische Entkoppelung der Nebenaggregate können diese bedarfsoptimiert angesteuert werden [139]. Die rein elektrische Reichweite ist auf wenige 100 Meter beschränkt. Beim Einsatz auf der Buslinie 36 in Nürnberg wurden mit diesem Antriebsystem 30 % Kraftstoffeinsparung gegenüber einem konventionellen Bus erreicht [141]. Alternativ dazu wurde mit dem IDEAS 2 ein Fahrzeug realisiert, mit welchem kürzere Distanzen rein elektrisch und damit emissionsfrei zurückgelegt werden können, siehe Abb. 7.13. Dafür wurden anstatt der Kondensatoren Batterien mit einer höheren Speicherkapazität eingesetzt. Diese erlauben auch ein höheres Downsizing-Potenzial des Dieselmotors. Auf dem UITP-Kongress 2009 wurde erstmals die Serienversion des neuen MAN Lion’s City Hybridstadtbus vorgestellt [142], siehe Abb. 7.14. Der Bus basiert auf dem Konzept des IDEAS 1 Linienbusses mit serieller Hybridtechnologie und Ultracaps zur Speicherung der elektrischen Energie. Ein weitgehend serienmäßiger MAN PURE DIESEL® D0836-Sechszylindermotor mit 6,9 L Hubraum in EEV-Ausführung mit 184 kW (254 PS) Nennleistung und elektronisch geregeltem CRTec®Partikelfiltersystem liefert die Energie für den Hochleistungsgenerator, der seinerseits zwei Elektromaschinen mit elektrischer Leistung versorgt. Der Verbrennungsmotor wird überwiegend in seinem optimalen Drehzahlbereich mit reduzierter Dynamik (phlegmatisiert) betrieben. Die räumliche Anordnung der Komponenten ist in Abb. 7.15 dargestellt.

Abb. 7.15. Hybridkomponenten im MAN Lion’s City Hybridstadtbus

7.1 Hybridbusse

353

Die beiden fahrzeugfesten und hochdrehenden Asynchronfahrmotoren treiben mit je 75 kW Nennleistung über ein Summiergetriebe die Standard-Niederflur-Portalachsen an – dabei wird ein maximales Moment von 3.000 Nm erreicht. Die Architektur des Antriebsstrangs entspricht dem des IDEAS 1 Hybridbusses, siehe Abb. 7.12. Die Steuerung der Komponenten des Antriebsstrangs übernimmt das selbstlernende Energiemanagement i-MEM (intelligent MAN Energy Management). Dieses steuert auch das Zusammenspiel der beiden Bordnetze, das 24 V-Netz für die „konventionelle Technik“, sowie das Hochvoltnetz für die Hybridtechnik. Die Nebenaggregate wie Klimakompressor und -anlage sowie Lenkhilfepumpe werden elektrisch betrieben. Das elektrische Energiespeichersystem besteht aus zwölf Modulen von Hochleistungskondensatoren (Ultracaps), die sich auf dem Dach des Vorderwagens befinden, siehe Abb. 7.16. Sie können bis zu 150 kW an Bremsleitung aufnehmen. Wenn die Speicher bereits voll geladen sind, wird die generierte elektrische Energie über einen Bremswiderstand in Wärme umgewandelt. Die Ultracaps zeichnen sich durch einen niedrigen Innenwiderstand und damit einem hohen Speicherwirkungsgrad aus. Ein weiterer Vorteil der Hochleistungskondensatoren gegenüber einem Batteriesystem liegt in der höheren Lebensdauer, die weitgehend dem Grundfahrzeug entspricht. Dazu trägt auch die aktive Luftkühlung in der Dachhaube bei. Die technische Daten des MAN Lion’s City Hybridstadtbusses sind in Tabelle 7.4 zusammengestellt.

Abb. 7.16. Zwölf luftgekühlte Module von Hochleistungskondensatoren (Ultracaps) am Dach des MAN Lion’s City Hybridstadtbusses

354

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

Tabelle 7.4. Technische Daten des MAN Lion’s City Hybridstadtbusses [142]

Dieselmotor

MAN PURE DIESEL® Reihensechszylindermotor MAN D0836 LOH, links stehend im Heck eingebaut (Turmbauweise), zweistufige Turboaufladung und Ladeluftkühlung, Common-Rail-Direkteinspritzung, 4-VentilTechnik, abgasarm nach EEV mit CRTec®-Partikelfiltersystem Hubraum

6.871 cm3

Nennleistung

184 kW (254 PS) bei 2.300 U/min

Max. Drehmoment

1.050 Nm bei 1.200 –1.750 U/min

Generator

PSM-Synchrongenerator mit 145 kW Ausgangsleistung

Fahrmotoren

2 × Siemens Asynchron-Elektromaschinen mit je 75 kW Nennleistung, Antrieb über ein Summiergetriebe auf die Hinterachse. Maximales Drehmoment auf die Gelenkwelle insgesamt 3.000 nm.

Speichersystem

12 luftgekühlte Ultracap-Module zu je 24 Zellen, Energieinhalt ca. 0,4 kWh, maximale Lade-/Entladeleistung von 200 kW, System-Spannungsbereich von 400 bis 630 V

Wechselrichter

Wassergekühlter Pulswechselrichter in IGBT-Technik

Spezielle Nebenaggregate

Elektrische Lenkhilfepumpe DC/DC-Bordnetzladewandler (wassergekühlt) Elektrischer Klimakompressor und Klimaanlage

Energiemanagement

i-MEM (intelligent MAN Energy Management), MAN eigenes System zur gesamtheitlichen Optimierung der Energieströme des Fahrantriebes und der Nebenaggregate

Maße/Gewicht

11.950 × 2.500 × 3.280 mm / ca. 12.600 kg (leer) 18.000 kg zul. Gesamtgewicht

Sitz-/Stehplätze

26 + 1 / 48

7.1.5 Hess Doppelgelenk-Hybridbus

Abb. 7.17. Hess Doppelgelenk-Hybridbus mit Ultracap-Speicher

355

7.1 Hybridbusse

Ein zum MAN IDEAS 1 Bus ähnliches System mit Supercaps ist auch im Hess Doppelgelenk-Hybridbus im Einsatz, siehe Abb. 7.17. Dieser serielle Hybridbus ist ausgestattet mit einer Dieselmotor-Generator-Einheit, die den für den Antrieb notwendigen Strom bereitstellt, der zum Teil in den Supercaps am Dach des Fahrzeugs gespeichert wird. Dorthin fließt auch die beim Bremsen freiwerdende Energie zurück. Zwei Elektromaschinen mit jeweils 160 kW treiben die zweite und dritte Achse des Testbusses an und funktionieren beim Bremsen als Generatoren. Der Dieselmotor des Testfahrzeugs ist für eine Start/Stopp-Automatik ausgelegt. Der Bus kann damit Haltestellen mit ausgeschaltetem Dieselmotor sowohl anfahren als auch wieder abfahren. In Tabelle 7.5 sind die technischen Daten des Hess Demobus lighTram Hybrid angeführt. Tabelle 7.5. Technische Daten des Hess Demobus lighTram Hybrid [143] BUS

HESS lighTram Hybrid / 2I-2S-2S-2S

Antrieb

Elektrisch auf Achsen 2 und 3.

Motor Marke und Typ

SCANIA DC9 18.310 mit Generator und Supercaps

Baujahr:

2007

Zylinder

5

Einspritzung

Elektronisch gesteuert

Leistung

228 kW (310 PS) bei 1.900 U/min

Drehmoment

1.550 Nm bei 1.100 –1.300 U/min

Hubraum

9 Liter

Abgasreinigung

EGR, ohne Ad Blue (Euro 4)

Bremssystem

Pneumatisch, Federspeicher- und Haltstellenbremse

Bremsen

Scheibenbremsen auf allen Achsen

Federung

Pneumatisch ELC (Electronic Level Control)

Achsen

Vorne und hinten Starrachsen, Antriebsachsen (Mittelachse 2 und 3) Portalachsen

Reifen / Felgen

Vorderachse 305/70 R22.5 / 8.25 × 22.5, Antriebsachsen (Mittelachsen 2 und 3) 275/70 R22.5 / 7.50 × 22.5, Hinterachse 385/55 R22.5 7 11.75 × 22.5

Untersetzung

i = 9.81 Antriebsachsen (2 + 3)

Batterie

2 Gel-Batterien

7.1.6 7700 parallel Hybrid Volvo I-SAM Entgegen dem allgemeinen Trend zum seriellen Hybridantriebssystem bei Bussen hat Volvo mit dem „7700 parallel Hybrid Volvo I-SAM“ ein Parallelhybridsystem entwickelt. Als elektrische Maschine dient eine permanenterregte Synchronmaschine, die sowohl als Generator als auch als Elektromotor (Leistung 70 kW Dauer – 120 kW Peak) fungiert, siehe Abb. 7.18 und Abb. 7.19. Diese ist nach dem 4,8-Liter-Dieselmotor mit

356

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

EEV-Abgasstandard und einer Kupplung vor dem automatisierten I-Shift-Getriebe positioniert.

Abb. 7.18. Schematische Darstellung des 7700 parallel Hybrid Volvo I-SAM

Abb. 7.19. Antriebsstrang des 7700 parallel Hybrid Volvo I-SAM mit Lithium-Ionen-Batterie

Abb. 7.20. Drehmomentverlauf des 7700 parallel Hybrid Volvo I-SAM

357

7.1 Hybridbusse

Durch die Kupplung können beide Motoren unabhängig einzeln oder gemeinsam betrieben werden. Die damit möglichen Drehmomentverläufe dazu sowie das Fahrzeug zeigt Abb. 7.20. Im angestrebten Fahrmuster wird elektrisch angefahren und bis etwa 20 km/h beschleunigt. Bei höherer Geschwindigkeit übernimmt der Dieselmotor (4,8 Liter, 158 kW, 800 Nm) den Antrieb und lädt parallel die rund 200 kg schwere LithiumIonen-Batterie mit 4,8 kWh Kapazität auf dem Dach des Busses. Die Nebenaggregate sind elektrisch ausgeführt, daher ist reiner Elektrobetrieb beim Verlassen der Haltestelle möglich. Die technischen Spezifikationen des Busses sind in Tabelle 7.6 aufgelistet. Tabelle 7.6. Technische Spezifikationen des Volvo 7700 Hybridbusses [144] Herkunft

Schweden

Bauart / Aufbau

Stadtbus

Antrieb

Paralleler Hybridantrieb

Motor

4-Zylinder-Reihenmotor Volvo MD5, CommonRail-Einspritzung, Abgasstufe EEV

Kraftstoff

Diesel

Hubraum

4.760 cm3

Nennleistung

158 kW (212 PS) bei 2.200 U/min

Max. Drehmoment

800 Nm bei 1.200 –1.700 U/min

Elektrischer Antrieb

Permanentmagnet-Elektromotor, Max. Leistung 120 kW (161 PS), Dauerleistung 70 kW (94 PS), Max. Drehmoment 800 Nm, Dauerdrehmoment 400 Nm, Lithium-Ionen-Batterie, Spannung 600 V, Kapazität 4,8 kWh

Kraftübertragung

Vollautomatisiertes 12-Gang-Schaltgetriebe, Volvo-I-Shift, Übersetzungen 14,94 –1,0. Portal Hinterachse ZF, Übersetzung 4,72

Abmessungen, Gewichte, Förderkapazität

Länge/Breite/Höhe: 12.074/2.550/3.207 m, Radstand: 5.945 m, Tankvolumen: 220 L + 35 L Adblue, Fahrgastplätze: max. 95

7.1.7 IVECO – Irisbus Hynovis Das auf der Basis eines modernen Stadtbusses entwickelte Konzeptfahrzeug Hynovis gehört zur Gattung der Parallelhybride, siehe Abb. 7.21. Der Hynovis besitzt einen hydraulischen Hybridantrieb, der zusammen mit Poclain entwickelt wurde [145]. Im Hynovis kommen zwei Hydrauliksysteme zum Einsatz: ein System für die Stopp&Start-Funktion (Schnellstart in 0,3 Sekunden vor dem Anfahren) und eines für die Rekuperation der Bremsenergie durch hydraulische Motorpumpen. Die gespeicherte Energie wird zum Beschleunigen wieder eingesetzt. Basis des Antriebs ist ein Iveco Tector-6-Zylindermotor mit 220 PS Leistung und EEV-Abgasstandard. Ein Voith 6-Gang-Automatikgetriebe übernimmt die Kraftübertragung. Die komplette Antriebseinheit ist als Paket im Heck untergebracht. Die Versorgung der Hilfssysteme bei abgestelltem Motor erfolgt durch eine innovative

358

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

gemischte Speichervorrichtung, die Batterien und Superkondensatoren verbindet. Als weitere Besonderheit sind die drei Achsen mit Allradlenkung zu nennen.

Abb. 7.21. IVECO – Irisbus Hynovis

Durch die im Vergleich zu einem herkömmliche 12 m Bus innovative Bauweise und den Einbau eines Dieselmotors mit kleinerem Hubraum wird die Beförderungskapazität um 9 Fahrgäste bzw. 8 % erhöht und gleichzeitig das Gesamtgewicht um 1 t reduziert. Das niedrigere Gewicht, ein geringerer Rollwiderstand sowie der Hybridantrieb sollen zusammen rund 30 % Kraftstoff einsparen.

7.1.8 Solaris Urbino 18 Im Urbino 18 Hybrid wird ein leistungsverzweigter Hybridantrieb der Firma Allison Transmission eingesetzt, siehe Abb. 7.22. Dieses System ist in Amerika bereits in über 1000 Bussen erfolgreich im Einsatz [146].

Abb. 7.22. Leistungsverzweigtes Hybridgetriebe EV50DriveTM und DPIM Doppelumrichtermodul von GM-Allison

7.1 Hybridbusse

359

Der Antrieb des Busses erfolgt durch einen Cummins-Dieselmotor in der Ausführung ISBe5 – 250B mit 250 PS und einen Hubraum von 6,7 Liter sowie dem Hybridgetriebe EP50SystemTM der Firma Allison Transmission. Dieses Hybridantriebssystem besteht aus 2 Elektromaschinen, 2 Synchronkupplungen sowie 3 Planetengetrieben. Die Anordnung entspricht dem in Kapitel 2.3 Leistungsverzweigter Hybrid in Abb. 2.18 dargestellten System. Wie bereits in Kapitel 2.3 beschrieben, können mit den Kupplungen zwei verschiedene Übersetzungsvarianten des Radsatzes realisiert werden. Durch die zwei Bereiche sind niedrigere elektrische Leistungen über den elektrischen Zweig verwirklichbar, siehe auch Abb. 2.19. Die Versorgung der beiden Motoren erfolgt über ein 75 kg schweres, ölgekühltes Doppelumrichtermodul DPIM (DUAL POWER INVERTER MODULE). Als Energiespeicher kommen NiMH-Batterien zum Einsatz. Das Gesamtbatteriemodul hat eine Nennspannung von 600 V und eine Speicherkapazität von 19 Ah [146]. Es wiegt 420 kg und ist zusammen mit dem Doppelumrichtermodul am Dach des Vorderwagens positioniert, siehe Abb. 7.23. Das Hybridantriebssystem wurde im Hinterwagen des Gelenkbusses platziert – in dem Motorturm auf der linken Seite. Der Antrieb wird auf die dritte Achse des Busses übertragen.

Abb. 7.23. Solaris Urbino 18 Hybridbus (1. Generation 2006 – 2007)

7.1.9 Scania Hybrid Concept Bus Der Scania Concept Bus zeichnet sich durch seinen modulartigen Aufbau aus. Er besteht aus einem rückwärtigen Antriebsmodul, einem Passagiermodul, einem Frontmodul und einem Dachmodul, siehe Abb. 7.24. Weitere Besonderheiten sind die lenkbare Hinterachse und der geringe Überhang, was zusammen zu einer guten Manövrierfähigkeit beiträgt [147]. Das rückwärtige Antriebsmodul kann mit verschiedenen Arten von Verbrennungsmotoren ausgestattet werden und erlaubt damit den Betrieb mit Diesel, Ethanol oder

360

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

Gas. Das Antriebskonzept ist als serieller Hybrid ausgeführt, siehe Abb. 7.25. Der Verbrennungsmotor ist quer zur Fahrtrichtung über der Hinterachse angeordnet und mit einer speziellen Kapselung zum Schallschutz versehen. Die weiteren Komponenten des Antriebs sind der Generator, die Leistungselektronik, der Hochspannungswiderstand (Resistor), Superkondensatoren als Energiespeicher mit einem DC-/DC-Wandler, ein weiterer DC-/DC-Wandler für das 24-V-Bordnetz und der elektrische Antriebsmotor. Nebenaggregate wie die Kühlmittelpumpe oder die Klimaanlage sind elektrifiziert, wodurch der Antriebsriemen am Verbrennungsmotor entfallen kann.

Abb. 7.24. Modulares Konzept des Scania Hybrid Concept Bus

Der Resistor ist in das Motorkühlsystem integriert und hat vergleichbare Aufgaben wie ein Retarder in einem konventionellen Antriebssystem. Er wandelt Bremsenergie, die bei vollem elektrischen Speicher nicht mehr geladen werden kann, in Wärmeenergie um. Dies ist vor allem bei langen Bergabfahrten essentiell. Zusätzliche kann er für die rasche Aufheizung des Fahrzeugs und zur Unterstützung der Heizung bei tiefen Temperaturen verwendet werden.

Abb. 7.25. Antriebsstrang des Scania Hybrid Bus

Der elektrische Antrieb wird über das ElvoDrive System von Voith Turbo realisiert, siehe Abb. 7.26. Dabei werden sowohl für den Generator als auch den Elektromotor Transversalflussmaschinen eingesetzt, siehe auch Kapitel 4.2.8 Transversalflussma-

7.1 Hybridbusse

361

schinen. Diese Elektromaschinen weisen bereits bei niedrigen Drehzahlen zufriedenstellende Wirkungsgrade auf und besitzen eine hohe Leistungsdichte. Der Antriebsmotor hat ein maximales Drehmoment von 2.750 Nm und ist direkt ohne Übersetzung an das Differential angeflanscht.

Abb. 7.26. ElvoDrive®-System von Voith Turbo

Als Energiespeicher und für optimale Bremsenergierückgewinnung finden Supercaps im Busdachmodul Verwendung. Das 200 kg schwere Speichermodul ist so ausgelegt, dass es die Energie zur Abbremsung des voll besetzten Busses aus bzw. zur Beschleunigung auf 50 km/h speichern kann. Weiters kann es die Energieversorgung bei Motor-Start/Stopp übernehmen. Das Dachmodul besitzt eine Zweischichtstruktur und beinhaltet auch die Luftführung für die Kühlung sowie die elektrisch angetriebene Klimaanlage. Bei der Ausführung mit Gasmotor sind auch die Gasflaschen im Dachmodul untergebracht. Durch die Freiheitsgarde beim Betrieb des Verbrennungsmotors kann der Kraftstoffverbrauch deutlich gesenkt werden. Der Wirkungsgrad des Generators liegt in weiten Bereichen über 90 % mit Spitzen bis zu 94 % und auch der Verbrennungsmotor wird in Lastpunkten mit Wirkungsgraden von 40 bis 45 % betrieben. Dadurch ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad des Motor-Generator-Moduls von 35 bis 42 %. Der Wirkungsgrad des elektrischen Fahrmotors weist mit Ausnahme des niedrigen Geschwindigkeitsbereichs ähnliche Werte wie der Generator auf. Durch die freie Wahl der optimalen Motorbetriebsbereiche und die Rekuperationsmöglichkeit kann damit eine Verbrauchseinsparung von über 25 % im Vergleich zu konventionell angetriebenen Bussen erreicht werden. Die technische Daten des Scania Hybrid Concept Bus sind in Tabelle 7.7 angeführt.

362

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

Tabelle 7.7. Technische Daten des Scania Hybrid Concept Bus [147] Verbrennungsmotor

Scania 9-Liter Diesel-, Ethanol- oder Gasmotor

Leistung

198 kW bei 1.800 U/min

Drehmoment

1.250 Nm bei 1.100 –1.450 U/min

Generator

Voith ELVO Drive®, TFM Generator, wassergekühlt

Drehmoment

1.250 Nm

Leistung

220 kW

Max. Drehzahl

2.400 U/min

Elektrischer Antriebsmotor

Voith ELVO Drive®, TFM Motor, wassergekühlt

Drehmoment max.

2.750 Nm

Drehmoment (Dauer)

1.800 Nm

Dauerleistung

150 kW

Max. Drehzahl

2.400 U/min

Energiespeicher

Supercapacitors: 4 × 125-Volt Maxwell BOOSTCAP® Module, Luftkühlung

Speicherkapazität

> 400 Wh

7.2 Hybrid-Lkw 7.2.1 Mercedes-Benz Sprinter Plug-In-Hybrid

Abb. 7.27. Mercedes-Benz Sprinter Plug-In-Hybrid

7.2 Hybrid-Lkw

363

Plug-In-Hybridfahrzeuge machen besonders im kommerziellen Lieferverkehr Sinn, da sie beispielsweise nach jeder Schicht am Stützpunkt zurückgebracht an einer Steckdose nachgeladen werden können. Übliche Ladezeiten betragen bei vollständig entleerten Batterien ca. 6 bis 8 Stunden. Z. B. im städtischen Gewerbeeinsatz scheinen Fahrzeuge mit Reichweiten im reinen Elektrobetrieb um 30 Kilometer einen guten Kompromiss zwischen Emissionsreduktion und Gewicht darzustellen. Dementsprechend ermöglicht der Prototyp Mercedes-Benz Sprinter Plug-In-Hybrid rein elektrisches und damit emissionsfreies Fahren auf Strecken bis zu 30 km Länge. Abb. 7.27 zeigt die 2. Generation des Mercedes-Benz Sprinter Plug-In-Hybrid. Beim neuen Plug-In-Sprinter handelt es sich um einen Parallelhybrid mit einer Elektromaschine zwischen Verbrennungsmotor und Automatikgetriebe, wie auch aus dem Display im Cockpit des Fahrzeugs ersichtlich, siehe Abb. 7.28. Als Speicher dient ein Satz Lithium-Ionen-Batterien, die eine deutlich höhere Speicherdichte als NickelMetallhydrid-Batterien aufweisen, wodurch die Nutzlast nur unwesentlich geringer als bei einem Sprinter mit konventionellem Dieselmotor ausfällt. Einen weiteren ähnlich bedeutenden Vorteil bringt die neue Batterietechnik außerdem: Die Lithium-Ionen-Batterien benötigen viel weniger Platz und machen damit den Laderaum uneingeschränkt nutzbar.

Abb. 7.28. Display im Cockpit des Mercedes-Benz Sprinter Plug-In-Hybrid mit Anzeige der Energieflüsse und Ladezustand der Batterie

Die Koordination der Antriebsstrangkomponenten erfolgt durch eine intelligente Betriebsstrategie. Beim Ampelstopp sind beide Motoren abgeschaltet, das Anfahren erfolgt rein elektrisch, kräftiges Beschleunigen ermöglichen beide Motoren zusammen. Bei konstanter Geschwindigkeit arbeiten die Motoren je nach Leistungsanforderung und beim Bremsen wird der Verbrennungsmotor abgeschaltet und der Elek-

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7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

tromotor lädt als Generator die Batterien. Da der Plug-In-Sprinter rein elektrisch fahren kann, müssen die Servopumpe der Lenkung, der Bremskraftverstärker und der Klimakompressor elektrisch angetrieben werden, siehe auch Kapitel 4.5 Nebenaggregate. Die Architektur des Parallelhybrids besteht, von vorne nach hinten betrachtet, aus dem Verbrennungsmotor, einer hydraulisch betätigten Kupplung, dem Elektromotor sowie einem Fünfgang-Automatikgetriebe. Der Verbrennungsmotor übernimmt bei typischen Nahverkehrseinsatzprofilen die Rolle eines bedarfsweise verwendeten Hilfsaggregats. Er wird über den Elektromotor gestartet – der herkömmliche Starter entfällt daher. Ebenso wird die bisher übliche Lichtmaschine überflüssig. Der elektrische Antrieb der Nebenaggregate erleichtert einen bedarfsgerechten Einsatz und ermöglicht rein elektrisches Fahren. Unmittelbar nach der Hinterachse ist unterhalb des Laderaums ein Satz Lithium-Ionen-Batterien mit nur 173 kg Gewicht untergebracht. Tabelle 7.8. Technische Daten des Mercedes-Benz Sprinter Plug-In-Hybrid [55], [138], [148] Herkunft

Deutschland

Bauart / Aufbau

Transporter Leergewicht 2.600 kg

Antrieb

Paralleler Hybridantrieb, Plug-In-Hybrid, benzinelektrisch

Motor

6-Zylinder-V-Motor (M272)

Kraftstoff

Benzin

Hubraum

3.498 cm3

Nennleistung

190 kW (258 PS) bei 5.900 1/min

Max. Drehmoment

340 Nm bei 2.500 bis 5.000 1/min

Getriebe

Automatikgetriebe W5A380, Übersetzung: 3,6 – 0,83

Achsübersetzung

4, 36

Elektrischer Antrieb

Permanenterregte Synchronmaschine

Drehmoment Dauer (Spitze)

175 Nm (325 Nm) @ 375 V

Leistung Dauer (Spitze)

50 kW (75 kW) @ 375 V

Gewicht

52 kg

Batterie

Lithium-Ionen-Batterie (SAFT), 104 Zellen, Nennspannung 374 V, Kapazität 41 Ah, Energiegehalt 14,4 kWh, Gewicht 173 kg

Kraftstoff / CO2-Reduktion

10–50 % abh. von Anwendung NEDC: 20 %

Elektrische Reichweite NEDC

ca. 30 km

Nutzlast

1200 kg

Beschleunigung 0..100 km/h

ca. 22 sek.

Markt

USA

Abgasstandard

EPA

7.2 Hybrid-Lkw

365

Die 104 Zellen der Batterie sind in Reihe geschaltet. Die Nennspannung beläuft sich auf 374 V. Die Kapazität der Batterie beträgt 41 Ah, der Energiegehalt 14,4 kWh. Ein Batterie-Managementsystem überwacht Spannung und Temperatur jeder einzelnen Zelle. Ein Umrichter wandelt die Traktionsspannung der Batterie von 250 V– 450 V in eine dreiphasige Wechselspannung für den Elektromotor um. Die E-Maschine deckt mit einer Maximalleistung von 75 kW (Dauerleistung 50 kW) sowie einem Drehmoment von bis zu 325 Nm (Dauerbetrieb 175 Nm) nahezu alle gängigen Leistungsanforderungen ab. Beachtlich ist das Gewicht von nur 52 kg. Zwei zusätzliche Kühlkreisläufe temperieren die Komponenten des elektrischen Antriebs. Der Fahrer wählt über den Fahrmodusschalter im Cockpit zwischen „Hybrid Drive“ und dem rein elektrischen Antrieb „Emission free“. In diesem Modus fährt der SprinterHybrid rein elektrisch, solange es der Ladezustand der Traktionsbatterien zulässt. Der Verbrennungsmotor – hier ein Benzinmotor – schaltet sich automatisch zu, wenn die Batteriekapazität unter 25 % sinkt. Ebenfalls bei Geschwindigkeiten oberhalb von 65 km/h, wenn die Leistungsanforderung die Fähigkeiten des E-Motors übersteigen oder das Gaspedal mindestens eine halbe Sekunde mehr als 90 Prozent durchgetreten ist [138]. Die technischen Daten des Mercedes-Benz Sprinter Plug-In-Hybrids sind in Tabelle 7.8 aufgelistet.

7.2.2 MAN Verteiler-Lkw Ausgehend von einem konventionellen Antriebsstrang eines Verteiler-Lkws wurde 2005 unter Berücksichtigung der typischen Einsatzbedingungen ein optimiertes Antriebsstrangkonzept entwickelt und als Prototyp aufgebaut. Das Schema des gesamten Antriebskonzeptes zeigt Abb. 7.29, den dazu ausgeführten Prototyp sieht man in Abb. 7.30. Die E-Maschine wurde als Asynchronmaschine ausgeführt und in das verlängerte Schwungradgehäuse eingebaut. Die Dauerleistung betrug 6 kW – kurzzeitig

Abb. 7.29. Optimiertes Antriebskonzeptes für Verteiler-Lkw (Mild-Hybrid) [139]

366

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

war ein Betrieb bis max. 12 kW möglich. Dies erlaubte eine begrenzte Rekuperation der Bremsenergie (bis 6 kW) und sicherte die Start/Stopp-Funktion. Rein elektrisches Fahren war bei dieser Auslegung nicht vorgesehen, wodurch die Kapazität und das Gewicht der elektrischen Energiespeicher klein gehalten werden konnte. .

Abb. 7.30. Aufgebauter Prototyp eines Antriebskonzeptes für Verteiler-Lkw (Mild-Hybrid) [139]

Entsprechend den Funktionsanforderungen wurde das Bordnetz angepasst, siehe Abb. 7.31. Standard- und Kleinverbraucher wurden mit 24 V versorgt. Für Verbraucher mit hohem Leistungsbedarf, wie Kühlwasserpumpe und Lenkhilfepumpe, wurde die Bordnetzspannung anhoben. Das Batteriesystem bestand aus 24 V Blei-AGMBatterien, einer 42 V NiMH-Batterie sowie einem Ultracap-Speichermodul. Kaltstart und Schnellstart konnten sowohl über das Batteriespeichersystem (NiMH-Batterie) als auch über das Ultracap-Modul erfolgen.

Abb. 7.31. Modifizierte Bordnetzstruktur für erweiterte Funktionalität [139]

7.2 Hybrid-Lkw

Abb. 7.32. MAN TGL 12 220 mit ISG-Hybridsystem

Abb. 7.33. Elektrokomponenten des MAN TGL Hybrid Antriebsstrangs

367

368

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

Die Nachladung des Ultracap-Moduls wurde über einen spannungsgeführten Hochsetzsteller erreicht. Eine stärkere Nutzung der Rekuperation wäre energetisch zwar sinnvoll gewesen, jedoch hätte sie neben der Start/Stopp-Funktion ebenso die Zyklisierung des Energiespeichers erhöht. Die Zyklusfestigkeit der Batterie musste deshalb hier ebenfalls berücksichtigt werden und ein Kompromiss zwischen Batterielebensdauer, was direkt Batteriekosten entspricht, und Reduzierung der Betriebskosten durch verstärkte Nutzung der Bremsenergie gefunden werden. Optional bestand bei dem Prototyp für den Fahrzeugnutzer die Möglichkeit 230 VStandard-Geräte bis zu einer Leistung von 4,8 kW im Fahrbetrieb (Onboard) oder im Standbetrieb (Off-Board) zu betreiben. Damit kann in den meisten Fällen auf ein Notstromaggregat verzichtet werden. Auf der IAA Nutzfahrzeuge 2008 wurde eine Weiterentwicklung, der MAN TGL Hybrid 12 220, vorgestellt, siehe Abb. 7.32. Der MAN TGL Hybrid verfügt über einen parallelen Hybridantrieb mit Integriertem Starter-Generator (ISG). Der zwischen Kupplung und Getriebe angeordnete ISG fungiert sowohl als Generator wie auch als Elektromotor. In der Funktion als Generator lädt er die Li-Ionen-Batterie auf. Als Elektromotor betreibt er das Fahrzeug beim Anfahren und auf kurzen Strecken bei geöffneter Kupplung rein elektrisch, beim Beschleunigen bringt er zusätzliches Drehmoment auf die Achsen. Das größte Potenzial dieses Hybridantriebs zur Verbrauchssenkung und Emissionsreduktion liegt in der Rückgewinnung der Bremsenergie (Rekuperation). Daher bildet der Stadt- und Verteilerverkehr mit seinen häufigen Stop-and-Go-Situationen den Einsatzschwerpunkt des MAN TGL Hybrid. Daneben werden auch die Leerlaufzeiten des Dieselmotors durch die Start/Stopp-Automatik erheblich reduziert. In Folge des zusätzlichen Elektromotors kann der Dieselmotor bei gleichen Fahrleistungen kleiner dimensioniert werden (Downsizing), was ebenso zur Verbrauchsreduktion beiträgt. Durch Einsatz des Vierzylinder- anstatt eines Sechszylinder-Motors beträgt das Mehrgewicht des voll ausgerüsteten Hybridfahrzeugs gegenüber einem leistungsgleichen Fahrzeug mit D08-Sechszylinder-Motor weniger als 100 kg. Erweiterung der Fahrzeugfunktionalität: • Rein elektrisches Anfahren und Kriechfahrt • Betriebspunktoptimierung für den Dieselmotor: Lastpunktanhebung oder Lastpunktabsenkung zur Erreichung eines besseren Gesamtwirkungsgrades • Start/Stopp-Automatik • Rekuperation (Rückgewinnung der Bremsenergie) • Rein elektrischer Kurzstreckenbetrieb für eine Strecke von ca. 5 km, mit optionaler 6 kWh-Batterie, in Verbindung mit elektrischen Nebenaggregaten. Die Elektrokomponenten des Antriebsstrangs zeigt Abb. 7.33, die technischen Daten sind in Tabelle 7.9 aufgelistet.

369

7.2 Hybrid-Lkw

Tabelle 7.9. Technische Daten des MAN TGL Hybrid [Quelle: MAN] Herkunft

Deutschland

Bauart / Aufbau

Verteiler LKW

Antrieb

Paralleler Hybridantrieb mit Integriertem StarterGenerator (ISG).

Motor

D0834-Dieselmotor, zweistufige Turboaufladung und Ladeluftkühlung, Common-Rail-Direkteinspritzung, 4-Ventil-Technik,

Hubraum

4.580 cm 3

Nennleistung

162 kW (220 PS) bei 2.400 U/min

Max. Drehmoment

850 Nm bei 1.300 –1.800 U/min

Abgasnorm

EEV mit MAN PM-KAT®

Getriebe

Automatisiertes 6-Gang-Schaltgetriebe, TipMaticSoftware adaptiert an Hybrideinsatz

Elektrischer Antrieb

Drehstrommotor, -generator

Drehmoment

max. 425 Nm

Leistung

max. 60 kW

Betriebsspannung

340 V

Elektrischer Energiespeicher

Lithium-Ionen-Batterie, Kapazität 2 kWh (optional 6 kWh)

Elektrische Reichweite

ca. 5 km, mit ca. 6-kWh-Batterie

7.2.3 Mitsubishi Fuso Canter Eco Hybrid Als Fahrzeug, das besonders in zufahrtsbeschränkten Innenstadtbereichen eingesetzt werden soll, wurde der Mitsubishi Fuso Canter Eco Hybrid konzipiert, siehe Abb. 7.34. Der Canter Eco Hybrid stammt aus dem „Global Hybrid Center“ von Daimler Trucks, angesiedelt bei Fuso in Japan. Im Verteilereinsatz und im Stop-and-Go-Verkehr macht sich seine Sparsamkeit besonders eindrucksvoll bemerkbar. Das Fahrzeug wurde im Sommer 2006 vorgestellt und ist bislang nur am japanischen Markt erhältlich. Allerdings läuft ein Flottentest in Europa, um die Tauglichkeit für europäische Verhältnisse zu ermitteln. Dafür wurden die Fahrzeuge von 4,5 t bzw. 5,5 t Gesamtgewicht entsprechend den Gepflogenheiten des japanischen Marktes auf 7,5 t Gesamtgewicht für den Kundenversuch in Großbritannien umgerüstet. Der Hybridantriebsstrang ist in Form eines Parallelhybrids aufgebaut, bei dem der Elektromotor hinter dem Verbrennungsmotor und der Kupplung, aber vor dem Getriebe angeordnet ist. Damit können beide Motoren den Lkw einzeln, gemeinsam oder parallel antreiben. Basis des Antriebs ist ein Vierzylinder-Dieselmotor mit 3,0 l Hubraum. In der Ausführung für Japan beläuft sich seine Leistung auf 92 kW (125 PS) bei 3.200 U/min und das Drehmoment erreicht 294 Nm bei 1.700 U/min. In Relation zum Gesamtgewicht des Lkw handelt es sich um ein sehr kompaktes und leichtes Triebwerk unter dem Aspekt Downsizing – aus dem ursprünglichen Canter 7C18 wurde ein Canter 7C13. Der Verbrennungsmotor verfügt über Abgasrückführung und einen

370

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

Partikelfilter. Im Rahmen der Umrüstung auf europäische Abgasbestimmungen sowie in Anbetracht des deutlich höheren zulässigen Gesamtgewichts von 7,5 t wurde die Leistung auf 107 kW (145 PS) bei 3.200 U/min und das maximale Drehmoment auf 362 Nm bei 1.700 U/min angehoben [138]. Damit der Canter Eco Hybrid weiterhin auch allein mit dem konventionellen Dieselmotor betrieben werden kann, verfügt er ebenfalls über Anlasser, Lichtmaschine und Starterbatterien – alles ausgelegt für 24 V. Die Kraftübertragung übernimmt im Canter Eco Hybrid ein automatisiertes Fünfganggetriebe des Typs Inomat-II.

Abb. 7.34. Fuso Eco Canter

Der Elektromotor zwischen Kupplung und Getriebe ist als Drehstrom-PermanentMagnet-Motor ausgeführt, leistet maximal 35 kW und erreicht ein maximales Drehmoment von 200 Nm. Diese Werte gelten sowohl für die Ausführungen des Canter Eco Hybrid in Japan als auch in Großbritannien. Als elektrischer Energiespeicher kommt ein Satz hochmoderner Lithium-IonenBatterien mit einer Kapazität von 1,9 kWh zum Einsatz. Die Batterien setzen sich aus zwei Modulen mit insgesamt 96 Zellen zusammen. Sie sind auf eine Lebensdauer von mindestens zehn Jahren und 300.000 km ausgelegt und geschützt in einem Behälter am Rahmen des Lkw in Fahrtrichtung links montiert. Auf dieser Seite ist ebenfalls der elektrische Umrichter angebracht. Dieser wandelt mittels Pulsweiten-Modulation Gleichstrom in Wechselstrom und umgekehrt. Die Batterien werden durch Rückgewinnung von Bremsenergie gespeist, indem der Elektromotor beim Bremsen als Generator dient. Zur Verstärkung dieses Effekts kuppelt die Technik beim Bremsen aus, der Motor läuft ohne Last im Leerlauf und

371

7.2 Hybrid-Lkw

leistet deshalb keine Bremswirkung. Zum Anfahren wird der Elektromotor genutzt, die Kupplung zum Dieselmotor bleibt geöffnet. Er läuft im Leerlaufbetrieb zur Versorgung der konventionell betriebenen Nebenaggregate mit. Deshalb setzt sich der Canter Eco Hybrid sehr leise und nahezu abgasfrei in Bewegung. Der Canter Eco Hybrid profitiert beim Anfahren von der Leistungsfähigkeit des Elektromotors, dessen volles Drehmoment konstruktiv bedingt bereits ab dem Stand zur Verfügung steht. Bei starker Beschleunigung oder hoher Leistungsanforderung, etwa an Steigungen, schaltet sich der Dieselmotor durch das Schließen der Kupplung zu und dient als Booster. Er übernimmt den Antrieb komplett, wenn der Lkw seine Transportgeschwindigkeit erreicht hat und in der Ebene mit gleichmäßigem Tempo dahinrollt. Bei Bergabfahrt dient der Elektromotor als Generator und wandelt die Bremsenergie in Strom um, der in den Batterien gespeichert wird. Ebenfalls vorgesehen ist eine Start/Stopp-Funktion, die in der japanischen Ausführung serienmäßig verbaut ist und für die „europäische Variante“ im nächsten Entwicklungsschritt realisiert werden soll [138]. Das Modell erfüllt als erster Leicht-Lkw die strengen Abgasbestimmungen in Japan bei niedrigem Kraftstoffverbrauch. Der 2007 vorgestellte Mercedes-Benz Atego BlueTec Hybrid 7,5 t nutzt ebenfalls den Antriebsstrang des Fuso Eco Canter. Die technischen Daten des Mitsubishi Fuso Canter Eco Hybrid sind in Tabelle 7.10 angeführt. Tabelle 7.10. Technische Daten des Fuso Eco Canter Herkunft

Japan/Deutschland

Antrieb

Paralleler Hybrid, dieselelektrisch

Motor

4-Zylinder-Reihenmotor 4M42 T2

Kraftstoff

Diesel

Hubraum

2.977 cm3

Nennleistung

Japan: 92 kW (125 PS) bei 3.200 U/min Europa: 107 kW (145 PS) bei 3.200 U/min

max. Drehmoment

Japan: 294 Nm bei 1.700 U/min Europa: 362 Nm bei 1.700 U/min

Elektrischer Antrieb

Permanenterregte Synchronmaschine PSM, Leistung 35 kW, Generatorleistung 35 kW, LithiumIonen-Batterien, Kapazität 1,9 kWh

Abgasstandard

Japan: JP 05 Europa: Euro 4

Serienfertigung

Seit Juli 2006

Mittlerweile existiert eine erste Hybridkonzeptstudie eines Lkw-Kippers auf Basis des Fuso Canter Eco Hybrid. Herausragendes Merkmal dieses Fuso Canter Eco-D ist die Kippfunktion des Aufbaus mit elektrischem Antrieb. Mit weiteren konkreten Schritten hat MFTBC die Entwicklung des Canter Eco Hybrid im Frühjahr 2009 vorangetrieben. Die Leistung des Verbrennungsmotors der japanischen Ausführung stieg durch Einsatz eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie auf 96 kW (130 PS). Eine optimierte Steuerung des Hybridantriebs senkt den Kraftstoffverbrauch weiter [138].

372

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

7.2.4 Mercedes-Benz Freightliner M2 In Nordamerika entwickelt der größte Lkw-Hersteller Freightliner innerhalb von Daimler Trucks ebenfalls Hybridfahrzeuge. Der mit einem Parallelhybrid-Antriebsstrang ausgestattete mittelschwere Hauben-Lkw der Baureihe M2 mit 15 Tonnen zulässigem Gesamtgewicht ist zielgerichtet auf nordamerikanische Gegebenheiten zugeschnitten, siehe Abb. 7.35. Dort spielen auf Grund der überirdisch verlegten Stromleitungen Steiger als Servicefahrzeuge eine wichtige Rolle. Entsprechend nutzt Freightliner den elektrischen Teil des Antriebs nicht nur als Alternative und zur Unterstützung des Fahrzeugdieselmotors, sondern zum abgasfreien und leisen Antrieb des Nebenaggregats für den Betrieb eines Steigers. Eine Hochvoltbatterie treibt dessen Hydraulik an. Dieser Vorteil lässt sich auch auf andere Anwendungen übertragen, etwa zum Antrieb der Ladebordwand, von Pumpen für Tank- oder Feuerwehrfahrzeuge und zahlreiche andere Nebenaggregate. Verhindert wird mit diesem Schritt auch ein unnötiger Betrieb des Dieselmotors im Leerlauf.

Abb. 7.35. Mercedes-Benz Freightliner M2 Hybrid

373

7.2 Hybrid-Lkw

Der Antrieb des M2 kombiniert einen Sechszylinder-Reihenmotor der Baureihe OM 906 (US-Bezeichnung: MBE 906) mit 6,4 Liter Hubraum und einer Leistung von 186 kW (252 PS) mit einem Elektromotor. Dieser besitzt eine Spitzenleistung von 44 kW und ein maximales Drehmoment von 420 Nm und wird genauso im Atego BlueTec Hybrid eingesetzt. Die Kraftübertragung erfolgt durch ein automatisiertes Sechsganggetriebe. Zur Stromspeicherung werden Lithium-Ionen-Batterien mit einer Gesamtkapazität von 5,5 Ah verwendet. Sie werden durch Rückgewinnung der Bremsenergie gespeist. Die Kraftstoffersparnis liegt im Bereich von 25 bis 30 % [138]. Eine Auflistung der wichtigsten technischen Daten zeigt Tabelle 7.11. Tabelle 7.11. Freightliner M2 [140] Herkunft

USA

Bauart / Aufbau

Fahrgestell mit Fahrerhaus, Hubsteiger-Aufbau

Antrieb

Paralleler Hybrid, dieselelektrisch

Motor

6-Zylinder-Reihenmotor, OM 906 LA

Kraftstoff

Diesel

Hubraum

6.375 cm 3

Nennleistung

187 kW (254 PS) bei 2.200 1/min

Elektrischer Antrieb

Permanenterregte Synchronmaschine PSM, Leistung 44 kW, Generatorleistung 44 kW, LithiumIonen-Batterien, Kapazität 1,9 kWh

Abgasstandard

EPA 04

Serienfertigung

Geplant für 2009

7.2.5 Mercedes-Benz Atego BlueTec Hybrid Der Elektroantrieb aus dem Freightliner M2 wird im Mercedes-Benz Atego BlueTec Hybrid 12 t mit einem Mercedes-Benz-Vierzylinder-Dieselmotor kombiniert, siehe Abb. 7.36. Wie auch beim Fuso Eco Canter Hybrid und beim Freightliner M2 Hybrid setzt Daimler Trucks auch beim Atego BlueTec Hybrid auf eine Architektur mit einem parallelen Hybrid, bei dem der Elektromotor hinter Verbrennungsmotor und Kupplung, aber vor dem Getriebe angeordnet ist. Um ein größtmögliches Verbrauchseinsparungspotenzial zu erreichen, wurde anstatt des Sechszylindermotors als primäre Antriebsquelle ein moderner EURO5-Vierzylindermotor gewählt. Zwar kann der E-Motor den Unterschied zwischen 4- und 6-Zylinder-Dieselmotor nicht in allen Fahrzuständen komplett ausgleichen, jedoch liegt das wichtige Anfahrverhalten im urbanen Einsatzumfeld auf demselben Niveau. Als elektrische Energiespeicher kommen leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz. Die Batterien sind in einem Behälter seitlich am Rahmen des Atego in Fahrtrichtung links befestigt. Der Batteriesatz wiegt cirka 125 kg und verfügt über eine Kapazität von 2 kWh. Die Spannung beläuft sich auf 340 V. Sämtliche Batteriezellen werden einzeln überwacht und gesteuert. Die Batterien verfügen über eine separate Luftkühlung.

374

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

Abb. 7.36. Mercedes-Benz Atego BlueTec Hybrid 12 t

Systembedingt beläuft sich das Mehrgewicht des Atego BlueTec Hybrid im Vergleich zum herkömmlichen Atego 1222 auf cirka 300 – 400 kg. Tabelle 7.12. Technische Daten des Mercedes-Benz Atego BlueTec Hybrid 12 t [138] Herkunft

Deutschland

Bauart / Aufbau

Fahrgestell mit Fahrerhaus, Kofferaufbau

Antrieb

Paralleler Hybrid, dieselelektrisch

Motor

4-Zylinder-Reihenmotor OM 924

Kraftstoff

Diesel

Hubraum

4.800 cm 3

Nennleistung

160 kW (218 PS) bei 2.200 1/min

Max. Drehmoment

810 Nm bei 1.400 –1.600 U/min

Elektrischer Antrieb

Permanenterregte Synchronmaschine PSM, Leistung 44 kW, Generatorleistung 44 kW, maximal 420 Nm Drehmoment, Lithium-Ionen-Batterien, Kapazität 1,9 kWh

Getriebe

Sechsgang-Getriebe G 85 – 6 mit Telligent Schaltautomatik.

Abgasstandard

Euro 5

Serienfertigung

Prototyp für Flottenversuch

Die Betriebsstrategie ist so abgestimmt, dass der Atego BlueTec Hybrid elektrisch anfährt und der Dieselmotor oberhalb der Schrittgeschwindigkeit die Hauptlast des Antriebs übernimmt. Die Zuschaltung der Antriebsleistung des Dieselmotors erfolgt über die

7.2 Hybrid-Lkw

375

Kupplung zwischen Diesel- und Elektromotor. Bis zu diesem Punkt dient der Verbrennungsmotor ausschließlich dem Antrieb der Nebenaggregate. Das ergibt nicht nur eine deutliche Verminderung von Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen, sondern auch der Geräuschbelästigung von Anwohnern und Passanten. Durch die Nutzung des MotorStart/Stopp-Systems – komfortabel betätigt über den Neutral-/Leerlauf-Knopf des Getriebewahlhebels – kann der Fahrer Kraftstoffverbrauch und Geräusch an der Ampel auf Null reduzieren. Sie stellt den Dieselmotor-Leerlauf automatisch ab. Weitere Einspareffekte ergeben sich durch die Regelung des Verbrennungsmotors nahe seines Bestpunkts. Tabelle 7.12 gibt einen Überblick über die technischen Daten des Mercedes-Benz Atego BlueTec Hybrid 12 t.

7.2.6 Volvo FE Abfallentsorgungsfahrzeug In Abb. 7.37 ist ein Abfallentsorgungsfahrzeug von Volvo dargestellt, welches mit einem Hybridantriebsstrang ausgeführt ist und 2009 in Serie gehen soll [149].

Abb. 7.37. Volvo FE Abfallentsorgungsfahrzeug mit Hybridantriebsstrang

Volvo kombiniert bei seiner Hybridtechnologie einen 7-Liter-EURO-5-Dieselmotor mit einer Leistung von 320 PS mit einem Elektromotor, siehe Abb. 7.38. Der Elektromotor wird zum Anfahren und Beschleunigen bis auf 20 km/h eingesetzt – bei höheren Geschwindigkeiten übernimmt der Dieselmotor. Die elektrischen Hybridkomponenten entsprechen dabei dem des Volvo 7700 Hybrid Busses, siehe Kapitel 7.1.5. Beim Anhalten wird der Dieselmotor durch das Start/Stopp-System namens „Volvo I-SAM (Integrated Starter Alternator Motor)“ abgeschaltet, um einen Betrieb im Leerlauf zu vermeiden. Als Getriebe kommt das Volvo I-Shift, ein automatisiertes Schaltgetriebe zum Einsatz. Die Energie für die 120 kW starke Elektromaschine kommt von LithiumIonen-Batterien, die mittels Bremsenergie aufgeladen werden. Die Batterie wiegt rund

376

7 Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

200 kg, hat eine Nennspannung von 80 V und eine Kapazität von 480 Ah [149]. Somit eignet sich das System besonders gut für Einsatzbereiche, bei denen häufiges und wiederholtes Anhalten und Weiterfahren erforderlich ist – wie bei der Müllabfuhr: Volvo rechnet damit, dass die Hybrid-Entsorgungsfahrzeuge um bis zu 20 % weniger Kraftstoff verbrauchen und der Kohlendioxidausstoß dementsprechend zurückgeht. Darüber hinaus ist ein Prototypfahrzeug mit einem zusätzlichen Batterieblock ausgestattet, über den der 16 kW-Antriebsmotor des Abfallverdichters betrieben wird. Diese Batterie wird über Nacht am normalen Stromnetz wieder aufgeladen, wenn das Fahrzeug steht. Dadurch wird der CO2-Ausstoß um weitere 10 %, d. h. in Summe um 30 %, gegenüber einem konventionellen Abfallentsorgungsfahrzeug reduziert. Weiters wird die Lärmbelastung durch den Elektroantrieb drastisch reduziert. Falls die Batteriespeicherkapazität nicht ausreicht, kann die Lithium-Ionen-Batterie auch über den Antrieb des Basisfahrzeugs aufgeladen werden [149].

Abb. 7.38. Hybridantriebsstrang des Volvo FE Hybrid Abfallentsorgungsfahrzeugs

7.2.7 Abfallsammelfahrzeug mit hydrostatisch-regenerativem Bremssystem (HRB) Auf Grund der hohen spezifischen Leistungsdichte von hydropneumatischen Speichern, siehe auch Kapitel 4.4.11 Hydropneumatische Speicher, eignen sich diese Systeme besonders zur Rekuperation der Bremsenergie. Hohe Bremsleistungen besitzen vor allem Fahrzeuge mit hoher Umschlagsleistung, d. h. hohen Brems- und Anfahrleistungen, wie zum Beispiel Entsorgungsfahrzeuge, Stadtbusse oder Gabelstapler [91]. Abb. 7.39 zeigt prinziphaft das hydrostatisch-regenerative Bremssystem (HRB) von Bosch-Rexroth in einem Abfallsammelfahrzeug.

7.2 Hybrid-Lkw

377

Abb. 7.39. Prinzip hydrostatisch-regeneratives Bremssystem (HRB) von Bosch-Rexroth

Abb. 7.40. Abfallsammenfahrzeug x2eco mit hydraulisch-mechanischem Parallelhybridantriebssystem [150]

Die Fa. HALLER Umweltsysteme hat in Kooperation mit Bosch Rexroth ein Abfallsammelfahrzeug x2eco mit einem hydraulisch-mechanischen Parallelhybridantrieb ausgestattet, siehe Abb. 7.40. Das Fahrzeug wiegt 26 t und hat eine Motorleistung von 205 kW. Im Testbetrieb konnten 15 – 20 % Verbrauchsreduktion erzielt werden [150].

Kapitel 8

Ausblick Das Thema Hybrid hat in den letzten Jahren einen enormen Aufschwung erlebt. Wurde noch vor geraumer Zeit darüber diskutiert, ob sich die Hybridtechnologie im Kraftfahrzeug überhaupt etablieren wird, so stellt sich aktuell die Frage, wieviel Hybrid bzw. Elektrifizierung sinnvoll ist. Der Bogen wird dabei vom Micro-Hybrid mit Start/ Stopp-Funktion und Generatormanagement bis hin zu Full-Hybrid-Fahrzeugen gespannt, wobei man davon ausgehen kann, dass mittelfristig zumindest die Start/StoppFunktion flächendeckend eingesetzt wird. Längerfristig ist zu erwarten, dass es eine Konzentration sowohl auf die Bereiche mit geringen als auch auf jene mit hohen elektrischen Leistungen geben wird, während der Bereich dazwischen weniger Bedeutung gewinnen wird. Der Grund dafür ist für den Bereich mit geringen elektrischen Leistungen (Micro- und Mild-Hybrid-Fahrzeuge) das attraktive Kosten/Nutzen-Verhältnis, während die hohen elektrischen Leistungen in Plug-In-Hybridfahrzeugen mit Range Extender als Enabler für die Einführung von Elektrofahrzeugen dienen werden. Sehr starken Einfluss auf die Etablierung der einzelnen Kategorien wird die Politik nehmen. Durch gesetzliche Rahmenbedingungen beginnend mit CO2-Vorgaben, Vorschreibung von Null-Emissionskonzepten wie beispielhaft in USA über Einfahrtsbeschränkungen für bestimmte Fahrzeuge in definierte Zonen, steuerliche Begünstigungen oder Ähnliches werden gewisse Technologien bevorzugt oder eben benachteiligt. Neben der verstärkten Hybridisierung der Antriebstechniken basierend auf den konventionellen Verbrennungsmotoren wird es auch neue Antriebssysteme mit Brennstoffzellen oder E-Fahrzeuge geben. Dabei ist davon auszugehen, dass auch diese Antriebssysteme als Hybrid, d. h. mit einem zusätzlichen Speicher- und Energieumwandlungssystem, ausgeführt werden. Bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen bietet ein elektrischer Energiespeicher die Möglichkeit der Bremsenergierückgewinnung sowie einer schnelleren Anfahrbereitschaft beim Kaltstart. Da bereits ein elektrisches Antriebssystem vorhanden ist, bedarf es zusätzlich nur eines vergleichbar kleinen elektrischen Energiespeichers, um die Hybridfunktionen darstellen zu können. Elektrofahrzeuge werden derzeit mit enormen politischen Anstrengungen forciert. Da die Batterietechnologie aber kurz- bis mittelfristig nicht annähernd mit dem heutigen Standard in Bezug auf Reichweite und Dauer für die Energieaufnahme (Betankung) mithalten wird können, werden diese Fahrzeuge zumindest mit einer kleinen Verbrennungskraftmaschine als Range Extender ausgestattet sein. Damit werden dem Fahrzeugnutzer unter anderem eine jederzeitige Verfügbarkeit, eine akzeptable Reichweite sowie der gewohnte Heizkomfort bei niedrigen Umgebungstemperaturen geboten, was zu einer schnelleren Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen beitragen kann. Von den derzeit großen Anstrengungen bei der Entwicklung von elektrischen Speicherbatterien für Elektrofahrzeuge profitieren auch Hybridfahrzeuge. Da Elektro-

380

8 Ausblick

komponenten in Hinblick auf eine größere Serienproduktion für automotive Antriebssysteme noch in den Kinderschuhen stecken, sind diesbezüglich noch enorme Kostenabsenkungspotenziale vorhanden. Bedingt durch die Ressourcenverknappung und die Anstrengungen, den CO2Ausstoß zu senken, wird es auf Grund der verschiedenen möglichen Alternativen zur Energiegewinnung langfristig eine stärkere Diversifizierung der Antriebstechnologien geben. Diese wird Verbrennungsmotoren umfassen, die mit konventionellen und zukünftig auch mit biogenen Kraftstoffen betrieben werden, sowie wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen-Fahrzeuge und batteriebetriebene Elektrofahrzeuge. Dabei wird es je nach den lokalen Randbedingungen regionale Fokussierungen auf bestimmte Kategorien geben. Es ist jedoch aus den zuvor besagten Gründen davon auszugehen, dass es auch bei den „neuen“ Antriebskonzepten verstärkt Hybridsysteme geben wird. Beim geschichtlichen Rückblick zu Beginn des Buches wurde dargestellt, dass der Hybridantrieb nahezu so alt wie das Automobil ist. Waren es in der Anfangszeit Unzulänglichkeiten im Bereich der Kupplung, des Schaltgetriebes bzw. der Regelbarkeit des Verbrennungsmotors, die den Einsatz der Hybridtechnologie begründeten, so sind es heute Themen wie Effizienz, Bremsenergierückgewinnung, Fahrzeugverfügbarkeit, Komfort, Heizung, zusätzliche Funktionalitäten etc., die Hybridantriebssysteme favorisieren. Da derzeit kein Antriebssystem in Sicht ist, welches alle Anforderungen in idealer Weise erfüllen kann, werden sich – gerade aus Gründen der ständig steigenden Erwartungshaltung – zukünftig verstärkt Hybridsysteme etablieren.

Kapitel 9

Literatur [1] IPCC: Climate Change 2007 – Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Figure 2.3. IPCC, Geneva, Switzerland. [2] OECD Environmental Data COMPENDIUM 2006/2007. [3] KOMMISSION DER EUROPÄISCHEN GEMEINSCHAFTEN: MITTEILUNG DER KOMMISSION AN DEN RAT UND DAS EUROPÄISCHE PARLAMENT; Überwachung der CO2-Emissionen von Personenkraftwagen in der EU: Daten für die Jahre 2005, 2006 und 2007. Brüssel, den 27. 1. 2009; KOM(2009) 9 endgültig. [4] Trechnow, P.: EU zieht Daumenschrauben für PKW-Hersteller fest an. VDI Nachrichten Nr. 3, 16. Jänner 2009. [5] Hybridfahrzeug: Die Definition der UNO. Toyota Motor Corporation. Im Internet abrufbar: www.hybridsynergydrive.com/de/un_definition.html. [6] N. N: Modern Mechanix; US-Magazins; Jännerausgabe von 1932. http://blog. modernmechanix.com/2006/09/22/compressed-air-motor-runs-car/ [7] Hans Seper: Damals als die Pferde scheuten – Die Geschichte der Österreichischen Kraftfahrt. Österreichischer Wirtschaftsverlag Wien, 1968. [8] Pinczolits Franz: Austro Daimler, Paul Daimler und Ferdinand Porsche – Pioniere des Automobils. Weilburg Verlag, ISBN 3-900100-42-X, 1986. [9] http://www.im-auto.de/hybridantrieb/entwicklung.html [10] http://www.econogics.com/ev/evhistg.htm [11] Fiala Ernst: Hybridauslegung für Personenkraftwagen. Herausgeber: Österreichischer Verein für Kraftfahrzeugtechnik, 2006 [12] Hofmann, L.; Leohold, J.; Steiger, W.; Böhm, T.: twinDRIVE® – Ein Schritt in Richtung Elektromobilität. 6. VDI Tagung: Innovative Fahrzeugantriebe, Dresden, 6. und 7. 11. 2008, VDI-Verlag Düsseldorf 2008. [13] Mikulic, L.: DaimlerChrysler – Powertrain-Strategie: Globale Anforderungen – Globale Lösungen. 28. Internationales Wiener Motorensymposiums 2007, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 639, Beilage. [14] Automobil Produktion, Mai 2008, Oliver Wyman-Studie „Car Innovation 2015“ Verlag moderne Industrie GmbH. [15] Pichler, P.; Linderl, J.; Niederlechner, G.; Schmidhofer, A.; Teuschl, G.; Kramer, F.; Erjawetz, K.; Müller, H.; Kussmann, C.: Full Hybrid SUV mit elektrischem 4WD – praktische Ergebnisse. 28. Internationales Wiener Motorensymposiums 2007, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 639, Bd. 1, Seite 360 – 375.

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Sachverzeichnis A Abgas 90, 92, 110, 265 – -gesetzgebung 13, 52, 55, 315 – -nachbehandlung 20, 102, 103 ACEA 68 Active Wheel 130 AHS-C (Advanced Hybrid System) 292 Allradantrieb 94, 186, 263, 274, 292, 308, 330 Amortisation 14 Amperestundenwirkungsgrad 156 Ankerwicklung 118 Anlasser 19, 42, 46, 52, 316, 370 Anode 110, 152, 164, 168, 171 Antriebs – -modul 359 – -strangmanagement 207, 214, 336 APU (Auxiliary Power Unit) 20, 293 Asynchronmaschine 120, 121, 123, 144, 234, 343, 365 Atkinson 77, 252, 260, 264 AT-PZEV 59, 297 Audi Duo 10, 19 Aufladung 74, 102, 105, 152, 336, 346 autarker Hybrid 18, 47 Automatikgetriebe 34, 75, 88, 135, 209, 270, 274, 285, 289, 335, 349, 357, 363 AVL ECO Target 22, 315 AVL Turbohybrid 132, 318 AVL-UHS 40 B Batterie 150 – AGM- 157, 366 – Blei- 10, 157 – Hochspannungs- 44, 46, 47

–

Hochvolt- 140, 142, 281, 292, 296, 300 – Innenwiderstand 156 – -kapazität 47, 53, 154, 191 – Kenngrößen 154 – Ladezustand 156 – Lebensdauer 150, 154, 163, 166, 288 – Leerlaufspannung 154, 157, 223 – Leistungsdichte 150, 190, 194 – Li-Ionen- 164, 191, 287, 291 – modell 223 – -modul 152, 158, 165, 273 – Na-NiCl- 168 – Na-S- 168 – NiCd- 160 – NiMH- 160 – Ruhespannung 154, 156 – Starter- 150, 158 – Stütz- 43 – Traktions- 84, 143, 147, 312 – ZEBRA 168 Betriebsmodi 33, 35, 40, 208, 212, 224, 233, 237, 242, 282, 289, 303, 337 Betriebsstrategie 75, 80, 89, 207, 209, 217, 223, 237, 243, 288, 301, 311, 314, 363 – kausale 210 – mit Prognosefunktion 243 – nicht kausale 210 – optimale 211 – suboptimale 210 Betriebszustände 208 BIN 57 Blindleistung 31, 257 BMW X6 ActiveHybrid 297 Boosten 19, 101, 209, 224, 232, 238, 289, 299, 313, 317, 332

392 Bordnetz 19, 42, 46, 140, 145, 366 Bremsenergie 84, 172, 174, 188, 195, 225, 276, 315, 331, 333, 341 Bremsenergierückgewinnung 2, 112, 178, 318, 361 Brennstoffzelle 110, 327 Brückenschaltung 142, 144 C CAFE (Corporate Average Fuel Economy) 64 CARB (California Air Resources Board) 57 Civic Hybrid 275 CO2-Emissionen 1, 3, 14, 67, 68 Compact Dynamics 128, 175 compound split 31, 35 Congestion Charge („Staugebühr“) 70 CVT (Continuous Variable Transmission) 136 D DC-DC-Konverter (DC/DC Wandler) 139, 142 Definition Hybrid 17 DIWAhybrid 342 DOD (depth of discharge) 156 Doppelschichtkondensator siehe Supercap 169 Doppelumrichtermodul 358 Downsizing 74, 101, 233, 237, 316 Downspeeding 74, 101 Drehmomentwaage 29 Drehstrommaschine 119 Drehzahladdition 21, 22 E E4WD-Modul 303 EAER (Equivalent All-Electric Range) 62 E-CVT 74, 77, 87, 269, 293, 297 EEV Abgasstandard auch EEVStandard 67 E-Fahren (elektrisches Fahren) 19, 52, 77, 89, 135, 199, 202, 208, 213, 222, 226, 231, 243, 257

Sachverzeichnis

Einwellenlösung 22 Elektrifizierung 12, 47, 195, 341, 379 Elektrischer Allradantrieb 94, 263, 330 Elektrische Servolenkung 199 Elektro – -chemische Spannungsreihe 152 – -fahrzeug 12, 50, 58, 60, 149, 379 – -maschine 95, 113, 144, 286, 295, 303, 307, 309, 361 – -motor siehe Elektromaschine Elektrolyt 151, 157, 160, 164, 168, 170 ElvoDrive System 360 Emissionsgrenzwert 66 (siehe auch Abgasgesetzgebung) Energie – chemische 101, 146, 151 – elektrische 113, 147, 151 – kinetische 147, 173 – mechanische 113, 147, 173 Energiedichte 122, 147, 150, 158, 161, 166, 168, 173, 190 Energiedurchsatz 150, 159, 163, 167, 211 Energiespeicher 146 – chemische 101, 110, 147 – elektrische 112, 139, 147, 190 – hydraulische 5, 147 – hydropneumatische 5, 176, 195 – pneumatische 5 Energiewandler 3, 21, 101, 110, 207 Entladeschlussspannung 154, 155, 164 ESC (europäischer stationärer Fahrzyklus) 68 ETC (europäischer instationärer Fahrzyklus) 68 eTronic-Hybridgetriebe 343 F Fahr – -dynamik 94 – -motor 18, 22, 41 – -profil 52, 195, 210, 216, 340, 341 – -spaß 46, 297, 324

393

Sachverzeichnis

– -streckenerkennung 244 – -zeugantrieb 113, 124, 142, 226, 339 Fahrerassistenzsysteme 244 Feldeffekt-Transistor 141 Feldschwächbereich 115, 116, 125, 234 Feldschwächung 116 Fliehkraftkupplung 335, 338 Flottenverbrauch 1, 64, 68 Freilauf 21 FuelCELL siehe Brennstoffzelle 110, 327, 349 Full Hybrid (Vollhybrid) 18, 45, 80, 263, 305 G Galt Motor Company 8 Gasturbine 109 Gelenkbus 349, 354 Generator 18, 19, 22, 35, 42, 74, 83, 85, 130, 328, 331, 333, 343, 345, 348, 350, 352, 355, 360, 364, 370 Gesetzliche Rahmenbedingungen 55 Getriebe 132 – Automatik- 135 – CVT- 136, 174, 275 – Doppelkupplungs- 133 – Dual-Mode- (Two-Mode-) 33, 136, 292, 297 – elektrisches 18, 74 – i²- 136 – i i- 136 – I-Shift- 356 – Leistungsverzweigte 23, 136, 138, 250, 261, 269, 292, 358 – Planeten- 21, 25, 27, 40, 133, 135, 250, 359 – Schalt- 116, 117, 132 – Stufenlose 136 – Summier- 346, 350, 353 Gleichrichter 18, 139 Gleichspannungszwischenkreis auch Gleichstromzwischenkreis 145, 350 Gleichstrommaschine 118 GM-Allison 358 Grunddrehzahl 115 Gyrobus 3

H Halbleiter 141 HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) 90 Hebel-Analogie 30 Hebeldiagramm 33 Heizung 202, 208, 273, 360, 380 Hess Doppelgelenk Hybridbus 354 Heuristische Steuerungsstrategien 212 Hochdrehzahlkonzept 10, 267 Hochsetzsteller 140, 142, 368 Hohlrad 27, 97, 250 Honda IMA-System 275 Hybrid – autarker 18, 47 – Betriebszustände 208 – -Bus 344 – Full- 18, 45, 80, 263, 305 – -funktionen 208, 301, 303 – kombinierter 17, 24, 329 – leistungsverzweigter 17, 23 – Micro- 18, 42 – Mild- 18, 44 – -modul 80, 135, 307, 320 – paralleler 17, 21 – Plug-In- 10, 18, 21, 46, 59, 65, 79, 196, 328, 337, 362 – Power Split (leistungsverzweigter -) 23 – serieller 17, 18 – -Steuergerät 207, 263 – Strong- (Full-) 15, 18, 45 – Voll- (Full-) 18, 45 – Zweiwellen-Parallel- 22 Hydraulische Impulsspeicher 76, 196 Hydrospeicher 176, 180 Hydrostatische Fahrantriebe 183 Hydrostatisch regeneratives Bremssystem (HRB) 376 Hynovis 357 I IGBT 141, 145 IMA (Integrated Motor Assist) 275 input split 27, 35 Iveco Irisbus Hynovis 357

394

Sachverzeichnis

i-VTEC (Variable Valve Timing and Lift, Electronic Control) 276

Lexus 261, 266, 270 Lohner-Porsche 6

K kalendarische Lebensdauer 150 Kapazitätsdurchsatz (Energiedurchsatz) 150 Kathode 110, 152, 164, 168, 171 KERS (Kinetic Energy Recovery System) 174 Klassifizierung 17 Klemmenspannung 154, 156, 223 Klimaanlage 75, 195, 202, 287, 348, 354, 360 Klimakompressor 75, 203, 208, 248, 255, 287, 293, 299, 353, 364 Klimatisierung 202, 273, 287 Kohlebürsten 118 Kombinierter Hybrid 17, 24, 329 Kommutator 118 Kondensatoren 168, 350 Kraftstoffverbrauch 52, 65, 71, 101, 224, 237, 239 KSG (Kurbelwellen-Starter-Generator) 19, 44, 132, 275, 285, 320, 344

M Magna HYSUV 303 MAN Hybridbusse 349 MAN Verteiler-Lkw 365 Mercedes-Benz Atego BlueTec Hybrid 373 Mercedes-Benz Citaro G BlueTec Hybrid 347 Mercedes-Benz Freightliner M2 372 Mercedes-Benz Mixte 7 Mercedes-Benz ML 450 HYBRID 292 Mercedes-Benz OE 302 Hybridbus 339 Mercedes-Benz S400 Hybrid 285 Micro-Hybrid 18, 42 Mild-Hybrid 18, 44, 132, 285, 315, 366 Mitsubishi – Fuso Aero 346 – Fuso Canter 369 Momentenaddition 21, 22, 303 Motor – 2-Takt- 9 – Diesel- 102 – Dion- 7 – Elektro- siehe Elektromaschine – Gas- 361 – Hydro- 183 – Otto- 101 – Rotationskolben- 104 – Stirling- 106 – Wankel- 50, 104

L La Cuadra 8 Ladegruppe 18, 20, 41 Ladeschlussspannung 154, 164 Landwehr Train 8 Lastpunktanhebung 72, 77, 101, 102, 208, 224, 226, 238 Läufer 104, 113, 118, 121, 123, 125 – Außen- 124 – Innen- 124, 175 Leerlaufspannung 154, 157, 223 Leistungsdichte 109, 123, 129, 150, 170, 173, 190, 194 Leistungselektronik 24, 84, 115, 122, 125, 129, 139 Leistungsverzweigter Hybrid (powersplit hybrid) 17, 23, 250, 358 Lenkhilfepumpe 75, 195, 208, 287, 348, 353, 366 LEV 56, 58, 63

N Nebenaggregate 76, 84, 195, 287, 314, 347, 348, 352, 357, 360, 364, 371, 372, 375 NEFZ auch NEDC (Neuer Europäischer Fahrzyklus) 1, 68, 75, 90, 225, 239 Nenn – -kapazität 150, 155 – -leistung 114, 115, 116 – -moment 114, 115 – -spannung 144, 150, 154

Sachverzeichnis

NEV (Neighborhood Electric Vehicle) 60 Nomogramm 29 O Omnibus 389, 390 On-Board-Diagnose 57 Opel Ampera 325 Opel Flextreme 19, 21, 325 Orion VII HybriDrive 344 output split 27, 28 P P3-Hybrid 99 Parallelhybrid (paralleler Hybrid) 17, 21, 80, 98, 99, 132, 214, 275, 285, 303, 305, 319, 335, 343, 355, 363, 369, 371, 374 Permanenterregte Synchronmaschine 122, 135, 252, 263, 269, 274, 285, 291, 335 Phlegmatisierung 91, 102, 112 Piaggio MP3 Hybrid 334 Planetenradträger 27, 30 Planetensatz 27, 41 Plug-In-Hybrid 10, 18, 20, 46, 59, 65, 79, 196, 328, 337, 362 Porsche Cayenne Hybrid 80 Portalachse 342, 346 Primärretarder 343 Prognose 12, 243, 245 Pulsweitenmodulation 144, 145 PZEV 59, 61, 297 R Radnaben – -antrieb 127, 130 – -motor 6, 8, 330, 342 Ragone-Diagramm 190, 193, 194 Ram Contractor Special 99 Range-Extender 46, 50, 103, 104, 112, 327, 329 Ravigneaux-Planetenradsatz 267 Rekuperation 19, 44, 62, 71, 82, 87, 195, 208, 224, 225, 238, 244

395 Reluktanzmaschine (Switched reluctance machine SRM) 124 Ritzelstarter 75 Rotationskolbenmotoren (Wankelmotor) 104 Rotor 113, 118, 127, 130, 132, 173, 175 Ruhespannung 154, 156 S Scania Hybrid Concept Bus 359 Schadstoffemissionen 64, 68, 71, 76, 89, 102, 103, 109 Schlupf 98, 120, 122, 219, 314 Schrägachsenmaschine 184 Schrägscheibenmaschine 184 Schwungrad 4, 173, 174, 175, 307, 309 Segeln 82, 208, 224, 231 Sekundärelemente 149, 151 Sekundärretarder 343 Separator 151, 157, 158 Serieller Hybrid 17, 18, 326, 345, 347, 348, 352, 360 Servolenkung 199 SHED-Tests 64 Simulation 213 SOC (State of charge) 156 SOF (State of Function) 163 SOH (State of Health) 163 Solaris Urbino 358 Sonnenrad 27, 97, 250, 256 Spannungsversorgung – Power Station 99 Speicher – Blasen- 178 – Kälte- 203 – Kolben- 176, 178 – -Ladezustand 351 – Membran- 179 – -wirkungsgrad 156, 182, 353 Stadtbus 339, 346, 357 Stadtbusachse AVE 130 342 Ständer (Stator) 113, 119, 124, 337 Standklimatisierung 203, 341 Standübersetzung 28, 31 Start/Stopp 15, 19, 42, 44, 52, 54, 62, 75, 80, 87, 93, 102, 150, 160, 199,

396 202, 208, 217, 224, 238, 242, 289, 301, 303, 314, 319, 324, 355, 361, 366, 368, 371, 375, 379, 382 Stator (Ständer) 113, 118, 121, 126, 176, 280, 295, 316 Steg 27, 97, 256 Stirlingmotor 106 „Stop & Go“-Betrieb 225 Strahlungsantrieb 2 SULEV 58, 63, 70, 296 Supercap – auch Superkondensatoren 168, 190, 194 Superkondensatormodell 223 Switched reluctance machine SRM 124 Synchronmaschine 120, 122 T Tandem Antrieb 132 Tiefentladung 152, 158, 160, 163, 166, 167, 192 Tiefsetzsteller 140, 142, 145 TLEV 56, 58 Torque Vectoring 94 Toyota – -Hybrid System (THS) 250 – -Prius 11, 27, 30, 46, 138, 249 – -Supra HV-R (Hybrid) 333 Transistor 141 Transversalflussmaschine 126, 360 Trennkupplung 19, 80, 88, 132, 135, 307, 309, 325, 344 Türantrieb 348 Turboloch 74, 323 Two-Mode (Hybridsystem) 33, 292, 297 U Überlastfähigkeit 115, 129, 234 UDDS-Zyklus 62

Sachverzeichnis

ULEV 56, 58, 60, 64 Ultracap siehe Supercap 168, 190, 194, 350, 354, 366, 368 Umrichter 139, 143, 281 V Variator 24, 136 Verbrennungskraftmaschine (VKM) 101 Vermeidungskosten CO2 14 Voith Turbo 127, 342, 360 Vollbrückenschaltung 145 Volvo – 7700 parallel Hybrid I-SAM 355 – FE Abfallentsorgungsfahrzeug 375 – Recharge 49 VW Touareg Hybrid 305 VW twin Drive 24, 328 W Wandler-Überbrückungskupplung 81, 308 Wankelmotor 50, 104 Wattstundenwirkungsgrad 156 Wicklung 114, 118, 279, 295 Wirbelstromverluste 119 Z Zellspannung 152, 155 ZEV 56, 58, 64 ZF Dynastart 344 Zugkraft 95, 116, 322 Zugkraftaddition 21, 22, 23, 130, 263 Zweitaktmotoren 102 Zweiwellenlösung 22 Zwischenkreis 18, 145, 146, 348 Zyklenlebensdauer 150, 159, 163