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1 Hybridfahrzeuge Hybridfahrzeuge 1. Definition 2. Warum gibt es Hybridantriebe und welche Vor-und Nachteile haben sie? 3. Klassifizierung von Hybridvarianten 4. Anordnungsvarianten Parallel-Hybrid Seriell-Hybrid Misch-Hybrid 5. Wirkungsgrad für unterschiedliche Antriebskonzepte 6. Beispiel CULT

2 1. Definition Hybridfahrzeuge Verallgemeinerte Begriffsdefinition der UN von 2003: Als Hybridfahrzeug bezeichnet man ein Fahrzeug, das mindestens zwei Energieumwandler und zwei Energiespeichersysteme im Fahrzeug eingebaut hat, um es anzutreiben. Energieumwandler: Elektro-, Otto-und Dieselmotoren Energiespeicher : z.b. Akkumulator oder Kraftstofftank Ziel: Kombination von zwei Antriebssysteme zur Reduzierung des Energieverbrauches und der Emissionen 2. Warum gibt es Hybridantriebe und welche Vor-und Nachteile haben sie? Vorteile Nachteile - Rückgewinnung von Bremsenergie - die höheren Kosten, insbesondere für die Hybridbatterie - leiser und abgasfreier rein elektrischer Betrieb in sensiblen Zonen wie Wohngebieten und Stadtzentren (bzw. Umweltplakette oder emissionsfreie Stadt) - der höhere Energieaufwand und die höhere Umweltbelastung bei der Herstellung 1. Synchron Motoren: höher 2. Asynchron Motoren: geringer - Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs (bis zu 30% gegenüber Getriebe mit Handschaltung) - Bauteilschonung: Benzinmotors und Bremsen - das höhere Gewicht - größerer Stauraum

3 3. Klassifizierung von Hybridvarianten Funktionalität - Einheit Mikro Mild Voll Plug-In Start-Stopp, Rekuperation Start-Stopp, Rekuperation, Boosten Start-Stopp, Rekuperation, Boosten, rein elektrisches Fahren Start-Stopp, Rekuperation, Boosten, rein elektrisches Fahren,externe Batterieaufladung Leistung E-Motor kw < 6 < < 80 Bordspannung V > 150 > 200 Verbrauchseinspa rung % > 20 Abhängig vom Anteil der externen Aufladung 3. Klassifizierung von Hybridvarianten Alternative Klassifizierung von Hybridantrieben erfolgt ein Hybridisierungsgrad Hr Dabei gilt die folgende Einteilung: -Mild Hybrid: Hr < 0,23 - Semi-Hybrid: 0,23 Hr 0,38 -Full-Hybrid: 0,38 < Hr

4 4. Anordnungsvarianten Parallel-Hybrid Kraftstofftank Antriebs- achse Verbrennungsmotor Differentialgetriebe Getriebe Schaltgetriebe Batterie E-Motor Kupplung Schematische Darstellung Struktur Darstellung 4. Anordnungsvarianten Parallel-Hybrid weitere Beispiele

5 4. Anordnungsvarianten Parallel-Hybrid Vorteile - Auslegung beider Antriebsmaschinen an Einsatzmaschinen an Einsatzerfordernisse anpassbar - Ausgangsleistung von Verbrennungsmotor und elektrischem Antrieb werden überlagert Nachteile - Konstruktive Einschränkungen wegen der mechanischen Verbindung beider Antriebsmaschinen 4. Anordnungsvarianten Seriell-Hybrid Schematische Darstellung Batterie Kraftstofftank Antriebsachse Verbrennungsmotor Generator E-Motor Getriebe Differentialgetriebe Struktur Darstellung E G

6 4. Anordnungsvarianten Serieller-Hybrid weiteres Beispiel 4. Anordnungsvarianten Seriell-Hybrid Vorteile - Verbrennungsmotor vom Antrieb mechanisch entkoppelt - Leistung des Verbrennungsmotors unabhängig von der momentanen Antriebsleistung - Betriebspunkt des Verbrennungsmotors wählbar nach den Kriterien: Emission, Kraftstoffverbrauch und Geräusch Nachteile - Antriebsleistung vollständig vom Traktionsmotor aufzubringen - Mehrfache Energieumwandlung verschlechtert den Wirkungsgrad

7 4. Anordnungsvarianten Misch-Hybrid Kraftstofftank Verbrennungsmotor Differentialgetriebe Generator Getriebe Antriebsachse Planetengetriebe 2 1 Batterie E-Motor Schematische Darstellung Struktur Darstellung Vor- und Nachteile vom Seriell-Hybrid: Die Kombination von Seriell-und Parallelhybrid soll die Defizite beider gegeneinander ausgleichen. 4. Anordnungsvarianten Misch-Hybrid Beispiel Toyota Prius Differentialgetriebe Planeten- getriebe 2 1

8 5. Wirkungsgrad für unterschiedliche Antriebskonzepte PM: Permanenterregter Synchronmaschine ASM: Asynchronmaschine GRM: geschaltete Reluktanzmaschine besser bei Stadtzyklen besser bei hohen Geschwindigkeiten 6. Beispiel CULT

9 6. Beispiel CULT Fahrzeugkonzeptstudie CULT Gesamtgewicht: 600 kg Verbrauch von umgerechnet 49 gco 2 /km Herzstück: 3- Zylinder Turbomotor mit CNG Direkteinblasung Anbindung RSG nach der Kupplung Aufwertung der Rekuperationsbilanz + rein elektrischer Fahrmodus bis 35 km/h im 12 V- Betrieb möglich Wesentlicher Bestandteil des Hybridansatzes: Anbindung des RSGs an die Getriebeeingangswelle Möglichkeit des Abkoppelns der VKM im Schubbetrieb und damit Wegfall des SchleppmomentsRückwandelung der Verzögerungsenergie zu einem größeren Anteil in elektrische Energie 6. Beispiel CULT RSG Konfiguration im CULT Antrieb

10 6. Beispiel CULT Vergleich von Verzögerungsraten unter Berücksichtigung der Rekuperationsleitungdes RSG und der Bremswirkung des VKM- Schleppmoments VKM: Verbrennungskraftmaschine(Verbrennungsmotor) RSG: Riemen-Starter-Generator NEFZ: Neuer Europäischer Fahrzyklus 6. Beispiel CULT Maximales Antriebsmoment RSG im Vergleich zum Motorschleppmoment

11 6. Beispiel CULT Vorteil Variante RSG-Getriebe: Großteil der auftretenden Bremsphasen durch Rekuperationsmoment bei offener Kupplung gedeckt Nach NEFZ fallen in der Verzögerungsphase 78 Wh Bremsenergie an: Nutzung 71 % durch Konfiguration RSG-Getriebe Nutzung 41 % durch Variante RSG-VKM Quellen Dissertation von Markus Stiegler aus Kempten an der Uni Ulm lenz14_02_23_tu Wien_Steffan_dt_435_451.pdf VDE Studie zu Elektrofahrzeuge-1

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