Inhaltsverzeichnis XIX. Vorwort zur englischen Ausgabe. Die Autoren

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1 V Inhaltsverzeichnis Vorwort zur englischen Ausgabe XV Die Autoren XIX 1 Einleitung Nachhaltigkeit im Transportwesen Bevölkerung, Energie und Transportwesen Umwelt Wirtschaftswachstum Neue Kraftstoffeffizienzvorgaben Kurze Beschreibung der Entwicklung von HEVs Gründe für Aufkommen und Misserfolg von EVs in den 1990er-Jahren und was daraus gelernt werden kann Konfigurationen von HEVs Serien-HEVs Parallel-HEVs Serien-parallel-HEVs Komplexe HEVs Diesel-Hybridfahrzeuge Andere Konzepte der Hybridisierung von Fahrzeugen Hybridisierungsgrad Das fachbereichsübergreifende Wesen von HEVs Stand der Technik bei HEVs Der Toyota Prius Der Honda Civic Der Ford Escape Das Two-Mode-Hybridsystem Herausforderungen und Schlüsseltechnologie bei HEVs Die unsichtbare Hand und Unterstützung durch die Regierung 28 Literatur 31

2 VI Inhaltsverzeichnis 2 Konzept der Automobil-Hybridisierung Fahrzeuggrundlagen Wesentliche Komponenten eines konventionellen Fahrzeugs Fahrzeug und Fahrwiderstand Fahrzyklen und -gelände Grundlagen der EVs Warum EV? Wesentliche Komponenten eines EV Fahrzeug und Antriebslasten Grundlagen des HEV Wozu HEV? Wesentliche Komponenten eines HEV Grundlagen des Plug-in-Hybrid-elektrischen Fahrzeugs (PHEV) Wozu PHEV? Wesentliche Komponenten eines PHEV Vergleich zwischen HEV und PHEV Grundlagen von Brennstoffzellenfahrzeugen (FCVs) Wozu FCV? Wesentliche Komponenten eines FCV Einige Probleme im Zusammenhang mit Brennstoffzellen 47 Literatur 48 3 HEV-Grundlagen Einleitung Fahrzeugmodell Fahrzeug-Performance Dimensionierung/Auslegung der Komponenten des Antriebsstrangs von EVs Serielle Hybridfahrzeuge Parallele Hybridfahrzeuge Das elektrisch unterstützende Hybridkonzept Eigenschaften des Verbrennungsmotors Anforderung hinsichtlich Steigfähigkeit Wahl der Übersetzung von Verbrennungsmotor zum Rad Dynamik des Reifenschlupfs 77 Literatur 80 4 Moderne HEV-Konfigurationen und Dynamik des HEV-Antriebsstrangs Prinzip von Planetengetrieben Hybridantrieb des Toyota Prius und des Ford Escape Two-Mode-Hybridantrieb von GM Betriebsweise des Two-Mode-Triebstrangs Betriebsart 0: Anfahren vorwärts wie rückwärts Modus 1: Geringe Geschwindigkeiten 91

3 Inhaltsverzeichnis VII Modus 2: Oberer Drehzahl-/Geschwindigkeitsbereich Modus 3: Regeneratives Bremsen Übergang von Modus 0 zu Modus Doppelkupplung-Hybridgetriebe Konventionelle DCT-Technologie Schaltpunktsteuerung DCT-basierte Hybridtriebstränge Betrieb eines DCT-basierten Hybridtriebstrangs Die von Zhang et al. vorgeschlagene Hybrid-Kraftübertragung Rein elektromotorischer Antrieb Betriebsart kombinierte Leistung Rein verbrennungsmotorischer Betrieb Elektrischer Antrieb mit stufenlosem Getriebe Betriebsmodus zur Energierückgewinnung Stillstandsbetriebsmodus Der Renault IVT-Hybridantrieb Two-Mode-Hybrid-Kraftübertragung von Timken Modus 0: Anfahren und Rückwärtsfahrt Modus 1: Betrieb mit geringer Geschwindigkeit Modus 2: Betrieb mit hoher Geschwindigkeit Modus 4: Serieller Betriebsmodus Betriebsmodusübergänge Die Hybrid-Kraftübertragung von Tsai Hybrid-Kraftübertragung mit Drehzahlund Drehmoment-Kopplungsmechanismus Der Toyota Highlander und Toyota Lexus Hybrid, elektrischer Vierradantrieb Der Toyota-Camry-Hybridantrieb Der Chevy-Volt-Antriebsstrang Dynamik von Kraftübertragungen auf der Basis von Planetenradgetrieben Nicht idealisierte Zahnräder im Planetenradsystem Dynamik der Kraftübertragung Fazit 123 Literatur Plug-in-Hybrid-elektrische Fahrzeuge Vorstellung von PHEVs PHEVs und EREVs Blended-PHEVs Wozu PHEV? Elektrische Energie für die Nutzung in PHEVs PHEV-Konfigurationen Äquivalente elektrische Reichweite von Blended-PHEVs Kraftstoffeffizienz von PHEVs 132

4 VIII Inhaltsverzeichnis Well-to-Wheel-Effizienz Kraftstoffeffizienz von PHEVs Nutzungsfaktor Leistungsmanagement von PHEVs PHEV-Auslegung und Dimensionierung der Komponenten Dimensionierung von Komponenten von EREVs Dimensionierung/Auslegung von Komponenten von Blended-PHEVs HEV-Umbauten zu PHEVs Ersetzen des bestehenden Batteriepakets Hinzufügen eines Zusatzbatteriepakets Umrüstung von konventionellen Fahrzeugen zu PHEVs Sonstige Themenbereiche zu PHEVs Nutzung von ausgemusterten Batterien zur Unterstützung des elektrischen Stromnetzes Emissionsreduktion beim Kaltstart bei PHEVs Leistungsfähigkeit von BatteriepaketeninPHEVsbeikaltem und warmem Wetter Wartung von PHEVs Sicherheit von PHEVs Vehicle-to-Grid-Technologie Laden der Batterie beim PHEV Auswirkungen der G2V-Technologie Das V2G-Konzept Vorteile des V2G-Konzeptes Fallstudien für V2G Fazit 160 Literatur Spezielle Hybridfahrzeuge Hydraulische Hybridfahrzeuge Regeneratives Bremsen bei HHVs Gelände-HEVs Diesel-HEVs Elektrische oder Hybrid-Schiffe, -Luftfahrzeuge und -Lokomotiven Schiffe Luftfahrzeuge Lokomotiven Sonstige Industrie-Nutzfahrzeuge 187 Literaturhinweise 187 Literatur 188

5 Inhaltsverzeichnis IX 7 HEV-Anwendungen für Militärfahrzeuge Warum HEVs für militärische Anwendungen vorteilhaft sein können Landfahrzeuganwendungen Architekturen serielle, parallele, komplexe Strukturen Fahrzeuge mit maximalem Nutzen Militärische Anwendungen für Nicht-Landfahrzeuge Elektromagnetische Raketenwerfer Schiffe mit Hybridbetrieb? Luftfahrzeuganwendungen Dismounted-Soldier-Anwendungen Robustheit von Geräten 201 Literaturhinweise 203 Literatur Diagnose, Prognostik, Betriebssicherheit, EMV und andere Themenbereiche rund um HEVs Diagnose und Prognostik bei HEVs und EVs Onboard-Diagnose Prognostik Betriebssicherheit von HEVs Analyse der Zuverlässigkeit von HEV-Architekturen Zuverlässigkeit und Teilausfall Software-Zuverlässigkeitsprobleme EMV-Probleme NVH-Effekte, elektromechanische und sonstige Probleme Probleme im Zusammenhang mit dem Lebensdauerende 226 Literaturhinweise 227 Literatur Leistungselektronik in HEVs Einleitung Grundprinzip der Leistungselektronik Gleichrichter in HEVs Ideale Gleichrichter Reale Gleichrichter Einphasen-Gleichrichter Restwelligkeit der Spannung In HEVs verwendete Abwärtswandler Funktionsweise Nichtlineares Modell Nicht isolierte bidirektionale DC/DC-Wandler Funktionsweise Beibehalten des Konstant-Aufrechterhalten des Konstantmomentbereichs und des Leistungsvermögens 245

6 X Inhaltsverzeichnis Reduzierung der Stromwelligkeit in der Batterie Regeneratives Bremsen Wechselrichter Stromrichter Bidirektionale DC/DC-Wandler mit galvanischer Trennung Grundprinzip und stationäre Betriebszustände Spannungsrestwelligkeit PWM-Gleichrichter in HEVs Gleichrichterbetrieb des Inverters Batterieladegeräte für EVs und PHEVs Durchfluss-/Sperrwandler Halbbrücken-DC/DC-Wandler Vollbrücken-DC/DC-Wandler Leistungsfaktorkorrekturstufe Bidirektionale Batterieladegeräte Sonstige Ladegerättopologien Induktives Laden Drahtloses Laden Modellierung und Simulation von HEV-Leistungselektronik Simulation auf Geräteebene Systemebenenmodell Neu entwickelte Leistungselektronikgeräte Schaltkreisgehäuse Wärmemanagement in der HEV-Leistungselektronik Fazit 280 Literatur Elektrische Maschinen und Antriebe in HEVs Einleitung Asynchronmotorantriebe Funktionsprinzip von Asynchronmotoren Ersatzschaltbild des Asynchronmotors Drehzahlsteuerung einer Asynchronmaschine Asynchronmotoren durch variable Frequenzsteuerung und variable Spannungssteuerung Wirkungsgrad und Verluste von Asynchronmaschinen Zusatzverlust in Asynchronmotoren aufgrund der PWM-Versorgungsspannung Feldorientierte Regelung von Asynchronmaschinen Permanentmagnetmotorantriebe Grundsätzlicher Aufbau von PM-Motoren Funktionsprinzip und Betriebsweise von PM-Motoren Analyse des Magnetkreises von IPM-Motoren Dimensionierung/Auslegung der Magneten in PM-Motoren Wirbelstromverluste in den Magneten von PM-Maschinen 334

7 Inhaltsverzeichnis XI 10.4 Geschaltete Reluktanzmotoren DSPM-Maschinen Auslegung und Dimensionierung von Traktionsmotoren Auswahl von A und B Drehzahlbemessung des Traktionsmotors Bestimmung der inneren Leistung Thermische Analyse und Modellierung von Traktionsmotoren Der Wärmewiderstand des Luftspalts R ls Radiale Leitung des Wärmewiderstands des Rotorkerns R rs Die radiale Leitung des Wärmewiderstands der Pole R mr Der Wärmewiderstand der Welle R Welle Die radiale Leitung des Wärmewiderstands der Statorzähne R st Die radiale Leitung des Wärmewiderstands des Statorjochs R sj Die Leitung des Wärmewiderstands zwischen Wicklungen und Stator R ws Konvektionswärmewiderstand zwischen den außenliegenden Wicklungen des Stators und der angrenzenden Luft R wl Fazit 351 Literatur Batterien, Superkondensatoren, Brennstoffzellen und Steuerungen Einleitung Kennzeichnung von Batterien Kapazität (C) Gespeicherte Energie (E) Ladezustandswert Entladungstiefe (DOD) Spezifische Energie Energiedichte Spezifische Leistung und Leistungsdichte Amperestundenwirkungsgrad oder Ladewirkungsgrad Energieeffizienz Anzahl der tiefen Zyklen und Batterielebensdauer Vergleich von unterschiedlichen Energiespeichertechnologien für HEVs Bleisäurebatterie Nickel-Metallhydrid-Batterie Lithium-Ionen-Batterie Superkondensatoren Modellierung anhand elektrischer Ersatzschaltbilder Batteriemodellierung Beispiel eines Batteriemodells Modellierung von Superkondensatoren 376

8 XII Inhaltsverzeichnis Beispiel einer Batteriemodellierung für eine Hybrid-Batterie und einen Superkondensator Batterieladesteuerung Lademanagement von Energiespeichervorrichtungen Schwungrad-Energiespeichersystem Hydraulische Energiespeichersysteme Brennstoffzellen und hybrides Brennstoffzellen-Energiespeichersystem Vorstellung der Brennstoffzellen Modellierung von Brennstoffzellen Hybrid-Brennstoffzellen-Energiespeichersysteme Regelstrategie eines Hybrid-Brennstoffzellen-Energiesystems Fazit und Diskussion 411 Literatur Modellierung und Simulation von Elektro- und Hybridfahrzeugen Einleitung Grundprinzipien der Modellierung von Fahrzeugsystemen HEV-Modellierung mit ADVISOR HEV-Modellierung mit PSAT Physikalische Modellierung RCF-Modellierungsverfahren Hybridtriebstrangmodellierung Modellierung einer Gleichstrommaschine Modellierung eines DC/DC-Aufwärtswandlers Modellierung der Fahrzeugdynamik Radschlupfmodell Bondgraphen und andere Modellierungsverfahren Bondgraphenmodellierung für HEVs HEV-Modellierung mit PSIM HEV-Modellierung mit Simplorer und V-Elph Betrachtung der numerischen Integrationsverfahren Fazit 437 Literatur Dimensionierung/Auslegung und Design-Optimierung von HEV-Komponenten Einleitung Globale Optimierungsalgorithmen für die HEV-Auslegung DIRECT Simulated Annealing (SA) Genetische Algorithmen Partikelschwarmoptimierung Vor- und Nachteile der verschiedenen Optimierungsalgorithmen Model-in-the-Loop-Designoptimierungsprozess 457

9 Inhaltsverzeichnis XIII 13.4 Beispiel für die Designoptimierung eines Parallel-HEV Beispiel einer Designoptimierung eines seriellen HEV Steuerungs-Framework eines seriellen HEV-Antriebsstrangs Parameteroptimierung eines seriellen HEV Optimierungsergebnisse Fazit 471 Literatur Leistungsregelstrategie und Energiemanagement für Fahrzeuge Generisches Framework, Definition und Bedarfe Methodologie der Implementierung Methodik der Optimierung Optimierung der Kostenfunktion Vorteile des Energiemanagements 494 Literaturhinweise 495 Literatur Kommerzialisierung und Standardisierung von HEV-Technologie und Zukunft des Transportwesens Was bedeutet Kommerzialisierung und welche Bedeutung kommt ihr bei HEVs zu? Vorteile, Nachteile und Auslöser der Kommerzialisierung Standardisierung und Kommerzialisierung Probleme der Kommerzialisierung und Auswirkungen auf zahlreiche Typen von Fahrzeugen Kommerzialisierung und Zukunft der HEVs und des Transportwesens 500 Literaturhinweise 502 Stichwortverzeichnis 503

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