Hybrid-, Batterie- und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge

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1 Hybrid-, Batterie- und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge Technik, Strukturen und Entwicklungen Prof. Dr. Dietrich Naunin Prof. Dr. Christian Bader PD Dr. Jan-Welm Biermann Dipl.-Ing. Thomas Brachmann Prof. Detlef Heinemann Dr. Eckard Karden Dr. Uwe Köhler Dr. Daniel Kok Dipl.-Ing. Roland Matthe Dipl.-Ing. Konstantin Neiß Prof. Karl-Ernst Noreikat Dipl.-Ing. Serve Ploumen Dipl.-Ing. Walter Rau Dr. Erhard Schubert Dr. Engbert Spijker Dipl.-Ing. Peter Tzscheutschler Dipl.-Ing. Christian Vana Prof. Dr. Ulrich Wagner Dipl.-Ing. Hans-Peter Wandt 4. Auflage Mit 166 Bildern und 8 Tabellen Kontakt & Studium Band 255 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. Wilfried J.Bartz Dipl.-Ing. Elmar Wippler expertuylverlag

2 Inhaltsverzeichnis 1. Elektrofahrzeuge seit 100 Jahren 1 2. Elektrofahrzeuge im Einsatz der letzten 15 Jahre Der California Clean Air Act Änderungen in der ZEV-Definition des California Clean Air Act Die Entwicklungen in anderen Ländern Abgeschlossene Praxisteste in Deutschland Marktuntersuchungen Elektrische Dreirad-und Zweiradfahrzeuge Emissionen im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen Elektrische Antriebssysteme Einführung: Von der Primärenergie zur Fahrenergie Allgemeine Anforderungen an Elektromotoren in Elektrofahrzeugen Drehmoment-, Drehzahl- und Leistungsanforderungen an Elektromotoren in Elektrofahrzeugen Motortypen in einem Zentralmotor-System Grundsätzlicher Aufbau und Steuerung der eingesetzten Motoren Kostenvergleich Radnabenmotor Tandemmotor und Transaxle-Antrieb Hybrid-Systeme Zusammenfassung Batterien für Elektro- und Hybridfahrzeuge 34 U. Köhler 4.1 Elektro- und Hybridfahrzeuge Technische Anforderungen an Fahrzeugbatterien Elektrochemische Energiespeichersysteme Blei-Batterien (Pb/Pb02) Nickel-Cadmium-Batterien (Ni/Cd) Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) Natrium-Nickelchlorid (Na/NiCI2) Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) Wirtschaftliche Aspekte für Elektro- und Hybridfahrzeugbatterien 48

3 5. Batteriemanagement mit Batterien und SuperCaps 49 D. Heinemann 5.1 Anforderungen an Batteriemanagementsysteme Grundstruktur eines Batteriemanagementsystems Lade- und Entladesteuerung durch ein Batteriemanagementsystem Ladeverfahren Tiefentladeüberwachung Ladungsausgleich Temperaturüberwachung und Temperierung Temperaturverhalten Temperierung mit Luft und Wasser Ladezustandsbestimmung und Restreichweitenabschätzung Energiemanagement mit SuperCaps zur Batterielebensdaueroptimierung Einsatzgebiete von SuperCaps in Elektrostrafienfahrzeugen Schaltungskonzepte Betriebsstrategien für den Einsatz von SuperCaps Zusammenfassung Der Elektro-Hybrid - eine Übersicht zu einem erfolgversprechenden, aiternativen Fahrzeugantrieb 65 J.-W. Biermann 6.1 Ausgangssituation Antriebsstrukturen Betriebsstrategien Fahrzeugbeispiele Ausblick Hybride Fahrzeugantriebe - Marktfähig nur mit Mehrwert? 78 K.-E. Noreikat, K. Neiß 7.1 Allgemeine Treiber für alternative Fahrzeugantriebe Einfluss der Märkte Mehcwertstrategie Potenziale Diesel/Otto-Hybrid-Elektrofahrzeuge Prototypen der DaimlerChrysler AG Zusammenfassung Strategien zum Energiemanagement in Hybridfahrzeugen 89 D. Kok, S. Ploumen, E. Spijker, E. Karden 8.1 Einführung Zukünftige Antriebskonzepte mit elektrischer Unterstützung Energiemanagement Funktionen des Energiemanagement-Systems Energieversorgungs-Management (PSM) Energieverteilungs-Management (PDM) Rechnersimulationsmodelle 95

4 8.4 Energiespeichersysteme Blei-Batterie Nickel-Metallhydrid-Batterie Lithium-Ionen-Batterie Doppelschichtkondensatoren Batteriemanagement Batterieüberwachungsfunktionen bei konventionellen Antriebskonzepten Batterieüberwachungsfunktionen für zukünftige Antriebskonzepte Beispiel: Energiemanagement in einem Fahrzeug mit einem 14V-Stopp/Start-System ' Leistungsbereitschaftsmanagement (PSM) und Batterieüberwachung (BMS) Batterielebensdauer Beispiel: Energiemanagement in einem 42 V Mild Hybrid Fahrzeug PSM mit Model Predictive Control (MPC) Vergleich der PSM-Strategien Batterielebensdauer Zusammenfassung Das Marktangebot von Hybrid-Elektrofahrzeugen Toyota Prius 104 H. P. Wandt Innovative Fahrzeugangebote bei Toyota Das Fahrzeuggrundkonzept des Prius Die Hybrid-Komponenten Marktakzeptanz Honda Civic Hybrid 114 Th. Brachmann Alternative Fahrzeugantriebe bei Honda Fahrzeugkonzept des Honda Civic Hybrid Hybridkomponenten Marktakzeptanz Brennstoffzellensysteme für mobüe Anwendungen 118 E. Schubert 10.1 Einleitung Potenzial der Markteinführung von Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen Elemente in Brennstoffzellensystemen für mobile Anwendungen Gesamtsystembetrachtungen Notwendigkeiten und Potenzial der Verbesserung der Brennstoffzelle Wasserstoffspeicherung Ausblick 129

5 11. Die Brennstoffzellenfahrzeuge HydroGen3 und Hy-wire 131 R. Matthe 11.1 Einleitung Das Brennstoffzellen-Antriebssystem Das Brennstoffzellen-System Das elektrische Antriebssystem Das thermische System Die Wasserstoff-Speicher HydroGen Konzept Leistungsdaten Entwicklung, Erprobung und Validierung Demonstrationsprogramme Hy-wire Konzept der Studien AUTOnomy und Hy-wire By-Wire-Technologie Fahrzeug Ausblick Die Brennstoffzellenfahrzeuge NECAR, Sprinter und NEBUS 148 W. Rau 12.1 Brennstoffzellen-Technologie in mobilen Anwendungen Anforderungen an die Brennstoffzellen-Technologie aus der Sicht der Automobilhersteller Historische Entwicklung Demonstrationsflotten Brennstoffzellen-Pkw F-Cell Sprinter Brennstoffzellen CITARO Partnerschaften zur Erprobung von Wasserstoff im Verkehrsbereich Clean Energy Partnership Berlin (CEP) California Fuel Cell Partnership (CaFCP) Ausblick Elektrische Nutzfahrzeuge im Spannungsfeld zwischen Wunschtraum und Wirklichkeit 158 Ch. Bader 13.1 Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb Fahrzeuge mit hybridem Antrieb Schlußbetrachtung 169

6 14. Der elektrische Antrieb im Omnibus: emissionsarmer Verkehr in städtischen Bereichen 170 Ch. Vana 14.1 Historische Entwicklung Batteriebusse Schwerpunkt Trolleybusse Erprobte Zentralmotoren und innovative Radnabenmotoren Hybrid-Technologien im Busbau Zukünftige Brennstoffzeilentechnik Fazit Ganzheitliche Bewertung alternativer Kraftstoffe und innovativer Fahrzeugantriebe 182 U. Wagner 15.1 Einleitung Definitionen und Methoden Bilanzraum und Versorgungspfade Der Kumulierte Energieaufwand Emissionsbilanzierung Bereitstellung der Kraftstoffe Nutzung in verschiedenen Antriebssystemen Ergebnisse der Prozesskettenanalysen Ausblick 194 Autorenverzeichnis