Alternative Antriebe - E-Mobilität
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- Kathrin Schmid
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1 Henning Wagner Reinhard Maier Jürgen Schubert Alternative Antriebe - E-Mobilität Wie wird man Fachkundiger für Arbeiten an Hochvolt-Systemen im Kraftfahrzeug? Hybridfahrzeuge Elektrofahrzeuge Brennstoffzellenfahrzeuge I.Auflage 2012 Dr.-Ing. Paul Christiani GmbH & Co. KG
2 Inhalt 1 Warum muss man eine Hochvolt-Qualifikation besitzen, um an modernen Kraftfahrzeugen mit E-Antrieben arbeiten zu dürfen? 11 2 Welches elektrotechnische Grundlagen-Verständnis muss man auffrischen, um fit" für die Hochvolt-Technik in modernen E-Kfz" zu sein? Einleitung Warum elektrisch angetriebene Kfz jetzt? Wie sieht die Prognose für die Zukunft aus? Welche Technik Hybrid-", reine Plug-in E-Antriebs-" oder Brennstoffzellen-Technik" wird sich durchsetzen? Größen im elektrischen Stromkreis messen und berechnen Die Elektrische Spannung U Labor-Versuch zum Spannungsfall im einfachen Stromkreis Der elektrische Strom / Der elektrische Stromkreis Der elektrische Widerstand R Labor-Versuch zum ohmschen Gesetz Labor-Versuch zur direkten Widerstandsmessung Rechenaufgaben zum Ohmschen Gesetz Die elektrische Leistung P Rechenaufgaben zu elektrischer Leistung Testaufgaben zu Schaltpläne Stromlaufplan in zusammenhängender und aufgelöster Darstellung am Beispiel Innenbeleuchtung Beispiel normgerechter Stromlaufplan Hybridfahrzeug Toyota Prius I a«W 2.4 Elektrische Schaltungen Parallelschaltung von elektrischen Verbrauchern Laborversuche zur Parallelschaltung Rechenaufgaben zur Parallelschaltung Parallelschaltung von Spannungsquellen Reihenschaltung von elektrischen Verbrauchern (am Beispiel der Instrumentenbeleuchtung aus 2.4.1) Laborversuche zur Reihenschaltung Rechenaufgaben zur Reihenschaltung Reihenschaltung von Spannungsquellen Warum brauchen wir so hohe Spannungen bei E-Mobilität? Testaufgaben zu 2.3 und Elektrische Spannung speichern Arten der Spannungserzeugung (Überblick) Spannungserzeugung durch elektrochemische Vorgänge Labor-Versuch zur Galvanischen Zelle Elektrochemische Spannungsreihe Labor-Versuch zu Klemmenspannung und Innenwiderstand Anwendungsbeispiele für galvanische Zellen Unterschied zwischen einer galvanischen Zelle und einem Akku Aufbau einer herkömmlichen Starterbatterie (Akkumulators) Lade- und Entladevorgänge in einem Blei-Akku Blei-Akkus... und Anwendung im Kfz Kennzeichnung herkömmlicher Fahrzeug-Blei-Akkus 48
3 Nickel-Cadmium-Batterie (NiCd) 49 NiMH-Akku... und Anwendung in elektrisch angetriebenen Kfz 49 Lithium-Technik 50 Ladevorschriften 53 Kühlung der Hochvolt-Batterien 55 Rechenaufgaben zu Fahrzeug-Batterien 59 Der Kondensator als Ladungs- und Energiespeicher 62 Rechenaufgaben zum Kondensator 64 Laborversuche zum Kondensator als Ladungsspeicher 66 Lade- und Entladekurve des Kondensators mit dem Oszilloskop darstellen 67 Anwendungsbeispiel Kondensator im Kfz: Soundanlage 68 Doppelschicht-Kondensatoren im Kfz 69 Wozu werden Kondensatoren in E-Antrieben von Kfz benötigt? 71 Kondensator zum Glätten von Mischspannungen (Labor-Versuch) 72 Der Kondensator im Zwischenkreis des Inverters 74 Testaufgaben zu 2.5 (Spannung speichern) 75 Elektrische Ströme elektro-magnetisch schalten 78 Magnetismus 78 Drehzahl- und Rotorlagensensorik 80 Rotoren mit Dauermagneten 82 Elektromagnetismus 82 Wirkung von Eisen im Magnetfeld 84 Elektromagnetisches Relais 87 Schütze in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen 88 Weitere Sicherheits-Relais / Schütze in E-Fahrzeugen 91 Testaufgaben zu 2.6 (Elektrische Ströme el.-magnetisch schalten) 93 Wechselspannung 95 Messen mit dem Oszilloskop (Analog) 95 Messen mit dem Oszilloskop (Digital) 96 Wechselspannung mit dem Oszilloskop messen 97 Messen mit dem Oszilloskop (Motortester) Elektronische Bauteile 99 Die Diode 99 Einfache Gleichrichtung (Labor-Versuch) 100 Brücken-Gleichrichtung (Labor-Versuch) 101 Dioden-Fehler und Oberwelligkeit (Labor-Versuch) 102 Beispiele für Anwendungen von Dioden im Kfz 104 Die Zener-Diode 105 Spannungsstabilisierung mit Hilfe der Z-Diode (Labor-Versuch) 106 Kennlinie einer Z-Diode aufnehmen und zeichnen (Labor-Versuch) 107 Kennlinie einer Z-Diode oszilloskopieren (exemplarisch) (Labor-Versuch) 108 Prüfung einer Z-Diode mit dem Komponenten-Tester (exemplarisch) (Labor-Versuch). 109 Anwendungen von Z-Dioden im Kfz 110 Vorwiderstand einer Z-Diode berechnen 111 Der bipolare Transistor 111 Prinzipschaltungen und Berechnungen am Transistor 112 Rechenaufgaben zum (bipolaren) Transistor 113 Der NPN-Transistor als Schalter (Laborversuch) 114 Der PNP-Transistor als Schalter (Laborversuch) 115 Anwendungsbeispiel Transistor als Schalter (Endstufe): Beleuchtung Nfz 115 Der (unipolare) Feldeffekt-Transistor am Beispiel N-Kanal-MOS-FET 116 N-Kanal-MOS-FET als Schalter (Laborversuch) 117 Anwendungsbeispiel MOS-FET (Endstufe) im Kfz 118 Der Thyristor 119 Thyristor-Anwendung in Motorrad-Drehstrom-Gleichrichter und - Regler" 120 Der IGBT-Transistor (Labor-Versuch) 121 Anwendung IGBT-Transistor als Wechselrichter in HV-Klimakompressoren 122 Testaufgaben zu 2.7 und
4 3 Welche elektrischen Maschinen und Geräte werden in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen verwendet? Generator Spannungserzeugung durch Induktion der Bewegung (Generator-Prinzip) Laborversuch zu Spannungserzeugung durch Induktion der Bewegung Was ist Drehstrom? Drehstromgenerator (Stern- und Dreieckschaltung) Bauteile des Drehstrom-Generators Gleichrichtung der 3-Phasen-Wechselspannung Drehstrom-Generator mit Erreger-Dioden und Regler Transistor-Regler Transistor-Regler (Labor-Versuch) Leistungsstarke wassergekühlte Drehstrom-Generatoren exemplarische Kennlinie eines luftgekühlten Generators Arbeit, Leistung, Wirkungsgrad und Riementrieb beim Generator berechnen Hochvolt-Generator im Fahrzeug Gleichrichten als 1. Aufgabe des Inverters in elektrisch angetriebenen Kfz DC/AC- und DC/DC-Wandler Spannungserzeugung durch Induktion der Ruhe (Trafo-Prinzip) Trafo-Prinzip (Labor-Versuch) Rechenaufgaben zum Trafo-Prinzip Anwendungsbeispiele zum Trafo-Prinzip Blockschaltbild eines Inverters im Kfz (einschließlich DC/DC-Wandler) Aufbau und Funktion eines einfachen DC/DC-Wandlers (Laborversuch) Aufbau u. Funktion einer Ladepumpe" bzw. eines Aufwärtswandlers im Kfz Funktion eines DC/AC-Wandlers mit IGBT-Transistoren (Laborversuch) Versuchsaufbau und Ergebnis eines DC/AC-Wandlers bzw. eines Inverters Wie erzeugt der Inverter einen sinusförmigen Drehstrom für ein steuerbares Drehfeld? - 3. Aufgabe des Inverters in einem elektrisch angetriebenen Kfz Testaufgaben zu 3.1 und Drehstrommotor Das Drehfeld aus dem Öffentlichen Netz Entstehung der Drehbewegung in einem Drehstrommotor Prinzip des Synchron-Drehstrommotors Einsatz-Beispiele für Synchronmotoren in HV-Fahrzeugen Asynchron-Drehstrommotor Vergleich von Synchron- und Asynchron-Maschine als scheibenförmiger Motor- Generator für Mild-Hybrid-Anwendungen Kennlinien und Laufverhalten von Drehzahl- und Last gesteuerten Drehstrommotoren im Kfz Rechenaufgaben zu Drehstrommotoren Asynchron-Motor im E-Fahrzeug Wie kann man mit Gleichstrom ein Drehfeld für einen Drehstrommotor erzeugen? Lehrmittel zum Thema Drehstrommotor im Kfz Kfz-HV-Bordnetze Gleichstrommotor Arbeitsprinzip des Gleichstrommotors Aufbau und Funktion des Gleichstrommotors Elektro-Motorische Gegenkraft (EMG) Bauarten von Gleichstrommotoren Starterdiagramm Drehzahlregelung Gleichstromsteller Laborversuch zum Gleichstromsteller Gleichstromsteller im Elektro-Fahrzeug Laborversuch zur Freilauf-Diode Anwendungen des Gleichstrommotors im Kfz 189
5 8 Inhalt Starter als spezielle Anwendung im Kfz Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) Der BLDC-Motor als Antriebsmotor in E-Fahrzeugen Leitungen, Kabel, Verbindungssysteme, Ladeeinrichtungen Leitungen, besondere Spezifikationen für HV-Kabel Schutz für HV-Leitungen Verlegung von HV-Leitungen Elektro-magnetische Verträglichkeit (EMV) für HV-Kabel Verbindungssysteme für HV-Kabel Ladegeräte für E- und Plug-In-Hybrid-Fahrzeuge Schaltungs-Beispiel für ein Ladegerät in einem Smart ED Ladesäulen Ladeleitungen und Steckverbinder für Ladeeinrichtungen von E-Fahrzeugen Lade- und Batterie-Tausch-Konzepte Antriebskonzepte Übersicht verschiedener Generator- und Starter-Systeme Übersicht Antriebskonzepte Entwicklung des Kurbelwellenstartgenerators als Vorstufe zum Mild-Hybrid Definition Hybrid-Fahrzeug Micro-Hybrid Mild-Hybrid Füll- oder Strong-Hybrid Einteilung der Fahrzeuge nach Anordnung der Antriebe Werkstatt-Arbeiten und Diagnose Diagnose mit dem Werkstatt-Tester Isolations-Widerstand prüfen HV-Spannung prüfen HV-Spannung herstellerspezifisch prüfen Herstellerspezifische Testgeräte Mechanische Austausch-Arbeiten von Hochvolt-Bauteilen Welche Gefahren treten für den Mechatroniker in der Werkstatt beim Umgang mit elektrisch betriebenen Kfz auf und wie wird diesen begegnet? Gefährdung durch Einwirkung elektrischer Ströme Physiologische Wirkung des elektrischen Stromes Auswirkungen auf den menschlichen Organismus Gefährdung durch Lichtbogeneinwirkung Augenschäden durch Lichtintensität und Strahlung Schäden durch Hitzeentwicklung Gefährdung durch Sekundärunfälle Schutzmaßnahmen gegen elektrische Körperdurchströmung und Lichtbogeneinwirkung im öffentlichen Netz und im Kfz Definition/Einteilung von Gefährdungsklassen Gefährdungsgrenzen Aufbau elektrischer Netze Schutzvorkehrungen in elektrischen Installationen und Geräten Schutzmaßnahmen in Kraftfahrzeugen Festlegung HV-eigensicheres Fahrzeug" Sicherheitsmaßnahmen bei Arbeiten an Hochvolt-Fahrzeugen Verhalten bei Unfällen, Erste Hilfe Rechtliche Grundlagen bei Hilfeleistungen Ablaufschema lebensrettender Sofortmaßnahmen 252
6 Eigensicherung als Helfer, Bergung aus Gefahrenbereichen Schema von Notfallmeldungen Einsatz eines AED (automatisierter externer Defibrillator) Welche rechtlichen Vorschriften müssen beim Umgang in der Werkstatt mit elektrisch angetriebenen Fahrzeugen beachtet werden? Welche Anforderungen werden an das Werkstatt-Personal gestellt? (Un-)überschaubarer Wald" von Gesetzen, Verordnungen und Vorschriften Elektrofachkraft Elektrofachkraft für festgelegte Tätigkeiten Elektrisch unterwiesene Person Elektrotechnischer Laie Verantwortliche Elektrofachkraft Verantwortung der Elektrofachkraft Unternehmerverantwortung Fachkundiger für Arbeiten an HV-eigensicheren Fahrzeugen Bedeutung dieser Vorschriften für Schulen, Bildungszentren und deren (Schul-) Leitungen bei Erwerb und bei der Nutzung von HV-Fahrzeugen Auswirkungen der Gesetze und Vorschriften Folgen von Pflichtverletzungen Gefährdungsbeurteilung (Risikobewertung) Betriebsanweisung - Gebrauchsanweisung - Hersteller-Produktschulung Unterweisung des Werkstatt-Personals / der Auszubildenden Elektrisches Freischalten der betroffenen Fahrzeuge (Grundsatz) Spannungsfreiheit feststellen und dokumentieren Beispiele für Zertifikate Fachkundiger (ehemals Elektrofachkraft) für HV-Systeme in Kfz" Zertifikat für die Sensibilisierung für die Durchführung nicht-elektrotechnischer Arbeiten an HV-Fahrzeugen Höhere Anforderungen für Entwickler, Nach- und Umrüster von Fahrzeugen und bei Arbeiten unter Spannung Besondere Rechtsvorschrift für die Prüfung Zusatzqualifikation Fachkraft..." der IHK Beschreibung der Technik und des Freischaltens an exemplarischen Beispielen konkreter Serien-Fahrzeuge Beispiel Mild-Hybrid": Mercedes S400 Hybrid Aufbau des Systems mit Einbindung ins Kfz Bauteile Betroffene Nebenaggregate Rekuperatives Bremsen Schaltung rekuperatives Bremssystem RBS Kühlung der HV-Aggregate Funktion, Anzeige des Energie-Flusses Sicherheits-Philosophie des Herstellers Freischalten und Spannungsfreiheit feststellen und dokumentieren Beispiel Voll-Hybrid": Toyota Prius mit Integration der Motor-Generatoren in das Getriebe für Frontantrieb Überblick Hybrid-Fahrzeug Aufbau des Systems mit Einbindung ins Kfz Bauteile und Besonderheiten beim Toyota Prius 289
7 10 Inhalt Aufgaben der Hauptkomponenten Wozu wird ein Inverter benötigt? Auslegung des Verbrennungsmotors Hybrid-Antriebseinheit Antrieb und Fahrsituationen Nomografisches Diagramm Bedienung und Anzeigen V Spannungsversorgung und Aufbau des Hochvolt-Bordnetzes Sicherheits-Philosophie des Herstellers Beispiel Elektrofahrzeug ": Smart ED (electric drive) Kleiner Überblick über Elektrofahrzeuge Welche Regeln gelten beim Umgang mit rein elektrischen Kfz im Vergleich zu Hybrid-Fahrzeugen? Bauteile und Besonderheiten beim smart fortwo ed Erläuterungen zu den Hauptkomponenten Freischalten und Spannungsfreiheit feststellen und dokumentieren Beispiel Brennstoffzellen-Fahrzeug": Mercedes B-Klasse F-Cell Geschichtliche Entwicklung Brennstoffzellensysteme Funktionsprinzip der PEM-Brennstoffzelle Aufbau eines Brennstoffzellenstacks Schematischer Aufbau eines BZ-Fahrzeuges Vorgänge im Fahrbetrieb Wasserstoff-Speichersysteme Wirkungsgrade Beispiele für weitere Hybrid- und E-Fahrzeuge Mercedes Atego Hybrid als Beispiel für den Einsatz von E-Antrieben im Nutzfahrzeug-Bereich Elektro-Fahrräder Elektro-Roller, Elektro-Bikes, Elektro-Dreirad 326 Lösungen 329 Anhang Fachbegriffe nach Langenscheidt Bildquellenverzeichnis Stichwortverzeichnis 371
Inhalt 1 Warum muss man eine Hochvolt-Qualifikation besitzen, um an modernen Kraftfahrzeugen mit E-Antrieben arbeiten zu dürfen? 11 2 Welches elektrotechnische Grundlagen-Verständnis muss man auffrischen,
Mehr2.6 Elektrische Ströme elektro-magnetisch schalten 2.7 Wechselspannung 2.8 Elektronische Bauteile
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