Transkript

1 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 Kraftfahrzeuge jetzt? Wie sieht die Prognose für die Zukunft aus? Wird sich die Hybrid-", die reine Plug-in E-Antriebs-" oder die Brennstoffzellen-Technik" durchsetzen? Größen im elektrischen Stromkreis messen und berechnen Die Elektrische Spannung U Laborversuch zum Spannungsfall im einfachen Stromkreis Der elektrische Strom Der elektrische Stromkreis Der elektrische Widerstand R Laborversuch zum ohmschen Gesetz Laborversuch zur direkten Widerstandsmessung Rechenaufgaben zum Ohmschen Gesetz Die elektrische Leistung P Rechenaufgaben zur elektrischen Leistung Testaufgaben zu Schaltpläne Stromlaufplan in zusammenhängender und aufgelöster Darstellung am Beispiel der Innenbeleuchtung Beispiel normgerechter Stromlaufplan Hybridfahrzeug Toyota Prius I 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 Laborversuch zur Galvanischen Zelle Elektrochemische Spannungsreihe Laborversuch zu Klemmenspannung und Innenwiderstand Anwendungsbeispiele für galvanische Zellen Unterschied zwischen einer galvanischen Zelle und einem Akku Aufbau einer herkömmlichen Starterbatterie (Akkumulator) Lade- und Entladevorgänge in einem Blei-Akku Blei-Akkus... und die Anwendung im Kraftfahrzeug Kennzeichnung herkömmlicher Fahrzeug-Blei-Akkus 48

2 Nickel-Cadmium-Batterie (NiCd) NiMH-Akku... und die Anwendung in elektrisch angetriebenen Kfz Lithium-Technik Ladevorschriften Kühlung der Hochvolt-Batterien Rechenaufgaben zu Fahrzeug-Batterien Der Kondensator als Ladungs- und Energiespeicher Rechenaufgaben zum Kondensator Laborversuche zum Kondensator als Ladungsspeicher Lade- und Entladekurve des Kondensators mit dem Oszilloskop darstellen Anwendungsbeispiel Kondensator im Kfz: Sound-Anlage Doppelschicht-Kondensatoren im Kfz Wozu werden Kondensatoren in E-Antrieben von Kraftfahrzeugen benötigt? Kondensator zum Glätten von Mischspannungen (Laborversuch) Der Kondensator im Zwischenkreis des Inverters Testaufgaben zu 2.5 (Spannung speichern) Elektrische Ströme elektromagnetisch schalten Magnetismus Drehzahl-und Rotorlagensensorik Rotoren mit Dauermagneten Elektromagnetismus Wirkung von Eisen im Magnetfeld Elektromagnetisches Relais Schütze in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen Weitere Sicherheits-Relais/Schütze in E-Fahrzeugen Testaufgaben zu 2.6 (Elektrische Ströme elektromagnetisch schalten) Wechselspannung Messen mit dem Oszilloskop (analog) Messen mit dem Oszilloskop (digital) Wechselspannung mit dem Oszilloskop messen Messen mit dem Oszilloskop (Motortester) Elektronische Bauteile Die Diode Einfache Gleichrichtung (Laborversuch) Brücken-Gleichrichtung (Laborversuch) Dioden-Fehler und Oberwelligkeit (Laborversuch) Beispiele für Anwendungen von Dioden im Kraftfahrzeug Die Zener-Diode Spannungsstabilisierung mithilfe der Z-Diode (Laborversuch) Die Kennlinie einer Z-Diode aufnehmen und zeichnen (Laborversuch) Kennlinie einer Z-Diode oszilloskopieren (exemplarisch) (Laborversuch) Prüfung einer Z-Diode mit dem Komponenten-Tester (exemplarisch) (Laborversuch) Anwendungen von Z-Dioden im Kraftfahrzeug Berechnung des Vorwiderstands einer Z-Diode Der bipolare Transistor Prinzipschaltungen und Berechnungen am Transistor Rechenaufgaben zum (bipolaren) Transistor Der NPN-Transistor als Schalter (Laborversuch) Der PNP-Transistor als Schalter (Laborversuch) Anwendungsbeispiel Transistor als Schalter (Endstufe): Beleuchtung Nfz Der (unipolare) Feldeffekt-Transistor am Beispiel N-Kanal-MOS-FET N-Kanal-MOS-FET als Schalter (Laborversuch) Anwendungsbeispiel MOS-FET (Endstufe) im Kraftfahrzeug Der Thyristor Thyristor-Anwendung in Motorrad-Drehstrom-Gleichrichter und - Regler" Der IGBT-Transistor (Laborversuch) Anwendung des IGBT-Transistors als Wechselrichter in HV-Klima-Kompressoren Testaufgaben zu 2.7 und

3 3 Welche elektrischen Maschinen und Geräte werden in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen verwendet? Generator Spannungserzeugung durch Induktion der Bewegung (Generator-Prinzip) Laborversuch zur 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 (Laborversuch) Leistungsstarke wassergekühlte Drehstrom-Generatoren Exemplarische Kennlinie eines luftgekühlten Generators Berechnung von Arbeit, Leistung, Wirkungsgrad und Riementrieb beim Generator Hochvolt-Generator im Fahrzeug Gleichrichten als erste Aufgabe des Inverters in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen DC/AC- und DC/DC-Wandler Spannungserzeugung durch Induktion der Ruhe (Trafo-Prinzip) Trafo-Prinzip (Laborversuch) 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) - Zweite Aufgabe des Inverters: Anheben bzw. Absenken der HV-Spannung im Kfz Aufbau und Funktion einer Ladepumpe bzw. eines Aufwärtswandlers im Kraftfahrzeug 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? - Dritte Aufgabe des Inverters in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug Testaufgaben zu 3.1 und Drehstrommotor Das Drehfeld aus dem öffentlichen Netz Entstehung der Drehbewegung in einem Drehstrommotor Prinzip des Synchron-Drehstrommotors Einsatzbeispiele für Synchron-Motoren 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 lastgesteuerten Drehstrommotoren im Kraftfahrzeug Rechenaufgaben zu Drehstrommotoren Asynchron-Motor im E-Fahrzeug Wie kann man mit Gleichstrom ein Drehfeld für einen Drehstrommotor erzeugen? Lehrmittel zum Thema Drehstrommotor im Kraftfahrzeug Kraftfahrzeug-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 Elektrofahrzeug Laborversuch zur Freilauf-Diode 188

4 Anwendungen des Gleichstrommotors im Kraftfahrzeug Starter als spezielle Anwendung im Kraftfahrzeug 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 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) für HV-Kabel Verbindungssysteme für HV-Kabel Ladegeräte für E- und Plug-In-Hybridfahrzeuge Schaltungsbeispiel 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 Startersysteme Übersicht Antriebskonzepte Entwicklung des Kurbelwellen-Startgenerators als Vorstufe zum Mild-Hybrid Definition Hybridfahrzeug 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 Stroms 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 252

5 4.5.2 Ablaufschema lebensrettender Sofortmaßnahmen Eigensicherung als Helfer, Bergung aus Gefahrenbereichen Schema von Notfallmeldungen Einsatz eines AED (automatisierter externer Defibrillator) Welche rechtlichen Vorschriften müssen in der Werkstatt beim Umgang 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 Elektrotechnisch 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 beim 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 anhand exemplarischer Beispiele konkreter Serienfahrzeuge Beispiel Mild-Hybrid": Mercedes S 400 Hybrid Aufbau des Systems mit Einbindung ins Kraftfahrzeug Bauteile Betroffene Nebenaggregate Rekuperatives Bremsen Schaltung rekuperatives Bremssystem (RBS) Kühlung der HV-Aggregate Funktion und Anzeige des Energieflusses Sicherheitsphilosophie des Herstellers Freischalten und Spannungsfreiheit feststellen und dokumentieren Beispiel Voll-Hybrid": Toyota Prius mit Integration der Motor-Generatoren in das Getriebe für Frontantrieb Überblick Hybridfahrzeug Aufbau des Systems mit Einbindung ins Kraftfahrzeug 289

6 6.2.3 Bauteile und Besonderheiten beim Toyota Prius 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 Sicherheitsphilosophie des Herstellers Beispiel Elektrofahrzeug": Smart ED (Electric Drive) Kleiner Überblick über weitere Elektrofahrzeuge Welche Regeln gelten beim Umgang mit rein elektrischen Kraftfahrzeugen im Vergleich zu Hybridfahrzeugen? 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 Brennstoffzellen-Stacks Schematischer Aufbau eines BZ-Fahrzeugs 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-Dreiräder 326 Lösungen 329 Anhang Fachbegriffe nach Langenscheidt Bildquellenverzeichnis Stichwortverzeichnis 371