Hybridkraftfahrzeuge: Grundlagen und Anwendungen mit Perspektiven fur die Praxis

Hybridkraftfahrzeuge: Grundlagen und Anwendungen mit Perspektiven fur die Praxis

By: Chris Mi (author), M. Abul Masrur (author), David Wenzhong Gao (author)Paperback

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Vorwort zur englischen Ausgabe XV Die Autoren XIX 1 Einleitung 1 1.1 Nachhaltigkeit im Transportwesen 3 1.1.1 Bevolkerung, Energie und Transportwesen 4 1.1.2 Umwelt 6 1.1.3 Wirtschaftswachstum 7 1.1.4 Neue Kraftstoffeffizienzvorgaben 8 1.2 Kurze Beschreibung der Entwicklung von HEVs 9 1.3 Grunde fur Aufkommen und Misserfolg von EVs in den 1990er-Jahren und was daraus gelernt werden kann 12 1.4 Konfigurationen von HEVs 13 1.4.1 Serien-HEVs 14 1.4.2 Parallel-HEVs 16 1.4.3 Serien-parallel-HEVs 18 1.4.4 Komplexe HEVs 18 1.4.5 Diesel-Hybridfahrzeuge 19 1.4.6 Andere Konzepte der Hybridisierung von Fahrzeugen 20 1.4.7 Hybridisierungsgrad 20 1.5 Das fachbereichsubergreifendeWesen von HEVs 21 1.6 Stand der Technik bei HEVs 22 1.6.1 Der Toyota Prius 23 1.6.2 Der Honda Civic 25 1.6.3 Der Ford Escape 25 1.6.4 Das Two-Mode-Hybridsystem 26 1.7 Herausforderungen und Schlusseltechnologie bei HEVs 27 1.8 Die unsichtbare Hand und Unterstutzung durch die Regierung 28 Literatur 31 2 Konzept der Automobil-Hybridisierung 33 2.1 Fahrzeuggrundlagen 33 2.1.1 Wesentliche Komponenten eines konventionellen Fahrzeugs 33 2.1.2 Fahrzeug und Fahrwiderstand 35 2.1.3 Fahrzyklen und -gelande 36 2.2 Grundlagen der EVs 38 2.2.1 Warum EV? 38 2.2.2 Wesentliche Komponenten eines EV 39 2.2.3 Fahrzeug und Antriebslasten 41 2.3 Grundlagen des HEV 42 2.3.1 Wozu HEV? 42 2.3.2 Wesentliche Komponenten eines HEV 43 2.4 Grundlagen des Plug-in-Hybrid-elektrischen Fahrzeugs (PHEV) 44 2.4.1 Wozu PHEV? 44 2.4.2 Wesentliche Komponenten eines PHEV 45 2.4.3 Vergleich zwischen HEV und PHEV 46 2.5 Grundlagen von Brennstoffzellenfahrzeugen (FCVs) 47 2.5.1 Wozu FCV? 47 2.5.2 Wesentliche Komponenten eines FCV 47 2.5.3 Einige Probleme im Zusammenhang mit Brennstoffzellen 47 Literatur 48 3 HEV-Grundlagen 49 3.1 Einleitung 49 3.2 Fahrzeugmodell 50 3.3 Fahrzeug-Performance 53 3.4 Dimensionierung/Auslegung der Komponenten des Antriebsstrangs von EVs 56 3.5 Serielle Hybridfahrzeuge 61 3.6 Parallele Hybridfahrzeuge 67 3.6.1 Das elektrisch unterstutzende Hybridkonzept 68 3.6.2 Eigenschaften des Verbrennungsmotors 75 3.6.3 Anforderung hinsichtlich Steigfahigkeit 75 3.6.4 Wahl der Ubersetzung von Verbrennungsmotor zum Rad 76 3.7 Dynamik des Reifenschlupfs 77 Literatur 80 4 Moderne HEV-Konfigurationen und Dynamik des HEV-Antriebsstrangs 81 4.1 Prinzip von Planetengetrieben 81 4.2 Hybridantrieb des Toyota Prius und des Ford Escape 84 4.3 Two-Mode-Hybridantrieb von GM 88 4.3.1 Betriebsweise des Two-Mode-Triebstrangs 89 4.3.2 Betriebsart 0: Anfahren vorwarts wie ruckwarts 90 4.3.3 Modus 1: Geringe Geschwindigkeiten 91 4.3.4 Modus 2: Oberer Drehzahl-/Geschwindigkeitsbereich 92 4.3.5 Modus 3: Regeneratives Bremsen 93 4.3.6 Ubergang von Modus 0 zu Modus 3 93 4.4 Doppelkupplung-Hybridgetriebe 97 4.4.1 Konventionelle DCT-Technologie 97 4.4.2 Schaltpunktsteuerung 98 4.4.3 DCT-basierte Hybridtriebstrange 100 4.4.4 Betrieb eines DCT-basierten Hybridtriebstrangs 100 4.5 Die von Zhang et al. vorgeschlagene Hybrid-Kraftubertragung 103 4.5.1 Rein elektromotorischer Antrieb 104 4.5.2 Betriebsart kombinierte Leistung 105 4.5.3 Rein verbrennungsmotorischer Betrieb 105 4.5.4 Elektrischer Antrieb mit stufenlosem Getriebe 106 4.5.5 Betriebsmodus zur Energieruckgewinnung 106 4.5.6 Stillstandsbetriebsmodus 107 4.6 Der Renault IVT-Hybridantrieb 107 4.7 Two-Mode-Hybrid-Kraftubertragung von Timken 108 4.7.1 Modus 0: Anfahren und Ruckwartsfahrt 109 4.7.2 Modus 1: Betrieb mit geringer Geschwindigkeit 109 4.7.3 Modus 2: Betrieb mit hoher Geschwindigkeit 109 4.7.4 Modus 4: Serieller Betriebsmodus 110 4.7.5 Betriebsmodusubergange 111 4.8 Die Hybrid-Kraftubertragung von Tsai 112 4.9 Hybrid-Kraftubertragung mit Drehzahlund Drehmoment-Kopplungsmechanismus 114 4.10 Der Toyota Highlander und Toyota Lexus Hybrid, elektrischer Vierradantrieb 116 4.11 Der Toyota-Camry-Hybridantrieb 118 4.12 Der Chevy-Volt-Antriebsstrang 119 4.13 Dynamik von Kraftubertragungen auf der Basis von Planetenradgetrieben 121 4.13.1 Nicht idealisierte Zahnrader im Planetenradsystem 121 4.13.2 Dynamik der Kraftubertragung 122 4.14 Fazit 123 Literatur 124 5 Plug-in-Hybrid-elektrische Fahrzeuge 125 5.1 Vorstellung von PHEVs 125 5.1.1 PHEVs und EREVs 125 5.1.2 Blended-PHEVs 126 5.1.3 Wozu PHEV? 126 5.1.4 Elektrische Energie fur die Nutzung in PHEVs 129 5.2 PHEV-Konfigurationen 129 5.3 Aquivalente elektrische Reichweite von Blended-PHEVs 131 5.4 Kraftstoffeffizienz von PHEVs 132 5.4.1 Well-to-Wheel-Effizienz 132 5.4.2 Kraftstoffeffizienz von PHEVs 133 5.4.3 Nutzungsfaktor 134 5.5 Leistungsmanagement von PHEVs 135 5.6 PHEV-Auslegung und Dimensionierung der Komponenten 138 5.7 Dimensionierung von Komponenten von EREVs 138 5.8 Dimensionierung/Auslegung von Komponenten von Blended-PHEVs 140 5.9 HEV-Umbauten zu PHEVs 140 5.9.1 Ersetzen des bestehenden Batteriepakets 141 5.9.2 Hinzufugen eines Zusatzbatteriepakets 143 5.9.3 Umrustung von konventionellen Fahrzeugen zu PHEVs 144 5.10 SonstigeThemenbereiche zu PHEVs 144 5.10.1 Nutzung von ausgemusterten Batterien zur Unterstutzung des elektrischen Stromnetzes 144 5.10.2 Emissionsreduktion beim Kaltstart bei PHEVs 145 5.10.3 Leistungsfahigkeit von Batteriepaketen in PHEVs bei kaltem und warmemWetter 145 5.10.4 Wartung von PHEVs 146 5.10.5 Sicherheit von PHEVs 146 5.11 Vehicle-to-Grid-Technologie 147 5.11.1 Laden der Batterie beim PHEV 148 5.11.2 Auswirkungen der G2V-Technologie 150 5.11.3 Das V2G-Konzept 155 5.11.4 Vorteile des V2G-Konzeptes 156 5.11.5 Fallstudien fur V2G 156 5.12 Fazit 160 Literatur 160 6 Spezielle Hybridfahrzeuge 163 6.1 Hydraulische Hybridfahrzeuge 163 6.1.1 Regeneratives Bremsen bei HHVs 166 6.2 Gelande-HEVs 169 6.3 Diesel-HEVs 175 6.4 Elektrische oder Hybrid-Schiffe, -Luftfahrzeuge und -Lokomotiven 176 6.4.1 Schiffe 177 6.4.2 Luftfahrzeuge 179 6.4.3 Lokomotiven 183 6.5 Sonstige Industrie-Nutzfahrzeuge 187 Literaturhinweise 187 Literatur 188 7 HEV-Anwendungen furMilitarfahrzeuge 189 7.1 Warum HEVs fur militarische Anwendungen vorteilhaft sein konnen 189 7.2 Landfahrzeuganwendungen 190 7.2.1 Architekturen serielle, parallele, komplexe Strukturen 190 7.2.2 Fahrzeuge mit maximalem Nutzen 193 7.3 Militarische Anwendungen fur Nicht-Landfahrzeuge 196 7.3.1 Elektromagnetische Raketenwerfer 197 7.3.2 Schiffe mit Hybridbetrieb? 198 7.3.3 Luftfahrzeuganwendungen 199 7.3.4 Dismounted-Soldier-Anwendungen 199 7.4 Robustheit von Geraten 201 Literaturhinweise 203 Literatur 204 8 Diagnose, Prognostik, Betriebssicherheit, EMV und andere Themenbereiche rund um HEVs 205 8.1 Diagnose und Prognostik bei HEVs und EVs 205 8.1.1 Onboard-Diagnose 206 8.1.2 Prognostik 208 8.2 Betriebssicherheit von HEVs 211 8.2.1 Analyse der Zuverlassigkeit von HEV-Architekturen 212 8.2.2 Zuverlassigkeit und Teilausfall 215 8.2.3 Software-Zuverlassigkeitsprobleme 217 8.3 EMV-Probleme 221 8.4 NVH-Effekte, elektromechanische und sonstige Probleme 223 8.5 Probleme im Zusammenhang mit dem Lebensdauerende 226 Literaturhinweise 227 Literatur 227 9 Leistungselektronik in HEVs 229 9.1 Einleitung 229 9.2 Grundprinzip der Leistungselektronik 232 9.3 Gleichrichter in HEVs 233 9.3.1 Ideale Gleichrichter 233 9.3.2 Reale Gleichrichter 234 9.3.3 Einphasen-Gleichrichter 235 9.3.4 Restwelligkeit der Spannung 237 9.4 In HEVs verwendete Abwartswandler 241 9.4.1 Funktionsweise 241 9.4.2 Nichtlineares Modell 242 9.5 Nicht isolierte bidirektionale DC/DC-Wandler 243 9.5.1 Funktionsweise 243 9.5.2 Beibehalten des Konstant-Aufrechterhalten des Konstantmomentbereichs und des Leistungsvermogens 245 9.5.3 Reduzierung der Stromwelligkeit in der Batterie 246 9.5.4 Regeneratives Bremsen 249 9.6 Wechselrichter 249 9.7 Stromrichter 251 9.8 Bidirektionale DC/DC-Wandler mit galvanischer Trennung 251 9.8.1 Grundprinzip und stationare Betriebszustande 252 9.8.2 Spannungsrestwelligkeit 257 9.9 PWM-Gleichrichter in HEVs 263 9.9.1 Gleichrichterbetrieb des Inverters 263 9.10 Batterieladegerate fur EVs und PHEVs 264 9.10.1 Durchfluss-/Sperrwandler 266 9.10.2 Halbbrucken-DC/DC-Wandler 267 9.10.3 Vollbrucken-DC/DC-Wandler 267 9.10.4 Leistungsfaktorkorrekturstufe 267 9.10.5 Bidirektionale Batterieladegerate 269 9.10.6 Sonstige Ladegerattopologien 271 9.10.7 Induktives Laden 271 9.10.8 Drahtloses Laden 272 9.11 Modellierung und Simulation von HEV-Leistungselektronik 274 9.11.1 Simulation auf Gerateebene 275 9.11.2 Systemebenenmodell 275 9.12 Neu entwickelte Leistungselektronikgerate 276 9.13 Schaltkreisgehause 276 9.14 Warmemanagement in der HEV-Leistungselektronik 277 9.15 Fazit 280 Literatur 280 10 Elektrische Maschinen und Antriebe in HEVs 283 10.1 Einleitung 283 10.2 Asynchronmotorantriebe 284 10.2.1 Funktionsprinzip von Asynchronmotoren 284 10.2.2 Ersatzschaltbild des Asynchronmotors 287 10.2.3 Drehzahlsteuerung einer Asynchronmaschine 289 10.2.4 Asynchronmotoren durch variable Frequenzsteuerung und variable Spannungssteuerung 291 10.2.5 Wirkungsgrad und Verluste von Asynchronmaschinen 293 10.2.6 Zusatzverlust in Asynchronmotoren aufgrund der PWM-Versorgungsspannung 294 10.2.7 Feldorientierte Regelung von Asynchronmaschinen 305 10.3 Permanentmagnetmotorantriebe 312 10.3.1 Grundsatzlicher Aufbau von PM-Motoren 312 10.3.2 Funktionsprinzip und Betriebsweise von PM-Motoren 314 10.3.3 Analyse desMagnetkreises von IPM-Motoren 319 10.3.4 Dimensionierung/Auslegung der Magneten in PM-Motoren 329 10.3.5 Wirbelstromverluste in denMagneten von PM-Maschinen 334 10.4 Geschaltete Reluktanzmotoren 336 10.5 DSPM-Maschinen 337 10.6 Auslegung und Dimensionierung von Traktionsmotoren 342 10.6.1 Auswahl von A und B 343 10.6.2 Drehzahlbemessung des Traktionsmotors 343 10.6.3 Bestimmung der inneren Leistung 343 10.7 Thermische Analyse und Modellierung von Traktionsmotoren 344 10.7.1 DerWarmewiderstand des Luftspalts Rls 345 10.7.2 Radiale Leitung desWarmewiderstands des Rotorkerns Rrs 346 10.7.3 Die radiale Leitung desWarmewiderstands der Pole Rmr 347 10.7.4 DerWarmewiderstand derWelle RWelle 347 10.7.5 Die radiale Leitung desWarmewiderstands der Statorzahne Rst 348 10.7.6 Die radiale Leitung desWarmewiderstands des Statorjochs Rsj 348 10.7.7 Die Leitung desWarmewiderstands zwischenWicklungen und Stator Rws 349 10.7.8 Konvektionswarmewiderstand zwischen den aussenliegenden Wicklungen des Stators und der angrenzenden Luft Rwl 349 10.8 Fazit 351 Literatur 352 11 Batterien, Superkondensatoren, Brennstoffzellen und Steuerungen 359 11.1 Einleitung 359 11.2 Kennzeichnung von Batterien 361 11.2.1 Kapazitat (C) 361 11.2.2 Gespeicherte Energie (E) 362 11.2.3 Ladezustandswert 362 11.2.4 Entladungstiefe (DOD) 363 11.2.5 Spezifische Energie 364 11.2.6 Energiedichte 364 11.2.7 Spezifische Leistung und Leistungsdichte 364 11.2.8 Amperestundenwirkungsgrad oder Ladewirkungsgrad 365 11.2.9 Energieeffizienz 365 11.2.10 Anzahl der tiefen Zyklen und Batterielebensdauer 365 11.3 Vergleich von unterschiedlichen Energiespeichertechnologien fur HEVs 367 11.3.1 Bleisaurebatterie 368 11.3.2 Nickel-Metallhydrid-Batterie 369 11.3.3 Lithium-Ionen-Batterie 369 11.3.4 Superkondensatoren 370 11.4 Modellierung anhand elektrischer Ersatzschaltbilder 372 11.4.1 Batteriemodellierung 372 11.4.2 Beispiel eines Batteriemodells 374 11.4.3 Modellierung von Superkondensatoren 376 11.4.4 Beispiel einer Batteriemodellierung fur eine Hybrid-Batterie und einen Superkondensator 378 11.5 Batterieladesteuerung 383 11.6 Lademanagement von Energiespeichervorrichtungen 385 11.7 Schwungrad-Energiespeichersystem 389 11.8 Hydraulische Energiespeichersysteme 393 11.9 Brennstoffzellen und hybrides Brennstoffzellen-Energiespeichersystem 394 11.9.1 Vorstellung der Brennstoffzellen 394 11.9.2 Modellierung von Brennstoffzellen 399 11.9.3 Hybrid-Brennstoffzellen-Energiespeichersysteme 402 11.9.4 Regelstrategie eines Hybrid-Brennstoffzellen-Energiesystems 406 11.10 Fazit und Diskussion 411 Literatur 412 12 Modellierung und Simulation von Elektro- und Hybridfahrzeugen 415 12.1 Einleitung 415 12.2 Grundprinzipien der Modellierung von Fahrzeugsystemen 417 12.3 HEV-Modellierung mit ADVISOR 419 12.4 HEV-Modellierung mit PSAT 423 12.5 Physikalische Modellierung 424 12.5.1 RCF-Modellierungsverfahren 424 12.5.2 Hybridtriebstrangmodellierung 425 12.5.3 Modellierung einer Gleichstrommaschine 426 12.5.4 Modellierung eines DC/DC-Aufwartswandlers 427 12.5.5 Modellierung der Fahrzeugdynamik 428 12.5.6 Radschlupfmodell 429 12.6 Bondgraphen und andereModellierungsverfahren 433 12.6.1 Bondgraphenmodellierung fur HEVs 433 12.6.2 HEV-Modellierung mit PSIM 434 12.6.3 HEV-Modellierung mit Simplorer und V-Elph 435 12.7 Betrachtung der numerischen Integrationsverfahren 437 12.8 Fazit 437 Literatur 438 13 Dimensionierung/Auslegung und Design-Optimierung von HEV-Komponenten 441 13.1 Einleitung 441 13.2 Globale Optimierungsalgorithmen fur die HEV-Auslegung 442 13.2.1 DIRECT 443 13.2.2 Simulated Annealing (SA) 448 13.2.3 Genetische Algorithmen 451 13.2.4 Partikelschwarmoptimierung 453 13.2.5 Vor- und Nachteile der verschiedenen Optimierungsalgorithmen 455 13.3 Model-in-the-Loop-Designoptimierungsprozess 457 13.4 Beispiel fur die Designoptimierung eines Parallel-HEV 458 13.5 Beispiel einer Designoptimierung eines seriellen HEV 464 13.5.1 Steuerungs-Framework eines seriellen HEV-Antriebsstrangs 464 13.5.2 Parameteroptimierung eines seriellen HEV 466 13.5.3 Optimierungsergebnisse 468 13.6 Fazit 471 Literatur 472 14 Leistungsregelstrategie und Energiemanagement fur Fahrzeuge 475 14.1 Generisches Framework, Definition und Bedarfe 475 14.2 Methodologie der Implementierung 477 14.2.1 Methodik der Optimierung 484 14.2.2 Optimierung der Kostenfunktion 487 14.3 Vorteile des Energiemanagements 494 Literaturhinweise 495 Literatur 495 15 Kommerzialisierung und Standardisierung von HEV-Technologie und Zukunft des Transportwesens 497 15.1 Was bedeutet Kommerzialisierung und welche Bedeutung kommt ihrbei HEVs zu? 497 15.2 Vorteile, Nachteile und Ausloser der Kommerzialisierung 497 15.3 Standardisierung und Kommerzialisierung 499 15.4 Probleme der Kommerzialisierung und Auswirkungen auf zahlreiche Typen von Fahrzeugen 500 15.5 Kommerzialisierung und Zukunft der HEVs und des Transportwesens 500 Literaturhinweise 502 Stichwortverzeichnis 503

Product Details

  • publication date: 22/10/2014
  • ISBN13: 9783527336623
  • Format: Paperback
  • Number Of Pages: 542
  • ID: 9783527336623
  • weight: 1054
  • ISBN10: 3527336621
  • language of text: German

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