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Über dieses Buch

Hybridfahrzeuge werden in der Zukunft einen wesentlichen Beitrag zur Erfüllung der Anforderungen hinsichtlich Effizienzsteigerung beim Betrieb von Kraftfahrzeugen leisten. Die Technik, die beinahe so alt wie das Automobil ist, erlebt derzeit eine Renaissance.

Das Buch beschreibt ausführlich, beginnend mit der geschichtlichen Entwicklung, die verschiedenen Arten und Klassifizierungen von Hybridfahrzeugen. Es wird ferner detailliert dargestellt, wie und in welchen Bereichen Verbesserungen und zusätzliche Funktionalitäten durch die Hybridantriebstechnologie in Fahrzeugen ermöglicht werden.

Eine genaue Erläuterung der Einzelkomponenten und deren Funktionen sowie Beispiele für Antriebsstrangmanagement und Betriebsstrategien vermitteln dem Leser das Verständnis für das Potenzial von Hybridantriebssträngen.

Eine umfassende Beschreibung und Erklärung der wichtigsten ausgeführten Hybridfahrzeuge im PKW-Sektor bis hin zu Anwendungen im LKW- und Busbereich schließen das Buch ab.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Mobilität ist eines der Grundbedürfnisse der Menschheit. Dabei ist das Auto weltweit gesehen das beliebteste Fortbewegungsmittel und die Automobilindustrie einer der wichtigsten Industriezweige. Im Laufe der über 100-jährigen Geschichte wurde das Automobil kontinuierlich weiterentwickelt. Trotz der stetigen Verbesserungen in allen Bereichen wie Sicherheit, Komfort, Performance und Effizienz gibt es immer noch Optimierungspotenzial. Vor allem der Verbrauch und damit der CO2-Ausstoß geraten zunehmend in den Blickpunkt der Öffentlichkeit. Grund dafür sind zum einen die begrenzte Verfügbarkeit von fossilen Kraftstoffreserven, aber vor allem der starke CO2-Anstieg in der Atmosphäre seit der Industrierevolution, der für den globalen Klimawandel mitverantwortlich gemacht wird, siehe Abb. 1.1.

Kapitel 2. Definitionen und Klassifi zierung der Hybridkonzepte

Entsprechend der Grundstrukturen der Kombination von Verbrennungsmotor, E-Maschine, Generator, Batterie und Getriebe können Hybridantriebe in:
Serielle Hybridantriebe,
 
Parallele Hybridantriebe und
 
Leistungsverzweigte und kombinierte Hybridantriebe (gemischthybride Antriebe) eingeteilt werden, siehe Abb. 2.1.
 

Kapitel 3. Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

Da jede zusätzliche Technologie, die in ein Fahrzeug eingebaut und integriert wird, die Komplexität und Kosten erhöht, muss ein entsprechender Mehrwert diesem Aufwand gegenüberstehen. Die Motivation, ein Hybridfahrzeug zu bauen, liegt im Wesentlichen an der Zielsetzung, Verbesserungen in Bezug auf:
Kraftstoffverbrauch bzw. Wirkungsgrad
 
Emissionen
 
Funktionalität zu erreichen oder gesetzlichen Rahmenbedingungen zu entsprechen. Diese technischen und legislativen Aspekte werden von einer Vielzahl an unterschiedlichen Kriterien und Anforderungen überlagert, die wesentlich die letztendliche Entscheidung beeinflussen. Anbei eine kurze Auflistung der wichtigsten zu berücksichtigenden Einflussfaktoren:
 
Kosten/Konkurrenzfähigkeit
 
Imagegewinn (Innovationsgehalt, Werbung für die Marke, …)
 
Strategien der Hersteller (OEM oder Zulieferer)
 
Marktanalysen, Prognosen
 
Gesellschaftspolitische Perspektive
 
Zielmärkte (Berücksichtigung der Unterschiede bei verschiedenen Zielmärkten)
 
… Entscheidungen zur Serienentwicklung für Hybridfahrzeuge bergen ein enormes Risiko, da sie sehr viel Kapital und Entwicklungskapazitäten binden und sich die Richtigkeit der Entscheidung unter Umständen erst nach vielen Jahren zeigt.
 

Kapitel 4. Hybridkomponenten

In der Regel werden bei Hybridfahrzeugen konventionelle Verbrennungskraftmaschinen mit einem zweiten Energiewandlersystem — in den meisten Fällen einem elektrischen Antriebssystem — kombiniert. In diesem Kapitel werden kurz verschiedene Arten von Verbrennungskraftmaschinen beschrieben, die für den Einsatz in Hybridfahrzeugen in Betracht kommen. Dabei wird in erster Linie auf die für den Hybridantrieb relevanten Eigenschaften und Besonderheiten sowie auf Vor- und Nachteile beim Einsatz in Hybridfahrzeugen eingegangen. Für eine detaillierte und tiefergehende Beschreibung von Verbrennungskraftmaschinen wird auf entsprechende Fachliteratur wie beispielsweise [151] verwiesen. Neben klassischen Hubkolbenmotoren wird auch auf Rotationskolbenmotoren sowie Gasturbinen eingegangen. Brennstoffzellen zählen zwar nicht zu den Verbrennungskraftmaschinen, da sie aber ebenfalls chemische — im Kraftstoff gebundene — Energie in eine andere Energieform umwandeln, werden sie auch in diesem Kapitel behandelt.

Kapitel 5. Antriebsstrangmanagement

Das Antriebsstrangmanagement koordiniert sämtliche Funktionen der Komponenten des Antriebsstrangs in Abhängigkeit vom Fahrerwunsch sowie den jeweiligen Betriebsbedingungen. Dem zu Grunde liegt eine Betriebsstrategie, die neben der primären Erfüllung der Fahrervorgaben auch Ziele, wie minimalen Kraftstoffverbrauch und Emissionen oder Komfortwünsche, verfolgt, unter Berücksichtigung diverser Bedingungen, wie die Einhaltung von Lebensdauervorgaben der Batterie. Die Betriebsstrategie koordiniert damit im Wesentlichen die elektrische Energieerzeugung sowie den elektrischen Energiekonsum, wobei in erster Linie das Zusammenspiel von Elektro- und Verbrennungsmotor geregelt wird. Durch das Vorhandensein von jeweils zwei Energiespeichern und Energiewandlern im Fahrzeug ist es möglich, den Verbrennungsmotor innerhalb gewisser Grenzen entkoppelt vom Wunschmoment des Fahrers zu betreiben. Die Betriebsstrategie des Hybridfahrzeugs nutzt diese Eigenschaft, um den Verbrennungsmotor, unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen, in möglichst verbrauchsgünstigen Betriebsbereichen zu halten, bei Erfüllung des Fahrerwunschs durch das Zusammenspiel der einzelnen Leistungskomponenten im Antriebsstrang. Randbedingungen sind dabei unter anderem die Einhaltung der Grenzen des Batterieladezustands (SOC = State of Charge), des Energiedurchsatzes durch die Batterie oder der zulässigen Temperaturbereiche von Elektromotor und Batterie. In die Betriebsstrategie werden auch Komfortwünsche miteinbezogen, um z. B. auch die Fahrzeuginnenraumheizung und Kühlung bestmöglich zu gewährleisten. Abb. 5.1 zeigt schematisch eine Übersicht des Antriebsstrangmanagements. Neben der mechanischen Leistung zum Antrieb der Räder wird auch der thermische und elektrische Energiehaushalt geregelt. Dies umfasst das Hochvolt- und Niedervolt-Stromnetz, elektrische Verbraucher wie den Klimakompressor, die Lenkhilfepumpe und diverse Gebläse und Pumpen. Weitere Aufgaben des Antriebsstrangmanagements sind der Daten- und Informationsaustausch zwischen den einzelnen Systemen bzw. Steuergeräten und dem Fahrer (Kommunikation) sowie die Durchführung von verschiedenen Diagnosefunktionen. Der Austausch der Daten erfolgt in der Regel über mehrere Bussysteme [102], [103]. Im Bild eingezeichnet ist im Kommunikationsbereich das übergeordnete Hybridsteuergerät (HCU — Hybrid Control Unit). Dieses setzt die Betriebsstrategie um. Es ist antriebsstrangseitig mit den Steuergeräten für Verbrennungsmotor, Elektromotor, Getriebe, Batterie etc. verbunden und auf der Fahrerseite mit den verschiedenen Aus- und Eingabesystemen vernetzt.

Kapitel 6. Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Der Toyota Prius ist der bekannteste Vertreter der Sparte der Hybridfahrzeuge. Erstmals auf den Markt gekommen ist er im Oktober 1997 in Japan. 2001 wurde in Amerika und Europa eine überarbeitete Version des Prius der 1. Generation eingeführt und 2003 folgte die 2. Generation. Abb. 6.1 zeigt diese zwei Generationen. Mittlerweile wurde bereits die 3. Generation vorgestellt.

Kapitel 7. Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

Derzeit werden hybride Fahrzeugantriebe als ein Schritt in Richtung umweltfreundlicher Fahrzeuge gesehen, wobei der Schwerpunkt der öfentlichen Wahrnehmung auf dem Pkw liegt. Neben Pkw bieten aber auch andere Fahrzeugklassen, wie Nutzfahrzeuge oder Baumaschinen, interessante Anwendungsmöglichkeiten für hybride Antriebe. Grundsätzlich ist die Motivation ein Hybridantriebssystem in einem Lkw oder Bus einzusetzen gleich wie beim Pkw, siehe auch Kapitel 3, Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen. Beachtenswert scheint, dass Fahrzeuge im kommunalen, gewerblichen und industriellen Einsatz vielfach gut definierte Einsatzprofile erfüllen. Darauf abgestimmt, lassen sich entsprechend ausgelegte Hybridsysteme entwickeln, die die Vorteile vielfach besser umsetzen können, als es beim viel weniger strukturierten Individualverkehr möglich ist.

Kapitel 8. Ausblick

Das Thema Hybrid hat in den letzten Jahren einen enormen Aufschwung erlebt. Wurde noch vor geraumer Zeit darüber diskutiert, ob sich die Hybridtechnologie im Kraftfahrzeug überhaupt etablieren wird, so stellt sich aktuell die Frage, wieviel Hybrid bzw. Elektrifizierung sinnvoll ist. Der Bogen wird dabei vom Micro-Hybrid mit Start/ Stopp-Funktion und Generatormanagement bis hin zu Full-Hybrid-Fahrzeugen gespannt, wobei man davon ausgehen kann, dass mittelfristig zumindest die Start/Stopp-Funktion flächendeckend eingesetzt wird. Längerfristig ist zu erwarten, dass es eine Konzentra tion sowohl auf die Bereiche mit geringen als auch auf jene mit hohen elektrischen Leistungen geben wird, während der Bereich dazwischen weniger Bedeutung gewinnen wird. Der Grund dafür ist für den Bereich mit geringen elektrischen Leistungen (Micro- und Mild-Hybrid-Fahrzeuge) das attraktive Kosten/Nutzen-Verhältnis, während die hohen elektrischen Leistungen in Plug-In-Hybridfahrzeugen mit Range Extender als Enabler für die Einführung von Elektrofahrzeugen dienen werden.

Kapitel 9. Literatur

Backmatter

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