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Über dieses Buch

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.
Die 2. Auflage berücksichtigt nicht nur die seit Erscheinen der ersten Auflage erreichten Fortschritte auf allen Teilgebieten, sondern auch zahlreiche Anregungen der Leser sowie die Beschreibung der neuesten Hybridfahrzeuge. Neue Abschnitte über Batteriemanagement- und Bordnetzstützkonzepte, Hybridfahrzeuge mit hydraulischen und Schwungradspeichersystemen, weitere Synergieeffekte zwischen Verbrennungsmotoren und Elektroantrieben, die für Hybridfahrzeuge relevanten Besonderheiten in der Abgasgesetzgebung sowie Verfahren zur Bestimmung des Kraftstoffverbrauches sind ebenfalls in der neuen Auflage enthalten.
Umfassende Ergänzungen wurden bei Geschichte, Prognosen und Definitionen vorgenommen sowie das Kapitel über Betriebsstrategien neu bearbeitet.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung
Ein „Hybridfahrzeug“ bezeichnet ein Fahrzeug, in dem mindestens zwei Energieumwandler und zwei Energiespeichersysteme (im Fahrzeug eingebaut) vorhanden sind, um das Fahrzeug anzutreiben. Grundsätzlich kommen bei den Energiespeichern chemische, elektrische oder mechanische Speichersysteme in Frage. Praktisch gesehen macht die Kombination von konventionellen chemischen Energiespeichern bzw. Energieträgern wie Benzin oder Diesel mit einem während des Betriebes wieder aufladbaren Speicher, beispielsweise einem elektrischen oder mechanischen System, Sinn, da damit mehr Freiheitsgrade beim Betrieb geschaffen werden.
Die Hybridtechnik ist kein neues Thema, sondern so alt wie das Auto selbst ist. Waren es früher Probleme bei der Regelung der Verbrennungsmotoren und der Kraftübertragung (Schaltgetriebe und Kupplung), die eine Kombination mit einem Elektroantrieb begründeten, so sind es heute vor allem Kraftstoffverbrauch und Emissionen, die die Entwicklung von Hybridantriebssystemen forcieren. Bezeichnenderweise hat auch in der Frühgeschichte des Automobils der Elektromotor in Form des Starters dem Verbrennungsmotor zu einer Erhöhung der Akzeptanz verholfen.
Da die Kundennachfrage in Amerika, Japan und auch in Europa zunimmt, arbeiten mittlerweile alle großen Hersteller an Hybridkonzepten. Langfristig wird neben der kontinuierlichen Verbesserung der verbrennungsmotorischen Antriebe ein weiterer Weg mit einer stärkeren Elektrifizierung des Antriebsstranges bis hin zum reinen Elektrofahrzeug auf Basis von Hochenergiebatterien oder Brennstoffzellen verfolgt. In Europa werden Fahrzeuge mit Nachlademöglichkeit (Plug-In-Hybrid-Electric-Vehicles PHEV) bei der Verbrauchsbestimmung (CO2-Emissionen) enorm begünstigt, da die geladene elektrische Energie als CO2 neutral angenommen wird. Dadurch wird ein stärkerer Anstieg dieser Kategorie erwartet.
Peter Hofmann

2. Definitionen und Klassifizierung der Hybridkonzepte

Zusammenfassung
Entsprechend der Grundstrukturen der Kombination von Verbrennungsmotor, E-Maschine, Generator, Batterie und Getriebe können Hybridantriebe in:
Serielle Hybridantriebe, Parallele Hybridantriebe und Leistungsverzweigte bzw. kombinierte Hybridantriebe (gemischthybride Antriebe) eingeteilt werden.
Außerdem können Hybridfahrzeuge auch nach ihrem Hybridisierungsgrad eingeteilt werden. Man unterscheidet: Micro-Hybride, Mild-Hybride, Full-Hybride und Plug-In-Hybride. Micro‑, Mild- und Full-Hybride werden, sofern sie keine Möglichkeit zur Nachladung des elektrischen Energiespeichers über das Stromnetz haben, auch als autarke Hybridantriebe bezeichnet.
Peter Hofmann

3. Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen

Zusammenfassung
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 und 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.
Peter Hofmann

4. Hybridkomponenten

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird auf für Hybridfahrzeug relevante Energiewandler und Energiespeichersysteme eingegangen sowie auf eingesetzte Nebenaggregate. Neben Funktion und Aufbau werden auch Vor- und Nachteile der verschiedenen Arten beschrieben bzw. sinnvolle Adaptionen für den Einsatzzweck. Die Ausführungen reichen von verschiedenen Verbrennungskraftmaschinen über Elektromotoren und Brennstoffzellen bis hin zu elektrochemischen, mechanischen und hydropneumatischen Speichersystemen.
Peter Hofmann

5. Antriebsstrangmanagement

Zusammenfassung
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. Dabei werden auch diverser Bedingungen, wie die Einhaltung von Lebensdauervorgaben der Batterie berücksichtigt. 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- beispielsweise in verbrauchsgünstigen Bereichen oder sogar teilweise abgeschaltet. Dabei können verschiedene Ziele verfolgt werden, die entweder vom Fahrer oder auch der Betriebsstrategie selbst priorisiert werden. 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.
Peter Hofmann

6. Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird eine Auswahl verschiedener weltweit am Markt befindlicher Serienhybrid- bzw. veröffentlichter Konzeptfahrzeuge vorgestellt. Die Auswahl erfolgte exemplarisch nach Novität der Lösungen und verfügbarem (bzw. zur Veröffentlichung freigegebenem) Material. Angefangen von Hybrid-Motorrädern werden verschiedene Personenwagen bis hin zu Supersportwagen beschrieben und die technischen Daten gezeigt.
Peter Hofmann

7. Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

Zusammenfassung
Zunehmend werden auch in Nutzfahrzeugen Hybridsysteme eingesetzt, da 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. Dabei sind die Gesamtbetriebskosten (Total Cost of Ownership TCO) die Entscheidungsgrundlage für Einsatz, Art und Auslegung des Hybridsystems.
Beispielhaft seien hier Stadtbusse genannt, die auf Grund der häufigen Stopps, der hohen Stillstandsanteile, des überwiegenden Teillastbetriebs und der relativ hohen Betriebsdauer sowie durch ihren Einsatz im emissionssensiblen Stadtbereich prädestiniert für eine Hybridisierung sind. In diesem Kapitel werden beginnend mit Hybridsystemen für Nutzfahrzeuge ausgeführte Hybrid-Busse und Hybrid-Lkw beschrieben.
Peter Hofmann

8. Ausblick

Zusammenfassung
Das Thema Hybrid hat in den letzten Jahren einen enormen Aufschwung erlebt. 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 flächendeckendeingesetzt wird. Längerfristig ist zu erwarten, dass es eine Konzentration sowohl auf die Bereiche mit geringen als auch auf jene mit hohen elektrischen Leistungen geben wird.
Micro- und Mild-Hybridkonzepte werden von der Einführung des 48-V-Bordnetzes stark profitieren. Die damit darstellbaren Leistungen reichen bei kleineren und mittleren Fahrzeugen aus, um deutliche Verbrauchseinsparungen zu erreichen.
Zum anderen wird die Flottenverbrauchsbeschränkung in Europa mit empfindlichen Strafzahlungen in Kombination mit der Möglichkeit zur Betankung mit „CO2-freiem“ Strom zu einer verstärkten Einführung von Pug-In-Hybridfahrzeugen im oberen Fahrzeugsegment führen.
Neben der verstärkten Hybridisierung der Antriebstechniken basierend auf den konventionellen Verbrennungsmotoren wird es langfristig auch neue Antriebssysteme mit Brennstoffzellen oder EFahrzeuge geben. Dabei ist davon auszugehen, dass auch diese Antriebssysteme als Hybrid, d. h. mit einem zusätzlichen Speicherund Energieumwandlungssystem, ausgeführt werden.
Peter Hofmann

Backmatter

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