11. Hybridantriebe (HEV II)

Question 1

Hybrid Prius: Vergleich der Generationen

Besonders der Elektromotor ist über die Jahre deutlich gewachsen (von 33kW zu 76kW). Entsprechend hat sich auch die Batteriekapazität verändert. Am Ende bei fast 9 kWh angelangt, allerdings geht die Intention dann auch eher Richtung Plug-In-Hybrid, sodass auch gewollt ist rein elektrisch fahren zu können im Alltagsgebrauch.
—> Folie 4

Answer 1

…

Question 2

Hybrid Prius: Vergleich der Generationen
- Leistungsdaten

Elektrische Reichweite von 25km/h zu Beginn deutlich angestiegen auf 135km/h beim Plug-In Hybrid.

Bei den Verbräuchen wurde immer weiter reduziert bis auf unter 3l beim Plug-In Hybrid
—> Folie 5

Answer 2

(…)

Question 3

Hybrid Toyota Prius: Verbrennungsmotor mit Atkinson Zyklus (Folie 6)

DAS WICHTIGSTE DER FOLIE:
Fortschrittliche Verbrennungsmotortechnologien wie z.B. der Miller-Zyklus oder Atkinson-Zyklus können auch bei Hybridfahrzeugen mitverwendet werden und mit Hybridkonzepten kombiniert werden.

Answer 3

!!

Question 4

Ausflug Atkinson- und Miller-Zyklus:

Atkinson-Zyklus und Miller-Zyklus sind letztlich Methoden bei denen man die ?(1)? für die ?(2)? variiert, um damit etwas zu erreichen. Was man damit erreicht hängt ein bisschen davon ab wie man diese ?(3)? verändert.

Answer 4

(1) Steuerzeiten
(2) Ventile
(3) Steuerzeiten

Question 5

Erklärung Atkinson- und Miller-Zyklus

—> siehe Text Zusatzfolie 1 !!

Answer 5

!!

Question 6

Hybrid - Vergleich mit konventionellen Dieselantrieben

Verbrauchswerte angegeben für Innerstädtisch, Überland und Autobahn.
—> siehe Tabelle Folie 7

Der Hybrid kann im Innerstädtischen am meisten seine Vorteile ausspielen (bzw. im Innerstädtischen hat das konventionelle Fahrzeug mit Verbrennungsmotor die meisten Probleme).

Grund dafür ist?

Answer 6

Grund: Im Innerstädtischen ist man die meiste Zeit in einem niedrigen Lastpunkt und ein Verbrennungsmotor hat dort geringe Wirkungsgrade.

Auch kann man Start/Stopp betreiben, den Lastpunkt anheben oder auch rein elektrisch fahren.

Question 7

Bei der Überlandfahrt wird der Vorteil eines Hybrid-Fahrzeuges kleiner und auf der Autobahn kehr sich der Vorteil sogar in einen Nachteil um, sodass der Hybrid letztlich einen ?(1)? hat als ein Fahrzeug mit Otto- oder Dieselmotor.

Ein Fahrzeug mit Diesel-Motor (hier Audi A8 4.2 TDI) hat auf der Autobahn sogar einen noch geringeren Verbrauch als der ?(2)? und auch als der ?(3)?.

Answer 7

(1) höheren Verbrauch
(2) Ottomotor
(3) Hybrid

Question 8

Der Diesel-Motor ist im Vergleich zum Ottomotor die thermodynamisch effizientere Maschine.

Wahr/Falsch?

Answer 8

WAHR

THERMODYNAMISCH!!

Question 9

Der Hybrid bringt auf der Autobahn keine Vorteile mehr, weil man in einem Leistungspunkt (mit hoher Lastzahl) ist, welcher für einen Verbrennungsmotor optimal ist. Beim Hybrid wirkt sich hier spätestens das hohe Gewicht als Nachteil ggü. einem reinen Verbrenner aus, sodass der Verbrauch auch höher ausfällt.

Wahr/Falsch?

Answer 9

Wahr

Question 10

Energiefluss und -management eines Hybridantriebs: Boosten

1. Strategievariante: EsubB
   —> Entlastung Verbrennungsmotor
   —> Folie 8 ansehen!!

Answer 10

…

Question 11

Energiefluss und -management eines Hybridantriebs: Boosten

1. Strategievariante: EsubB
   —> Entlastung Verbrennungsmotor

Wie hoch sind die Verbrauchsverbesserungen gegenüber einem reinen Verbrennungsmotor bei dieser Strategie? (Antwort in %)

Answer 11

6 - 8 %

Question 12

Energiefluss und -management eines Hybridantriebs: Rekuperation

2. Straegievariante: EsubB
   —> rein elektrischer Antrieb

—> Folie 9 ansehen!

Answer 12

!

Question 13

Energiefluss und -management eines Hybridantriebs: Rekuperation

2. Strategievariante: EsubB
   —> rein elektrischer Antrieb

Der Verbrennungsmotor ist ausgeschaltet und es gibt keinen Kraftstoffverbrauch. Es wird rein elektrisch gefahren. Gerade bei niedriger Last hat der E-Motor im Wirkungsgrad große Vorteile gegenüber dem Verbrennungsmotor.

Was für eine Verbrauchsverbesserung kann man gegenüber einem reinen Verbrennungsmotorantrieb mit dieser Strategie erzielen? (Antwort in %)

Answer 13

Bis zu 20%

Question 14

Energiefluss und -management eines Hybridantriebs: Rekuperation

3. Strategievariante: EsubÜM
   —> rein elektrischer Antrieb
   —> Folie 10 ansehen!!

Answer 14

!

Question 15

Energiefluss und -management eines Hybridantriebs: Lastpunktanhebung

3. Strategievariante: EsubÜM
   —> rein elektrischer Antrieb

Eine weitere Energiequelle kommt zur Rekuperation hinzu und zwar durch eine Lastpunktanhebung.
Die Energiequelle liegt in Form eines „Energieüberschuss“ vom Verbrennungsmotor durch eine Lastpunktanhebung in einen günstigen Verbrauchsbereich vor.

Die Lastpunktanhebung kann dazu führen, dass man den Verbrennungsmotor in einem besseren Wirkungsgrad betreibt. In einem mittleren Lastbereich kann es also sinnvoll sein eine Lastpunktanhebung durchzuführen, damit der Verbrennungsmotor mit einem besseren Wirkungsgrad läuft und die überschüssige Energie für späteres Fahren genutzt werden kann (bspw. für rein elektrisches Fahren aus der Batterie).

Wie hoch ist die Verbrauchsverbesserung gegenüber einem reinen Verbrennungsmotorantrieb? (In Prozent)

Answer 15

15 - 20 % (abhängig vom Ladezustand, Betriebsbereich etc.)

Question 16

Lastpunktverschiebung

Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor
Parallel Hybrid

—> Folie 11 ansehen!!

Answer 16

!

Question 17

Hybridantrieb

Abbildungen Folie 12 ansehen und Erklärung dazu lesen!!!!

Answer 17

!

Question 18

State of charge (SOC) basierte Betriebsstrategie

—> FOLIE 13 ansehen!!!

Answer 18

!!

Question 19

Lastpunktanhebung nochmal recht gut erklärt im Video 42:30min!

Answer 19

…

Question 20

Lastpunktanhebung bei Parallelhybrid und leistungsverzweigter Hybrid

So ca. ab 44min. im Video!

Answer 20

…

Question 21

Plug-In-Hybridantrieb

Die Batterie sollte so groß sein, dass die Alltagsfahrten damit bewältigt werden können, also bei den meisten Fahrten rein elektrisch gefahren werden kann.

Es ist aber auch noch ein großer Verbrennungsmotor verbaut, weshalb die Systemleistung insgesamt relativ groß ist. Folglich sind Plug-In-Hybride auch recht große Fahrzeuge, oftmals auch SUV‘s mit großer Gesamtmasse.

In der letzten VL hatten wir das auch schon kurz angesprochen, dass sie staatlich gefördert werden, aber von den meisten Nutzern bisher als Verbrenner genutzt werden, also mit wenig rein elektrischen Fahren. Also ein großer Kritikpunkt.

(Nur lesen)

Answer 21

…

Question 22

48-Volt-Hybrid vs. Plug-In-Hybrid

Das externe Aufladen einer Batterie (wie im Falle der Plug-In-Hybride) ist erst dann sinnvoll, wenn?

Answer 22

Wenn der Kunde eine Nennwerte elektrische Fahrleistung dafür geboten bekommt.

—> Batteriekapazität und Leistung der E-Maschine eines Plug-In-Hybriden werden daher deutlich höher gewählt als bei einem 48-V-Hybriden

Question 23

Die Batteriekapazität und Leistung der E-Maschine eines Plug-In-Hybriden werden deutlich höher gewählt als bei einem 48-V-Hybriden.

Warum?

Answer 23

Weil das externe Aufladen einer Batterie erst dann sinnvoll ist, wenn der Kunde eine nennenswerte elektrische Fahrleistung dafür geboten bekommt.

Question 24

Plug-In Hybrid

2/3 der täglichen Fahrstrecken sind kürzer als 40km

Lokal emissionsfreies Fahren im Stadtgebiet ist dadurch möglich!!

Answer 24

…

Question 25

Plug-In-Hybrid

Man hat also immer noch das zusammen wirken von welchen Energieformen, um letztlich kinetische Energie zu erzeugen und das Fahrzeug in Bewegung zu setzten?

Answer 25

Chemischer Energie (wird im Kraftstofftank gespeichert)

Elektrische Energie (wird in der Batterie gespeichert)

Question 26

Wichtige Kennwerte zur groben Auslegung der Batteriekapazität und der Leistung der E-Maschine und des Verbrennungsmotors: ?? (3)

Answer 26

Geplante rein elektrische Reichweite

Geplante Fahrleistung (Höchstgeschw., Beschleunigung) mit der E-Maschine

Geplante Fahrleistung (Höchstgeschwindigkeit, Beschleunigung) mit dem Verbrennungsmotor

Question 27

Plug-In-Hybrid

Wirkungsgradkette der Umwandlung der in der Batterie gespeicherten Energie bis zum Rad. Berechnung des Antriebswirkungsgrades dazu?

Answer 27

Wirkungsgrad,Antrieb =

Wirkungsgrad, Batterie; entladen 
* 
Wirkungsgrad, Leistungselektronik 
* 
Wirkungsgrad, E-Machine, motorisch 
* 
Wirkungsgrad, Getriebe

Question 28

Plug-In-Hybrid

Wie berechnet man den Wirkungsgrad beim Aufladen?

Answer 28

Wirkungsgrad, Aufladen 
= 
Wirkungsgrad, Leistungselektronik 
* 
Wirkungsgrad, Batterie; laden

Question 29

Abbildungen Folie 20-23 mal ansehen

Answer 29

…

Question 30

VW Plug-In-Hybrid Gold GTE: Batterie

Abbildung mit Beschriftung (Folie 24)!!

Answer 30

!

Question 31

S 50 Plug-In-Hybrid: Betriebsmodi

Hybrid-Modus: hybridisches Fahren mit verbrauchsgünstigem E-Fahrtanteil. (Tank und Batterie beteiligt)

E-Modus: rein elektrisches Fahren

E-Save: Ladezustand der Batterie wird erhalten (vor allem Verbrennungsmotor am arbeiten)

Charge-Modus: Aufladen der Batterie im Fahrbetrieb (durch Lastpunktanhebung beim Verbrennungsmotor möglich)

Answer 31

…

Question 32

Batterie Management: Depleting Mode (Entladen)

Wenn man im Fahrzeug aktiv den E-Modus wählt, dann wird das Fahrzeug in einen Depleting Mode gesetzt. Voraussetzung dafür ist erstmal, dass die Batterie relativ voll ist (max. SOC).
Dann soll ausschließlich im rein elektrischen Modus gefahren werden ohne Verbrennungsmotor. Das sorgt dafür, dass der Ladezustand immer weiter abnimmt.

Irgendwann stößt man an die als minimaler Ladestand definierte Grenze. Unterhalb dieser Grenze möchte man nicht hin, weil wenn die Batterie zu oft tief entladen wird, die Lebensdauer geschädigt wird. Das Steuergerät wird also ein neues Fenster aufmachen in welchem man sich bewegen will. Da nach wie vor der E-Mode drin ist wird eine neue obere Grenze gesetzt und man geht in einen hybriden Modus in welchem mal elektrische gefahren werden kann und mal der Verbrennungsmotor, sowie ein Lastpunktanhebung das Fahrzeug antreibt und die Batterie für eine eine gewisse Zeit wieder auflädt.

Die Idee dahinter ist, dass man rein elektrisch fährt und wenn die Batterie leer ist man im Hybrid-Betrieb fährt und dann über Nacht wieder die Batterie auflädt.

—> gemeinsam mit Folie 26 ansehen!

Answer 32

!

Question 33

Batterie-Management: Sustaining Mode (Batteriestand halten, auch Hybrid Hold Modus)

Es wird nun versucht den Batterieladestand ungefähr zu halten. Dafür wird ein kleines Fenster um diesen bestimmten Zustand festgelegt, in welchem das Management-System des Fahrzeuges versucht den Verbrennungsmotor immer wieder an- und auszuschalten, um den Ladestand in einem bestimmten (SOC-)Bereich zu bleiben.

Der Hold-Modus kommt häufig bei kleinen Hybriden mit kleiner Batterie zustande.
—> Folie 27 dazu ansehen!!

Answer 33

!

Question 34

Batterie-Management: Charge Mode (Batterie laden, Hybrid Charge)

Der Verbrennungsmotor wird fast die ganze Zeit verwendet und es kommt ständig zu einer Lastpunktanhebung selbst wenn man die Fahrsituation mit der Batterie und dem E-Motor eigentlich bewältigen könnte, ist dennoch der Verbrennungsmotor an und lädt über den Generator die Batterie (bzw. den SOC) wieder auf.

Dieser Modus könnte zum Beispiel sinnvoll sein, wenn man in eine Großstadt fahren möchte, in welcher nur rein elektrisch gefahren werden darf. Dann lädt man vorher entsprechend die Batterie auf beim Fahren, um dann innerhalb der Stadt elektrisch fahren zu können.
—> dazu Folie 28 ansehen!!

Answer 34

!

Question 35

Steuerung des Antriebsstrangs

Die Hybridsteuerung muss eigentlich auf alle Bestandteile des Fahrzeuges achten. Sie muss Sensordaten erhalten und mit Stellsignalen den Betrieb darstellen.

Welche Bestandteile bzw. welche Management-Bereiche des Fahrzeuges müssen von der Hybridsteuerung gesteuert werden? (5)

Answer 35

Batterie-Management
—> Ladestand?, Temperatur?

Motor-Management
—> Lastpunktanhebung?, An-/Aus?

Management des elektrischen Antriebs
—> An-/Aus?, als Generator oder Motor laufen?

Getriebe-Management

Brems-Management

Question 36

Plug-In-Hybrid: Audi Q7 e-torn quattro 3.0 TDI

Folie 30+31+32+33 ansehen

Answer 36

(…)

Question 37

Hybridantriebsstrang am Beispiel Daimler 3.Generation

Folie 34+35+36 ansehen

Answer 37

…

Question 38

Plug-In-Hybrid BMW i8

Parallelhybrid und Momentenaddition, weil Ottomotor auf der Hinterachse und Elektromotor auf der Vorderachse.

Folie 39+40+41

Answer 38

…

Question 39

Range Extender

Der Range Extender ist ein (kleiner) ?(1)? zur Erhöhung der ?(2)? des elektrischen Hauptantriebs.

Answer 39

(1) On-Board-Stromerzeuger

(2) Reichweite

Question 40

Bauform des Range Extender

Bauformen:

• kleiner Verbrennungsmotor mit Generator
• kleine Brennstoffzellen

Answer 40

…

Question 41

Was sind die Herausforderungen des Range Extender? (3)

Answer 41

Herausforderungen:
- Wirkungsgrad

• Kosten
• Gewicht

Question 42

E-Antrieb mit Range Extender (= Plug-In Hybrid): Opel Ampera / Chevrolet Volt

Folie 43+44+45+46

Answer 42

…

Question 43

Elektrifizierung

Kostenanalyse ausgewählter PKW
—> siehe Folie 47+48

Links: Kosten nach Systemen eingeteilt
Rechts: Kostenpunkte unterteilt

Auf Folie 48 dann die Manufacturing Process costs
—> beim Electric vehicle (EV) deutlich geringer

ANSEHEN!!!!

Answer 43

!!!!!!!