EFA

• Lohner-Porsche der K. u. K. HofWagenFabrik Jacob Lohner

• Baujahr 1900

• Technische Daten:

  • Leistung: 2,5 PS bei 120 U/min (7 PS kurzzeitige Peakleistung)

  • Wirkungsgrad: < 83 %

  • Motormasse (inkl. Rad): 115 kg

  • Fahrzeugmasse: 340 kg

  • Anzahl Motoren: 2

  • Batteriemasse: 410 kg

  • Batterie: 44 Zellen (ca. 25 kWh)

  • Reichweite: < 50 km

  • Geschw.: 50 km/h

• Vorteile der Radnabenmaschinen:

  • Keine durchgehende Achse

  • Keine Schaltung

  • Keine Kupplung

  • Kein Getriebe

  • Frontantrieb

  • Allradantrieb

• Nachteile von Radnabenmaschinen:

  • Erhöhung der Masse im Rad

  • wirkt sich negativ auf Fahrverhalten und Stabilität aus insbesondere bei unebener Fahrbahn

• 1,2 l Otto-Motor (25 kW; 76 Nm / 1700 rpm)

• Synchronmaschine (13 kW; 80 Nm)

• Batterie (14 x 40 Ah; 15 kW; 4kWh)

• rein elektrischer oder Boost-Betrieb

• Start-/Stoppfunktion

• Rekuperation

• 1,0 l Otto-Motor (35 kW; 110 Nm / 2000 - 3400 rpm; Range Extender) mit doppelt rotierendem Generator

• Doppelt rotierende PSM (20 kW; 200 Nm (max.); GB.: 3:1)

• 2 PSM (2 x 17 kW; 2 x 300 Nm; 1200 Nm (max.))

• Batterie: Li/Ionen (ca. 5 kWh)

• rein elektrischer Allradantrieb oder mit R.E.

• Hohe Energieeffizienz

• Gewichts- und kostenneutral zum konventionellen Allradantrieb

• Technische Daten des GT6

  • Bj.: 1956

  • Fahrzeuglänge: 19 m (6 Achsen)

  • Fahrzeugmasse: 20 t, Sitzplätze 43

  • Traktionsleistung: 2 x 100 kW, 600 V, Gleichstromreihenschlussmaschinen

• Direkte Steuerung mittels Nockenfahrschalter:

  • Mit höherem Widerstand rutscht die Kurve nach unten links in den Ursprung

  • Anfahren mit hohem Widerstand und dann (manueller) Zweipunktregler des Drehmoments

• Technische Daten des T4D

  • Modernisiert: 1996

  • Fahrzeuglänge: 15 m (4 Achsen)

  • Fahrzeugmasse: 17 t, Plätze 28 + 71

  • Geschwindigkeit: 55 km/h, Beschl. 1,2 m/s2

  • Traktionsleistung: 4 x 43 kW, 600 V

• 2QS-IGBT-Gleichstromsteller:

  • stromeinprägend

• rückspeisefähig

• Technische Daten des M8D

  • Bj.: 1985

  • Fahrzeuglänge: 25,6 m (8 Achsen)

  • Fahrzeugmasse: 26 t, Sitzplätze 60

  • Geschwindigkeit: 70 km/h

  • Traktionsleistung: 2 x 225 kW, 600 V

• Drehstromantrieb mit I-Umrichter

  • DC/DC-Wandler regelt Zwischenkreisstrom

  • DC/AC WR (GTO) speist ASM mit frequenzvariablen Drehstrom

• Technische Daten des O-Bus

  • Bj.: 1980

  • Fahrzeuglänge: 16 m

  • Fahrzeugmasse: 15 t (25 t)

  • Geschwindigkeit: 60 km/h

  • Traktionsleistung: 1 x 140 kW, 600 V

• Drehstromantrieb mit I-Umrichter

• Technische Daten der BR 120

  • Bj.: 1986 (1979)

  • Fahrzeuglänge: 19 m (4 Achsen)

  • Fahrzeugmasse: 84 t

  • Geschwindigkeit: 200 km/h

  • Traktionsleistung: 4 x 1600 kW, 15 kV, ASM

• Drehstromantrieb mit I-Umrichter

• Jeder Motor mit eigenem 4QS

  • hohe Redundanz

• Technische Daten:

  • Kühlung: forcierte Luftkühlung, Heatpipe-Technik

  • Eingangsspannung: DC 600 V / DC 750 V

  • Spannungstoleranz: +20 % / -30 %

  • Dauerausgangsleistung: 250 kW

  • Taktfrequenz: 150Hz - 600Hz

  • Umgebungstemperatur: -25 °C bis +45 °C

  • Schutzart: IP54

  • Gewicht: 512 kg

  • Abmessungen: 2175 x 1275 x 450

• Drehstromantrieb mit GTO-U-Umrichter (Direktpulsumrichter)

  • Frequenz und Spannungsamplitude variabel geregelt

• Technische Daten des 8NGTW (70 % Niederflurigkeit)

  • Bj.: 1998

  • Fahrzeuglänge: 29 m

  • Fahrzeugmasse: 33 t

  • Geschwindigkeit: 80 km/h

  • Traktionsleistung: 4 x 160 kW, 600 V

• Drehstromantrieb mit IGBT-U-Umrichter

• Drehstromantrieb mit Asynchronradnabenmotoren

• hochfrequente, nicht gedämpfte Stöße auf Räder führen zu häufigen technischen Defekten der Radnabenmotoren

  • sehr geringe Durchdringung auf der Schiene

Drehstromasynchronantrieb mit IGBT-U-Umrichter

Drehstromsynchronantrieb

Drehstromasynchronantrieb

Linearantrieb

• Aussage: Das Linienintegral der magn. Feldstärke längs einer geschlossenen Kurve ist gleich der umfassten Durchflutung

• Aussage: Das Linienintegral der el. Feldstärke längs einer geschl. Kurve ist gleich der Änderung der. magn. Flußverkettung

• Regeln:

  • Fluß und Strom sind einander in einer Rechtsschraube zugeordnet

  • Die induzierte Spannung ist stets so gerichtet, dass der durch sie entstehende Strom einer Flußänderung entgegenwirkt

• Stator: Erzeugt ein rotierendes Magnetfeld durch den symmetrischen Drehstrom

• Rotor: Hat ein konstantes Magnetfeld (durch Permanentmagnete oder Erregerwicklung)

• Das Luftspaltdrehfeld rotiert mit Synchrondrehzahl n1

• Der Rotor rotiert mit derselben, mechanischen Drehzahl n = n1

• Stator: Erzeugt ein rotierendes Magnetfeld (das Luftspaltdrehfeld) durch einen symmetrischen Drehstrom mit Synchrondrehzahl n1

• Rotor: Besteht meist aus einem Kurzschlussläufer (sogenannter Käfigläufer) oder einer Schleifringkonstruktion, rotiert mit der Rotordrehzahl n

• Die Relativdrehzahl zwischen Ständerdrehfeld und Rotor ist n2 = n1 - n

• Als Schlupf wird das Verhältnis zwischen Rotorfrequenz und Statorfrequenz bezeichnet

• Für die Synchrondrehzahl gilt: s = 0, Für den Rotorstillstand gilt: s = 1

• Als Schlupf wird das Verhältnis zwischen Rotorfrequenz und Statorfrequenz bezeichnet

• Für die Synchrondrehzahl gilt: s = 0

• Für den Rotorstillstand gilt: s = 1

• Stator: Hat einzeln bestrombare Spulen (phasenselektive Ansteuerung)

• Rotor: Besteht nur aus Eisenblechen, keine Wicklungen oder Magnete, keine elektrische Erregung

• Der Rotor versucht sich so zu drehen, dass der magnetische Fluss einen geradlinigen Pfad mit geringster Reluktanz nehmen kann – also eine Ausrichtung des Rotors zu den erregten Statorpolen, erzeugt Drehmoment

• Position des Rotors muss sensorisch erfasst und die richtigen Spulen bestromt werden

• Die Clarke-Transformation dient dazu, ein dreiphasiges Drehfeldsystem (ABC-System) in ein zweidimensionales (orthogonales) statisches Koordinatensystem (αβ0-System) zu überführen

• wichtig für vektororientierte Regelung elektrischer Maschinen und bildet Grundlage für Park-Transformation

• Die Park-Transformation ist eine Koordinatentransformation, die ein zweiphasiges, orthogonales System aus der Clarke-Transformation (αβ-System) in ein rotierendes dq-Koordinatensystem überführt

• dreht das αβ-Koordinatensystem mit der Rotor- oder Magnetfeldposition, sodass sich die Größen aus Sicht des drehenden Systems betrachten lassen

• Dadurch werden zeitabhängige, sinusförmige Größen in konstante Gleichgrößen umgewandelt (für stationären Betrieb)

• B6-Brücke

• Frequenz und Spannungsamplitude variabel

• IGBT (1.7 kV für 1 kV Fahrdrahtspannung):

  • ON: +15 V

  • OFF: 0 V (-5 V)

  • f_schalt: 2 kHz

    • 50 % Schaltverluste

    • 50 % Durchlassverluste

    • SiC: 20 kHz

• parasitäre Kapazitäten (sog. Millerkapazitäten) können dazu führen, dass beim Umschaltvorgang (ON -> OFF) bei hohen Spannungen und hohen Schaltfrequenzen, die Gate-Emitter-Spannung angehoben wird (bis zu 4,5 V) und der IGBT wieder einschaltet, was zum Kurzschluss führen kann

  • OFF: -5 V für Sicherheitsband

• 1-2 μs bei IGBTs

• Früher Leistungshalbleiter teuer, zwei Leistungshalbleiter inklusive Ansteuerung, Messtechnik … gespart -> geringere Kosten

• geringere Schaltverluste aufgrund der geringeren Leistungshalbleiterzahl -> höherer Wirkungsgrad

• weniger Stromleitverluste in C1 und C2 anstatt Transistoren

• Mittenanzapfung notwendig, bei Stromabnehmersystemen meist nicht vorhanden, daher sehr große Kapazitäten notwendig

  • daher eher in batteriebetriebenen Fahrzeugen eingesetzt

• Nennpunkt der Motoren sinkt um 2 da nur an halber Spannung (800 V -> 400 V) betrieben wird -> mehr/früher in Feldschwächung

• wenn Fahrdraht nicht rückspeisefähig (>= 1 kV bei Straßenbahnen), dann muss die Energie in einen Bremswiderstand geleitet werden

  • T7 taktet

  • beim Ausschalten: Freilauf über die Diode

  • Tiefsetzsteller

• 30-40 % der kinetischen Energie sind theoretisch generatorisch zurückgewinnbar, real jedoch nur ca. 20 % der Energie, 10 % in Bremswiderstand überführt

• ηges kann höher sein, da variable U_DC (48 V - 600 V) für verschd. Drehzahlen möglich -> geringere Verlustleistungen in den Transistoren durch geringere Spannungen

• geringere ohmsche Verluste im DC-Link, da höhere Spannung als im Niederspannungssystem (48 V)

• geringere Leistungen nur möglich (30 kW)

• 2QS-Stellerinduktivität groß, teuer und schwer

• Volumen und Kosten der drei 2QS-Stellerinduktivitäten geringer als einphasig

• Maximum an Einsparung von Leistungshalbleitern (7 statt 10 Transistoren)

• Hochsetzstellen:

  • T_8 ein: Aufmagnetisieren der Induktivitäten (orange)

  • T7a ein: Abmagnetisieren über C_1

  • T7b ein: Abmagnetisieren über C_2

• Bootstrap-Versorgung: alternierende Ansteuerung der Transistoren

• notwendig, um Spannungssignal von 3,3 V (Mikrocontroller) auf Pegel der Transistoren anzuheben

• galvanische Trennung

• ON: +15 V, OFF: 0 V, -5 V nicht möglich mit Bootstrap

• Totzeit: 1-2 μs bei IGBTs

• kann aus einem Sinussignal erzeugt werden, indem man den Sinus mit einem Trägersignal vergleicht (meist einem Dreieck- oder Sägezahnsignal)

• Trägersignal bestimmt die Schaltfrequenz

• Vergleich (Modulation) liefert:

  • Wenn der Sinus größer ist als das Trägersignal → Ausgang = HIGH

  • Wenn der Sinus kleiner ist → Ausgang = LOW

• Nach Tiefpassfilterung (im Motor) ergibt sich ein rekonstruiertes Sinussignal

• pro Brückenzweig einer B6-Brücke (ein Transistorpaar) ein Toleranzbandregler

• konstantes Drehmoment

1. Stator- und Rotormasche bestimmen

2. Flußverkettungen einsetzen

3. Transformation auf ein orthogonales System (Clarke)

4. Rotorflußorientierung durch den Faktor e^jγ(t) (Park)

5. Aufteilung in Real- und Imaginärteil liefert:

• Feststellungen:

  • U^ψ_P stellt die induzierte Spannung dar

  • die Erregerflussverkettung zeigt immer in d-Richtung

  • die d-Achse ist die reelle Achse des Koordinatensystems

  • die Polradspannung zeigt immer in q-Achsrichtung,

  • Polradspannung ~ Drehzahl n, Rotorstrom I_R

• Ständerspannung: U_S

• Polradspannung: U_P

• Polradwinkel: ϑ (Winkel zw. Polrad- und Ständerspannung)

• Phasenwinkel: φ (Winkel zw. Ständerspannung und -strom)

• Statorwiderstand R_S vernachlässigt (für große Maschinen)

• Übererregt:

  • Polradspannung ist größer als Statorspannung

  • aufgrund des Polradwinkels, eilt der Maschinenstrom der Maschinenspannung vor, verhält sich also wie ein Kondensator

• Untererregt:

  • induktiv

  • Strom eilt hinterher

• mit zunehmender Drehzahl steigt Polradspannung

  • bis max. U_DC möglich

• Feldschwächung:

  • Regelung auf max. Drehmoment wird verlassen zu Gunsten eines feldschwächenden Ständerstroms

  • Gefahr bei Ausschalten des Umrichters bei hohen Drehzahlen, dass hohe Polradspannung zur Zerstörung der Leistungshalbleiter führt

    • Möglichkeit zum dreiphasigem Kurzschluss, um Ständerspannung auf null zu ziehen -> hohe Kurzschlusströme

• Statorwiderstand R_S vernachlässigt (für große Maschinen)

• alles rotiert mit ω_S gegen den UZS

• Motorbetrieb (θ>0): Ständerspannung u_S zieht Polradspannung u_P hinter sich her

• Generatorbetrieb (θ<0): Polradspannung u_P vor Ständerspannung u_S in ω_S Richtung

• untererregt (φ>0): Spannung eilt Strom vor -> induktiv

• übererregt (φ<0): Strom eilt Spannung vor -> kapazitiv

• Feldorientierte Regelung, um drehmomentbildenden und feldbildenden Strom zu trennen

  • wie fremderregte GM

• aufgrund variabler Schaltfrequenz der Stromtoleranzbandregelung kommt es zu unangenehmer Akustik -> in Realität nur PWM-Regelung mit U-Umrichter eingesetzt

• Gestrichen ist die Vorsteuerung (unterstützt den PI-Regler)

• Feldorientierte Regelung, um drehmomentbildenden und feldbildenden Strom zu trennen

  • wie fremderregte GM

• Konstanter Ständerfluss

• Verschiebung der Kurve nach links und rechts anhand der Frequenz

  • Drehzahl und Schlupf variabel

• Steuerung ohne Regelung, zum Beispiel bei Lüftern

• Die Last (das Moment) sucht sich den Schlupf

Bei stationärem Betrieb der Asynchronmaschine sind:

• konstantes Drehmoment

• Fluss und Strom zueinander ortsfest

• und die zu regelnden Ströme reine Gleichgrößen

1. Drehung der Rotorgrößen um ω_m * t

2. Rotor-Maschenumlauf

1. Übersetzung einfügen:

• Feldorientierte Regelung, um drehmomentbildenden und feldbildenden Strom zu trennen

  • wie fremderregte GM

• Kennzeichen:

  • Verwendung von Spannung und Strom

• Parameterabhängigkeit:

  • Ständerwiderstand, vor allem bei kleiner Drehzahl ab

• Eigenschaften:

  • Sehr genau und unempfindlich bei Drehzahlen größer 10 % n_N

  • versagt bei Frequenz null

  • Kein Drehzahlsignal erforderlich

• Varianten:

  • Spannungssollwerte statt -Istwerte

  • Messung des Luftspaltflusses

• Probleme:

  • Temperaturabhängigkeit Ständerwiderstand (niedrige Drehzahlen)

  • niedrige Drehzahlen sind wegen der Integration problematisch

  • Kopplung der Regelkreise

  • Drehmomentberechnung

1. ψ_R-Orientierung: Drehung um -γ(t)

2. Maschenumlauf Rotor (αβ-System)

3. ω_μ = ω_m + ω_R ≈ ω_S (-> mit steigenden Drehzahlen ungenauer)

4. ψ_R-Orientierung: Drehung um -γ(t)

5. Maschenumlauf Stator (αβ-System)

• Feldorientierte Regelung, um drehmomentbildenden und feldbildenden Strom zu trennen

  • wie fremderregte GM

• Kennzeichen:

  • Verwendung von Drehzahl und Strom

• Parameterabhängigkeit:

  • Rotorwiderstand (temperaturabhängig)

  • Genauigkeit des Drehzahlistwerts

• Eigenschaften:

  • Verhalten unabhängig von der Frequenz

• Varianten:

  • Verwendung von Stromsoll- statt -Istwerten

  • Rotorlage statt Drehzahl

• Probleme:

  • Temperaturabhängigkeit Rotorwiderstand

  • Kopplung der Regelkreise

• DFO:

  • Temperaturabhängigkeit Ständerwiderstand (niedrige Drehzahlen)

  • niedrige Drehzahlen sind wegen der Integration problematisch

  • Kopplung der Regelkreise

  • Drehmomentberechnung

• IFO:

  • Temperaturabhängigkeit Rotorwiderstand

  • Kopplung der Regelkreise

• Möglichkeit zur Flußerfassung mittels kombinierter Modelle:

  • kleine Drehzahl: wie Strommodell (IFO)

  • hohe Drehzahl (n ≥ 0,1 n_N): wie Spannungsmodell (DFO) -> γ(t) genau

  • Kennzeichen:

    • Verwendung von Spannung, Strom und Drehzahl

  • Parameterabhängigkeit:

    • Rotorwiderstand (bei kleiner Drehzahl)

  • Eigenschaften:

    • gute Regelcharakteristik im gesamten Drehzahlbereich

    • entkoppelte Regelkreise (wie fremderregte GM)

    • Parameteradaption an die Regelstrecke

• kleine Drehzahl: wie Strommodell (IFO)

• hohe Drehzahl (n ≥ 0,1 n_N): wie Spannungsmodell (DFO) -> γ(t) genau

• Entkopplungsstruktur für Fluß- und Drehmomentregler notwendig

• Kennzeichen:

  • Verwendung von Spannung, Strom und Drehzahl

• Parameterabhängigkeit:

  • Rotorwiderstand (bei kleiner Drehzahl)

• Eigenschaften:

  • gute Regelcharakteristik im gesamten Drehzahlbereich

  • entkoppelte Regelkreise (wie fremderregte GM)

  • Parameteradaption an die Regelstrecke

• entkoppelte Regelkreise (wie fremderregte GM)

  • fremderregte GM: leicht realisierbare Drehmoment-Regelung durch:

    ▪ Trennung von Drehmoment- und Feld-Regelung,

    ▪ Erregerfluß und Ankerdurchflutung als ortsfeste Gleichgrößen

• Erster Obus 1882 von Werner von Siemens

• Blütezeit von 1940 bis 1970: ca. 70 Trolleybusbetriebe in Deutschland

• Heute: 3 Betriebe mit ca. 90 Fahrzeugen

• Lokal emissionsfrei

• Geringste Geräuschemissionen

• Leicht höherer Gesamtwirkungsgrad

• Niedrigere Investitionskosten als Straßenbahn

• Bessere Steigfähigkeit als Straßenbahn

• zweipolige Fahrleitung

• meist linke Fahrleitung Pluspol

• Fahrleitung dreifach isoliert

• Kurven müssen mit Schienen ausgeformt werden

• nicht nachgespannte Fahrleitung

• Fahrleitungsspannung meist 600 V

• Neue Netze mit 750 V

• Meist ist das Netz potentialfrei, in einigen Netzen ist Minuspol geerdet

• Diesel-Generator: Betrieb bei optimalem Wirkungsgrad

• Brennstoffzellen (FC)

  • Lebensdauer leidet bei Lastwechsel und bei geringer Leistungsabgabe

• Supercaps (DLC)

  • hoher Wirkungsgrad, Lebensdauer leidet bei hohen Temp.

• Batteriepacks

  • Wirkungsgrad technologieabhängig, Lebensdauer leidet bei hohen Temp. und tiefen Zyklen (hohe Entladetiefen)

• EMS-Ziele:

  • maximale Systemeffizienz

  • Maximierung der Komponentenlebensdauern

• DLC-Speicher → Leistung für Beschleunigung und Bremsrekuperation

• FC-Leistung → mittlere Fahrzeugverlustleistung (nahezu konstant)

• NiMH-Batterieleistung hängt ab von …

• Komponente erreicht Leistungsgrenze → nächst trägere Komponente übernimmt (DLC → NiMH → FC)

• Automatischer Betrieb mit reduzierter Performance bei Ausfall einer Komponente

-> moderate Belastung beider Energiespeicher

-> hohe Systemeffizienz

-> hohe Lebensdauer aller Traktionskomponenten insbes. der FC

• DLC-Speicher reagiert auf Lastwechsel hochdynamisch

  • DLC-Energie ist für die Beschleunigung allerdings nicht ausreichend

• Unterstützung durch NiMH-Batterie

  • gesteigerte Dynamik

  • marginale Erhöhung der Umladungsverluste

  • dynamische Lastwechsel werden vollständig von DSK-Speicher und NiMH-Batterie kompensiert

• nahezu konstante FC-Leistung

• Effizienz:

• Kosten:

• Die Fahrzyklen von Fahrzeugen des ÖPNVs sind durch häufiges Beschleunigen und Verzögern gekennzeichnet

• Bei konventionellen Fahrzeugen wie z. B. Dieselbussen kann die kinetische Energie des rollenden Fahrzeugs nicht zurückgewonnen werden

• Die Maximalleistung des Primärantriebsaggregates ist im Verhältnis zur mittleren Verlustleistung des Fahrzeugs recht hoch

• Das Primärantriebsaggregat arbeitet oft in Arbeitspunkten mit niedrigem Wirkungsgrad (Teillast)

• Das Gewicht des Fahrzeugs erfordert den Antrieb mehrerer Achsen

• mittlerer Drehzahlbereich mit hohem Drehmoment am effizientesten

• Lastpunktanhebung durch E-Maschine

• Beld-driven Integrated Starter Generator

• < 2 kW, 42 Nm (Start)

• Start-/Stoppfunktion

• Minimale Rekuperation

• Riemen-Starter-Generator vielleicht 50 % Wirkungsgrad (aufgrund der kleinen Dimensionierung)

• Beld-driven Integrated Starter Generator

• < 2 kW, 42 Nm (Start)

• Start-/Stoppfunktion

• Minimale Rekuperation

• 1,2 l Diesel-Motor (45 kW)

• Synchrongenerator (36 kW)

• Vorderachsantrieb mit 2 Asynchronmotoren (150 kWp)

• Nickel/Metallhydridbatterie NiMH (10 Ah; 75 kg) -> höhere Zyklenfestigkeit als Pb (250-300 Zyklen zu >1000 Zyklen)

• Start-/Stoppfunktion

• Rekuperation

• Vorteile des Serienhybridantriebs:

  • Rückgewinnung der Bremsenergie

  • Start-/Stoppfunktion

  • rein elektrischer Betrieb

  • Gute Fahrdynamik durch elektrische Traktion (keine Schaltvorgänge etc.)

  • Reduktion der installierten Verbrennungsmotorleistung

  • Effizienzsteigerung durch optimierten Betrieb des Verbrennungsmotors (Entkopplung der Motordrehzahl von der Fahrzeuggeschwindigkeit)

• Nachteile des Serienhybridantriebs:

  • Höheres Fahrzeuggewicht

  • Höhere Herstellungskosten

  • Niedrigerer Wirkungsgrad des Antriebsstranges

• Hybridbus aufgrund des Fahrprofils (häufiges Beschleunigen und Abbremsen)

  • Nutzung der Rekuperation

  • Lastpunktanhebung des Verbrennungsmotors in höhere Effizienzen

  • Kleinerer Verbrennungsmotor nötig

• Mild-Hybrid:

-> rein elektrischer Betrieb mit hohen Verlusten verbunden (sofern keine zusätzliche Ventilsteuerung verbaut, VW Käfer Mild-Hybrid Projekt: 1 kW Mitnahmeleistung für Verbrenner aufgewendet)

-> hauptsächlich Boost-Betrieb

• Full-Hybrid:

• Vorteile:

  • Elektromotor und Batterie sind beliebig dimensionierbar

  • leichte Fahrzeugintegration

  • wenige Zusatzkomponenten, kostengünstigste Lösung

  • großes Traktionsdrehmoment

  • rein elektrischer Betrieb

  • Rekuperation, Start-/Stoppfunktion

  • eingeschränkte Möglichkeit, die Verbrennungsmaschine mit verbessertem Wirkungsgrad zu betreiben

• Nachteile:

  • keine Entkopplung der Verbrennungsmaschine von der Fahrdynamik

• Lastpunktanhebung durch Zylinderabschaltung möglich

• Betriebsstrategie:

• Serielle Regeneration effizienter

• auch leistungsverzweigter Hybrid

Vorteile:

• Rückgewinnung der Bremsenergie

• Start-/Stoppfunktion

• rein elektrischer Betrieb

• Vorteile des Serien- und des Parallelhybridantriebs

• Reduktion der installierten Verbrennungsmotorleistung

• Effizienzsteigerung durch optimierten Betrieb des Verbrennungsmotors (Entkopplung der Motordrehzahl von der Fahrzeuggeschwindigkeit)

Nachteile:

• komplexe Getriebestruktur

• höhere Herstellungskosten

• Splithybridantrieb

• Starter ist Reihenschlussmaschine -> großes Losbrechmoment

  • Drehmoment ist proportional zum Quadrat des Stroms

  • da Spannung anliegt, aber die Gegen-EMK = 0 ist, fließt hoher Strom

• Generator ist Nebenschlussmaschine -> geeignet für Dauerbetrieb bei variabler Drehzahl

  • konstante Drehzahl-Spannungs-Kennlinie (stabilen Bordspannung trotz Drehzahlschwankungen)

  • Erregerwicklung sieht konstante Spannung → kosntanter Erregerstrom

• Downspeeding: Hochschalten -> Reduzierung der Motordrehzahl bei hohem Drehmoment, Verschiebung auf Geschwindigkeitskennlinie zu höheren Effizienzen

• E-Maschine: Senkrechte Lastpunktanhebung möglich

• Zwischenrotor (blau):

  • Enthält Permanentmagnete innen und außen

  • Wird von zwei permanent erregten Synchronmaschinen genutzt

• Zwei Maschinen:

  • Innere Maschine: drehzahlgeregelt, arbeitet generatorisch → bremst Verbrenner ab

  • Äußere Maschine: kann als Motor für Vortrieb oder Rekuperation genutzt werden

• Leistungsfluss:

  • Generatorisch erzeugte Energie geht über Schleifringe in die Batterie

  • Split-Hybrid-Prinzip (50:50) wie beim Toyota Prius

• Boosten:

  • Drehmomente beider Maschinen addieren sich

• Reiner Elektrobetrieb:

  • ICE (Verbrennungsmotor) kann abgeschaltet werden

  • Alle Achsen drehen wie beim Prius → gleiche Systemcharakteristik

• Nachteile:

  • Größere Maschinen notwendig, da kein separates Getriebe wie beim Prius vorhanden

• Electric Variable Transmission (EVT):

  • ähnliches Konzept, aber mit Asynchronmaschine

  • Funktioniert grundsätzlich, aber weniger effizient

• Rückgang der arktischen Eisbedeckung

• Alle kontinentalen Gletscher schrumpfen

• Erwärmung und Versauerung der Ozeane

  • Kalkbildende Organismen (Muscheln, Korallen) „leiden“

• Anstieg des Meeresspiegels (ca. 20 cm seit 1900)

• Wetterextrema nehmen zu: Starkregen, Dürreperioden

• Verschiebung der Klimazonen

Pflichten für Deutschland (2°C-Ziel):

• Aktuelles Soll: 2,5 tCO2e pro Jahr und Kopf

  • (Tatsächlich 8,16 tCO2e, Stand 2021)

• Bis 2050: 1,0 tCO2e

• Bis 2100: „Netto-Null“-Emissionen

• Treibhausgasemissionen in Deutschland: 762 Mio. tCO2e

• Verkehr (lila):

  • 148 Mio. tCO2e

  • PKW (60 %): 87 Mio. tCO2e

• Juni 2020:

  • ca. 100.000 PHEV

  • ca. 130.000 BEV

• Juni 2024:

  • ca. 580.000 PHEV

  • ca. 610.000 BEV

• Bundezuschuss: 4,6 Mrd. € (6,9 Mrd. € mit Industrieanteil)

• Fahrzeugherstellung: ca. 8 tCO2e

• Batterieherstellung: ca. 125 .. 75 kg/kWh

TODO

• Batterie und Fahrzeug sollten so klein wie möglich und der Strom so grün wie möglich sein!

• Studien aus den Jahren 2009 bis 2015 kommen zu dem Schluss, dass ausreichend Rohstoffe wie Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan und Graphit vorhanden sind, aber:

  • deren „Bereitstellung“ birgt Konfliktpotential:

  • Kobalt (70 % DR Kongo)

  • Lithium (52 % Australien (Erzbergbau), Chile 22 % (Salzwüste), Bolivien (zukünftig))

  • Seltene Erden (<90 % China)

  • Kupfer (28 % Chile, Peru, DR Kongo)

• Es bedarf des Einstiegs in eine Kreislaufwirtschaft (Zirkuläre Wertschöpfung)

  • Recyclingquote für Lithium: 10 % 2030, 40 % (2050)

  • Recyclingquote für Kupfer: <20 % 2023

Einsparungen durch das 9€-Ticket: 1,8 Mio. t CO2e (7,2 Mio. t CO2e /a)!

„Theoretische“ Einsparungen durch ein Tempolimit:

• 1,9 Mio. t CO2e (130 km/h)

• 2,6 Mio. t CO2e (120 km/h)

• 5,4 Mio. t CO2e (100 km/h)

„Theoretische“ Einsparungen durch Halbierung des dt. Fleischkonsums: 7,3 Mio. t CO2e

• Vorteile:

  • Mechanisch robust

  • Keine Permanentmagnete

  • Kostengünstig, umweltfreundlich

  • Hohe Anzahl an Freiheitsgraden

  • Effizient

  • Kein Rastmoment

  • Hohe Redundanz und Sicherheit

  • „Zukunftssicher“ -> Unabhängigkeit von anderen Staaten in Bezug auf Ressourcenbeschaffung

  • Möglichkeit zur Nachrüstung (Retrofit)

  • Bauraumneutralität

• Nachteile:

  • Geringes Leistungsgewicht

  • Aufwendige Leistungselektronik

  • Akustik & Vibrationen

• Rotor: Aus laminiertem Eisen, ohne Wicklungen oder Magnete

• Stator: Enthält einzeln ansteuerbare phasenweise Wicklungen

• Durch gezieltes Ein- und Ausschalten der Statorwicklungen wird ein rotierendes Drehmoment erzeugt.

• Aufmagnetisieren (rot markierter Strompfad):

  • Schalter S_A1​ wird geschlossen

  • Strom I(t) fließt aus dem DC-Zwischenkreis durch S_A1​, durch die aktive Wicklung der SRM, zurück zur unteren Versorgungsschiene

  • Die Wicklung wird aufmagnetisiert → Drehmoment entsteht

• Abmagnetisieren (grün markierter Strompfad):

  • SA1 wird geöffnet, und S_Dump​ geschlossen

  • Die gespeicherte Energie in der Wicklungsinduktivität fließt über die Freilaufdiode D_A2​ in den Kondensator C_Dump

  • Das Magnetfeld der Wicklung kollabiert → Energie wird nicht in der Wicklung "verbraten", sondern umgeleitet

• Blauer Bereich: Energiemanagement (Dump-Energiepfad):

  • Dump-Kondensator C_Dump erhöht Spannung über mehrere Magnetisierungsphasen der 5 Induktivitäten auf >350 V (U_DC= 48 V)

  • Über den Schalter S_TSS​ kann diese Energie:

    • wiederverwendet werden (Rückführung)

    • in einen Widerstand "verbrannt" werden (z. B. zur Schutzmaßnahme)

    • oder ggf. zurück in den Zwischenkreis/Batterie gespeist werden, wenn der Stromkreis das erlaubt

• geringe Energiedichte (5,52 Wh/kg)

• hohe Leistung (13.800 W/kg)

• Sehr hoher Preis (10.000 … 20.000 €/kWh)

• Anwendung bei Start/Stopp-Systemen (Micro-Hybrid) oder als Speicher bei Boost-Antrieben

• Eignung im Elektrofahrzeug nur als „Hybridspeicher“

• nur wenige Anbieter

• geringe Energiedichte (30 - 50 Wh/kg, Zelle/Gehäuse vernachlässigt)

• geringe Leistung (150 - 300 W/kg)

• geringe Zyklenfestigkeit (< 1000)

• niedriger Preis

• hohe Recycling-Quote (> 90 %)

• Herstellungskosten für Bleibatterie liegen strukturell bei nur etwa 1/5 gegenüber Li-Ionen-Batterien (ca. 50 €/kWh)

• Anwendung als Bordnetzbatterie (< 400 Vollzyklen) im Kfz „scheint“ zu bleiben (auch bei Start/Stopp-Systemen) -> geringer Innenwiderstand, Wirkunsgrad >= 90 %

• Viele weiter, auch neue Produkte sind auf dem Markt (UPS, kleine Elektro-Transporter)

• Eignung im Elektrofahrzeug wegen des Gewichts nur sehr „bedingt“

• SOC und SOH nicht 100 % genau bestimmbar durch I-/U-Messungen

• I-/U-Ladeverfahren fälschlicherweise für Pb-Batterien angenommen

  • aber auch schnellladefähig

• schnelle Entladung (> 1C) führt zu Ausschluss von Segmenten und zur Reduzierung der Kapazität

  • reversibler Vorgang

• NiMH war bei Toyota (Prius) die wichtigste Technologie in Hybridfahrzeugen (ausgereift, sicher)

• steigender Absatz bis 2012 trotz geringem Potential für weitere Kostensenkung und Energiedichteerhöhung

• Energiedichte (60 – 80 Wh/kg)

• Leistungsdichte (<1000 W/kg)

• Wirkungsgrad 70 … 80 % -> hoher Innenwiderstand

• Verkaufpreis: 700 €/kWh

• Leistung sinkt mit sinkender Temperatur (bei -10 °C bereits schlechter als Blei)

• Ladeeffizienz oberhalb von 50 °C ist schlecht

• Zyklenlebensdauer: 200.000 Zyklen (entspricht 2000 Vollzyklen) bei 5 % Depth of Discharge (DOD) (45°C)

  • max. 20 % DOD bei Prius

• Hersteller versprechen Lebensdauern von 7 – 10 Jahren

• thermisches Management notwendig

• kein thermal runaway möglich

• Energiedichte (100 Wh/kg)

• Leistungsdichte (100 W/kg)

• Verkaufpreis: ca. 500 €/kWh

• hohe Betriebstemperatur (300 °C, P_V = 100 W -> konstant)

• suboptimal für Privat-PKW, (gut) einsetzbar bei Flotten

• Produktionskapazitäten gering (nur 1 Hersteller)

• thermisches Management notwendig

• erste Serienausstattung im Mercedes S400 Hybrid (2009)

• Leistungsdichte bei tiefen Temperaturen sehr schwach

• Sehr hoher Wirkungsgrad

• Thermisches Management, sowie Zellspannungsüberwachung notwendig

• optimal für Elektrofahrzeuge

• Verkaufspreis: < 150 … 300 €/kWh

• Rundzelle

  • hohe Erfahrungswerte

  • hohe Lebensdauer

  • schlecht kühlbar

• „Coffee bag“-Zelle

  • hohe Energiedichte

  • Dichtheit problematisch

  • Sehr gut kühlbar

• Prismatische Zelle

  • einfacher Verbau

  • z. B. EX-L314

    • 5,34 kg

    • 3,2 V

    • +- 300 A

    • 3000 Vollzyklen

    • 15 a Garantie

• Durch Überladung oder mech. Überbeanspruchung einer Lithium-Polymer Zelle entsteht der Thermal Runaway, eine Kettenreaktion, die nicht mehr zu stoppen ist

• Zelle birgt Sauerstoff zur Verbrennung selbst → keine Möglichkeit mit Wasser zu löschen

• Nur Kühlung noch nicht „infizierter“ Zellen

• Eindämmern mit Sand im Brandfall

• resultiert aus Zellchemie, ohne BMS

• bei niedrigen Temp. sinkt Kapazität

• Kurve sinkt nur geringfügig ab bei hohen Entladeraten -> eignet sich gut für hoh Leistungen

• LiFePO4 (grün): Schwierigkeit der SOC-Bestimmung über Zellspannung aufgrund des langen Plateaus

• Bedingt durch den Innenwiderstand der Zelle ist die Zellspannung beim Laden höher als die Nominalspannung und beim Entladen niedriger als die Nominalspannung

• Der Innenwiderstand beim Laden einer Zelle ist ca. 2-3x so groß wie beim Entladen, Separator ist auf Entladung optimiert (deswegen Ladeströme geringer als Entladeströme)

• Eingeschlossene Fläche ergibt die Verlustleistung der Zelle, die mittels Wärme abgeführt werden muss

• Überwachung (Monitoring) von:

  • Zellspannung

  • Zelltemperatur

  • Batteriestrom -> SOC, Begrenzung

• Thermisches Management

• stark verlustbehaftet

• Wärmeverlustleistung muss gekühlt werden

• S1, S2, S3: MOSFETs

• 1. Energieentnahme aus Zelle B1​:

  • Schalter S_1 wird geschlossen

  • Strom I_1 fließt aus Zelle B_1​ über Induktivität L

  • Energie wird kurzfristig in der Spule gespeichert

• 2. Energieübertragung zu Zelle B_2​:

  • Schalter S_1 wird geöffnet, und S_4​ (zu B_2​) wird geschlossen

  • Durch die gespeicherte Energie in L fließt Strom über Diode D_4 in Zelle B_2

• effizienter, um zwischen weit entfernten Zellen Ladungen auszutauschen

1. Laden der Induktivität (von einer Zelle mit höherer Spannung):

   • Wenn Zelle B1​ eine höhere Spannung als B2​ hat, würde der Controller einen Schalter schließen, um L1​ mit B1​ zu verbinden

   • Strom fließt von B1​ durch L1​, und die Induktivität speichert Energie, der Strom in der Induktivität steigt linear an

2. Entladen der Induktivität (zu einer Zelle mit niedrigerer Spannung):

   • Sobald die Induktivität ausreichend Energie gespeichert hat, wird der Schalter, der sie mit B1​ verbindet, geöffnet

   • Anschließend wird ein anderer Schalter geschlossen, um L1​ mit B2​ zu verbinden

   • Die Induktivität entlädt ihre gespeicherte Energie in B2​, wodurch Strom in B2​ fließt und dessen Spannung ansteigt, der Strom in der Induktivität nimmt linear ab

• separate Induktivitäten für jedes Zellpaar

• S1, S1’ alternierend

• höherer Wirkungsgrad

• Unsymmetrien möglich durch Messfehler

• auch Flyback Converter

• Speichertransformator:

  • Primärwicklung

  • mehrere Sekundärwicklungen (für jede Batteriezelle (B1​ bis Bn​))

  • Die Punkte an den Wicklungen zeigen die Wicklungspolarität an

    
    

1. Energieaufnahme / Laden des Speichertransformators (Schalter S geschlossen)

   • Sperren der Sekundärseite: Aufgrund der Wicklungspolarität (Punkte) und des Induktionsgesetzes wird an den Sekundärwicklungen eine Spannung induziert, die die Dioden (D1​ bis Dn​) in Sperrrichtung vorspannt, das bedeutet, es fließt in dieser Phase kein Strom zu den Batteriezellen

2. Energieabgabe / Entladen des Speichertransformators (Schalter S ist geöffnet)

   • Umpolung der Sekundärspannungen: Wenn der Strom in der Primärwicklung zusammenbricht, kehrt sich die Polarität der induzierten Spannungen in den Sekundärwicklungen schlagartig um -> Dioden werden leitend

• Aufholen "schwacher" Zellen: Wenn eine oder mehrere Zellen eine niedrigere Spannung als der Durchschnitt haben, wird ihnen in der Entladephase Energie zugeführt, bis sie das angestrebte Spannungsniveau erreichen

• Nicht für "von Zelle zu Zelle" Ausgleich: Konfiguration dient primär dazu, Energie von einer zentralen Quelle an alle Zellen zu verteilen

• Vorteile:

  • Galvanische Trennung -> Sicherheit

  • Gleichzeitige Zufuhr: Schnellerer Balancing-Prozess

• Bidirektionalität: Ermöglicht den Energiefluss in beide Richtungen zwischen benachbarten Zellen (z. B. von B1​ zu B2​ und umgekehrt), um Ungleichgewichte auszugleichen

• Energieübertragung: Die Energie wird schrittweise über eine Induktivität in einen Kondensator geladen und dann von diesem Kondensator über eine weitere Induktivität in die Zielzelle entladen

• Resonanznutzung (Weichschalten): Das Design zielt darauf ab, die Schalter bei Nulldurchgängen von Spannung oder Strom (Zero Voltage Switching - ZVS / Zero Current Switching - ZCS) zu betreiben -> minimiert Schaltverluste, erhöht die Effizienz und ermöglicht höhere Schaltfrequenzen

• Hohe Effizienz: Potenziell sehr hohe Effizienz (oft über 90 %) durch die Nutzung von Resonanzeffekten und die aktive Übertragung

• Geringe Stromwelligkeit: Kann zu einer geringen Stromwelligkeit an den Zellen führen, was vorteilhaft für die Zelllebensdauer ist

• Komplexität: Erfordert eine komplexere Steuerung und mehr Komponenten (mehr Induktivitäten, Kondensatoren und Schalter) im Vergleich zu einfacheren induktiven Methoden

• "Zelle-zu-Zelle" Ausgleich: Besonders geeignet für den direkten Energieaustausch zwischen benachbarten Zellen im seriellen Strang

• Zentraler Kondensator (Flying Capacitor)

• Der Kondensator wird sequenziell an eine hochgespannte Zelle angeschlossen, lädt sich auf deren Niveau auf, und wird dann an eine niedriggespannte Zelle angeschlossen, um sich in diese zu entladen

• kompaktes Design möglich

• benötigt viele Komponenten

• kann zu Stromspitzen führen

• große Zeitkonstanten -> Zellspannungsgleichheit nur asymptotisch auf unendliche Zeit erreichbar

• separate Kondensatoren für jedes Zellpaar

• Kondensator lädt sich von der höheren benachbarten Zelle auf und entlädt sich in die niedrigere benachbarte Zelle

• modulare Bauweise

• direkter Zell-zu-Zell-Transfer

• keine Sensorik notwendig

• große Zeitkonstanten -> Zellspannungsgleichheit nur asymptotisch auf unendliche Zeit erreichbar

• potenzielle Stromspitzen

• benötigt viele Komponenten

• Mechanische Speicherung von kinetischer Energie

• 2004:

  • 4 kWh / 300 kW

  • Ø780 x 450 mm

  • 375 kg

  • 15000 U/min

• Drehzahl immer besser als Trägheit/Masse, da es quadratisch in Energie eingeht

• Diagramm zum Energiespeichervergleich

• Dieselkraftstoff: 11.800 Wh/kg (Heizwert)

• Superbenzin: 12.000 Wh/kg (Heizwert)

• Wasserstoff: 37.000 Wh/kg

• Bsp. Oktan (repräsentativ für Superbenzin): C8H18 + 25/2 O2 -> 8 CO2 + 9 H2O

  • Sowohl Edukte (Sauerstoff) als auch Produkte (Kohlenstoffdioxid und Wasser) müssen im Verbrenner nicht mitgeschleppt werden

  • Vergleich zu Batterien (die sowohl Edukte als auch Produkte beibehalten) nicht ganz verhältnismäßig