11. Begründen Sie kurz die Ursachen der Energieverluste in der Wirkungsgradkette! Welchen zusätzlichen Nachteil (neben der Verringerung der Reichweite) haben geringe Wirkungsgrade der Komponenten?
Verluste in Batterien: z.B. entstehende Wärmeleistung durch die Reaktionswärme der Hauptreaktion, der Verbrauch von Aktivmaterial bei Nebenreaktionen, die Wärmeleistung durch die Verlustreaktionen, die Wärmeabgabeleistung durch Strahlung oder Konvektion sowie Verlustströme bei der Selbstentladung
Spannungswandlung: z.B. Übertragungsverluste in den Spulen und Leitungs- sowie Schaltverluste in den Leitungen und Halbleitern
Rekuperation von Bremsenergie: mechanische Verluste vom Rad bis zur Eingangswelle des Generators sowie elektrische Verluste im Generator (Eisen-, Kupferverluste, Reibung usw.) und Pulswechselrichter (Schalt-, Leitungsverluste)
Verteilung elektrischer Energie: Leitungsverluste durch Spannungsabfälle in den Kabeln, Steckern usw.
Geringe Wirkungsgrade in Leitungen und Komponenten führen zur Erwärmung der Komponenten/Leitungen und damit zu erhöhten Kühlungsanforderungen.
13. Klassifizieren Sie die Lenksysteme EPS (elektromechanisches Lenkungssystem), HPS (hydraulisches Lenkungssystem) und EHPS (elektrohydraulisches Lenkungssystem) quantitativ bezüglich ihrer Leistungsaufnahme im Fahrbetrieb! Bringen Sie die Lenksysteme dabei in die richtige Reihenfolge, d.h. PSystem1 < PSystem2 < PSystem3, wobei System x jeweils für EPS, HPS oder EHPS stehen kann!
PEPS < PEHPS < PHPS
14. Ist das Lenkunterstützungsmoment bei einer sportlichen Abstimmung höher oder geringer als bei einer Komfortabstimmung?
Die Unterstützung ist geringer, d.h. die manuell vom Fahrer aufzubringende Kraft ist bei gleichem Lenkmoment an der Zahnstange, größer
15.Bei einem Kleinwagen soll eine elektromechanische Lenkung zum Einsatz kommen. Als Varianten stehen eine Column EPS oder eine achsparallele EPS zur Verfügung. Welche Variante ist zu bevorzugen? Begründen Sie Ihre Antwort!
Column EPS, da sie bei ausreichender Lenkunterstützung kostengünstiger ist.
17. Welche technischen Modifikationen am Bremssystem sind vorzunehmen, um die volle Rekuperationsleistung zu ermöglichen?
a) keine, wenn Rekuperation über Gaspedal ausgelegt
b) Pedalwertsimulation oder Volumenverblendung, wenn Realisierung über serielle Rekuperation
18. Erläutern Sie den Unterschied zwischen paralleler und serieller Rekuperation! Welche dieser Möglichkeiten lässt sich mit geringerem Aufwand im Fahrzeug realisieren? Begründen Sie Ihre Antwort!
Bei der parallelen Rekuperation wird gleichzeitig mechanisch und elektrisch gebremst.
Das Verzögerungsmoment des Generators erhöht sich parallel zum mechanischen Bremsmoment.
Bei der seriellen Rekuperation wird solange rein elektrisch gebremst, solange der Generator das Bremsmoment realisieren kann.
Erst wenn die Rekuperationsleistung die Leistung des Generators übersteigt, wird zusätzlich mechanisch gebremst.
Parallele Rekuperation, da dann keine Eingriffe ins Bremssystem zur Pedalwertsimulation gemacht werden müssten. Nachteil wäre dann aber ein verändertes Fahrgefühl, da beim Loslassen des Gaspedals das volle Rekuperationsmoment anliegen würde. Segeln oder Schubbetrieb – wie vom VKM-Fahrzeug gewohnt - wäre dann nur mit (leicht) betätigtem Gaspedal umsetzbar. Diesen Punkt zu treffen, ist aber deutlich schwerer, als beim Loslassen des Gaspedals und erfordert eine Adaption des Fahrers an das geänderte Fahrverhalten.
20. Warum ist ein Antrieb der Nebenaggregate über Riemen analog zum VKM-Fahrzeug nicht sinnvoll?
aufgrund langer Wirkungsgradketten ist die Effizienz der Nutzung der rückgewonnenen Energie zu gering
Der Wirkungsgrad des Antriebsmotors würde zudem sinken, wenn die Nebenaggregate permanent – d.h. auch wenn sie nicht benötigt werden – mit dem Antrieb verbunden wäre. Damit wäre sie zu erzielende Reichweite in Verbindung mit dem geringeren Energievorrat gegenüber VKM-Fahrzeugen zu gering
21. Warum ist eine Optimierung der Nebenaggregate auch für VKM-Fahrzeuge sinnvoll? Wie können Elektro- und Hybridfahrzeuge davon profitieren?
Weil durch die Optimierung der Nebenaggregate in VKM-Fahrzeugen signifikante Verbrauchseinsparungen möglich sind.
Elektro- und Hybridfahrzeuge können dabei von den Skaleneffekten vorhandener und in Serie befindlicher Komponenten profitieren, was den Entwicklungsaufwand und die Teilepreise drastisch senkt.
22. Was sind die Nachteile einer Pedalwertsimulation im hydraulischen System?
Bei Verwendung Niederdruck-Speicher: Zusätzlicher Bauraumbedarf/Kosten durch Niederdruckspeicher, hohe Komplexität zur Gewährleistung von Rückfallebenen.
Bei Verwendung Hochdruckspeicher: Zusätzlicher Bauraumbedarf/Kosten durch Hochdruckspeicher und Hochdruckpumpe, Laufgeräusche der Hochdruckpumpe bei VKM aus, Kopplung an ABS-/ESP-Funktionalität/Hersteller
23. Nennen Sie mindestens 2 Gründe für den relativ schlechten Wirkungsgrad derzeitiger Generatoren in VKM-Fahrzeugen?
Komponenten stark Kosten-getrieben,
Abdeckung eines großen Drehzahlbereiches (der VKM)
meist im Teillastbetrieb (dort geringe Wirkungsgrade) aktiv
Auslegung auf Lebensdauer/Robustheit
24. Warum werden in VKM-Fahrzeugen 2 getrennte E-Maschinen für Starter und Generator verwendet?
Komponenten stark Kosten-getrieben
Auslegung auf hohes Moment (Starter) und hohe Leistung/Effizienz (Generator) schwierig bzw. Kompromissen unterworfen
unterschiedliche Drehzahlen für beide Anwendungen usw. => Kosten für beide Komponenten günstiger als Einzellösung
25. Was sind die (Haupt-)Auslegungskriterien für Starter- und Generatoren in VKM-Fahrzeugen?
Hohes Moment für Kaltstartfähigkeit der VKM(Starter) und hohe Leistung/Effizienz (Generator)
Lebensdauer
Robustheit
Bauraumbedarf
Kosten, usw. (beide)
26. Was ist bei der Auslegung von Startern für einen Start-Stopp-Betrieb des Fahrzeuges zu beachten?
deutlich höhere Anzahl an Startvorgängen im Start-Stopp-Betrieb -> Lebensdauer
27. Erläutern sie die Unterschiede für Drehzahl- und Momenten-geführten Start der VKM im Start-Stopp-Betrieb!
Drehzahlgeführten Start
Drehzahlgeführter Start
- Auslöser ist typischerweise ein Fahrzeugsystem
- Startdauer steht hinter der Unmerklichkeit des Vorgangs zurück
- höchste Priorität auf Komfort
- EM beschleunigt VKM auf Leerlaufdrehzahl, parallel wird Saugrohr durch Schließen der Drosselklappe evakuiert
- Zünden der VKM: erste Verbrennungen mit sehr geringer Einspritzmenge und spätem Zündzeitpunkt
- Vermeidung von Drehzahlüberschwingen durch das einsetzende Verbrennungsmoment
- leichte Drehzahlschwankung kann zusätzlich von EM eingebremst werde
Momentengeführten Start
Drehmomentgeführter Start
- Auslöser ist typischerweise der Fahrer
- Startdauer muss minimal sein, während das Zuschalten des VKM merklich sein darf, solange es subjektiv dem Vortrieb dient
- EM liefert maximale Unterstützung während des gesamten VKM-Hochlaufs und liefert je nach Auslegung des Systems auch zusätzliches Drehmoment auf die Kurbelwelle (boosten)
- VKM erhält Einspritzfreigabe bei voll geöffneter Drosselklappe bereits für den ersten Zylinder, der in die Kompression geht.
- nachdem der sichere VKM-Betrieb erkannt ist, wird die Drosselklappe je nach Fahrervorgabe gestellt und das gewünschte Drehmoment am Getriebeeingang zur Verfügung gestellt
28. Welche reale Situation könnte einen Momenten-geführten Start erfordern?
„Ampelstart“
Anforderung für schnelle Fahrzeugbeschleunigung
29. Was ist unter gesteuerter Lastzuschaltung des Generators zu verstehen? Wann ist diese Funktion erforderlich?
Load - Response Start (LRS)
Verhinderung der Stromabgabe während und unmittelbar nach Motorstart (kein bremsendes Moment des Generators)
Load - Respoonse Fahrt (LRF)
Entkopplung des steilen Drehmomentanstieg des Generators bei elektrischen Laständerungen vom Antriebsmotor
30. Quantifizieren Sie die Größenverhältnisse der von Starter-Motor aufzubringenden Momente (<,>,=) in den Ausführungen (Starter-Motor [SM], Riemen-Starter-Generator [RSG] und Integrierter-Starter-Generator [ISG]! Begründen Sie Ihre Antwort!
MSM < MRSG < MISG
Übersetzung Startermotor hoch (Ritzel/Schwungrad), Übersetzung RSG mittel (Übersetzung durch unterschiedliche Durchmesser der Riemenräder am Nebentrieb), keine Übersetzung bei ISG, da dieser direkt auf die Kurbelwelle wirkt, Moment muss daher voll vom ISG aufgebracht werden.
31.Was sind die Vor- und Nachteile eines Riemen-Starter-Generators im Vergleich zum Integrierten-Starter-Generator?
Vorteile des Riemen-Starter-Generators gegenüber Integrierten-Starter-Generator:
+ Kosten
+ Bauraumbedarf
+ Flexibilität in der Positionierung im Riementrieb
+ Übersetzungsverhältnis ermöglicht kleine Bauform
Nachteile des Riemen-Starter-Generators gegenüber Integrierten-Starter-Generator:
- Verluste durch Drehmomentübertragung über Riementrieb
- Grenzen der Kraftübertragung über den Riemen
- Gewährleistung der Kaltstartfähigkeit
Verschleiß (des Riemens)
33. Obwohl die Redundanz der Startmöglichkeiten nicht zwingend notwendig wäre, ist diese Konfiguration in verschiedenen Serienanwendungen zu finden. Was sind Vor- und Nachteile einer solchen Konfiguration gegenüber einem reinen P2-Hybriden ohne zusätzlichen Startermotor?
Vorteile:
- VKM-Start auch bei defektem HV-System (Vermeidung Liegenbleiber)
- bessere Kaltstartfähigkeit
- höhere Freiheitsgrade bei Auslegung der Traktions-EM
Nachteile:
- Kosten
- Bauraum
34.Was sind die Auslegungskriterien bei der Komponentenkühlung im Elektro- und Hybridfahrzeug?
- Verlustleistung
- Kühlmedium (Luft, Wasser, Öl etc.)
- Volumenstrom des Kühlmediums
- (Vorlauf-)Temperatur des (flüssigen) Kühlmediums
35. Warum kann die Verwendung mehrerer Kühlkreise sinnvoll bzw. notwendig sein?
- ggf. kann ein Kühlkreislauf nicht die gesamte Verlustwärme abtransportieren
- unterschiedliche Betriebsbereiche der einzelnen Komponenten
36. Wie sollten die Komponenten im Kühlkreis eines Elektrofahrzeuges angeordnet werden, wenn nur ein Kühlkreis verwendet wird?
Natürlich wäre es für alle Komponenten sinnvoll, als erstes mit dem (kalten) Kühlmittel versorgt zu werden. Bei einem Kühlkreis muss daher ein Kompromiss gefunden werden. Dieser wird normalerweise (Bauraumbedingt sind Abweichungen möglich) anhand der Betriebstemperaturen der Komponenten vorgegeben, d.h. Batterie -> LE -> EM (-> VKM)
37. Was ist die Schwierigkeit bei der Kühlung von E-Maschinen?
- Stellen der höchsten Wärmeentwicklung (Wickelköpfe) sind nur schwer zugänglich
- hohe Wärmeisolation zwischen Blechpaket (gut zugänglich) und Kupferwicklungen
37.Welche Folgen können bei der Überhitzung einer PSM auftreten?
- Entmagnetisierung der Permanentmagneten
37.Wie kann die E-Maschine geschützt werden, wenn keine Erhöhung der Kühlleistung möglich ist?
- Derating (Leistungsbegrenzung/-reduzierung) der E-Maschine
38. Warum wird bei der Montage von LE-Komponenten auf den Kühlkörpern Wärmeleitpaste verwendet? Wie sollte diese aufgetragen werden (dick/dünn)? Begründen Sie Ihre Antworten
- um Lufteinschlüsse zwischen Kühlkörper und LE-Halbleiter zu verhindern -> schlechte Wärmeleitung
- dünnes Auftragen, um Luftblasenbildung in der Wärmeleitpaste zu verhindern
- dünnes Auftragen, da Wärmeleitpaste i.a. geringere Wärmeleitung als Kühlkörper selbst hat
40.Welche Möglichkeiten der Kühlung von Batteriezellen gibt es?
41. Wenn sowohl direkte Luft- als auch Wasserkühlung die Kühlungsanforderungen der Batterie erfüllen würden, was wäre aus energetischen Gesichtspunkten (im Sinne der Reichweitenmaximierung) vorzuziehen?
Luftkühlung, da geringerer Energiebedarf für Kühlung
41.Warum könnte es trotzdem sinnvoll sein, die Kühlung mit dem höheren (Kühl-) Energiebedarf einzusetzen?
Für die Lebensdaueranforderungen der Batterie könnte eine höhere Kühlleistung der Batterie durch Wasserkühlung sinnvoll sein
42. Seit 2011 dürfen keine Treibhausgase mehr in Klimaanlagen verwendet werden. Damit muss das bisherige Kältemittel R134a ersetzt werden. Favoriten für den Ersatz sind R744 (Kohlendioxyd) und HFO-1234yf (Tetrafluorpropen). Was ist der größte Nachteil beim Einsatz von R744 in Kfz-Klimaanlagen
Durch das höhere Druckniveau beim Einsatz von CO2 als Kühlmittel, können vorhandene Kühlsysteme nicht mehr verwendet werden, d.h. hohe Entwicklungskosten für den Umstieg und Skaleneffekte der Teilekosten erst nach Großserieneinsatz
43. Was muss beim Einsatz von Start-Stopp-Funktionen bezüglich der Klimatisierung des Innenraumes beachtet werden?
Die Klimatisierung des Innenraumes sollte auch bei VKM aus möglich sein, um StartStopp-Funktion für den Kunden/Fahrer im realen Fahrbetrieb erlebbar zu machen und entsprechende Verbrauchsvorteile zu erzielen (auch wenn diese nicht Zyklus-relevant sind). Hierfür sind ggf. zusätzliche Komponenten erforderlich.
45. Für welche Fahrzustände und Funktionen ist die Zusatzheizung erforderlich?
Kaltstart der VKM bei niedrigen Temperaturen zum Aufheizen des Innenraumes, StartStopp mit VKM aus, E-Fahren
46. Welche Möglichkeiten der Heizung des Fahrzeuginnenraumes in Elektrofahrzeugen gibt es?
PTC Luft
PTC Wasser
Flächen-Elektroheizung
Sitzheizung
Brennstoffheizer
Wasser- oder Luftstandheizung
Warmwasserspeicher
47. Welche Möglichkeiten der Kühlung des Fahrzeuginnenraumes in Elektrofahrzeugen gibt es?
Kältemittelkreis
Wärmepumpe
48. Was sind sogenannte Standmaßnahmen zur Erhöhung der Reichweite von Elektrofahrzeugen bei der Innenraumklimatisierung?
Maßnahmen, die die thermischen Bedingungen im Fahrgastraum bereits vor Fahrtbeginn positiv beeinflussen
passiven Standmaßnahmen: keinen zusätzlichen energetischen Aufwand
aktiven Standmaßnahmen: Nutzen, der durch einen geringeren Energiebedarf für die Klimatisierung entsteht, muss dem energetischen Aufwand der Standmaßnahme gegenübergestellt werden.
Beispiele: Beschattung der Frontscheibe, die Durchlüftung des Fahrzeuginnenraumes oder die Fahrzeug-Vorkonditionierung.
49. Erläutern sie die Begriffe Wärmetauscher und Chiller!
Der Wärmetauscher ist ein Apparat, der thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen überträgt. Dabei ist es unerheblich, ob die Stoffströme flüssig oder gasförmig sind. So sind Luft-/Luft- oder Luft-/Wasser-Wärmetauscher denkbar.
In einem Chiller sind immer beide Stoffströme flüssig.
50. Welche weiteren Möglichkeiten zur Reichweitenerhöhung mit Innenraumklimatisierung gibt es? Bewerten Sie den Einfluss der einzelnen Möglichkeiten quantitativ (klein/mittel/groß)!
Standmaßnahmen (m)
Reduzierung der thermisch relevanten Fahrgastraummasse (k)
Umluftbetrieb einschließlich der Betrachtung von Scheibenenteisung und Beschlagsfreiheit (m/g)
Wärmepumpenbetrieb (g)
Einfluss der Karosserie-Isolierung (k)
Art der Fahrzeug-Verglasung (k)
51. Nennen Sie Einsparmöglichkeiten des Energieverbrauches in Elektro- und Hybridfahrzeugen für den realen Fahrbetrieb? Unterscheiden Sie hierbei zwischen Verbrauchsvermeidung (V) und Energierückgewinnung (E)!
Einsatz LEDs (V),
Reduzierung Betriebs- und Ruheströme (V),
Aktives Clamping für elektromagnetische Aktuatoren (E),
Leichtlaufreifen mit hohem Luftdruck (V),
Rekuperation aus den Dämpferbewegungen (E)…
52. Welche Einflussfaktoren bestimmen den gesamten Ladewirkungsgrad? Nennen Sie jeweils mindestens 2 „feste“ Design Faktoren und 2 Betriebsparameter, die im laufenden Betrieb auftreten?
„feste“ Design Faktoren:
Wahl der Komponenten,
Wahl der Topologie,
Wahl der Materialien,
Gesetzesanforderungen (z.B. Isolation),
Kühlkonzept, usw.
Betriebsparameter:
Eingangs-Spannung / -Strom,
Ausgangs-Spannung / -Strom,
Kühlmitteltemperatur,
Umgebungstemperatur
53. Welche Auswirkungen hat die Halbierung der Eingangsspannung bei Beibehaltung des maximalen Ladeeingangsstromes?
Reduzierung des Gesamt-Ladewirkungsgrades um über 6%, Anhebung des Energieverbrauches und des MPG Äquivalentes, Erhöhung der Ladezeit um mehr als das Doppelte, höhere Betriebskosten über Lebenszeit, usw.
54. Das Laden findet nicht während der Fahrt statt und beeinflusst daher nicht direkt die Reichweite des Fahrzeuges. Welchen Einfluss hat es dennoch auf die Zulassungs-relevante Berechnung der Reichweite eines EV bzw. des Kraftstoffverbrauches eines PHEV?
Sowohl in den USA als auch in Europa wird der Stromverbrauch des Ladegerätes über bis zu 24 h in die Zulassungs-relevante Berechnung des Verbrauchsäquivalentes einbezogen.
55. Welche Vorteile eines hohen Ladewirkungsgrades ergeben sich für den Endnutzer des Fahrzeuges?
Geringere Stromkosten
kürzere Ladezeiten
Kälteanlage / Wärmepumpe
Vorteile
• Hoher Wirkungsgrad in Abhängigkeit des Kältemittels
Nachteile
• Komplexe Funktion, erhöhter Entwicklungsaufwand
• Gefahr der Verdampfervereisung im Heizbetrieb
Heizung Innenraum: PTC Luft / PTC Wasser
• Direkte Einbringung der Heizleistung
• Geringes Temperaturniveau
• Kompakt
• Luft: Geringes Gewicht
• Luft: Dezentralisierbar
• El. Verbraucher während der Fahrt
• Verringerung der Betriebszeit/-strecke
Heizung Innenraum: Flächen-Elektroheizung / Sitzheizung
• Bedarfsgerechte Klimatisierung
• Geringerer Energieaufwand zum Heizen
Heizung Innenraum: Brennstoffheizer / Wasser- oder Luftstandheizung
• Hoher Wirkungsgrad
• Nahezu unabhängig von der Fahrzeugenergieversorgung
• Erzeugt Emissionen
• Weiterer Energieträger notwendig
Heizung Innenraum: Warmwasserspeicher / „Thermosflasche“
• Kein Energieaufwand im Fahrbetrieb
• Schnelle Aufheizung
• Zusätzliches Gewicht
• Zusätzlicher Bauraum
Heizung Innenraum: Abwärmenutzung / Kühlwasse
• Gängige Technik
• Kein zusätzlicher Energiebedarf
• Geringes Temperaturniveau, zu wenig Abwärme durch die E-Komponenten, dadurch nur in Kombination mit anderen Heizmaßnahmen umsetzbar
Hybrid-Konfigurationen
Integrierte-Starter-Generatoren (P1
Positive Eigenschaften des Integrierten-Starter-Generators:
+ Starter und Generator in einem Bauteil
+ Drehmomentbereitstellung ohne Verzögerung
+ Höherer elektrischer Wirkungsgrad als Starter und Generator
+ Nahezu geräuschlos
+ Hohe erreichbare Drehzahlen
+ Beschränkung der Drehmomentübertragung nur durch Betriebsstrategie und Leistungsfähigkeit des Hybridsystems
Negative Eigenschaften des Integrierten-Starter-Generators:
- Hoher Bauraum
Riemen-Starter/Generatoren (P0)
Positive Eigenschaften des Riemen-Starter-Generators:
Negative Eigenschaften des Riemen-Starter-Generators:
- Gewährleistung der Kaltstartfähigkei
Einsparpotenziale im Bordnetz
Betriebs- und Ruhestrom:
• Reduzierung der Eigen- und Standby-Stromaufnahme
Elektromotoren (Kraftstoffpumpe, Kühlerlüfter, Lenkhilfe)
• Nutzung des Generators als Start/Stopp-Einheit
• Wirkungsgradoptimale Maschinen/Bedarfsoptimierte Ansteuerung
• Verlustarme Steuerung (elektrische Kommutierung bzw. zumindest PWM-Steuerung)
Elektromagnetische Aktuatoren (Motorsteuerung, Fahrwerk, ... Relais) • Energierückgewinnung durch aktives Clamping • Stromregelung mit Stromverlaufsoptimierung
Einsparpotenziale im Fahrwer
Elektronik:
• Aktive Achskinematik von Vorspur und Sturz
• elektromechanische Servolenkung
• Reifenluftdruckkontrolle und Regelanlage auch für Wechselbetrieb Straße/Gelände (Rollwiderstandsverhalten)
• Geschwindigkeitsbezogenen Fahrzeugabsenkung, "aktive" Spoiler, aktives Kühlergitter (Reduzierung cw x A)
• bedarfsoptimierte Bremsen- "Vorladung" und Proportionalregelung im ABS oder sogar die Vorladepumpe ersetzt durch einen elektrischen BKV
Sonstige Einsparpotentiale
• "Abschalten" von Fahrdynamikreglern (z. B. Dämpferregelung)
• Rekuperation aus den Dämpferbewegungen
• Rekuperation aus einem elektromechanischen Wankstabi.
• Rekuperation aus dem Torque Vectoring
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