2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen

Präsentation zum Thema: "2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen"—  Präsentation transkript:

1 2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen
2.3 Starter 2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen 2.1 Grundlagen 2.2 Drehstromgenerator 2.3 Starter 2.3.1 Anforderungen 2.3.2 Auslegung 2.3.3 Baugruppen 2.4 Starter-Generator-Maschinen 2.5 Hybridantriebe

2 Bosch-Anlasser aus dem Jahr 1913 mit Planetengetriebe und Freilauf
2.3 Starter Bosch-Anlasser aus dem Jahr 1913 mit Planetengetriebe und Freilauf Elektr_Masch\bosch anlasser 1913.gif Quelle: Bosch

3 Schwungkraftstarter (ab 1912)
DG_Geschichte\DGG028.CDR Schwungkraftstarter (ab 1912)

4 Mafam-Bijur Anlasser um 1920 Leistung: 0,9 kW Masse: 12,5 kg
2.3 Starter heutige Starter Leistung: ,9 kW Masse: ,7 kg Gehäuselänge: cm Durchmesser: 8 cm Elektr_Masch\START3.TIF und Starter1.gif Mafam-Bijur Anlasser um 1920 Leistung: ,9 kW Masse: ,5 kg Gehäuselänge: 20 cm Durchmesser: 14 cm

5 2.3.1 Starter - Anforderungen
2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen 2.1 Grundlagen 2.2 Drehstromgenerator 2.3 Starter 2.3.1 Anforderungen 2.3.2 Auslegung 2.3.3 Baugruppen 2.4 Starter-Generator-Maschinen 2.5 Hybridantriebe

6 2.3.1 Starter - Anforderungen
Verbrennungsmotoren müssen gestartet werden  Mindestdrehzahl zum Selbstlauf. 120 80 40 min-1 n S min -25 -20 -15 °C -5 Ottomotoren (Einspritzer) Dieselmotoren ( mit Starthilfe) Kaltstartdrehzahl und Durchdrehmoment stark temperaturabhängig Durchdrehmoment abhängig von: - Motorbauart (Verbrennungsverfahren, Kompression, Hubraum, Zylinderzahl, Lagerreibung) J 50 100 U/min 200 M n -10°C -25°C Ölviskosität Losbrechmoment - Antrieb von Nebenaggregaten - Ölviskosität (Kaltstarttemperatur ) nach Dg054.doc bei Drehbeginn (n=0) zusätzliche Haftreibung durch Kleben des Öls  Losbrechmoment (etwa 1,3 . Durchdrehmoment)

7 2.3.1 Starter - Anforderungen
großer Einfluss der Kaltstarttemperatur auf die erforderliche Starterleistung P S erf. -25 -20 -15 °C -5 J Auslegungs- temperatur Starterleistung für konkreten Verbrennungsmotor 𝑷 𝒎𝒆𝒄 𝒆𝒓𝒇. =𝟐∙𝝅∙ 𝒏 𝑽𝑴 𝑺𝒕𝒂𝒓𝒕 𝒎𝒊𝒏 ∙ 𝑴 𝑽𝑴 Schnelles Beschleunigen auf Mindest-Startdrehzahl  hohes Anfangsdrehmoment notwendig. nach Dg054.doc weitere Anforderungen: - Funktionssicherheit - bei hohen Schwingbeschleunigungen (bis 60 g) - Wartungsfreiheit - großer Temperaturspanne (-40 bis 180 °C) - leichte, robuste Bauweise - Korrosion (Wasser, Schmutz, Öl, Salz) - geringe Abmessungen

8 2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen
2.3.2 Starter - Auslegung 2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen 2.1 Grundlagen 2.2 Drehstromgenerator 2.3 Starter 2.3.1 Anforderungen 2.3.2 Auslegung 2.3.3 Baugruppen 2.4 Starter-Generator-Maschinen 2.5 Hybridantriebe

9 2.3.1 Starter - Anforderungen
- Auslegung hängt vom konkreten Verbrennungsmotor und der gewählten Kaltstarttemperatur ab.  erforderliche Starter-Nennleistung (PS nom) - typische Nennleistungen und Nennströme: PS nom IS nom Pkw Ottomotoren bis 5 l Hubraum Dieselmotoren bis 3 l 0, ,2 kW A Nkw (> 3 l Hubraum) schwere Nkw kW kW A (12 V / 24 V ) Bemerkungen: - Die Nennleistung ist die vom Starter abgegebene mech. Leistung (Nettoleistung). - Die aufgenommene Bruttoleistung ist etwa doppelt so hoch, weil die Verluste im Starter fast so groß sind, wie die Nettoleistung. - Kurzschlussströme (bei n=0): 𝐼 𝑆𝐾 =2∙ 𝐼 𝑆 𝑛𝑜𝑚 (also bis 4000 A!)

10 und der Leitungswiderstand berücksichtigt werden.
2.3.2 Starter - Auslegung Gesamtstromkreis: - Aufgrund der großen Starterströme müssen der Innenwiderstand der Batterie und der Leitungswiderstand berücksichtigt werden. - Leitungswiderstände: Plusleitung, Klemmen an Batterie und Starter sowie Masserückleitung  RL = 1…2 mΩ. - Batterieinnenwiderstand abhängig von: - Batteriekapazität 5 … 20 m Ω (bei Entladung) - Temperatur - Ladezustand - Spannungsabfall am Bürstenübergangswiderstand beträgt etwa 2 V.

11 Ersatzschaltbild Gesamtstromkreis Startanlage (mit Reihenschlussmotor)
2.3.2 Starter - Auslegung RL 30 31 UB IS US URL UBü RBü RiS = RBü + RA + RF URiB RiB URA RA UqB URF nach Elektr_Masch\START5.cdr RF Ersatzschaltbild Gesamtstromkreis Startanlage (mit Reihenschlussmotor)

12 RL UB IS US URL UBü RBü RiS = RBü + RA URiB RiB URA RA UqB
2.3.2 Starter - Auslegung RL 30 31 UB IS US URL UBü RBü RiS = RBü + RA URiB RiB URA RA UqB nach Elektr_Masch\START5.cdr Ersatzschaltbild Gesamtstromkreis Startanlage (mit permanent erregtem Motor)

13 w PV RL UB IS US URL PV UBü RBü PV URiB RiB URA PV RA Pzu UqB F UqS
2.3.2 Starter - Auslegung PV RL 30 31 UB IS US URL PV UBü RBü PV URiB RiB URA PV RA Pzu UqB F nach Elektr_Masch\START5.cdr UqS Pab w Ersatzschaltbild Gesamtstromkreis Startanlage (mit Leistungsbilanz)

14 und der Leitungswiderstand berücksichtigt werden.
2.3.2 Starter - Auslegung Gesamtstromkreis: - Aufgrund der großen Starterströme müssen der Innenwiderstand der Batterie und der Leitungswiderstand berücksichtigt werden. - Leitungswiderstände: Plusleitung, Klemmen an Batterie und Starter sowie Masserückleitung  RL = 1…2 mΩ. - Batterieinnenwiderstand abhängig von: - Batteriekapazität 5 … 20 m Ω (bei Entladung) - Temperatur - Ladezustand - Spannungsabfall am Bürstenübergangswiderstand beträgt etwa 2 V. Leistungsbilanz: Maschensatz:

15 und der Leitungswiderstand berücksichtigt werden.
2.3.2 Starter - Auslegung Gesamtstromkreis: - Aufgrund der großen Starterströme müssen der Innenwiderstand der Batterie und der Leitungswiderstand berücksichtigt werden. - Leitungswiderstände: Plusleitung, Klemmen an Batterie und Starter sowie Masserückleitung  RL = 1…2 mΩ. - Batterieinnenwiderstand abhängig von: - Batteriekapazität 5 … 20 m Ω (bei Entladung) - Temperatur - Ladezustand - Spannungsabfall am Bürstenübergangswiderstand beträgt etwa 2 V. Leistungsbilanz: -Pzu + PV RiB + PV RL + PV RBü + PV RA + Pab = 0 Maschensatz: -UqB + URiB + URL + UBü + URA + UqS = 0 -UqB + IS.(RiB + RL + RA) + UBü + UqS = 0 Σ R -UqB + IS UBü + UqS = 0 Σ R bzw. UqS = UqB - IS UBü Σ R  ISK = UqB - UBü Σ R wenn ω = 0  UqS = 0  IS = ISK (Kurzschlussstrom)

16 VM w RL UB IS US URL UBü URiB PV el RiB PS brutto RiS URA UqB F UqS
2.3.2 Starter - Auslegung RL 30 31 UB IS US URL UBü URiB PV el RiB PS brutto RiS URA UqB F nach Elektr_Masch\START5.cdr UqS PV mag + PV mec PS netto Pi VM w Leistungsbilanz im Starter

17 sowie Bürstenübergangsverluste am Kollektor  PVel
2.3.2 Starter - Auslegung Verluste im Starter: - ohmsche Verluste in Anker- und Erregerfeldwicklung (sog. Kupferverluste) sowie Bürstenübergangsverluste am Kollektor  PVel - Hysterese- und Wirbelstromverluste (sog. Eisenverluste)  PVmag - Lager- und Bürstenreibung  PVmec Leistungsbilanz im Starter: Sehr hohe Starterströme  überwiegend elektrische Verluste (Pvel).  PVmag und PVmec können vernachlässigt werden  Pi ≈ Pmec.

18 elektrische Seite innere Leistung mechanische Seite 𝜔= 𝑈 𝑞 𝑘∙Φ
2.3.2 Starter - Auslegung elektrische Seite innere Leistung mechanische Seite 𝜔= 𝑈 𝑞 𝑘∙Φ 𝑈 𝑞 =𝑘∙Φ∙𝜔 𝑈 𝑞 ∙𝐼 = 𝑃 𝑖 = 𝑀 𝑖 ∙ 𝜔 𝐼= 𝑀 𝑖 𝑘∙Φ 𝑀 𝑖 =𝑘∙Φ∙𝐼 Starter als Reihenschlussmotor permanent erregter Starter Φ= 𝐼 𝑆 ∙ 𝑁 𝑅 𝑚𝑎𝑔 =𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡′∙ 𝐼 𝑆 Φ=𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡 𝑀 𝑖 =𝑘∙Φ∙𝐼 𝑀 𝑖 =𝑘∙𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡′∙ 𝐼 𝑆 2 𝑀 𝑖 =𝑘∙𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡∙ 𝐼 𝑆 𝑴 𝒊 ~ 𝑰 𝑺 𝟐  quadratisch steigend 𝑴 𝒊 ~ 𝑰 𝑺  linear steigend 𝜔= 𝑈 𝑞𝑆 𝑘∙Φ = 𝑈 𝑞𝐵 − 𝐼 𝑆 ∙Σ𝑅− 𝑈 𝐵ü 𝑘∙Φ (Maschensatz) ω= 𝑈 𝑞𝐵 − 𝐼 𝑆 ∙Σ𝑅− 𝑈 𝐵ü 𝑘∙𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡′∙ 𝐼 𝑆 ω= 𝑈 𝑞𝐵 − 𝐼 𝑆 ∙Σ𝑅− 𝑈 𝐵ü 𝑘∙𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡 ω ~ 𝑈 𝑞𝐵 − 𝐼 𝑆 ∙Σ𝑅− 𝑈 𝐵ü 𝐼 𝑆 = 𝑈 𝑞𝐵 − 𝑈 𝐵ü 𝐼 𝑆 −Σ𝑅 ω ~ 𝑈 𝑞𝐵 − 𝑈 𝐵ü − 𝐼 𝑆 ∙Σ𝑅 mit 𝑈 𝑞𝐵 − 𝑈 𝐵ü Σ𝑅 = 𝐼 𝑆𝐾 und Ausklammern und Vernachlässigen Σ𝑅 𝝎 bzw. 𝑛 ~ 𝑰 𝑺𝑲 𝑰 𝑺 −𝟏  hyperbolisch fallend 𝝎 bzw. 𝑛 ~ 𝑰 𝑺𝑲 − 𝑰 𝑺  linear fallend

19 Starterdiagramm (Reihenschlussmotor)
2.3.2 Starter - Auslegung Starterdiagramm (Reihenschlussmotor) Drehzahl Pmec IS nom (ISK/2) PS nom M Leistung ISK n Drehmoment nach Elektr_Masch\START6.cdr nStart min MVM (Sommerbetrieb) Drehmoment < 0 zur Überwindung der magn. und mech. Verluste IS

20 Starterdiagramm (Reihenschlussmotor)
2.3.2 Starter - Auslegung Starterdiagramm (Reihenschlussmotor) PS nom M ISK n Pmec Mmax nach Elektr_Masch\START6.cdr nStart min MVM (Sommerbetrieb) IS

21 Starterdiagramm (Reihenschlussmotor)
2.3.2 Starter - Auslegung Starterdiagramm (Reihenschlussmotor) PS nom M ISK n Pmec Mmax Die erreichte Starterdrehzahl liegt über der Mindest- drehzahl nStart min. nach Elektr_Masch\START6.cdr nStart min MVM IS

22 Starterdiagramm (Reihenschlussmotor)
2.3.2 Starter - Auslegung Starterdiagramm (Reihenschlussmotor) PS nom M ISK n Pmec Mmax MVM (Winterbetrieb) nach Elektr_Masch\START6.cdr nStart min IS

23 Starterdiagramm (Reihenschlussmotor)
2.3.2 Starter - Auslegung Starterdiagramm (Reihenschlussmotor) PS nom M ISK n Pmec Mmax Die Starterdrehzahl hat die Mindest- drehzahl nStart min nicht erreicht! MVM nach Elektr_Masch\START6.cdr nStart min IS

24 Starterdiagramm (Reihenschlussmotor)
2.3.2 Starter - Auslegung Starterdiagramm (Reihenschlussmotor) Abhilfe: Drehzahlkennlinie nach rechts verschieben. nach Elektr_Masch\START6.cdr

25 Starterdiagramm (Reihenschlussmotor)
2.3.2 Starter - Auslegung Starterdiagramm (Reihenschlussmotor) Abhilfe: Drehzahlkennlinie nach rechts verschieben. nach Elektr_Masch\START6.cdr

26 Starterdiagramm (Reihenschlussmotor)
2.3.2 Starter - Auslegung Starterdiagramm (Reihenschlussmotor) Abhilfe: Drehzahlkennlinie nach rechts verschieben. nach Elektr_Masch\START6.cdr

27 Starterdiagramm (Reihenschlussmotor)
2.3.2 Starter - Auslegung Starterdiagramm (Reihenschlussmotor) Abhilfe: Drehzahlkennlinie nach rechts verschieben. Dazu muss ISK größer werden. nach Elektr_Masch\START6.cdr

28 Starterdiagramm (Reihenschlussmotor)
2.3.2 Starter - Auslegung Starterdiagramm (Reihenschlussmotor) Abhilfe: Drehzahlkennlinie nach rechts verschieben. Dazu muss ISK größer werden, d.h. die Leistung des Starters wird erhöht. nach Elektr_Masch\START6.cdr Kurzschlussstrom ISK erhöhen durch: - Verwenden eines Starters größerer Leistung (RiS kleiner  PV kleiner), - Einbau einer größeren Batterie  RiB kleiner  US größer.

29 2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen
2.3.3 Starter - Baugruppen 2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen 2.1 Grundlagen 2.2 Drehstromgenerator 2.3 Starter 2.3.1 Anforderungen 2.3.2 Auslegung 2.3.3 Baugruppen 2.4 Starter-Generator-Maschinen 2.5 Hybridantriebe

30 Einrückmagnet und Relais
2.3.3 Starter - Baugruppen Einrückmagnet und Relais Einrückhebel Anker Kollektor Elektr_Masch\Starter-Aufbau.gif Ritzel Bürsten Freilauf Vorgelege (Planetengetriebe) Permanentmagnete (oder Erregerwicklung mit Polschuhen) Baugruppen eines Schub-Schraubtriebstarters Quelle: Bosch

31 Grundsätzlich ist das Drehmoment einer elektrischen
2.3.3 Starter - Baugruppen Einrückhebel Einrückmagnet und Relais Bürsten Kollektor Anker Permanentmagnete (oder Erregerwicklung mit Polschuhen) Vorgelege (Planetengetriebe) Ritzel Freilauf Grundsätzlich ist das Drehmoment einer elektrischen Maschine proportional zum Maschinenstrom I und zum Durchmesser (Abstand Luftspalt zur Drehachse).  Übliche Starter benötigen eine Übersetzung des Drehmomentes, wodurch jedoch die Drehzahl im gleichen Verhältnis herabgesetzt wird. Übersetzung Ritzeltrieb: 9 ≤ iRzl ≤ 15 Das Ritzel spurt in den Schwungradzahnkranz ein. Bei zu geringem Drehmoment (z.B bei Verwendung von Permanentmagneten) oder zur weiteren Verkleinerung des Starters werden Planetengetriebe - sog. Vorgelegegetriebe – in den Starter eingebaut. Übersetzung Vorgelege: 3 ≤ iVor ≤ 5 Hauptbauteile: - Gleichstrommotor (Anker, Kollektor und Bürsten = Kommutator, Erregerwicklung mit Polschuhen bzw. Permanentmagnete) Elektr_Masch\Starter-Aufbau.gif - Ritzel mit gehärteten angeschrägten Zahnflanken - Freilauf (als Rollen-, Lamellen- oder Stirnzahnfreilauf) - Einrückmechanismus (Einrückrelais, Einrückhebel, Rückstellfeder) - eventuell Vorgelegegetriebe (als Planetengetriebe) Schaltstufen: - Bei kleineren Startern meist nur eine, d.h. Einrückrelais schaltet sofort vollen Hauptstrom. - Bei größeren Startern zwei – Vorstufe mit begrenztem Ankerstrom  langsame Anker- drehung zur Einspurunterstützung. Hauptstufe erst nach vollständigem Einspuren. Quelle: Bosch

32 Schubtriebstarter (Delco)
2.3.3 Starter - Baugruppen Schubtriebstarter (Delco) Einrückrelais schiebt über Einrückhebel Ritzel und Freilauf bis zum vollständigen Einspuren vor. Meist bei Startern größerer Leistung mit zwei Schaltstufen. Schraubtriebstarter (Bendix) Sofort voller Hauptstrom (einstufig) rasche Ankerdrehung  Ritzel wird auf Steilgewinde zunächst durch Massenträgheit, dann durch Blockieren der Drehbewegung bis zum vollständigen Einspuren vorgeschoben (Anschlag)  Momentübertragung auf den Schwungradzahnkranz (veraltet). Elektr_Masch\START7.cdr Einspurmechanismen

33 Schubanker (Rushmore)
2.3.3 Starter - Baugruppen Schubanker (Rushmore) Zweistufige Arbeitsweise: Vorstufe – Anker, Ankerwelle, Freilauf und Ritzel werden vom Ankerfeld und ggf. unterstützt durch ein Einrückrelais in Einspurrichtung gezogen, Anker dreht sich dabei langsam. Hauptstufe erste nach vollständigem Einspuren. (Für hohe Starterleistungen – veraltet.) Elektr_Masch\START7.cdr Einspurmechanismen

34 Schub-Schraubtrieb (Bosch)
2.3.3 Starter - Baugruppen Schubtrieb Schraubtrieb Schub-Schraubtrieb (Bosch) Ritzel und Freilauf werden durch Einrückrelais „angefädelt“ (Schubtrieb). Dann vollständiges Einspuren durch Schraubtrieb. Ein- oder Zweistufige Ausführung, häufigste Bauart. Elektr_Masch\START7.cdr Einspurmechanismen

35 2.4 Starter-Generator-Maschinen
2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen 2.1 Grundlagen 2.2 Drehstromgenerator 2.3 Starter 2.3.1 Anforderungen 2.3.2 Auslegung 2.3.3 Baugruppen 2.4 Starter-Generator-Maschinen 2.5 Hybridantriebe

36 2.4 Starter-Generator-Maschinen
Schwungmasse Kupplung Starter- Generator riemengetriebener Starter-Generator Steuergerät Kurbelwellen- Starter-Generator (KSG) Starter- Generator Kupplung Steuergerät Elektr_Masch\System_KSG.gif und System_Starter-Generator-Riemen.gif Quelle: Siemens-VDO Automotive

37 2.4 Starter-Generator-Maschinen
Schwungmasse Kupplung Starter- Generator riemengetriebener Starter-Generator Steuergerät Elektr_Masch\System_Starter-Generator-Riemen.gif und Starter-Generator Siemens VDO 1.gif Quelle: Siemens-VDO Automotive

38 2.4 Starter-Generator-Maschinen
Kurbelwellen- Starter-Generator (KSG) Kupplung Steuergerät Elektr_Masch\System_KSG.gif und KSG1.gif Quelle: Siemens-VDO Automotive und Continental-ISAD

39 Kurbelwellen-Starter-Generator System ISAD
2.4 Starter-Generator-Maschinen 1 Verbrennungsmotor 2 Kurbelwelle 3 Drehstrom-Wanderfeld-Maschine bestehend aus 4 Stator 5 Rotor 6 Kupplung 7 Getriebe Elektr_Masch\ISAD5.gif Kurbelwellen-Starter-Generator System ISAD (Integrated Starter Alternator Damper) um 1998

40 2.4 Starter-Generator-Maschinen
a Grundplatte b Poleisen der Feldwicklungen (Generator- und Anlasswicklungen) c Kohlebürsten d Unterbrecherplatte (verdeckt) e Glockenanker g Fliehkraftversteller f Flachbahnkollektor h Unterbrechernocken Elektr_Masch\DKW F1.jpg und Start4.gif Dyna-Start-Anlage um 1930

41 2.4 Starter-Generator-Maschinen
nach Dg202.cdr Systemübersicht ISAD (Integrated Starter Alternator Damper)

42 2.4 Starter-Generator-Maschinen
Elektr_Masch\ISAD1.gif Ursprüngliche Zielstellung ISAD: Überlagerung schnell veränderlicher Wechseldrehmomente zum Ausgangsdrehmoment des Verbrennungsmotors mit Hilfe einer elektrischen Maschine zur Verringerung von Drehungleichförmigkeiten im Antriebsstrang (elektronischer Dämpfer). Quelle: Continental-ISAD

43 Permanenter Ausgleich der Schwankungen des
2.4 Starter-Generator-Maschinen  < 1  < 1 Permanenter Ausgleich der Schwankungen des VM-Drehmomentes energetisch nicht sinnvoll! nach Dg202.cdr Systemübersicht ISAD (Integrated Starter Alternator Damper)

44 2.4 Starter-Generator-Maschinen
ungedämpfte Ruckelschwingungen im Antriebsstrang nach Lastwechseln wirkungsvolle Dämpfung der Ruckelschwingung durch ISAD Elektr_Masch\ISAD3a.gif und ISAD3b.gif Quelle: Continental-ISAD

45 2.4 Starter-Generator-Maschinen
 < 1 Dauerhafte Zusatzlast durch elektr. Maschine Generatorbetrieb für Bordnetzversorgung  < 1 nach Dg202.cdr ISAD als Generator für das Bordnetz

46 2.4 Starter-Generator-Maschinen
ISAD (begrenzt auf 200A) Klauenpolgeneraotor (130A) Elektr_Masch\ISAD2.gif Belastungskennlinie ISAD im Generatorbetrieb Quelle: Continental-ISAD

47 2.4 Starter-Generator-Maschinen auch Start-Stopp-Betrieb sinnvoll
Schneller Start des VM durch ISAD auch Start-Stopp-Betrieb sinnvoll nach Dg202.cdr ISAD als Starter für den Verbrennungsmotor

48 2.4 Starter-Generator-Maschinen
Zusatzantrieb (Booster-Betrieb) Speichern von Bremsenergie (Retarder-Betrieb) nach Dg202.cdr ISAD mit Hybridfunktionen (als sogen. mild-hybrid)

49 2.4 Starter-Generator-Maschinen
interner Zwischen- kreis- speicher Drehstrom- Wanderfeld Maschine Drehstrom- Wechselrichter Gleichspannungs- wandler (abwärts) Gleichspannungs- wandler (aufwärts) zum externen Zwischenkreis- speicher Elektr_Masch\ISAD Wechselrichter.cdr - Drei-Phasen-Brückenschaltung aus sechs Hochvolt-MOS-Transistoren und sechs Hochvoltdioden. - Im Motorbetrieb werden Transistoren im PWM-Betrieb angesteuert. Motorspulen integrieren. Die Dioden wirken als Freilaufdioden. - Im Generatorbetrieb arbeiten die Dioden bei abgeschalteten Transistoren als Drehstrom-Gleichrichterbrücke. ISAD - Wechselrichtersystem Quelle: ISAD Electronic Systems

50 2.4 Starter-Generator-Maschinen
Drehstrom- Wanderfeld Maschine Wechselrichter interner Zwischen- kreis- speicher Gleichspannungs- wandler (abwärts) wandler (aufwärts) - interner Zwischenkreisspeicher, V / 2 µF (WZKSp ≈ 0,06 J) zur schnellen Bereitstellung von Energie zum Ausgleich der Drehungleichförmigkeiten. - zwei-Richtungs-Gleichspannungswandler (250 V/14 V) zum Anschluss an das Kfz-Bordnetz zum externen Zwischenkreis- speicher - externer Zwischenkreisspeicher für Start-Stop- und Hybridfunktionen sowie Anschluss von Hochleistungsverbrauchern mögliche Speicher: - Doppelschicht-Kondensatoren z.B. 4,7 mF (WZKSp ≈ 147 J) - Schwungmasse z.B. 1 kgm² bei 6000 min-1 (WZKSp ≈ 200 kJ/50 Wh) - LiFePO4 Akkumulator (WZKSp ≈ 432 kJ/120 Wh pro kg Batteriemasse) Elektr_Masch\ISAD Wechselrichter.cdr zum Vergleich: - Startvorgang 2 s ≈ 5 kJ/1,4 Wh - kinetische Energie Pkw 1300 kg bei 100 km/h ≈ 500 kJ/140 Wh - Autobatterie 12 V/50 Ah ≈ 2 MJ/555 Wh - 1 Liter Superbenzin ≈ 32 MJ/8.889 Wh ISAD - Wechselrichtersystem Quelle: ISAD Electronic Systems

51 2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen
2.5 Hybridantriebe 2 Elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen 2.1 Grundlagen 2.2 Drehstromgenerator 2.3 Starter 2.3.1 Anforderungen 2.3.2 Auslegung 2.3.3 Baugruppen 2.4 Starter-Generator-Maschinen 2.5 Hybridantriebe

52 Lohner-Porsche „Mixte“ 1902 mit seriellem Antriebskonzept
2.5 Hybridantriebe Elektr_Masch\Lohner-Porsche1902.gif Lohner-Porsche „Mixte“ 1902 mit seriellem Antriebskonzept Verbrennungsmotor  Generator  Elektromotor, Zweck: Vermeidung der damals noch problematischen Getriebe und Antriebswellen. (Am Steuer des Fahrzeuges: Ferdinand Porsche)

53 Energiequellen für Kraftfahrzeuge 2.5 Hybridantriebe dg200.cdr
Quelle: Carpetis-DLR

54 Vereinfachtes Kennfeld für den Kraftstoffverbrauch
2.5 Hybridantriebe VM_Antriebsstrang\Verbrauchskennfeld.cdr Vereinfachtes Kennfeld für den Kraftstoffverbrauch

55 Vereinfachtes Kennfeld für den Kraftstoffverbrauch
2.5 Hybridantriebe VM_Antriebsstrang\Verbrauchskennfeld.cdr Vereinfachtes Kennfeld für den Kraftstoffverbrauch

56 Brennstoffzellenantrieb und Verbrennungsmotor im Vergleich
2.5 Hybridantriebe 1 = BZ-Aggregat 2 = 1 + Antriebsmotor 3 = 2 + Methanolkonv. 4 = Dieselmotor 5 = Ottomotor dg201.cdr Brennstoffzellenantrieb und Verbrennungsmotor im Vergleich (am Beispiel eines Kleinwagens im Stadtfahrbetrieb) Quelle: Carpetis-DLR

57 des Verbrennungsmotors (VM) und der elektrischen Maschine (ElMa)
2.5 Hybridantriebe Fahrzustand Arbeitsweise des Verbrennungsmotors (VM) und der elektrischen Maschine (ElMa) Schwachlast (Anfahren, Stop & Go, im Verkehr „mitschwimmen“) nur ElMa, gespeist aus den Speicherbatterien Niedriglast (v < km/h) VM mit Volllast, ElMa als Generator zum Aufladen der Batterien Mittellast (v > vmax) VM mit Volllast Hochlast (starkes Beschleunigen, steile Berge) VM mit Volllast, ElMa als Zusatzantrieb (Booster), gespeist aus den Speicherbatterien Schubbetrieb / Bremsen VM aus, ElMa als Generator (Retarder) zum Aufladen der Batterien

58 Antrieb: Benzinmotor 44 kW (58 PS), Elektromotor 48 kW (64 PS)
2.5 Hybridantriebe Elektr_Masch\Prius3.jpg und Hybrid_T1.jpg Hybridfahrzeug – TOYOTA Prius I Antrieb: Benzinmotor 44 kW (58 PS), Elektromotor 48 kW (64 PS) Elektrischer Speicher: Nickel-Metallhydrid-Batterien, Normverbrauch: 3,6 l/100 km Quelle: TOYOTA

59 Hybridfahrzeug – TOYOTA Prius II
2.5 Hybridantriebe Hybridfahrzeug – TOYOTA Prius II Antrieb: Benzinmotor 1497 cm3, 57 kW (78 PS), 115 Nm Elektromotor 50 kW (68 PS), 400 Nm Gesamt: 82 kW (113 PS), 478 Nm, von 0 auf 100 km/h in 10,8 s, vmax 170 km/h Verbrauch innerorts: 5,0 l/100 km, außerorts: 4,2 l/100 km, Durchschnittsverbrauch: 4,3 l/100 km Autos\PriusII Ansicht.jpg, PriusII Heck.jpg und PriusII Motorraum.jpg Quelle: TOYOTA

60 Hybridfahrzeug – TOYOTA Prius III
2.5 Hybridantriebe Autos\PriusII Ansicht.jpg, PriusII Heck.jpg und PriusII Motorraum.jpg Hybridfahrzeug – TOYOTA Prius III Antrieb: Benzinmotor 1798 cm3, 73 kW (100 PS), 142 Nm Elektromotor 60 kW, 207 Nm mit Untersetzungsgetriebe Gesamt: 100 kW (136 PS), 478 Nm, von 0 auf 100 km/h in 10,4 s, vmax 180 km/h Verbrauch innerorts: 4,0 l/100 km, außerorts: 3,8 l/100 km (Werksangaben) Quellen: TOYOTA/Wikipedia

61 TOYOTA Prius – Leistungsverteilung und Wirkungsgrad
2.5 Hybridantriebe Elektr_Masch\Prius1.cdr TOYOTA Prius – Leistungsverteilung und Wirkungsgrad Quelle: TOYOTA

62 TOYOTA Prius II – Antriebsystem
2.5 Hybridantriebe Elektr_Masch\Prius1.cdr TOYOTA Prius II – Antriebsystem Quelle: Wikipedia

63 TOYOTA Prius – Antriebssystem
2.5 Hybridantriebe Elektr_Masch\Prius1.cdr TOYOTA Prius – Antriebssystem Quelle: TOYOTA

64 TOYOTA Prius – Energiefluss 2.5 Hybridantriebe Verbrennungs- motor
chem. Energie Verbrennungs- Verluste motor VM Planeten- Verluste Inverter getriebe Planetengetriebe = incl. Verluste elektrische Verluste Maschine 1 el.Masch.1 (Generator) TOYOTA Prius – Energiefluss laden Batterie Batterie- verluste entladen Verluste el.Masch.2 Elektr_Masch\Prius2.cdr elektr. Maschine 2 (als Motor) (als Generator) Verluste Differential D i f f e r e n t i a l mech. Bremsen kinetische Energie Rad Fahrwiderstände > km/h < km/h Beschleunigen und Konstantfahrt Bremsen Quelle: AVL

65 ElMa: Elektrische Maschine zum Antrieb und zur Rekuperation
2.5 Hybridantriebe VM Batterie ElMa Getriebe St +V G ElMa: Elektrische Maschine zum Antrieb und zur Rekuperation Elektr_Masch\Prius2.cdr G: Generator St+V: Steuerung und Verteilung der elektrischen Leistung Fahrzeugstruktur mit den Antriebsvarianten: - elektrischer Antrieb - verbrennungsmotorischer Antrieb - seriell-hybrider Antrieb - parallel-hybrider Antrieb

66 ca. 1,5 Liter Verbr. Stadt Überland ser.-hybrid ser.-hybrid (opt.)
2.5 Hybridantriebe Stadt Überland Direktantrieb ca. 1,5 Liter Verbr. ser.-hybrid ser.-hybrid (opt.) nur VM Elektr_Masch\Prius2.cdr par.-hybrid Geschw. Verbrauchskennlinien eines Fahrzeuges mit unterschiedlichen Antriebskonzepten Quelle: nach Daimler