Bereits im Jahr 2003 beschäftigten sich die Vereinten Nationen mit dem Thema Hybridfahrzeuge und legten folgende Definition fest:
„Ein ‚Hybridfahrzeug‘ bezeichnet ein Fahrzeug, in dem mindestens zwei Energieumwandler und zwei Energiespeichersysteme (im Fahrzeug eingebaut) vorhanden sind, um das Fahrzeug anzutreiben.“
Ein Kraftfahrzeug kann selbsttätig (automobil) fahren und ist nicht schienengebunden. Bezüglich der Anforderungen an den Antrieb verhalten sich Schienenfahrzeuge ähnlich, nicht jedoch in Bezug auf die Anforderungen an Fahrwerk und Lenksysteme. Bei der Betrachtung „Hybrid“ geht es nur um das Antriebssystem und daher gelten alle Aussagen auch für Schienenfahrzeuge unter Berücksichtigung der spezifischen Auslegungsdaten.
Durch die verschiedenen Anordnungen der E-Maschine bzw. E-Maschinen im Antriebsstrang ergeben sich unterschiedliche Funktionalitäten. Sehr viel sinnvoller als eine Einteilung nach Größe der E-Maschinen und damit der möglichen Funktionen ist eine Einteilung in Bezug auf den Antriebsstrang. Alle parallelen Anordnungen sind sogenannte Addons. Lässt man diese weg, hat man trotzdem ein vollwertiges Fahrzeug. Anders sieht es bei seriellen und allen Mischformen (dies sind die leistungsverzweigten Architekturen) aus.
Die erzielbaren Vorteile sind abhängig von der Art und Ausführung der Hybridanordnung. In diesem Kapitel werden die technisch notwendigen Bedingungen aufgelistet und ein Hinweis auf die erforderlichen Leistungsdaten erarbeitet. Dies erfolgt anhand der in Kapitel 1 aufgezählten Funktionen.
Ein Getriebe ist nichts anderes als ein „Übersetzer“. Daher sprechen wir auch von Übersetzung bei mechanischen Getrieben. Die gleichförmigen Getriebe im Fahrzeugbau, die eine Leistung vom Motor zu den Rädern übertragen, wandeln Drehmoment und Drehzahl. Diese Wandlung kann sehr einfach durch zwei Zahnräder erfolgen oder durch einen Wechsel der Energieform. Bild 5.1 zeigt das klassische Getriebeprinzip mit einem generatorischen Teil und einem motorischen Teil als Bestandteile eines Getriebes.
Leistungsverzweigte Getriebe benötigen immer ein Planetenradgetriebe für die Leistungsteilung bzw. Summierung der Leistung. Eine wesentliche Voraussetzung für das Verständnis von Hybridlösungen mit Leistungsverzweigung ist die Kenntnis über die Funktion und Berechnung von Planetengetrieben. Gerade das Toyota-Hybrid-System kann nur mithilfe der Planetenradmechanik verstanden werden. Im Umkehrschluss kann man feststellen, dass die fehlende Kenntnis über Planetengetriebe dazu führt, dass es zumindest in der deutschsprachigen Presse keine fachlich richtige Beschreibung des Toyota-Hybrid-System gibt. Neben der Lösung von Toyota gibt es das Two-Mode-Getriebe (BMW, Daimler und GM) und viele Patentanmeldungen mit ähnlichen Ideen.
Unter der Verzweigung einer Leistung versteht man ein gezieltes und beeinflussbares Aufteilen von Leistungen. Leistung ist das Produkt aus Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit, deshalb müssen beide Größen eindeutig beeinflusst und vorgegeben werden. Die Festlegung von Drehzahlen bzw. Übersetzungen ist für alle stufenlosen Getriebekomponenten möglich. Getriebestufen legen die Drehzahlen bei bekannter Antriebsdrehzahl fest. Schwieriger wird es bei den Drehmomenten. Diese richten sich nach den Widerständen. Lediglich der Planetenradsatz macht eine Ausnahme, da er Momente entsprechend der Geometrie auf drei Wellen aufteilt. Eine gezielte Leistungsverzweigung ist nur mit einem Planetenradsatz darstellbar. Er ist bei allen Getrieben mit Leistungsverzweigung das zentrale mechanische Element.
Im Vergleich zu rein theoretischen Konzeptgedanken spielt bei in Serie produzierten Getrieben vor allem der reale Aufwand eine entscheidende Rolle. Hierbei hat das ausgewählte Konzept einen großen Einfluss auf den Bauaufwand und auf die Größe der E-Maschinen in Abhängigkeit von der Leistung des Verbrennungsmotors. Es sind in erster Linie technische Gründe und damit Auslegungsfragen, warum das Toyota-Hybrid-System (THS) inzwischen millionenfach gebaut und verkauft wird und andere Konzepte nur eine geringe Verbreitung finden.
In den vorherigen Kapiteln wurden die wesentlichen Unterschiede zwischen einer Parallel- Hybrid und der Toyota-Hybrid-Lösung aufgezeigt und erläutert. Letztlich zählt nur, mit welchem Aufwand die gesetzlichen Vorgaben erfüllt werden. Bekannt ist inzwischen, dass gesetzliche Verbrauchstests relativ wenig Übereinstimmung mit dem realen Verkehr haben. Viele Faktoren im realen Verkehrsfluss beeinflussen die Fahrbedingungen. Deshalb ist es schwierig, einen allgemeingültigen Test zu definieren, der den Alltagsverbrauch abbildet. Wenn allerdings die Testbedingungen so komplex und realitätsfern wie beim Testen von Plug-in-Hybridfahrzeugen sind, dann muss man sich fragen, welchen Sinn solche Tests haben.
Es ist einleuchtend, dass sich viele Personen Gedanken über Getriebe in Leistungsverzweigung mit E-Maschinen machen. Diese Getriebe sollten alle Hybridanforderungen und Getriebeanforderungen erfüllen. In der Patentliteratur findet man viele Vorschläge. Diese zu verstehen und zu bewerten ist der Inhalt der folgenden Übungen. Es werden dabei einzelne Funktionen herausgegriffen. Bei allen Übungen ist ein Konzeptvorschlag für ein Getriebe in Leistungsverzweigung mit zwei E-Maschinen gegeben. Es sind einzelne Betriebszustände sowohl in Bezug auf die Drehzahlen als auch Drehmomente zu berechnen.
Werner Klement
Backmatter
Metadaten
Titel
Hybridfahrzeuge
verfasst von
Werner Klement
Copyright-Jahr
2017
Verlag
Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
Electronic ISBN
978-3-446-43625-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-446-43625-1
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