Table Of ContentKonrad Reif (Hrsg.)
Konventioneller Antriebsstrang und Hybridantriebe
Konrad Reif (Hrsg.)
Konventioneller
Antriebsstrang
und Hybridantriebe
mit Brennstoffzellen und alternativen Kraftstoffen
Mit 247 Abbildungen
Bosch Fachinformation Automobil
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Der Inhalt dieses Buches erschien bisher unter den Titeln:
Hybridantriebe, Brennstoffzellen und alternative Kraftstoffe
Elektronische Getriebesteuerung
herausgegeben von der Robert Bosch GmbH, Plochingen
1. Auflage 2010
Alle Rechte vorbehalten
© Vieweg+Teubner Verlag|Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010
Lektorat: Christian Kannenberg | Elisabeth Lange
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sondere für Vervielfältigungen, Über setzun gen, Mikro verfil mungen und die
Ein speiche rung und Ver ar beitung in elek tro nischen Syste men.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnun-
gen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der
Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzge-
bung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg
Technische Redaktion: Gabriele McLemore
Satz: FROMM MediaDesign, Selters/Ts.
Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Printed in Germany
ISBN 978-3-8348-1303-9
Vorwort Ӏ 5
Vorwort
Die Technik im Kraftfahrzeug hat sich in den letzten Jahrzehnten stetig weiterentwickelt. Der
Einzelne, der beruflich mit dem Thema beschäftigt ist, muss immer mehr tun, um mit diesen Neu-
erungen Schritt zu halten. Mittlerweile spielen viele neue Themen der Wissenschaft und Technik
in Kraftfahrzeugen eine große Rolle. Dies sind nicht nur neue Themen aus der klassischen Fahr-
zeug- und Motorentechnik, sondern auch aus der Elektronik und aus der Informationstechnik.
Diese Themen sind zwar für sich in unterschiedlichen Publikationen gedruckt oder im Internet
dokumentiert, also prinzipiell für jeden verfügbar; jedoch ist für jemanden, der sich neu in ein
Thema einarbeiten will, die Fülle der Literatur häufig weder überblickbar noch in der dafür verfüg-
baren Zeit lesbar. Aufgrund der verschiedenen beruflichen Tätigkeiten in der Automobil- und
Zulieferindustrie sind zudem unterschiedlich tiefe Ausführungen gefragt.
Gerade heute ist es so wichtig wie früher: Wer die Entwicklung mit gestalten will, muss sich
mit den grundlegenden wichtigen Themen gut auskennen. Hierbei sind nicht nur die Hochschulen
mit den Studienangeboten und die Arbeitgeber mit Weiterbildungsmaßnahmen in der Pflicht. Der
rasche Technologiewechsel zwingt zum lebenslangen Lernen, auch in Form des Selbststudiums.
Hier setzt die Schriftenreihe „Bosch Fachinformation Automobil“ an. Sie bietet eine umfassen-
de und einheitliche Darstellung wichtiger Themen aus der Kraftfahrzeugtechnik in kompakter,
verständlicher und praxisrelevanter Form. Dies ist dadurch möglich, dass die Inhalte von Fachleu-
ten verfasst wurden, die in den Entwicklungsabteilungen von Bosch an genau den dargestellten
Themen arbeiten. Die Schriftenreihe ist so gestaltet, dass sich auch ein Leser zurechtfindet, für
den das Thema neu ist. Die Kapitel sind in einer Zeit lesbar, die auch ein sehr beschäftigter Ar-
beitnehmer dafür aufbringen kann.
Die Basis der Reihe sind die fünf bewährten, gebundenen Fachbücher. Sie ermöglichen einen
umfassenden Einblick in das jeweilige Themengebiet. Anwendungsbezogene Darstellungen, an-
schauliche und aufwendig gestaltete Bilder ermöglichen den leichten Einstieg. Für den Bedarf
an inhaltlich enger zugeschnittenen Themenbereichen bietet die siebenbändige broschierte Rei-
he das richtige Angebot. Mit deutlich reduziertem Umfang, aber gleicher detaillierter Darstellung,
ist das Hintergrundwissen zu konkreten Aufgabenstellungen professionell erklärt. Die schnelle
Bereitstellung zielgerichteter Information zu thematisch abgegrenzten Wissensgebieten sind das
Kennzeichen der 92 Einzelkapitel, die als pdf-Download zur sofortigen Nutzung bereitstehen.
Eine individuelle Auswahl ermöglicht die Zusammenstellung nach eigenem Bedarf.
Im Laufe der Neukonzeption dieser Schriftenreihe ist es nicht möglich, alle Produkte gleichzei-
tig inhaltlich neu zu bearbeiten. Dies geschieht demnach Zug um Zug.
Der vorliegende Band „Konventioneller Antriebsstrang und Hybridantriebe“ behandelt Hybrid-
antriebe, Betrieb von Hybridfahrzeugen, Elektroantriebe und Batterien für Hybridfahrzeuge,
Brennstoffzellen, alternative Kraftstoffe, konventionelle Getriebe und deren Steuerung, zugehöri-
ge Sensorik, Steuergeräte und Aktoren. Er setzt sich aus den früheren gelben Heften „Hybridan-
triebe, Brennstoffzellen und alternative Kraftstoffe“ und „Elektronische Getriebesteuerung“ in der
bisherigen Form zusammen. Eine inhaltliche Neubearbeitung wird folgen. Neu erstellt wurde das
Stichwortverzeichnis, um die Inhalte dieses Buchs rasch zu erschließen.
Friedrichshafen, im Juni 2010 Konrad Reif
Inhaltsverzeichnis Ӏ 7
Inhaltsverzeichnis
Hybridantriebe
Prinzip ............................................................................................................................................................... 10
Betriebsmodi ................................................................................................................................................... 11
Start/Stopp-Funktion .................................................................................................................................... 13
Hybridisierungsgrade .................................................................................................................................... 14
Antriebskonfiguration .................................................................................................................................... 16
Betrieb von Hybridfahrzeugen
Hybridsteuerung ............................................................................................................................................. 23
Betriebsstrategien für Hybridfahrzeuge .................................................................................................... 24
Betriebspunktoptimierung ............................................................................................................................ 26
Auslegung des Verbrennungsmotors ........................................................................................................ 29
Regeneratives Bremssystem
Strategien der regenerativen Bremsung ................................................................................................... 32
Elektroantriebe für Hybridfahrzeuge
Antriebe für Parallelhybrid-Fahrzeuge ....................................................................................................... 36
E-Maschine für den IMG-Antrieb ................................................................................................................ 37
Steuergerät für Hybridantriebe ................................................................................................................... 42
DC/DC-Wandler für die 12-V-Versorgung ............................................................................................... 45
Funktionen des E-Antriebs ........................................................................................................................... 46
Bordnetze für Hybridfahrzeuge
Bordnetze für Fahrzeuge mit Start/Stopp-System ................................................................................. 48
Bordnetze für Mild- und Full-Hybridfahrzeuge ......................................................................................... 50
Aufbau des Batteriesystems ........................................................................................................................ 53
Batteriemanagementsystem ........................................................................................................................ 55
Elektrische Energiespeicher ........................................................................................................................ 58
Brennstoffzellen für den Kfz-Antrieb
Funktionsprinzip ............................................................................................................................................. 61
Hybridisierte Brennstoffzellen-Fahrzeuge ................................................................................................. 64
Betrieb des BZ-Systems .............................................................................................................................. 65
Komponenten des Brennstoffzellensystems ............................................................................................ 69
Wasserstoffspeicherung für mobile Anwendungen ............................................................................... 75
Alternative Kraftstoffe
Einsatz alternativer Kraftstoffe im Kfz ......................................................................................................... 78
Alternative Kraftstoffe für Dieselmotoren .................................................................................................. 81
Alternative Kraftstoffe für Ottomotoren ..................................................................................................... 85
Well-to-Wheel-Analyse ................................................................................................................................. 93
Treibhauseffekt ............................................................................................................................................... 97
8 Ӏ Inhaltsverzeichnis
Getriebe für Kraftfahrzeuge
Getriebe im Triebstrang ................................................................................................................................ 98
Anforderungen an Getriebe ......................................................................................................................... 100
Handschaltgetriebe ....................................................................................................................................... 101
Automatisierte Schaltgetriebe (AST) ......................................................................................................... 102
Doppelkupplungsgetriebe (DKG) .............................................................................................................. 106
Automatische Getriebe (AT) ........................................................................................................................ 108
Stufenlose Getriebe (CVT) .......................................................................................................................... 116
Toroidgetriebe ................................................................................................................................................. 122
Elektronische Getriebesteuerung
Triebstrangmanagement ............................................................................................................................... 124
Markttrends ..................................................................................................................................................... 125
Steuerung automatisierter Schaltgetriebe AST ....................................................................................... 126
Steuerung von Automatikgetrieben ........................................................................................................... 130
Steuerung stufenloser Getriebe ................................................................................................................. 146
Sensoren
Einsatz im Kfz .................................................................................................................................................. 148
Getriebe-Drehzahlsensoren ......................................................................................................................... 149
Mikromechanische Drucksensoren ............................................................................................................ 150
Temperatursensoren ...................................................................................................................................... 153
Positionssensor für Getriebesteuerung .................................................................................................... 154
Sensorsignalverarbeitung
Signalaufbereitung (Auswerte-IC) .............................................................................................................. 155
Steuergerät
Einsatzbedingungen, Aufbau, Datenverarbeitung .................................................................................. 156
Steuergeräte für die elektronische Getriebesteuerung ......................................................................... 162
Thermo-Management .................................................................................................................................... 169
Prozesse und Tools in der Steuergeräteentwicklung ............................................................................. 171
Softwareentwicklung ..................................................................................................................................... 172
Elektrohydraulische Aktuatoren
Anwendung und Aufgabe, Anforderungen ............................................................................................... 186
Aufbau und Arbeitsweise ............................................................................................................................. 187
Aktuatorausführungen ................................................................................................................................... 188
Simulation in der Entwicklung ..................................................................................................................... 197
Module für Getriebesteuerung
Anwendung ..................................................................................................................................................... 200
Modulausführungen ....................................................................................................................................... 201
Literaturverzeichnis ........................................................................................................................................ 204
Abkürzungen ................................................................................................................................................... 205
Sachwortverzeichnis ..................................................................................................................................... 207
Autorenverzeichnis Ӏ 9
Autorenverzeichnis
Hybridantriebe, Brennstoffzellen und Elektronische Getriebesteuerung
alternative Kraftstoffe
Autoren Autoren
Dipl.-Ing. (FH) Thorsten Allgeier, Dipl.-Ing. D. Fornoff
Dr. rer. nat. Richard Aumayer, (Entwicklung AST Aktuatoren),
Dr. rer. nat. Frank Baumann, D. Grauman (Verkauf AST Getriebeaktuatorik),
Dipl.-Ing. Michael Bildstein, E. Hendriks (Produktmanagement
Dr.-Ing. Jochen Faßnacht (Bordnetze), CVT-Komponenten),
M. Sc. Ian Faye, Dipl.-Ing. T. Laux (Produktmanagement
Dr. rer. nat. Ulrich Gottwick, Getriebesteuerung),
Dr.-Ing. Hans-Peter Gröter (Elektroantriebe), Dipl.-Ing. T. Müller (Produktmanagement
Dr. rer. nat. Werner Grünwald, Getriebesteuerung),
Dr.-Ing. Karsten Mann, Dipl.-Ing. A. Schreiber
Dr.-Ing. Boyke Richter (Hybridantriebe), (Entwicklung Steuergeräte),
Dipl.-Ing. Arthur Schäfert, Dipl.-Ing. S. Schumacher
Dr.-Ing. Dirk Vollmer, (Entwicklung Aktuatorik und Module),
Dipl.-Ing. Achim Wach (Brennstoffzellen), Dipl.-Ing. W. Stroh (Entwicklung Steuergeräte)
Dr. rer. nat. Jörg Ullmann (Alternative Kraftstoffe)
Soweit nicht anders angegeben, handelt es sich um Mitarbeiter der Robert Bosch GmbH, Stuttgart.
10 | Hybridantriebe | Prinzip
Hybridantriebe
Ein Konzept zur Kraftstoffeinsparung, Bremsleistung liefert. Auch beim Full Hy-
zur Reduzierung von CO - und Schad- brid wird der Verbrennungsmotor mit ei-
2
stoffemissionen und gleichzeitig zur Er- nem (oder zwei) Elektromotor(en) kom-
höhung von Fahrspaß und Fahrkomfort biniert. Er ermöglicht neben dem verbren-
stellen elektrische Hybridfahrzeuge (Hy- nungsmotorischen Fahren und der
brid Electric Vehicle, HEV) dar. Sie ver- Unterstützung durch den Elektromotor
wenden zum Antrieb sowohl einen Ver- auch das rein elektrische Fahren.
brennungsmotor als auch mindestens ei-
nen Elektromotor (E-Maschine). Dabei Beide Hybridkonzepte verfügen über eine
gibt es eine Vielzahl von HEV-Konfigura- Start/Stopp-Funktionalität, wie sie von
tionen, die zum Teil verschiedene Opti- konventionellen Start/Stopp-Systemen be-
mierungsziele verfolgen und die in un- kannt ist. Beim Stehen, z. B. bei Ampelhalt,
terschiedlichem Maße elektrische Ener- wird der Verbrennungsmotor ausgeschal-
gie zum Antrieb des Fahrzeugs nutzen. tet. Durch die Vermeidung von Leerlauf-
phasen wird Kraftstoff eingespart. Ein
Prinzip automatisches Start/Stopp-System kann,
unabhängig von der Hybridisierung,
Mit dem Einsatz von elektrischen Hybrid- natürlich auch bei Fahrzeugen mit kon-
antrieben (Bild 1) werden im Wesentlichen ventionellem Antrieb eingesetzt werden.
drei Ziele verfolgt: Kraftstoffeinsparung, Sowohl Mild Hybrid als auch Full Hy-
Emissionsminderung und Erhöhung von bridsysteme brauchen einen elektrischen
Drehmoment und Leistung („Fahrspaß“). Energiespeicher, der den antreibenden
Je nach Zielsetzung werden dabei unter- Elektromotor versorgt. In der Regel han-
schiedliche Hybridkonzepte angewendet. delt es sich um eine Traktionsbatterie auf
Generell wird zwischen Mild Hybrid- und einem vergleichsweise hohen Spannungs-
Full Hybrid-Fahrzeugen unterschieden, je niveau.
nach ihrer Fähigkeit, auch rein elektrisch
zu fahren. Die Kombination von elektrischer und ver-
Beim Mild Hybrid wird der Verbren- brennungsmotorischer Antriebsquelle im
nungsmotor durch einen Elektromotor un- Mild Hybrid und Full Hybrid hat verschie-
terstützt, der bei verschiedenen Betriebs- dene Vorteile gegenüber konventionellen
zuständen zusätzliche Antriebs- und Antriebssträngen:
1 Prinzip des Hybridantriebs am Beispiel eines Parallelhybrids
3
1 4
2 2
Bild 1
1 Verbrennungsmotor 5 6
2 Kupplung
3 E-Maschine 4Y
1
4 Getriebe 00
H
5 Inverter T
S
6 Batterie
Hybridantriebe | Betriebsmodi | 11
(cid:25) Die E-Maschine bietet konstant hohe nen zusätzlichen Generator) kann beim
Drehmomente bei niedrigen Drehzah- Bremsen ein Teil der Bewegungsenergie
len. Dadurch ergänzt sie in idealer Weise des Fahrzeugs in elektrische Energie um-
den Verbrennungsmotor, dessen Dreh- gewandelt werden. Die elektrische Energie
moment erst bei mittleren Drehzahlen wird im Energiespeicher gespeichert und
ansteigt. E-Maschine und Verbren- kann für den Antrieb genutzt werden.
nungsmotor zusammen können so aus
jeder Fahrsituation heraus eine hohe Betriebsmodi
Dynamik zur Verfügung stellen (Bild 2).
(cid:25) Die Unterstützung durch den Elektro- Verbrennungsmotor und E-Maschine tragen
motor ermöglicht es, den Verbrennungs- je nach Betriebszustand und gefordertem
motor vorwiegend im Bereich seines Drehmoment in unterschiedlichem Maße
besten Wirkungsgrades zu betreiben zur Antriebsleistung bei. Die Hybridsteue-
oder in Bereichen, in denen nur geringe rung legt die Momentenaufteilung zwischen
Schadstoffemissionen entstehen (Be- den beiden Antrieben fest (s. Abschnitt Be-
triebspunktoptimierung). triebsstrategie). Die Art des Zusammenwir-
(cid:25) Die Kombination mit einem Elektro- kens von Verbrennungsmotor, E-Maschi-
motor ermöglicht ggf. den Einsatz eines ne(n) und Energiespeicher definiert die un-
kleineren Verbrennungsmotors bei terschiedlichen Betriebsmodi: Hybridisches
gleichbleibender Gesamtleistung (leis- und elektrisches Fahren, Boosten, Genera-
tungsneutrales Downsizing). torbetrieb und rekuperatives Bremsen.
(cid:25) Die Kombination mit einem Elektro-
motor ermöglicht ggf. den Einsatz eines Hybridisches Fahren
länger übersetzten Getriebes bei gleich- Hybridisches Fahren bezeichnet alle Zu-
bleibenden Fahrleistungen (Down- stände, in denen sowohl Verbrennungs-
speeding). motor als auch Elektromotor Antriebs-
moment erzeugen (Bild 3). Bei der Auftei-
Darüber hinaus ergibt sich bei den Hybrid- lung des Antriebsmoments berücksichtigt
systemen eine Möglichkeit zur Kraftstoff- die Hybridsteuerung neben dem Optimie-
einsparung durch Rückgewinnung von rungsziel (Kraftstoffverbrauch, Emissio-
Bremsenergie. Durch generatorischen Be- nen) insbesondere den Ladezustand des
trieb des Elektromotors (oder ggf. über ei- Energiespeichers.
2 Drehmomentverlauf 3 Hybridisches Fahren
Bild 2
—— Resultierender
2
nt 1 Hybrid
me –– Standard-Motor,
mo 1,6 l Hubraum
eh 3 —— Motor, downsized,
Dr 1,2 l Hubraum
—— E-Maschine, 15 kW
Drehzahl STH0013D STH0015Y B123 ildVEB e-a3Mrtbtaersrecinehninuengsmotor
12 | Hybridantriebe | Betriebsmodi
Rein elektrisches Fahren Generatorbetrieb
Rein elektrisches Fahren, bei dem das Im Generatorbetrieb wird der elektrische
Fahrzeug über längere Strecken alleine Energiespeicher aufgeladen. Zu diesem
durch die E-Maschine angetrieben wird, Zweck wird der Verbrennungsmotor so
ist nur beim Full Hybrid möglich. Der Ver- betrieben, dass er eine größere Leistung
brennungsmotor wird dafür von der E-Ma- abgibt, als für den gewünschten Vortrieb
schine abgekoppelt (Bild 4). In diesem Be- des Fahrzeugs erforderlich ist. Der über-
triebsmodus kann das Fahrzeug nahezu schüssige Leistungsanteil wird dem Gene-
lautlos und lokal emissionsfrei fahren. rator zugeführt und in elektrische Energie
umgewandelt, die im Energiespeicher ge-
Boosten speichert wird (Bild 5).
Im Boost-Betrieb geben Verbrennungs- Auch im Schubbetrieb wird der Energie-
motor und E-Maschine positives Antriebs- speicher über den Generator aufgeladen,
moment ab. Für das maximale Vortriebs- sofern der Batterieladezustand dies er-
moment des Fahrzeuges geben beide ihr laubt.
maximales Drehmoment ab (Bild 6).
4 Rein elektrisches Fahren 5 Generatorbetrieb
2 2
1 1
3 3
Y Y
6 8
1 1
0 0
0 0
H H
T T
S S
6 Boosten 7 Regeneratives Bremsen
2 2
1 1
3 3
Bild 4 – 7 7Y 9Y
1 1
1 Verbrennungsmotor 00 00
H H
2 E-Maschine T T
S S
3 Batterie
