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Fahrzeugtechnik - Hybridantrieb mit serieller Anordnung

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Fahrzeugtechnik

Hybridantrieb mit serieller Anordnung

Digitalanzeige eines Hybridfahrzeugs
Digitalanzeige eines Hybridfahrzeugs

Bei der seriellen Anordnung wird der Generator vom Verbrennungsmotor angetrieben, wobei der Verbrennungsmotor mit konstanter Drehzahl und Last in einem Betriebspunkt mit hohem Wirkungsgrad läuft. Die erzeugte elektrische Energie kann bedarfsweise für den Betrieb des Antriebsmotors genutzt werden. Besteht eine überschüssige Leistung im Generator, so kann diese

  1. zum Laden der Batterie verwendet oder
  2. als zusätzliche Leistung für den Antriebsmotor genutzt werden.

Merke

Liegt ein Schubbetrieb (Bergabfahrt) vor, so wird der Antriebsmotor als Generator geschaltet, wodurch die Batterie erneut auflädt. Ist der Ladevorgang der Batterie abgeschlossen, so schaltet sich der Verbrennungsmotor zur Vermeidung von Überladungen kurzfristig ab.

Für den Verbrennungsmotor und den Antriebsmotor gilt:

  1. Der Verbrennungsmotor muss ausreichend stark ausgelegt sein, damit im Fahrbetrieb die abgegebene Leistung des Generators ausreicht, um den Antriebsmotor zu speisen und damit eine konstante Fahrgeschwindigkeit gehalten werden kann.
  2. Der Antriebsmotor muss noch stärker ausgelegt sein, um Beschleunigungsspitzen zu gewährleisten und während der Fahrt Bremsenergie zurückgewinnen zu können.  

Optimaler Wirkungsgrad versus ungünstigster Wirkungsgrad

Entspricht die vom Generator angebotene Energie exakt der vom Antriebsmotor benötigten Energie, so liegt der optimale Wirkungsgrad beim Fahrbetrieb mit maximaler Dauergeschwindigkeit vor. 

Methode

Optimaler Wirkungsgrad: $ \eta_{max} = \eta_{VMopt} \cdot \eta_{G} \cdot \eta_{EM} \approx 0,35 \cdot 0,92 \cdot 0,87 \approx 0,28 $ 

Wurde die Batterie vom Generator vollständig geladen und wird der Antriebsmotor bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor aus der Batterie gespeist, so liegt der ungünstigste Wirkungsgrad vor.

Methode

Ungünstigster Wirkungsgrad: $ \eta_{min} = \eta_{VMopt} \cdot \eta_{G} \cdot ( \eta_{Laden} \cdot \eta_{Entladen} ) \cdot \eta_{EM} \approx 0,35 \cdot 0,92 ( \cdot 0,85 \cdot 0,85 )\cdot 0,87 \approx 0,20 $ 

Erläuterung der Wirkungsgrade in den Gleichungen:

  • $ \eta_{VMopt} = $ Optimaler Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors

  • $ \eta_{G} = $ Wirkungsgrad des Generators

  • $ \eta_{Laden} = $ Wirkungsgrad des Ladevorgangs

  • $ \eta_{Entladen} = $ Wirkungsgrad des Entladevorgangs

  • $ \eta_{EM} = $ Wirkungsgrad des Elektromotors

Merke

Im normalen Fahrbetrieb liegt der Wirkungsgrad zwischen den beiden Extremwerten. Letztlich hängt der Wert vom Fahrverhalten und der Regelung ab. 
Hybridantrieb mit serieller Anordnung
Hybridantrieb mit serieller Anordnung