Elektrifizierung in der Fahrzeugtechnik (eBook)

Prof. Dr. habil. Oliver Zirn lehrt an der Hochschule Esslingen (Fakultät Fahrzeugtechnik) Elektrotechnik sowie Antriebstechnik und ist darüber hinaus als Privatdozent für Werkzeugmaschinenmechatronik an der ETH Zürich tätig.

Vorwort 6
Inhaltsverzeichnis 8
1 Einleitung 12
2 Grundlagen der Elektrotechnik 15
2.1 Gleichstromnetzwerke 15
2.1.1 Hydraulisch-elektrische Analogiebetrachtung 17
2.1.2 Ohm’sches Gesetz, Knoten- und Maschenregel 22
2.1.3 Spannungs- und Stromquelle 34
2.1.4 Superposition 42
2.1.5 Knotenpotenzialverfahren 45
2.2 Elektrisches Feld 54
2.2.1 Elektrische Feldstärke und elektrischer Fluss 55
2.2.2 Kapazität 58
2.2.3 Feldeffekt-Transistor 62
2.3 Magnetisches Feld 65
2.3.1 Magnetischer Fluss und magnetischer Kreis 66
2.3.2 Induktionsgesetz und Selbstinduktivität 76
2.3.3 Kraftwirkungen im Magnetfeld 84
2.4 Wechselstromnetzwerke 89
2.4.1 Darstellung im Zeitbereich 90
2.4.2 Komplexe Wechselstromrechnung 92
2.4.3 Netzwerke an veränderlicher Frequenz 99
2.4.4 Schein-, Wirk- und Blindleistung 103
2.5 Nichtharmonische periodische Signale 105
2.5.1 Fourier-Analyse und Spektrum 105
2.5.2 Fourier-Transformation 108
2.6 Transiente Vorgänge 110
2.6.1 Analyse transienter Vorgänge im Zeitbereich 111
2.6.2 Laplace-Transformation 115
2.7 Literatur 121
3 Grundlagen der Modellbildung 122
3.1 Mechanische Strukturen 122
3.1.1 Einmassenschwinger 123
3.1.2 Zweimassenschwinger 128
3.1.3 Beschreibung in modalen Koordinaten 131
3.2 Thermalanalyse 134
3.2.1 Grundlagen der Thermalanalyse 134
3.2.2 Thermische Mehrkörpersysteme 137
3.3 Elektrochemische Energiespeicher und Wandler 141
3.3.1 Akkumulatoren 141
3.3.2 Brennstoffzelle 144
3.4 Literatur 145
4 Simulation mechatronischer Systeme 146
4.1 Modellbildung 147
4.2 Systemidentifikation und messtechnische Validierung 153
4.3 Ingenieurwissenschaftliche Softwarewerkzeuge 157
4.3.1 MATLAB 158
4.3.2 Simulink 166
4.3.3 MATLAB-/Simulink-Kurzreferenz mit Beispielen 170
4.4 Literatur 177
5 Elektrische Antriebstechnik 179
5.1 Gleichstrommaschine 180
5.1.1 Permanentmagnetisch erregte Gleichstrommaschine 181
5.1.2 Elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine 193
5.2 Drehfeldmaschinen 203
5.2.1 Vom Drehstrom zum Drehfeld 203
5.2.2 Asynchronmaschine 205
5.2.3 Synchronmaschine 213
5.3 Bewegungswandler und Antriebsanpassung 220
5.3.1 Reihengesetzmäßigkeiten elektrischer Maschinen 220
5.3.2 Bewegungswandler 222
5.4 Workshop BLDC-Motor 227
5.4.1 Motorbetrieb 228
5.4.2 Bremsbetrieb 233
5.5 Literatur 234
6 Ansteuerung elektrischer Antriebe 235
6.1 Regelstrecke und Spannungssteuerung 236
6.2 Strom- und Momentenregler 238
6.3 Drehzahl- und Geschwindigkeitsregler 241
6.4 Feldorientierte Regelung 248
6.5 Positionsregler und Führungsgrößengenerierung 255
6.6 Workshop Antriebssimulation 258
6.6.1 Spannungsgesteuerter DC-Motor 259
6.6.2 DC-Motor mit PI-Drehzahlregelung 262
6.6.3 DC-Motor mit kaskadierter Lageregelung 264
6.6.4 DC-Motor mit elastisch angekoppelter Last 266
6.6.5 Lagegeregelte Servoachse mit elastischer Last 269
6.7 Literatur 272
7 Elektrifizierte Fahrzeugantriebe 273
7.1 Fahrzeug-Längsmodell 274
7.1.1 Prinzipieller Aufbau des Längsmodells 274
7.1.2 Zugkraft und Lastmodell 277
7.1.3 Antriebsstrangmodell 279
7.1.4 Fahrermodell und Lastzyklus 282
7.1.5 Implementierung in Simulink 286
7.2 Elektrifizierte Traktionsantriebe 292
7.2.1 Antriebskennlinie 293
7.2.2 Reichweitenabschätzung 294
7.2.3 Analytische Verbrauchsabschätzung 296
7.3 Hybridfahrzeuge 300
7.3.1 Betriebsarten von Parallelhybriden 302
7.3.2 Nachhybridisierung von Pkw 306
7.3.3 Hybridisierungspotenziale von Nutzfahrzeugen 310
7.4 Workshop elektrifizierte Ultraleicht-Fahrzeuge 318
7.5 Literatur 324
Sachwortverzeichnis 326