Hybridkraftfahrzeuge E-Book

Chris Mi

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 653

Veröffentlichungsjahr: 2015

Beschreibung

Hybridkraftfahrzeuge und Elektroautos spielen für die Automobilindustrie eine immer wichtigere Rolle. Begrenzte Ressourcen und steigende Kraftstoffpreise prägen die Ansprüche von Verbrauchern. Durch energie- und umweltpolitische Vorgaben wird das Interesse an alternativen Antriebsformen zusätzlich gesteigert.

Auch in der Lehre an Universitäten und Hochschulen nimmt die die Technologie einen größeren Stellenwert ein, neben klassischen Themen der Fahrzeugtechnik gewinnen moderne Hochleistungselektronik und die Entwicklung neuer Materialien für die Batterie- und Motortechnik an Bedeutung.

Leicht nachvollziehbar und mit der langjährigen Erfahrung aus Industrieforschung, Unternehmensfortbildung und akademischer Lehre vermitteln die Autoren Grundwissen und weiterführende Aspekte.

* Grundlagen der Hybridtechnik
* Einführung in Speicherelemente wie Batterien, Kondensatoren und Brennstoffzellen
* Überblick über gängige Hybridisierungskonzepte in Kraftfahrzeugen
* Leistungselektronik, Elektromotoren und elektrische Maschinen
* Komponentenauslegung und Designoptimierung
* Leistungs- und Energiemanagement im Fahrzeug
* Zuverlässigkeit, elektromagnetische Verträglichkeit und Lebensdauer
* Entwicklungen bei fortgeschrittenen Architekturen des Hybrid-Antriebsstrangs wie Planetengetriebe, Doppelkopplungsgetriebe und Two-Mode-Hybridsysteme
* Modellierung und Simulation auf Basis von MATLAB/Simulink

Am Beispiel von Zügen, Flugzeugen, Schiffen und weiteren Transportmitteln wird der Einsatz von Hybridtechnik außerhalb der Automobilindustrie erläutert. Fragen zu Kommerzialisierung und Standardisierung geben einen Ausblick auf die wirtschaftliche Entwicklung.

Das erste in sich abgeschlossene Lehrbuch über alles, was man alles, was man zu Konzeption und Betrieb von Hybridfahrzeugen wissen muss.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Vorwort zur englischen Ausgabe

Die Autoren

1 Einleitung

1.1 Nachhaltigkeit im Transportwesen

1.2 Kurze Beschreibung der Entwicklung von HEVs

1.3 Gründe für Aufkommen und Misserfolg von EVs in den 1990er-Jahren und was daraus gelernt werden kann

1.4 Konfigurationen von HEVs

1.5 Das fachbereichsübergreifendeWesen von HEVs

1.6 Stand der Technik bei HEVs

1.7 Herausforderungen und Schlüsseltechnologie bei HEVs

1.8 Die „unsichtbare Hand“ und Unterstützung durch die Regierung

2 Konzept der Automobil-Hybridisierung

2.1 Fahrzeuggrundlagen

2.2 Grundlagen der EVs

2.3 Grundlagen des HEV

2.4 Grundlagen des Plug-in-Hybrid-elektrischen Fahrzeugs (PHEV)

2.5 Grundlagen von Brennstoffzellenfahrzeugen (FCVs)

3 HEV-Grundlagen

3.1 Einleitung

3.2 Fahrzeugmodell

3.3 Fahrzeug-Performance

3.4 Dimensionierung/Auslegung der Komponenten des Antriebsstrangs von EVs

3.5 Serielle Hybridfahrzeuge

3.6 Parallele Hybridfahrzeuge

3.7 Dynamik des Reifenschlupfs

4 Moderne HEV-Konfigurationen und Dynamik des HEV-Antriebsstrangs

4.1 Prinzip von Planetengetrieben

4.2 Hybridantrieb des Toyota Prius und des Ford Escape

4.3 Two-Mode-Hybridantrieb von GM

4.4 Doppelkupplung-Hybridgetriebe

4.5 Die von Zhang et al. vorgeschlagene Hybrid-Kraftübertragung

4.6 Der Renault IVT-Hybridantrieb

4.7 Two-Mode-Hybrid-Kraftübertragung von Timken

4.8 Die Hybrid-Kraftübertragung von Tsai

4.9 Hybrid-Kraftübertragung mit Drehzahlund Drehmoment-Kopplungsmechanismus

4.10 Der Toyota Highlander und Toyota Lexus Hybrid, elektrischer Vierradantrieb

4.11 Der Toyota-Camry-Hybridantrieb

4.12 Der Chevy-Volt-Antriebsstrang

4.13 Dynamik von Kraftübertragungen auf der Basis von Planetenradgetrieben

4.14 Fazit

5 Plug-in-Hybrid-elektrische Fahrzeuge

5.1 Vorstellung von PHEVs

5.2 PHEV-Konfigurationen

5.3 Äquivalente elektrische Reichweite von Blended-PHEVs

5.4 Kraftstoffeffizienz von PHEVs

5.5 Leistungsmanagement von PHEVs

5.6 PHEV-Auslegung und Dimensionierung der Komponenten

5.7 Dimensionierung von Komponenten von EREVs

5.8 Dimensionierung/Auslegung von Komponenten von Blended-PHEVs

5.9 HEV-Umbauten zu PHEVs

5.10 SonstigeThemenbereiche zu PHEVs

5.11 Vehicle-to-Grid-Technologie

5.12 Fazit

6 Spezielle Hybridfahrzeuge

6.1 Hydraulische Hybridfahrzeuge

6.2 Gelände-HEVs

6.3 Diesel-HEVs

6.4 Elektrische oder Hybrid-Schiffe, -Luftfahrzeuge und -Lokomotiven

6.5 Sonstige Industrie-Nutzfahrzeuge

7 HEV-Anwendungen fürMilitärfahrzeuge

7.1 Warum HEVs für militärische Anwendungen vorteilhaft sein können

7.2 Landfahrzeuganwendungen

7.3 Militärische Anwendungen für Nicht-Landfahrzeuge

7.4 Robustheit von Geräten

8 Diagnose, Prognostik, Betriebssicherheit, EMV und andere Themenbereiche rund um HEVs

8.1 Diagnose und Prognostik bei HEVs und EVs

8.2 Betriebssicherheit von HEVs

8.3 EMV-Probleme

8.4 NVH-Effekte, elektromechanische und sonstige Probleme

8.5 Probleme im Zusammenhang mit dem Lebensdauerende

9 Leistungselektronik in HEVs

9.1 Einleitung

9.2 Grundprinzip der Leistungselektronik

9.3 Gleichrichter in HEVs

9.4 In HEVs verwendete Abwärtswandler

9.5 Nicht isolierte bidirektionale DC/DC-Wandler

9.6 Wechselrichter

9.7 Stromrichter

9.8 Bidirektionale DC/DC-Wandler mit galvanischer Trennung

9.9 PWM-Gleichrichter in HEVs

9.10 Batterieladegeräte für EVs und PHEVs

9.11 Modellierung und Simulation von HEV-Leistungselektronik

9.12 Neu entwickelte Leistungselektronikgeräte

9.13 Schaltkreisgehäuse

9.14 Wärmemanagement in der HEV-Leistungselektronik

9.15 Fazit

10 Elektrische Maschinen und Antriebe in HEVs

10.1 Einleitung

10.2 Asynchronmotorantriebe

10.3 Permanentmagnetmotorantriebe

10.4 Geschaltete Reluktanzmotoren

10.5 DSPM-Maschinen

10.6 Auslegung und Dimensionierung von Traktionsmotoren

10.7 Thermische Analyse und Modellierung von Traktionsmotoren

10.8 Fazit

11 Batterien, Superkondensatoren, Brennstoffzellen und Steuerungen

11.1 Einleitung

11.2 Kennzeichnung von Batterien

11.3 Vergleich von unterschiedlichen Energiespeichertechnologien für HEVs

11.4 Modellierung anhand elektrischer Ersatzschaltbilder

11.5 Batterieladesteuerung

11.6 Lademanagement von Energiespeichervorrichtungen

11.7 Schwungrad-Energiespeichersystem

11.8 Hydraulische Energiespeichersysteme

11.9 Brennstoffzellen und hybrides Brennstoffzellen-Energiespeichersystem

11.10 Fazit und Diskussion

12 Modellierung und Simulation von Elektro- und Hybridfahrzeugen

12.1 Einleitung

12.2 Grundprinzipien der Modellierung von Fahrzeugsystemen

12.3 HEV-Modellierung mit ADVISOR

12.4 HEV-Modellierung mit PSAT

12.5 Physikalische Modellierung

12.6 Bondgraphen und andereModellierungsverfahren

12.7 Betrachtung der numerischen Integrationsverfahren

12.8 Fazit

13 Dimensionierung/Auslegung und Design-Optimierung von HEV-Komponenten

13.1 Einleitung

13.2 Globale Optimierungsalgorithmen für die HEV-Auslegung

13.3 Model-in-the-Loop-Designoptimierungsprozess

13.4 Beispiel für die Designoptimierung eines Parallel-HEV

13.5 Beispiel einer Designoptimierung eines seriellen HEV

13.6 Fazit

14 Leistungsregelstrategie und Energiemanagement für Fahrzeuge

14.1 Generisches Framework, Definition und Bedarfe

14.2 Methodologie der Implementierung

14.3 Vorteile des Energiemanagements

15 Kommerzialisierung und Standardisierung von HEV-Technologie und Zukunft des Transportwesens

15.1 Was bedeutet Kommerzialisierung und welche Bedeutung kommt ihr bei HEVs zu?

15.2 Vorteile, Nachteile und Auslöser der Kommerzialisierung

15.3 Standardisierung und Kommerzialisierung

15.4 Probleme der Kommerzialisierung und Auswirkungen auf zahlreiche Typen von Fahrzeugen

15.5 Kommerzialisierung und Zukunft der HEVs und des Transportwesens

Stichwortverzeichnis

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Lange, G., Pohl, M. (Hrsg.)

Systematische Beurteilung technischer Schadensfälle

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Helm, D.

Einführung in die Kontinuumsmechanik

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Callister, W.D., Rethwisch, D.G.

Materialwissenschaften und Werkstofftechnik

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Nichtlineare Finite-Elemente-Analyse von Festkörpern und Strukturen

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Titel der Originalausgabe

Mi/Masrur/Gao

„Hybrid Electric Vehicles“ (Print-ISBN 978-0-470-74773-5)

© All Rights Reserved. Authorised translation from the English language edition published by John Wiley & Sons Limited. Responsibility for the accuracy of the translation rests solely with Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA and is not the responsibility of John Wiley & Sons Limited. No part of this book may be reproduced in any form without the written permission of the original copyright holder, John Wiley & Sons Limited.

MATLAB® ist ein eingetragenes Waren-zeichen von The MathWorks, Inc. und wird im Text mit freundlicher Genehmigung von The MathWorks, Inc. verwendet.

Autoren

Chris MiUniversity of Michigan-DearbornUSA

M. Abul MasrurUniversity of Detroit-Mercy Großbritannien

David Wenzhong GaoUniversity of Denver2390 S York St, Room 200University of DenverCO 80 Denver CoUSA

Übersetzung

Kurt WenerTranslation Knowledge Work(s)Bleicherstr. 1131137 HildesheimDeutschland

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Umschlaggestaltung Formgeber/Atelier für grafische Gestaltung, Mannheim, Deutschland

Typesetting le-tex publishing services GmbH, Leipzig, Deutschland

Druck und Bindung Markono Print Media Pte Ltd, Singapur

Print ISBN 978-3-527-33662-3ePDF ISBN 978-3-527-67806-8ePub ISBN 978-3-527-67808-2Mobi ISBN 978-3-527-67807-5

Vorwort zur englischen Ausgabe

Es gilt heute als anerkannte Tatsache, dass die Technologien von Hybrid-elektrischen Fahrzeugen (HEV, Hybrid Electric Vehicle) und Elektrofahrzeugen (EV, Electric Vehicle) von entscheidender Bedeutung für die gesamte Automobilindustrie sind. Sie sind aber auch für den Benutzer in Bezug auf die Verbesserung der Kraftstoffeffizienz und der Umweltfreundlichkeit von Bedeutung. Im vergangenen Jahrzehnt haben diese Technologien beachtliche Fortschritte gemacht. Mit der technologischen Entwicklung ist auch öffentlich zugängliche Literatur zu diesen Themen in Form von veröffentlichten Konferenzunterlagen und Artikeln in Fachzeitschriften, aber auch in Form von Lehrbüchern und Nachschlagewerken erschienen. Warum haben die Autoren sich also die Mühe gemacht, dieses Buch zu schreiben? Die Frage ist durchaus berechtigt. Nun, die Autoren haben bemerkt, dass die existierenden Lehrbücher sich hauptsächlich auf Themen wie Fahrzyklus, Kraftstoffverbrauch und Antriebstechnologien konzentrieren. Zudem sind die Autoren der Meinung, dass das Hauptaugenmerk dieser Lehrbücher auf normalen Personenwagen lag. Vor diesem Hintergrund meinen die Autoren, dass ein breiter gefasster Blick auf die Technologie notwendig ist, also dass die HEV-Technologie nicht nur auf normale Automobile, sondern auch auf andere Fahrzeuge, wie beispielsweise Lokomotiven, Geländefahrzeuge (Baumaschinen- und Bergbaufahrzeuge), Schiffe und sogar in gewissem Maß auf Luftfahrzeuge anwendbar ist. Die Autoren sind überzeugt, dass diese Informationen wahrscheinlich existieren, aber nicht in Form eines Lehrbuchs, in dem die allgemeine Sicht auf die Technologie präsentiert wird. Tatsächlich ist HEV-Technologie überhaupt nicht neu – eine leicht abgewandelte Variante gab es bereits vor Jahren in Diesel-elektrischen Lokomotiven. Allerdings haben die Verfügbarkeit von Hochleistungselektronik und die Entwicklung besserer Werkstoffe für die Elektromotortechnologie die HEV-Technologie im vergangenen Jahrzehnt wirklich nach vorne gebracht, sodass sie für weitere Anwendungen einsetzbar wird.

Ein Lehrbuch ist keine Fachzeitschrift und muss deshalb ein vernünftiges Maß von Unabhängigkeit aufweisen. Daher haben die Autoren sich entschlossen, die Grundlagen zu erarbeiten, einschließlich der Grundlagen von Leistungselektronik, Elektromotoren und Speicherelementen wie Batterien, Kondensatoren, Schwungrädern usw. Alle diese Grundlagen sind wesentliche Komponenten bzw. Bestandteile der HEV-Technologie. Ein weiteres Element im Buch ist eine Diskussion über die Systemebenenarchitektur von Fahrzeugen, Modellierungs- und Simulationsmethoden, Kraftübertragung und Kopplung. Auch Fahrzyklen und deren Bedeutung sowie Optimierung der Fahrzeugleistungs-Nutzungsstrategie (und Leistungsmanagement) werden erläutert. Das Problem der Aufteilung der Leistung zwischen mehreren Quellen liegt im Bereich des Leistungsmanagements. Das Leistungsmanagement ist ein extrem wichtiges Thema für alle Leistungssysteme, die mehr als eine Leistungsquelle nutzen. Diese Quellen können sich der Art nach gleichen und unterscheiden, das heißt, sie können elektrisch, mechanisch, chemisch etc. sein. Auch wenn sie alle sehr ähnlich sind, besitzen sie vielleicht unterschiedliche Eigenschaften. Optimierung bedingt eine Entscheidung über die Ressourcenzuordnung in solchen Situationen. Einige dieser Optimierungsmethoden existieren tatsächlich in der Energieversorgungsbranche und werden dort auch genutzt, haben aber in letzter Zeit auch Interesse in fahrzeugtechnischen Anwendungen gefunden. Um dieses Buch thematisch abzurunden und einen eher ganzheitlichen Ansatz zu verfolgen, wurden auch Themen wie Anwendungen für Geländefahrzeuge, Lokomotiven, Schiffe und Luftfahrzeuge aufgenommen. In jüngster Vergangenheit gewann die Schnittstelle zwischen Fahrzeug und Stromversorgungsnetz für Plug-in-Funktionen zunehmend an Bedeutung, daher wurden Themen wie die Leistungsübertragung in Plug-in-Hybrids sowie Vehicle-to-Grid bzw. Vehicle-to-Vehicle mit aufgenommen. Auch wurden die Diagnose und Prognostik, die Zuverlässigkeit von HEVs aus Systemebenensicht, elektromechanische Schwingungen sowie NVH-Effekte (NVH, Noise Vibration Harshness), elektromagnetische Verträglichkeit und elektromagnetische Störungen (EMV/EMS, englisch Electromagnetic Compatibility/Electromagnetic Interference, EMC/EMI) sowie Lebensdauerproblematik diskutiert. Nach Meinung der Autoren finden sich die meisten dieser Themen nicht in Lehrbüchern über HEVs. Tatsächlich wurden einige dieser Themen auch nur selten in der wissenschaftlichen Literatur erläutert, obwohl sie alle sehr wichtige Punkte betreffen. Der Erfolg einer Technologie manifestiert sich letztlich in Form von Benutzerakzeptanz, und diese ist eng mit der Massenfertigung des Produkts verknüpft. Es reicht nicht, dass eine Technologie gut ist. Wenn eine Technologie nicht in großen Stückzahlen relativ kostengünstig gefertigt werden kann, und das gilt besonders für Technologien, die sich an den normalen Verbraucher richten, kann sie sich in der Gesellschaft nicht durchsetzen. Das gilt ganz besonders auch für HEVs. Daher schließt dieses Buch mit einem Kapitel zum Thema Kommerzialisierung von HEVs.

Die Autoren verfügen über signifikante Erfahrungen in vielen technischen Bereichen, die in diesem Buch besprochen werden, und dies spiegelt sich sowohl hinsichtlich der Stoffauswahl wie auch in der Präsentation wider. Die Autoren sind sowohl im akademischen wie auch im industriellen Umfeld als Vortragende bzw. Lehrkräfte im Bereich von HEV- und EV-Systemen und -Komponenten tätig. Das Buch ist zum Teil aus den Unterlagen für solche Kurse entstanden. Allerdings wurden jede Menge weiterer Unterlagen hinzugefügt, die nicht Teil dieser Kurse sind.

Alle, die zu diesem Werk beigetragen haben , glauben, dass es einige Lücken in der existierenden Literatur und im Bereich der HEV- und EV-Technologien sowohl für normale als auch für Geländefahrzeuge füllen kann. Das Buch hilft dem Leser auch, einen besseren Einblick in die Systemebene solcher Fahrzeuge zu erhalten.

Die insgesamt 15 Kapitel wurden von den drei Autoren gemeinsam geschrieben. Chris Mi ist der Hauptautor der Kapitel 1, 4, 5, 9 und 10. M. Abul Masrur ist der Hauptautor von Kapitel 2, 6, 7, 8, 14 und 15. David Wenzhong Gao ist der Hauptautor von Kapitel 3, 11, 12 und 13.

Da es sich hier um die Erstausgabe dieses Buches handelt, sind den Autoren Anregungen und Kommentare seitens der Leser sehr willkommen und stellen sicher, dass Korrekturen und Verbesserungen in künftige Ausgaben eingearbeitet werden können.

Die Autoren sind all denjenigen sehr dankbar, die zum Entstehen dieses Buches beigetragen haben. Ein großer Teil des vorgestellten Materials ist das Ergebnis jahrelanger Arbeit der Autoren und der wissenschaftlichen Mitarbeiter der Forschungsgruppen an den folgenden Universitäten: University of Michigan–Dearborn, Tennessee Technological University und University of Denver. Dank gilt auch den vielen engagierten Mitarbeitern und Studierenden, die große Teile und Unterlagen zu diesem Buch beigetragen und bereitgestellt haben.

Der Dank der Autoren gilt auch ihren Familien. Sie haben die Autoren im Verlauf der Entstehung dieses Buches großartig unterstützt und viele Opfer gebracht. Aufrichtige Anerkennung gilt auch den zahlreichen Quellen, die uns die Genehmigung erteilten, bestimmte Unterlagen oder Bilder in diesem Buch zu verwenden. Danksagungen finden Sie auch dort, wo diese Unterlagen im Buch erscheinen. Die Autoren haben sich bemüht, die Genehmigung für die verwendeten, öffentlich und auf Internet-Websites zugänglichen Materialien zu bekommen. In manchen Fällen existieren die ursprünglichen Quellenangaben der Unterlagen (insbesondere bei einigen Websites) nicht mehr und konnten nicht weiter zurückverfolgt werden. In diesen Fällen haben die Autoren festgehalten, woher die Unterlagen stammen und haben ihren Dank zum Ausdruck gebracht. Falls Quellenangaben tatsächlich fehlen sollten, entschuldigen sich die Autoren für dieses Versehen und werden dies in künftigen Ausgaben dieses Buches berichtigen, sofern der Herausgeber davon Kenntnis erlangt. Die in diesem Buch erwähnten Produkt- oder Lieferantennamen werden nur aus informativen Gründen aufgeführt. Sie stellen weder eine Befürwortung (oder Ablehnung) des Produkts oder Lieferanten durch den Herausgeber oder die Autoren dar.

Schließlich sind die Autoren dem Verlag John Wiley & Sons, Ltd sowie seinen redaktionellen Mitarbeitern zu großem Dank verpflichtet für die Möglichkeit, dieses Buch zu veröffentlichen. Sie danken ebenfalls für die allumfassende Unterstützung. Besonderer Dank gilt Frau Nicky Skinner von John Wiley & Sons, die dieses Buchprojekt im Namen des Herausgebers initiiert hat, aber leider kürzlich verstorben ist, sodass sie das Ergebnis ihrer erfolgreichen Arbeit nicht mehr erleben konnte.

Die Autoren

Chris Mi ist Associate Professor of Electrical and Computer Engineering und Director of DTE Power Electronics Laboratory an der University of Michigan–Dearborn, Dearborn, MI, USA. Dr Mi ist führender Experte für Elektro- und Hybridfahrzeuge und hielt Tutorien und Seminare zu dem Themenkomplex für die Society of Automotive Engineers (SAE), IEEE, National Society of Professional Engineers und wichtige Automobilhersteller und -zulieferer, darunter GM, Ford, Chrysler und Delphi. Er hielt seine Tutorien auch in China, Korea, Italien, Singapur und Mexiko. Er veröffentlichte über 100 Fachartikel, hielt mehr als 50 Vorträge und Keynotes und war vielfach Diskussionsleiter.

Ausgezeichnet wurde Dr. Mi vielfach, unter anderem mit den folgenden Auszeichnungen: „2009 Distinguished Research Award“ der University of Michigan–Dearborn, „2007 SAE Environmental Excellence in Transportation Award“ (auch bekannt als E2T) für „Innovative Education and Training Program in Electric, Hybrid and Fuel Cell Vehicles“, „2005 Distinguished Teaching Award“ der University of Michigan–Dearborn, „IEEE Region 4 Outstanding Engineer Award“ und „IE-EE Southeastern Michigan Section Outstanding Professional Award“. Er erhielt zudem die Auszeichnungen „National Innovation Award“ (1992) und „Government Special Allowance Award“ (1994) von der Zentralregierung in China. Im Dezember 2007 wurde Dr. Mi aufgrund seiner Verdienste als „a leader in education and an example of good moral character“ als Mitglied in die „Eta Kappa Nu“ der „Electrical and Computer Engineering Honor Society“ aufgenommen.

Dr. Mi verfügt über einen Abschluss als B. Sc. und M. Sc. der Northwestern Polytechnical University, Xi’an, China und einen PhD der University of Toronto, Kanada. Er war Chief Technical Officer bei 1Power Solutions zwischen 2008 und 2010 und arbeitete für General Electric Company zwischen 2000 und 2001. Von 1988–1994 war er Fakultätsmitglied der Northwestern Polytechnical University und zwischen 1994 und 1996 Associate Professor und Associate Chair des Department of Automatic Control Systems, Xi’an Petroleum University, China.

Desweiteren ist Dr. Mi Associate Editor von IEEE Transactions on Vehicular Technology, Associate Editor of IEEE Transactions on Power Electronics – Letters, Associate Editor des Journal of Circuits, Systems, and Computers (2007–2009), Editorial Board Member von International Journal of Electric and Hybrid Vehicles, Editorial Board Member von IET Transactions on Electrical Systems in Transportation, ein Guest Editor von IEEE Transactions on Vehicular Technology, Special Issue on Vehicle Power and Propulsion (2009–2010), sowie Guest Editor von International Journal of Power Electronics, Special Issue on Vehicular Power Electronics and Motor Drives (2009–2010). Er arbeitete als Vice Chair (2006–2007) und Chair (2008) der IEEE Southeastern Michigan Section. Er war General Chair der Fifth IEEE International Vehicle Power and Propulsion Conference, die in Dearborn, MI, USA vom 7.–11. September 2009 stattfand. Er hat auch im Review Panel für die National Science Foundation, dem US Department of Energy (2006–2010) sowie dem Natural Science and Engineering Research Council of Canada (2010) gearbeitet.

Dr. Mi ist der Topic Coordinator für die 2011 IEEE International Future Energy Challenge Competition.

M. Abul Masrur verfügt seit 1984 über einen Abschluss als PhD in Electrical Engineering der Texas A&M University, College Station, TX, USA. Dr. Masrur ist Adjunct Professor an der University of Detroit Mercy, wo er Vorlestungen zu den Themenbereichen „Advanced Electric and Hybrid Vehicles“ (Moderne Elektro- und Hybridfahrzeuge), „Vehicular Power Systems“ (Fahrzeugantriebsstränge), „Electric Drives and Power Electronics“ (Elektrische Antriebe und Leistungselektronik) hielt. Er arbeite für die Scientific Research Labs. der Ford Motor Co. zwischen 1984 und 2001 und war unter anderem an der Forschung und Entwicklung in Verbindung mit elektrischen Antrieben und Leistungselektronik, Architekturen moderner automobiltechnischer Leistungselektronik, elektrischen aktiven Federungssystemen für Automobile, elektrischen Lenkunterstützungssystemen sowie am Design von autonomen USV-Systemen beteiligt.

Seit April 2001 arbeitete Dr. Masrur mit dem US Army RDECOM-TARDEC (R&D) zusammen, wo er am Konzeptdesign und der Entwicklung von fahrzeugtechnischen Leistungsmanagementsystemen, elektrischem Leistungsmanagement und KI-basierter Fehlerdiagnose von elektrischen Antrieben arbeitete. Er hat über 70 Publikationen verfasst, viele davon in öffentlich zugänglichen internationalen Fachzeitschriften und Konferenzbeiträgen. Er ist Inhaber von acht US-Patenten, wovon zwei auch in Europa und eines in Japan patentiert sind. Er erhielt zahlreiche Auszeichnungen, darunter die folgenden: „Best Automotive Electronics Paper Award“ der IEEE Vehicular Technology Society im Jahre 1998 für seine Aufsätze über neuartige Fahrzeugleistungsystemarchitekturen in IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2006 erhielt er gemeinschaftlich den „SAE Environmental Excellence in Transportation Award – Education, Training, & Public Awareness“ (oder E2T) für ein Tutorium, in dessen Rahmen er Hybridfahrzeuge vorstellte.

Dr. Masrur ist Senior Member der IEEE und arbeitete von 1999–2007 als Associate Editor (Vehicular Electronics Section) der IEEE Transactions on Vehicular Technology. Er arbeitete auch bis Dezember 2010 zwei Jahre lang als Chair des Motor-Subcommittee des IEEE Power & Energy Society – Electric Machinery Committee.

David Wenzhong Gao ist Associate Professor of Electrical and Computer Engineering und Director of Renewable Energy and Power Electronics Laboratory an der University of Denver, Denver, CO, USA. Dr. Gao hat umfangreiche Forschungen in den Bereichen Hybrid-elektrische Fahrzeuge, erneuerbare Energien, elektrische Energiesysteme und intelligente Stromnetze durchgeführt. Er hat über 100 Aufsätze in internationalen Fachzeitschriften und Konferenzunterlagen veröffentlicht. 2006 hielt er ein Tutorium zum Thema „Modeling and Simulation Tools for Vehicle Power System“ beim US Army Vetronics Institute in Warren, MI, USA. Im September 2007 wurde er als Mitglied von der Sigma Xi aufgenommen. Er ist ebenfalls Mitglied der Eta Kappa Nu, der „Electrical and Computer Engineering Honor Society“, und der HKN als Faculty Advisor. Seit 2003 ist er Senior Member der IEEE. Er wurde mit der Auszeichnung „Best Paper Award“ in „Complex Systems Track“ auf der 2002 Hawaii International Conference on System Sciences (HICSS) im Januar 2002 ausgezeichnet.

Dr. Gao hat einen Abschluss als B. Sc. der Northwestern Polytechnical University, Xi’an, China, als M. Sc. der Northeastern University, Shenyang, China und einen PhD des Georgia Institute of Technology, Atlanta, USA.

Darüber hinaus ist Dr. Gao Editor des IEEE Transactions on Sustainable Energy und war Gutachter für führende Fachzeitschriften wie IEEE Transactions on Vehicular Technology, IEEE Transactions on Power Electronics, IEEE Transactions on Smart Grid, IEEE Transactions on Energy Conversion, IEEE Transactions on Sustainable Energy, IET Renewable Power Generation, IEEE Transactions on Power Delivery, IEEE Transactions on Power Systems sowie für Konferenzen wie IEEE Vehicular Power and Propulsion Conference (VPPC) und IEEE Power and Energy Society General Meeting. Er war Technical Co-chair beim Organizing Committee of the IEEE Vehicular Power and Propulsion Conference, die in Dearborn, MI, USA, vom 7.–11. September 2009 stattfand. Er arbeitete auch im Grant Review Panel für die US National Science Foundation, das US Department of Energy sowie den Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada.

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Einleitung

Die moderne Gesellschaft ist hinsichtlich ihrer wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung extrem von dem auf fossilen Brennstoffen basierenden Transportwesen abhängig – nur so ist die uneingeschränkte Beförderung von Gütern und Personen möglich. Nach einer Schätzung des US Department of Transportation gibt es weltweit rund 800 Millionen Autos, und rund 250 Millionen Kraftfahrzeuge werden auf US-amerikanischen Straßen bewegt [1]. Mit einer Automobilproduktion von 13,79 bzw. einem Absatz von 13,64 Millionen Einheiten hat China 2009 die Vereinigten Staaten als weltweit größter Autobauer und Absatzmarkt überholt [2]. Mit der fortschreitenden Urbanisierung, Industrialisierung und Globalisierung ist die Tendenz für eine schnelle Zunahme der Zahl der Personenwagen in der ganzen Welt unvermeidlich. Die mit diesem Trend zusammenhängenden Probleme sind augenscheinlich, denn das Transportwesen ist extrem vom Öl abhängig. Einerseits sind die Ölreserven der Erde begrenzt. Andererseits haben die durch das Verbrennen von Ölprodukten entstehenden Emissionen zu Klimawandel, schlechter Luft in Ballungsräumen und politischen Konflikten geführt. So sind weltweit Energiesystem- und Umweltprobleme entstanden, die größtenteils dem Individualverkehr zuzuschreiben sind.

Der Individualverkehr bietet Menschen die Möglichkeit, sich jederzeit frei zu bewegen. Allerdings schafft diese Wahlfreiheit auch einen Konflikt, der uns zunehmend Sorgen um Umwelt und Nachhaltigkeit über den Umgang der Menschen mit ihren natürlichen Ressourcen bereitet.

Erstens muss die Welt sich dem ernsten Problem des steigenden Energiebedarfs und der schwieriger werdenden Energieversorgung stellen. Die Welt verbraucht tagtäglich rund 85 Millionen Barrel Öl. Es gibt aber lediglich 1300 Milliarden Barrel an bekannten Ölreserven. Legt man den aktuellen Verbrauch zugrunde, so wird die Welt in 42 Jahren alle Ölreserven aufgebraucht haben [3]. Ölreserven werden nicht so schnell entdeckt, wie die Nachfrage nach Öl zunimmt. Sechzig Prozent des verbrauchten Öls wird im Transportwesen verwendet [4]. Die Vereinigten Staaten verbrauchen rund 25% des gesamten Öls auf der Welt [5]. Die Verringerung des Ölverbrauchs im Individualverkehr ist für das Erreichen von Nachhaltigkeit im Energie- und Umweltbereich entscheidend.

Zweitens muss die Welt sich der schwierigen Aufgabe des globalen Klimawandels stellen. Die Emissionen aus der Verbrennung fossiler Kraftstoffe erhöhen die Konzentration an Kohlendioxid (CO2) in der Erdatmosphäre. Sie werden auch als Treibhausgas- bzw. GHG-Emissionen (GHG, Green House Gas) bezeichnet. Die Zunahme der CO2-Konzentration führt dazu, dass zu viel Wärme von der Erdoberfläche aufgenommen wird, was wiederum zu einem globalen Temperaturanstieg und in vielen Teilen der Welt zu extremen Wetterbedingungen führt. Die langfristigen Folgen der globalen Erwärmung können zur Erhöhung des Meeresspiegels und Instabilität von Ökosystemen führen.

Mit Benzin- und Dieselkraftstoff betriebene Fahrzeuge gehören zu den Hauptverursachern von CO2-Emissionen. Hinzu kommen andere Emissionen von herkömmlichen, mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftfahrzeugen. Zu diesen Emissionen zählen Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO und NO2 bzw. NOx), die bei der Verbrennung von Motorbenzin entstehen, sowie Kohlenwasserstoffe, flüchtige organische Verbindungen (VOC, Volatile Organic Compound) aus verdampftem, unverbranntem Kraftstoff, Schwefeloxid und Rußpartikel (Ruß), die bei der Verbrennung von Dieselkraftstoff entstehen. Diese Emissionen verschmutzen die Luft und beeinträchtigen letztlich die Gesundheit von Mensch und Tier.

Drittens braucht die Gesellschaft Nachhaltigkeit, aber das aktuelle Modell ist alles andere als nachhaltig. Die Verringerung des fossilen Brennstoffverbrauchs und der Kohlenstoffemissionen ist Teil der gemeinsamen Anstrengungen zum Erhalt der natürlichen Ressourcen in nachhaltigen Grenzen. Darum sollte der künftige Individualverkehr mehr Freiheit, nachhaltige Mobilität und nachhaltiges wirtschaftliches Wachstum sowie Wohlstand für die Gesellschaft liefern. Beim Erreichen dieses Ziels spielen elektrisch angetriebene Fahrzeuge, die Energie sauber, sicher und intelligent nutzen, eine wichtige Rolle.

Elektrisch angetriebene Fahrzeuge bringen viele Vorteile und Herausforderungen mit sich. Elektrizität ist effizienter als der Verbrennungsprozess eines Autos. Well-to-wheel-Studien belegen, selbst wenn der Strom des Elektrofahrzeugs mit Rohöl erzeugt wird, kann das Elektrofahrzeug mit 1 Gallone (3,8l) Benzin eine Strecke von 173 km (108 Meilen) zurücklegen, während ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor (ICE, Internal Combustion Engine) damit 53 km (33 Meilen) weit kommt [6–8]. Einfacher gesagt kostet eine rein elektrisch gefahrene Meile 0,02 USD, legt man den US-üblichen kWh-Preis von 0,12 USD zugrunde. Bei einem Kleinwagen mit Benzinmotor sowie einem Preis von 3,30 USD pro Gallone kostet die gefahrene Meile 0,10 USD.