Rekuperation beim Elektroauto – Wer bremst, fährt weiter

Über den Begriff der Rekuperation stolpern Sie auf jeden Fall, wenn Sie sich für ein Leasingfahrzeug als Elektroauto oder Hybridfahrzeug entscheiden. Rekuperation bedeutet Energierückgewinnung.

Sobald Sie den Fuß vom Gas nehmen, bremst das Auto zügig ab, ohne, dass Sie das Bremspedal berühren. Genau das ist die Rekuperation. Das Ganze ist vergleichbar mit der Funktion eines Dynamo am Fahrrad.

Der durch den Generator generierte und gespeicherte Strom dient zur Erhöhung der Reichweite. Wer also mittels Rekuperation bremst, der fährt anschließend weiter, da der erzeugte Strom später zum Beschleunigen des Elektroautos genutzt werden kann. Wenn Sie die Rekuperation stark einstellen, bei einigen Fahrzeugen kann die stärke nicht eingestellt werden, ist mitunter gar kein Bremsen über das Bremspedal notwendig. 

Rekuperation beim Elektroauto

Energierückgewinnung durch Rekuperation

Regenerative Bremssysteme bieten die Möglichkeit, die Bremsenergie zu recyceln, die ansonsten als Wärme in den Bremsbelägen abgeleitet wird. Die Nutzung der Bremsenergie ist jedoch ein relativ neues Konzept im Automobilsektor, das noch weitere Forschung und Entwicklung erfordert. Aufgrund der Betriebsbeschränkungen der Antriebsstrang-Architektur und der variierenden Art der Bremsbedingungen ist es unwahrscheinlich, dass die gesamte gespeicherte kinetische Energie des Fahrzeugs während des Bremsens zurückgewonnen werden kann. Die Herausforderung bei der Verbesserung der kinetischen Energierückgewinnung liegt in den Bremsbedingungen, der Fähigkeit des elektrischen Antriebssystems zur Handhabung von Leistung/Drehmoment, dem Management der dualen Bremssysteme, den eingesetzten Energieumwandlungstechniken und der Energiespeicherkapazität.

In dieser Arbeit wird eine neuartige Bremsstrategie vorgestellt, um die Beteiligung des regenerativen Bremssystems zu erhöhen, um die kinetische Energierückgewinnung zu steigern und gleichzeitig die Anforderungen an die Bremsleistung zu erfüllen. Zunächst werden eine mathematische Modellierung und eine simulationsbasierte Analyse vorgestellt, um die Auswirkungen der Variation der Bremsleistung in Bezug auf die Bremsanforderungen aufzuzeigen. Es wird eine neuartige Bremsstrategie vorgeschlagen, um die kinetische Energierückgewinnung bei starken Bremsvorgängen zu erhöhen. Die Effektivität dieser Bremsstrategie wird mit Hilfe eines Simulationsmodells, das in der Matlab-Simulink-Umgebung entwickelt wurde, analysiert. Es wurde ein Versuchsaufbau entwickelt, um verschiedene Bremsszenarien und deren Auswirkungen auf die kinetische Energierückgewinnung zu testen. Am Ende werden Vorschläge gemacht, um diese Forschung in der Zukunft fortzusetzen.

Die elektromechanische Kupplung

Die elektromechanische Kupplung ist ein zwischengeschaltetes Übertragungssystem, das den Elektromotor mit der Antriebsachse verbindet. Eine ungeeignete Auslegung des Übertragungssystems führt zu erheblichen Effizienzverlusten. Daher werden verschiedene Arten von Getriebesystemen wie stufenlose Getriebe, Radnabengetriebe und Synergieantriebe für elektrische Antriebsanwendungen untersucht. Energiedichte, Leistungsdichte und nichtlineares Betriebsverhalten von Elektroenergiespeichern beeinflussen die Fahrdauer und Effizienz von Antriebssystemen erheblich.

Dies ist eines der aktivsten Forschungsgebiete im Bereich der elektrischen Antriebe sowie in verschiedenen anderen Bereichen wie Computer-Energiesysteme und Mobiltelefone. Aufgrund der hohen Energiedichte fossiler Brennstoffe ist es fast unmöglich, diese durch elektrische Energiespeicher in Elektrofahrzeugen zu ersetzen. Verschiedene Studien untersuchen andere mögliche Methoden zur Entwicklung von elektrischen Energiespeichern.

Der leistungselektronische Wandler

Der leistungselektronische Wandler ist ein weiteres Gerät, das den Elektromotor und den Energiespeicher verbindet, um die Menge und Richtung des Leistungsflusses zu steuern. Die Aufgabe des Leistungs- und Energiemanagements für mehrere Energiespeicher wird ebenfalls von Leistungswandlern übernommen. Sie wird erreicht, indem die Spannungsabweichung des Ausgangs in Bezug auf den Eingang entsprechend verändert wird. Es gibt eine Vielzahl von Leistungswandler-Topologien, die von vielen Forschern für verschiedene Anwendungen im Antriebsstrang untersucht wurden. Die Erhöhung des Wirkungsgrads, des Betriebsbereichs und der Leistung sind die primären Ziele dieses Forschungsbereichs. Die Einbeziehung mehrerer Systeme mit unterschiedlichen Betriebszielen erfordert ein Steuerungssystem. Die Aufgabe dieses Steuerungssystems ist es, alle Systeme zu überwachen und übergeordnete und individuelle Steuerungsmaßnahmen durchzuführen. Es werden verschiedene Regelungsansätze für Hybrid-Elektrofahrzeug-Anwendungen untersucht.

effektive Nutzung von regenerativen Bremssystemen

Die effektive Nutzung von regenerativen Bremssystemen ist eines der Hauptziele der Elektromobilitätsforschung. Die Rückgewinnung der gespeicherten kinetischen Energie des Fahrzeugs während des Bremsvorgangs ist das grundlegende Konzept hinter dem regenerativen Bremsen. Obwohl es trivial zu verstehen ist, gibt es verschiedene praktische Einschränkungen, die die Rückgewinnung der kinetischen Energie auf unterschiedliche Weise beschränken. Systembeschränkungen und das Fahrverhalten sind zwei Hauptpunkte, die wesentlich zur Bestimmung der Energierückgewinnungseffizienz beitragen. Die Energierückgewinnung ist ein attraktiver Ansatz, um die Fahrreichweite mit einem begrenzten Energiereservoir zu erhöhen. Die kinetische Energierückgewinnung des elektrischen Antriebssystems erhöht die Fahrreichweite um ca. 25 bis 30 %.

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Im Allgemeinen erscheinen die Reichweite und die Kosten als die technologische und wirtschaftliche Begrenzung für elektrische und hybridelektrische Antriebssysteme, was sie daran hindert, auf dem Markt für konventionelle Fahrzeuge zu konkurrieren. Im Allgemeinen sind Antriebssysteme so konzipiert, dass sie die Anforderungen an das Beschleunigungsverhalten des Fahrzeugs erfüllen. Elektromotor, Batteriesystem, Stromrichtergerät und Getriebesystem werden in einem Fahrzeug so ausgelegt, dass sie die Anforderungen an Beschleunigung und Höchstgeschwindigkeit erfüllen.

Nur das Fahrverhalten bestimmt den Bremsleistungsbedarf. Daher kann ein Notbremsleistungsbedarf weit über dem Beschleunigungsleistungsbedarf liegen, der vom elektrischen Antriebssystem bewältigt werden kann. Unter diesen Umständen sollte die gespeicherte kinetische Energie eines Fahrzeugs innerhalb unterschiedlicher Zeitfenster in Bezug auf die Bremsanforderungen zurückgewonnen oder abgebaut werden. Aus diesem Grund kann nicht die gesamte Bremsleistung durch elektrische Antriebssysteme bereitgestellt werden. Obwohl der Einsatz eines ausreichend großen elektrischen Antriebssystems im Idealfall die gesamte kinetische Energie zurückgewinnt, wird durch die zusätzliche Masse und das Volumen des Fahrzeugs zusätzliche Energie für den Antrieb benötigt.

Die sich abzeichnenden Anforderungen an das duale Bremssystem für Elektrofahrzeuge und Hybrid-Elektrofahrzeuge sind wie folgt zusammengefasst:

1. Die begrenzte Leistung des Elektromotors begrenzt das maximale Bremsmoment
2. Aufgrund der unzureichenden Gegen-EMK ist die regenerative Bremsleistung bei niedrigen Geschwindigkeiten vernachlässigbar
3. Die gespeicherte Energie im Energiespeicher hat einen direkten Einfluss auf die regenerative Bremsleistung. Daher kann sie nicht eingeschaltet werden, wenn der Energiespeicher voll aufgeladen ist.
4. Die meisten Fahrzeuge haben entweder Vorder- oder Hinterradantrieb. Einige Bremsszenarien erfordern jedoch den Einsatz von Vorder- und Hinterradbremsen zusammen.
5. Der Einfluss des Antiblockiersystems auf glatten Straßen führt zu einer Verringerung der regenerativen Bremsleistung. Aus diesen Gründen werden Elektrofahrzeuge mit einer doppelten Bremsung ausgestattet.

Obwohl diese Flexibilität eine große Bandbreite an Bremsanforderungen zulässt, müssen Dualbremssysteme angemessen koordiniert und verwaltet werden, um die Rückgewinnung der kinetischen Energie während der Ausführung der Bremsaufgaben zu maximieren. Daher spielt die Strategie des Leistungsmanagements beim Bremsen eine wichtige Rolle, um die kinetische Energierückgewinnung eines elektrischen Antriebssystems zu erhöhen. Zu diesem Zweck werden in der Literatur verschiedene Energiemanagement-Strategien untersucht, die im folgenden Abschnitt diskutiert werden.

Regenerative Bremsstrategie und Energiemanagement

Ein regenerativer Bremsalgorithmus wird parallele Hybrid-Elektrofahrzeuge vorgeschlagen. Das rückgekoppelte Wissen über das Batteriesystem, die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Motoreigenschaften werden berücksichtigt, um diesen Algorithmus zu entwerfen. Probleme, die mit dem Gefühl des Bremspedals zusammenhängen, werden ebenfalls mit Hilfe eines Hubsimulators untersucht. Um die Leistung dieses kombinierten Bremsalgorithmus zu evaluieren, wird eine Hardware-in-Loop-Simulation unter Verwendung eines hybridelektrischen Fahrzeugsimulators und eines Matlab-Simulink-Modells durchgeführt.

Eine parametrische Analyse veranschaulicht die Kompromisse, die bei der Dimensionierung von Komponenten für kinetische Energierückgewinnungssysteme auftreten. Sechs verschiedene Antriebsstrangsysteme (mit der Kombination von unterschiedlich starken Elektromotoren und Batteriesystemen) werden für den Federal Urban Driving Cycle (FUDC) mit dem Advanced Vehiclesimulator (ADVISOR) simuliert. Aufgrund des Effekts der kinetischen Energierückgewinnung wird bei dieser Simulationsstudie eine Kraftstoffersparnis von 4 bis 19% erreicht. Dabei erreichte die niedrige Motor-Batterie-Kombination eine Kraftstoffersparnis von 4%, während die höhere Motor-Batterie-Kombination eine Kraftstoffersparnis von 19% erreichte. Diese Studie deutet darauf hin, dass der Einsatz eines Motor-Batterie-Systems mit höherer Leistung in einem Hybrid-Elektrofahrzeug wünschenswert ist, um die regenerative Bremseffizienz zu verbessern. Allerdings muss in dieser Studie auch der Kompromiss berücksichtigt werden, der mit einer Überdimensionierung des Motor-Batterie-Systems in Bezug auf die Massenzunahme einhergeht.

Daher muss eine große Anzahl von Fahrzyklen getestet werden, um die Effektivität des regenerativen Bremssystems zu überprüfen. Aufgrund der dynamischen Kraftübertragung von Fahrzeugen während des Bremsens muss ein erheblicher Anteil des Bremsmoments zwischen Vorder- und Hinterachse aufgeteilt werden. Dieses Verhältnis variiert mit den Verzögerungsraten des Fahrzeugs sowie den Straßenbedingungen. Eine ungeeignete Aufteilung des Drehmoments kann zu einem Verlust der Stabilität und der Lenkkontrolle führen. Dabei ist zu beachten, dass die meisten Fahrzeuge entweder einen Vorderrad- oder einen Hinterradantrieb haben. Nehmen wir zum Beispiel an, dass ein Fahrzeug mit Frontantrieb ein Bremsszenario durchläuft, bei dem die vorderen und hinteren Bremsen betätigt werden müssen, um ein sicheres Bremsen zu gewährleisten.

In solchen Situationen wird ein Teil der kinetischen Energie einfach in den Bremsscheiben der Hinterachse verpuffen, ungeachtet der Tatsache, dass die Bremsleistung allein durch das elektrische Bremssystem erbracht werden könnte. Aufgrund dieser praktischen Einschränkung wird die Flexibilität des regenerativen Bremssystems weiter verringert. Eine Strategie zur Abschätzung des Bremsmoments, um die Rückgewinnung der Bremsenergie während des Bremsens zu erhöhen, kann auch denkbar sein. Unter Verwendung der Fahrzeuggeschwindigkeit wird das regenerative Bremsmoment geschätzt und als Referenzmoment für die Bremssteuerung verwendet. Da konventionelle Fahrzeuge nur mit mechanischen Bremssystemen ausgestattet sind, besteht dieses Problem bei konventionellen Fahrzeugen nicht. Duale Bremssysteme in Hybrid-Elektrofahrzeugen erfordern jedoch ein hohes Maß an Beteiligung des Steuerungssystems. Ähnlich wie hier werden die bremsdynamischen Eigenschaften von hydromechanischen und regenerativen Bremssystemen untersucht.

Wie bereits beschrieben, begrenzt die Beteiligung des mechanischen Getriebesystems die Effizienz des Antriebssystems. Um dieses Problem zu vermeiden, wird die Machbarkeit der Entwicklung von In-Rad-Motoren für leichte Serien-Hybrid-Elektrofahrzeuge für städtische Fahranforderungen untersucht. Basierend auf den Standard-Fahrzyklen führte der Autor eine statistische Analyse durch, um durchschnittliche Verzögerungsraten zu erhalten. Das Ergebnis dieser Untersuchung deutet darauf hin, dass Hinterradantriebssysteme unter städtischen Fahrbedingungen eine angemessene Bremsleistung aufweisen. In dieser Analyse wurde eine maximale Verzögerungsrate von 0,35 g ermittelt. Im Gegensatz dazu wird hervorgehoben, dass einige Verzögerungsraten 0,8 bis 1 g erreichen können. Die Fahrgewohnheiten der Fahrer sind ein weiterer Faktor, der zu unterschiedlichen Verzögerungsraten führen kann, womit eine solche Untersuch schwer einzuschätzen ist.