Rein elektrisches Bremsen von hybrid- und batterieelektrischen Fahrzeugen

Abstract

Heutzutage ist es mit Hilfe von in den Antriebsstrang integrierten Elektromotoren möglich, viele Verzögerungsvorgänge präzise und gänzlich ohne Beteiligung von mechanisch wirkenden Bremsen durchzuführen und dabei auch noch Energie zurückzugewinnen. Diese Tatsache führt unmittelbar zur Kernfrage dieser Diplomarbeit: Ist eine rein elektrische Bremse als vollwertiger Ersatz für konventionelle Bremssysteme machbar? Auf den ersten Blick zu erwartende Vorteile wären beispielsweise die Erhöhung der rekuperierten Energiemenge und ein geringerer Wartungsaufwand dank kontaktfreier Kraftübertragung. Um diese und weitere Einschätzungen zu bestätigen bzw. zu widerlegen, werden in dieser Arbeit verschiedene Analysen durchgeführt. Eine ausführliche Untersuchung der bis dato im Markt eingeführten bzw. noch in der Erprobung befindlichen relevanten Technologien gibt Aufschluss darüber, wie weit insbesondere die Elektrifizierung von Bremssystemen bereits fortgeschritten ist. Bewährte Lösungen liefern Anhaltspunkte sowohl für weitere Entwicklungsmöglichkeiten als auch vorhandene technologische Einschränkungen. Ein Simulationsmodell, welches aus einem mechanischen und elektrischen Teilsystem besteht, wird aufgestellt, um im Detail bestimmen zu können, wie sich für rein elektrisches Bremsen relevante physikalische Größen - zum Beispiel die mechanischen und elektrischen Leistungen - bei ausgewählten Verzögerungsvorgängen entwickeln. Als Beispielfahrzeug wird der Volkswagen e-Golf herangezogen. Bei der Auswertung zeigt sich, dass die Leistungsgrenzen des elektrischen Systems bei extremen Manövern wie z.B. Vollbremsungen aus schneller Fahrt teilweise deutlich überschritten werden. Im Gegensatz dazu können viele Verzögerungsvorgänge im innerstädtischen Verkehr rein elektrisch erfolgen. Letztendlich ist rein elektrisches Bremsen mit den aktuell in Personenkraftwagen verbauten elektrischen Maschinen in bestimmten, entscheidenden Fahrsituationen aber noch nicht möglich. Der hieraus folgende weitere Entwicklungsbedarf wird abschließend mit Empfehlungen für weiterführende Untersuchungen konkretisiert.

An electric motor, being integrated into the powertrain of a modern day car, is able to precisely decelerate vehicles completely on its own and even regain a portion of the kinetic energy of the traveling car in certain situations. This leads straight to the core question of this diploma thesis: Is a pure electric brake feasible and can it completely replace conventional brakes in passenger cars? At first glance, the expected advantages could be an increase in recuperated energy and a decrease of maintenance effort thanks to contact-free force transmission. To either confirm or refute these and other estimations, a diverse set of analyses is conducted and reported on in this thesis. A thorough investigation of relevant technologies which are either still in experimental stages or already on the market is performed to understand specifically how the electrification of brake systems has evolved so far. The examination of proven solutions gives hints regarding possible developments and existing technological limits. A simulation model, consisting of a mechanical and an electrical submodel, is then created and used to determine in detail how important physical quantities like mechanical and electrical power demands evolve with respect to selected pure electric deceleration operations. Here, the 2014 Volkswagen e-Golf serves as the sample car for calculations. The results of the simulations show that, for instance, the power demand for an emergency braking from high speeds considerably exceeds the capability of the electrical drive system. However, pure electric decelerations are feasible in many urban driving scenarios. In conclusion, using the electric motors which are built into powertrains of actual passenger cars for pure electric braking operations is not yet possible in particular, decisive driving situations. To facilitate the resolution of this issue, specific recommendations for further research activities are developed and presented at the end.