E-Mobilität

Kfz mit Hybrid- oder Elektroantrieb

Die Gründe zum Technologiewechsel akzeptiert die Autoindustrie. Den Verbrenner ersetzt mittelfristig fließend eine Kombination mit der E-Maschine, um langfristig zum vollständig emissions-, getriebefreien E-Antrieb überzugehen (Istzustand Berlin 1.1.16: 0,12 % rein elektrisch, 0,22 % hybrid). Hürden wie Reichweite/Batterietechnik, Preis, Lade-Infrastruktur sind zu bewältigen, um den km-Preis von „Otto bzw. Diesel“ zu unterbieten.

Hybride Systemstrukturen (Leistungsflussprinzipien) mechanische Energie (blau), elektrische Energie (rot). A Akkumulator, EM Elektromotor, G Generator, SR Strom-/Umrichter, F zur angetriebenen Fahrzeugachse, Ge Getriebe, K Kupplung, P Planetenradträger VM Verbrennungsmotor; a paralleler Hybrid (Mild-Hybrid), b serieller Hybrid (Full-Hybrid), c leistungsverzweigender Mischhybrid

Übersicht
Das Hybrid-Kfz (HEV hybrid electric vehicle) besteht aus einer Kombination von mindestens zwei Antrieben, dem Verbrennungs- VM und dem Elektro-Motor EM mit separaten Energiespeichern (Tank bzw. Akku füllbar im Stillstand bzw. während der Fahrt). Der weitaus energieeffizientere EM (ηEM ≥ 0,9, ηVM ≥ 0,4) kann durch elektrische Steuerung seine Drehrichtung ändern, somit ohne Getriebe auskommen. Ihre Kooperation übernimmt ein elektronisches Management.

Als autarke Hybrids stehen bereit:

  • Mild-Hybrid
    E-Motor 10…15 kW (Batterie ca. 1 kWh) als Starter sowie Generator zum Unterstützen des Verbrennungsmotors beim Beschleunigen (Boosten), arbeitet als Generator beim Nutzbremsen (Rekuperation), mit Start-Stopp-Automatik. Energie-/Kraftstoffeinsparung 15–20 %
  • Full-Hybrid
    E-Motor > 15 kW (Batterie ca. 2 kWh) unterstützt zusätzlich zu allen Betriebsweisen des Mild-Hybrid den VM so, dass er das Fahrzeug etwa im Stadtverkehr, beim Rangieren auch allein bewegen kann. Kraftstoffeinsparung ca. 40 %
  • Plug-in Hybrid
    (Steckdosen-Hybrid) Die Variante des Full-Hybrid fährt überwiegend elektrisch (Motorleistung 50 kW, Akku ca. 15 kWh). Im Stillstand wird er an der Steckdose auf-/nachgeladen (Plug-in). Reicht nach längerer Fahrdauer der Energieinhalt des Akkus nicht mehr, springt automatisch der VM an (range extender).
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Moment-Drehzahl-Verlauf (Tendenz) (Maximalmoment der EM bereits bei Drehzahl Null)

Optimiert ein Energiemanagement die Arbeit von Generator, Starter, -Akku und besitzt das Kfz eine Start-Stopp-Automatik, wird diese Ausrüstung als Micro-Hybrid bezeichnet (Kraftstoffeinsparung 5–10 %, wegen des fehlenden zweiten Antriebs kein echter Hybrid).

Neben dem E-Antrieb sowie der Steuerelektronik mit Bussystem führen alle echten Hybrids ein Hochvolt-Bordnetz mit neuen Sicherheitsanforderungen.

Das abgasfreie E-Fahrzeug wird ausschließlich von der Akku-gespeisten E-Maschine (>< 30 kW) bewegt, die motorisch wie generatorisch betrieben wird. Der Akku (ca. 30 kWh) erlaubt Weitverkehr. Alle Systeme sind rekuperationsfähig. Elektrische Bremsung entlastet die mechanische Bremse und schützt mit weniger Reifenabrieb die Umwelt.

Systemstruktur
Beim Parallel-Hybrid bewegen beide Motoren die Fahrzeugachse (autarker Betrieb ist möglich). Er lässt sich sogar als Allrad-System mit mehr als zwei Motoren ausführen. Die Addition der Drehmomente gestattet ihre kosten- und gewichtsparende Bemessung. Die Auslegung für rein elektrischen Betrieb ist möglich. Beim seriellen Hybrid, der dem dieselelektrischen Antrieb entspricht, liefert der EM das gesamte Drehmoment. Der Verbrennungsmotor ohne mechanische Verbindung zur getriebenen Fahrzeugachse bewegt den elektrischen Generator, der die Fahrenergie zur Motorspeisung erzeugt oder den ebenfalls aus dem Netz ladbaren Fahrakku füllt. Er kann zudem kurzzeitig zusätzlichen Strom für höheren Leistungsbedarf liefern. Plug-in-, Full-Hybrids nutzen diese Struktur.

E-Fahrzeugantrieb mit Leistungsfähigkeit steigerndem, hybridem Versorgungsspeicher (TUD, Lehrstuhl EMA, Dipl.-Ing Arne Brix).

Mischhybride kombinieren automatisch variabel beide Strukturen mittels eines speziellen Getriebes entsprechend Fahrzustand. Entweder lädt der VM über den Generator nur die Batterie, die den EM speist (serieller Hybrid), und/oder er ist mechanisch mit der Antriebswelle gekoppelt (paralleler Hybrid). Der Kern des E-Fahrzeuges entspricht einem autarken Antrieb, dem Power Drive System PDS nach EN 61800 mit der Arbeitsmaschine Fahrzeug, als Bewegungszelle eines mechatronischen Systems.

Komponenten
Zu den wichtigsten Fahrzeugkomponenten gehören neben der busgekoppelten IE Motoren und Speicher. Sie bestimmen zusammen mit der Ladeinfrastruktur Wirkungsgrad und Reichweite. Den eingesetzten Asynchron-, Synchron- und Reluktanzmaschinen gemeinsam ist der vorteilhaftere Momentenverlauf. Als langlebige Akkus hoher Leistungsdichte bei großem Energieinhalt (Reichweite 300 – ca. 500 km, 33–60 kWh) gelangen Lithium-Ionen-Systeme (Li-Ion, Lithium-Polymer), aber auch Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid- oder Nickel-Zink-, Blei-Akkus sowie Hochtemperatur-Natrium-Nickelchlorid-Sammler (für serielle Konzepte) zum Einsatz. Eine entscheidende Rolle spielen leistungselektronische Komponenten (Wechsel-, Gleich-, Frequenzumrichter, DC/DC-Wandler), die den bidirektionalen Energiefluss ermöglichen sowie klassisches Nieder- (12 V) und Hochvoltnetz (150 – ≤ 600 V) koppeln. Solche Bauteile führen zu völlig veränderten Unfallgefahren (Akku-Brand, Berührung der Hochstromleitung).

Umweltbilanz
Hybrid- und Elektrofahrzeuge fahren nachhaltig emissionsfrei, wenn zu Herstellung und Betrieb Ökostrom dient.

Ausblick
Der Siegeszug der E-Mobilität scheint sicher, sofern die unzureichende Ladeinfrastruktur durch praktikable, harmonisierte, sicher kommunizierende Systeme ersetzt wird. Dieser Weg konzentriert sich vorerst auf Pkw und ÖPNV. Ihn unterstützten Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie sowie SuperCaps (http://www.cleanenergypartnership.de). Über den Individualverkehr (inklusive Zweiräder) hinaus erreicht die Abkehr vom VM auch Nutzfahrzeuge, Schiffe. Lastkraftwagen mit Energieeinspeisung aus Oberleitungen sprechen ebenso wie Fern-/Nahverkehrsbussysteme dafür. Sie werden aus an der Trasse installierten, konduktiv mit Hochstrom als auch über induktiv arbeitende Schnellladestationen an Haltepunkten nachgeladen. Dadurch kleinere Akkudimensionen (Gewicht, Platz) gestatten höhere Reichweite. Der knappe Rohstoff Li muss perspektivisch ersetzt werden. Deshalb werden Alternativen wie Na, S, Si, Mn, Al, Zn erprobt.

Die Zukunft bestimmen zudem Assistenzsysteme bis hin zum automatisierten oder autonomen Fahren bei Klärung Haftung/Datenschutz. Vollelektrische Car-Sharing-, Roboter-Fahrzeuge beschränken den Individualverkehr. Zulässige Netzrückwirkungen sind zu gewährleisten.

Dr.-Ing. habil. Joachim Krause


Rekuperation
Wandlung mechanischer Bewegungs- in elektrische Energie bei Bremsen, Talfahrt etc. Der Elektromotor arbeitet als Generator, der diese Energie in den Akku speist.

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