Antriebstechnik

E-Mobility hat Vorfahrt

Mit modernster Energieelektronik, innovativen Motorkonzepten, effizienten Speichern, intelligenten Steuerungs- und Überwachungssystemen lässt sich die Mobilität, eine Voraussetzung für wohlstandserhaltende Existenz und Weiterentwicklung unserer Industrie- und Dienstleistungsgesellschaft komplett auf „intelligenteren“ elektrischen Strom umstellen. Der Verzicht auf fossiles Erdöl, die Drosselung seines Verbrauches schützt Umwelt und Gesundheit, entlastet die Ressourcen. Zudem kann das keinen Schadstoff emittierende Elektroauto für Personen- und Gütertransport als „rollender Speicher für Netzregelleistung“ kostengünstig Energie aus erneuerbaren Quellen aufnehmen, also das witterungsabhängig flukturierende Angebot harmonisieren und die Attraktivität der Erzeugung aus Wind, Sonne steigern – bei ggf. sogar zeitweilig „negativem“ Strompreis. Strom- und Verkehrsnetz werden zusammenwachsen. Die Nachhaltigkeit der elektrischen Antriebstechnik kommt durch die Allianz zwischen Fahrzeugindustrie und Versorger richtig zum Tragen. Insgesamt wird sich die E-Mobilität als Schlüsseltechnologie etablieren, nach Kostensenkungen mittelfristig gleichfalls beim Autonutzer verbunden mit einer Abkehr von PS-starken Vehiceln durchsetzen. Zugleich rückt die Vision des unfallfreien Fahrens näher. Insgesamt qualifiziert sich dieses Verkehrsmittel zum „rollenden Rechenzentrum“.

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Antriebskonzepte

Gabelstapler: Brennstoffzellen-Hybrid (Brennstoffzellen-Stacks wurden erfolgreich in Toyota-Fahrzeugen erprobt. (Quelle: www.toyotagabelstapler.de)

Den Weg vom Verbrennungsmotor zum Elektromobil bereiten schadstoffärmere, parallele oder serielle Hybridvarianten, weil sie die Vorteile des Verbrennungsmotors (Reichweite) mit denen des aus der Batterie über Wechselrichter gespeisten Elektroantriebs (hoher Wirkungsgrad, Emissionsfreiheit, Geräuscharmut) kombinieren.
– Milder Hybrid: Verbrennungsmotor und elektrische Maschine sitzen fix auf dem Antriebsstrang. Arbeitet letztere als Generator, speist sie Bremsenergie in den Bordakku zurück, der beim Beschleunigen des Fahrzeuges den Verbrennungsmotor über den E-Motor unterstützt.

– Vollhybrid: Beide Antriebe lassen sich getrennt vom Strang abkuppeln. Kurzzeitig besorgt die aus dem mit Bremsenergie geladenen Speicher gespeiste E-Maschine – etwa auf ebenen Strecken außerhalb der Stadt – die Bewegung.

– Plug-in-Hybrid: Wie ein Vollhybrid aufgebaut wird der Akku vorwiegend aus dem Stromnetz gespeist. Seine Energie reicht für kurze Strecken im reinen E-Betrieb. Bei leerem Speicher übernimmt automatisch der Verbrennungsmotor. Neben der Steckdose für das Ladekabel besitzt das Fahrzeug weiterhin den Kraftstoffeinfüllstutzen.

Das reine E-Mobil verfügt lediglich über den E-Motor, dessen Akku, abgesehen vom Bremsen ausschließlich aus der Steckdose geladen wird. Prototypen, deren Sammler durch die Brennstoffzelle BZ mit Wasserstofftank, für Spezialausführungen in Kombination mit Solarzellen (z. B.: Ulmer BZ-Solar-Boot, Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg) ersetzt wird, arbeiten bereits erfolgreich. Bei ihnen dient wie bei einem Hybrid der nun kleinere Akku lediglich dem Boosten sowie zur Bremsenergienutzung.

Der gebrauchstüchtigsten Übergangslösung Plug-in-Hybrid genügt ein kleinerer Akkumulator. Haupthindernis für das reine E-Fahrzeug ist nämlich immer noch der Speicher, der selbst als Li-Ionen-Ausführung (etwa als Bündel handelsüblicher Kleinakkus in der E-Version der Mercedes A-Klasse) noch eine zu geringe Leistungsdichte (<10 kg/kWh) aufweist, zudem zu teuer ist. Ladezyklen und Kapazitätserhalt bei Nichtnutzung sind außerdem zu optimieren.

Als E-Maschine etablierten sich neben dem Asynchronmotor besonders die permanent- oder fremderregte Innen- oder Außenpol-Synchron- sowie die Reluktanzmaschine. Ihren sicheren Betrieb gewährleisten hochzuverlässige IGBT-Wechselrichter.

Die Nutzung bereits des Plug-in-Hybrid als Regelleistungsspeicher setzt – abgesehen von einer Mindestfahrzeugflotte – voraus, dass öffentliche wie private Parkplätze mit „intelligenten“, standardisierten Steckdosen ausgerüstet sind, über die bidirektional kontrolliert Strom fließen kann. Darüber hinaus müssen die Anschlüsse dafür sorgen, dass der Verbraucher trotz wechselnder Ladestationen lediglich eine Rechnung pro Monat erhält.

Fahrerassistenz

Mehr als 90 Prozent der Innovationen im Automobilbau gehen auf Elektronik/Elektrotechnik zurück. Steuergeräte und Sensoren werden als mechatronische Lösungen oder Embedded Systems installiert. Ihre Funktionen zielen darauf, das Fahren, den Straßenverkehr überhaupt sicherer zu machen (Tabelle). Dazu liefern zahlreiche Bordsensoren Informationen, die extrem schnell innerhalb des Fahrzeuges, zunehmend von in der Nähe befindlichen Verkehrsteilnehmern (Car-to-Car Communcation C2C) für weitere Aktionen bewertet werden.

Sicherheit

Neben der Energieeffizienz rücken Diagnosefähigkeit, Bedienfreundlichkeit der Schnittstelle Mensch-Maschine sowie höchste Ausfallsicherheit, die Prüfschärfe in allen Phasen der Fertigung in das Zentrum der Aufmerksamkeit von Nutzer und Entwickler.

Die im Fahrzeug für die unterschiedlichsten Funktionen eingebauten Steuergeräte (>50) besitzen meist keinerlei Redundanz. Der Defekt der etwa für die Bremsen zuständigen Hardware dürfte somit schlimme Folgen zeigen. Diesem Mangel der an ein Steuergerät gebundenen Funktionalität soll in Zukunft eine dynamische, sich selbst organisierende Software abhelfen. Nach Vorstellung der Fraunhofer-Einrichtung ESK verlagert sie im Fehlerfall die ausgefallene Funktion selbsttätig und schnell auf freie Ressourcen eines anderen Gerätes. So steigt drastisch die Sicherheit des E-Autos.

Fahrzeugangebot

Hersteller offerieren bereits Serienfahrzeuge, Prototypen oder Konzeptmodelle (www.hybrid-autos.info/elektrofahrzeuge; ca. 2000 E-Autos). Ihr Massenmarkt (lt. ADAC ca. eine Million) wird zwischen 2020 und 2030 erwartet. Lösungen für den Logistik-Bereich zeigen folgende Bilder.

Nicht zu übersehen sind parallele Überlegungen langfristiger Natur zur Abkehr vom Individualverkehr, zum Abschied „von der freien Fahrt für freie Bürger“. Zweifellos wird das E-Fahrrad als praktikable Einpersonen-Alternative dabei seinen Platz finden, genauso wie E- Solar-Binnenschiffe den Gütertransport beeinflussen werden. Joachim Krause

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