Fahrzeuge

Technische Informationen zu Elektrofahrzeugen und Batterie

Elektroantrieb vs. konventioneller Verbrennungsmotor: Potenziale und Herausforderungen

Ein rein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug wird ausschließlich durch einen Elektromotor angetrieben, der mit Strom angetrieben wird. So einfach könnte man das komplexe Thema zusammenfassen.

Es gibt aber verschiedene Elektrifizierungsgrade sogenannte Antriebstopografien. Für die Umweltbilanz der Fahrzeuge ist vor allem die Stromquelle relevant, um das emissionslose Fahren ganzheitlich abzubilden. Das elektrische Fahren und die Wechselwirkungen im Gesamtsystem Elektromobilität ermöglichen und erfordern besondere Lösungen für die Fahrzeuge, Fahrer und Infrastruktur.

Grundsätzlich sind auch schienen- oder oberleitungsgebundene Fahrzeuge, die mit Strom angetrieben werden, Elektromobilität. Die Bahn fährt vielerorts elektrisch, Straßenbahnen und auch Trolley Busse werden elektrisch angetrieben. Die ersten Fahrzeuge waren elektrisch – dann hat sich vor allem aufgrund der Praktikabilität der Verbrennungsmotor durchgesetzt.

Durch neue Fahrzeug- und Batteriekonzepte bieten Elektrofahrzeuge heute nutzerfreundliche Reichweiten. Die Bandbreite reicht dabei von vollelektrischen Fahrzeugen (BEV = Battery Electric Vehicle) bis zu nur teilweise elektrisch angetriebenen - sogenannten Hybriden, eine Mischform von Verbrennungs- und Elektromotor. Hybride, die über einen Stecker geladen werden kann, nennt man Plug-In-Hybride (PHEV = Plug-In-Hybrid Electric Vehicle). Beide Fahrzeugkonzepte haben eins gemeinsam: Im elektrischen Fahrbetrieb sind sie effizient, leise und stoßen keine Schadstoffe aus – ein großer Vorteil in von Smog und Lärm bedrohten Innenstädten.

 

 

Definition Elektrofahrzeug

Elektrisch betriebene Fahrzeuge sind laut Emob-Gesetz alle reinen Batterieelektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge sowie Plug-in-Hybride, die maximal 50 g/km CO2 ausstoßen oder im reinen Elektro-Betrieb eine Mindestreichweite von 30 km (bzw. 40 km ab 2018) erreichen. Diese Definition ist wichtig für gesetzlich festgelegte Privilegien sowie eventuelle finanzielle Förderung beim Kauf.

Grundsätzlich werden an die Elektromobilität gleichen Anforderungen wie an konventionelle Fahrzeuge gestellt. Reichweite und Anschaffungs- sowie Betriebskosten sind für die Nutzer wichtige Fragen.
Die Elektromobilität ermöglicht und erfordert alternative Lösungen für die gesamte Fahrzeugtechnik. Neue Komponenten und Funktionen müssen entwickelt und integriert werden. Andere werden kleiner oder entfallen vollständig mit steigendem Elektrifizierungsgrad.

Zentrale Entwicklungsthemen sind daher die weitere Optimierung der Antriebstechnologie und die energieeffiziente Integration relevanter System- und Komponentenlösungen in das Fahrzeug. Aufgrund zusätzlicher Gewichte durch die Batterie, insbesondere für Fahrzeuge mit Range Extender, haben die Gewichtsoptimierung und damit der Leichtbau sowie neue Materialien eine ebenso hohe Bedeutung.

Querschnittsthemen wie EMV und Akustik tragen den neuen Komponenten Rechnung. Die Modularität der Komponenten und Systeme hat einen hohen Stellenwert, um Kosten und Komplexität in Entwicklung und Produktion zu verringern.


Der Antrieb eines Elektroautos

Es gibt unterschiedliche Antriebskonzepte für Elektrofahrzeuge – je nach Bauart und Grad der Elektrifizierung

Ein vollelektrisches Fahrzeug braucht keinen Verbrennungsmotor

Das Prinzip eines Elektrofahrzeugs ist einfach: Ein Elektromotor treibt die Räder an und die dazu nötige Energie wird in einer wieder aufladbaren Batterie gespeichert. Der einfache Aufbau macht flexible Varianten möglich: zum Beispiel können statt eines zentralen Elektromotors mehrere Radnabenmotoren direkt in den Rädern verbaut oder eine Achse mittels radnaher Elektromotoren angetrieben werden. Das batterieelektrische Fahrzeug, betrieben mit Strom aus Erneuerbaren Energien, ist das Fahrzeug einer modernen und umweltfreundlicheren Mobilität.

Ein Hybrid kombiniert Verbrennungs- und Elektromotor

Ein Hybridantrieb verbindet zwei unterschiedliche Antriebssysteme: Das Fahrzeug hat einen Verbrennungs- sowie einen Elektromotor und kombiniert so die Reichweite eines Verbrenners mit der Effizienz eines Elektrofahrzeugs. Je nach Bauart unterscheidet man parallele und serielle Hybride. Ein paralleler Hybrid kann sowohl vom Verbrenner- als auch vom Elektromotor angetrieben werden. Beide Motoren wirken zusammen oder unabhängig voneinander auf den Antrieb. Der Elektromotor kann beim Anfahren zugeschaltet werden, um die optimale Effizienz zu erreichen. Bei einem seriellen Hybrid hat der Verbrenner keine Verbindung zur Antriebsachse. Nur der Elektromotor treibt das Fahrzeug an. Der Verbrennungsmotor treibt im optimalen Drehzahl- und Lastbereich einen Generator an, der als Stromlieferant die Batterie speist oder den Elektromotor direkt versorgt. Ein „leistungsverzweigter Hybrid“ oder „Mischhybrid“ kombiniert beide Konzepte.

Beim Mischhybrid wird mittels einer oder mehrerer Kupplungen - je nach Bedarf - gewählt, ob der Verbrennungsmotor lediglich einen Generator antreibt oder direkt für den Vortrieb sorgt.

 

 

Die Batterie eines Plug-in-Hybrids kann zusätzlich über das Stromnetz aufgeladen werden, z. B. an einer einfachen Haushaltssteckdose oder einer Ladestation. Die Batterie ist größer, sodass längere Strecken elektrisch zurückgelegt werden können.

Es sind verschiedene Elektrifizierungsgrade möglich

Bei einem Mild Hybrid unterstützen die elektrischen Antriebskomponenten den Verbrennungsmotor beim Anfahren und Beschleunigen. Mild Hybride sind fast immer parallele Hybride und meist nicht in der Lage, rein elektrisch zu fahren. Vollhybridfahrzeuge können kurze bis mittlere Strecken auch rein elektrisch fahren.

Ein besonderes Elektrofahrzeug mit Brennstoffzelle als Kraftwerk

Ein Brennstoffzellenfahrzeug erzeugt seinen Strom direkt an Bord. In der Brennstoffzelle (BSZ) wird chemisch gebundene Energie unter Zugabe von Luftsauerstoff in elektrische Energie umgewandelt. Der Energieträger ist meistens Wasserstoff. Ein BSZ-Fahrzeug lässt sich fast genauso schnell mit Wasserstoff betanken, wie ein Verbrenner mit Benzin – und eine Tankfüllung reicht für 500–600 km. Die Herstellung von Wasserstoff erfolgt bisher vor allem aus fossilen Energietzrägern – vorrangig Erdgas – und damit nicht CO2-neutral. Für eine bessere Umweltbilanz sollten zur Gewinnung vor allem Erneuerbare Energien genutzt werden – oder Wasserstoff, der in der chemischen Industrie häufig als Abfallprodukt anfällt. Bisher gibt es bundesweit 19 öffentlich zugängliche Wasserstofftankstellen.

 

 

Lohnt sich die Anschaffung eines Elektrofahrzeugs? Fakten zu Reichweite und Kosten

Bei reinen batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen geben die Hersteller meist Reichweiten von 100–200 km an. Viele Studien zeigen, dass ca. 70% der Autofahrer in Deutschland pro Tag weniger als 50 km fahren - weitere 20% zwischen 50 und 100 km. Das kann ein reines Elektrofahrzeug leicht leisten. Elektrofahrzeuge mit mehr als 200 km Reichweite oder mehr sind keine Seltenheit mehr.

200 Kilometer Reichweite? Kein Problem!

Die Reichweite eines Elektrofahrzeugs hängt von der Menge der mitgeführten Energie und dem Verbrauch ab, also von Batteriekapazität und Größe sowie möglichen zusätzlichen Energiewandlern, wie dem zusätzlichen Verbrennungsmotor bei einem Hybrid-Fahrzeug. Die Batterieentwicklung der letzten Jahre hat dazu geführt, dass sich die Kapazitäten der Batterien sowie die Reichweite der Fahrzeuge bei ähnlicher Baugröße stark verbessert haben. Dabei konnten die Kosten bei gleicher Leistung durch höhere Stückzahlen und Lernkurven (economies of scale) reduziert werden.Neben der Batterietechnik beeinflusst auch das Fahrzeuggewicht, ein effizientes Energie- und Thermomanagement sowie der Fahrstil den Stromverbrauch.

Gelassenheit ist Trumpf

Wichtig ist auch ein Umdenken der Nutzer: Wenn man mit seinem Verbrenner schnell bereits bei 30 km Restlaufzeit tanken fährt, muss ein Elektrofahrer der vollständigen Reichweite seines Fahrzeugs vertrauen und die Fahrstrecke und die Lademöglichkeit vorausplanen. Hier unterstützen allerdings heute schon diverse Assistenzsysteme im Fahrzeug (z.B. Reichweitenberechnung in Echtzeit, Ladepunktanzeige über das Navigationssystem), um diese Planung optimal auf die individuelle Fahrstrecke abzustimmen.

Wichtig ist auch ein Umdenken der Nutzer: Wenn man mit seinem Verbrenner schnell bereits bei 30 km Restlaufzeit tanken fährt, muss ein Elektrofahrer der vollständigen Reichweite seines Fahrzeugs vertrauen und die Fahrstrecke und die Lademöglichkeit vorausplanen. Hier unterstützen allerdings heute schon diverse Assistenzsysteme im Fahrzeug (z.B. Reichweitenberechnung in Echtzeit, Ladepunktanzeige über das Navigationssystem), um diese Planung optimal auf die individuelle Fahrstrecke abzustimmen.

Wie oft fährt man 700 Kilometer am Stück?

Langstreckenfahrten ohne Nachladen – wie 700 km in den Urlaub fahren – wird auch längerfristig mit rein elektrisch angetrieben Fahrzeugen nur in Ausnahmefällen möglich sein. Daher spielt die Verbindung verschiedener Verkehrsmittel - die sogenannte „Intermodalität“ - eine große Rolle. Lange Strecken mit dem Zug, Nutzung von ÖPNV, Carsharing – Elektromobilität bedeutet auch einen anderen Umgang mit individueller Mobilität.

Kombination verschiedener Verkehrsmittel als Lösung

Neben der Reichweite stellen vor allem auch die Kosten der Elektromobilität immer wieder eine Hürde zur Anschaffung eines Elektrofahrzeugs dar. Dabei schneidet das Elektroauto zunehmend besser ab. Ob und für wen sich der  Kauf lohnt, hängt dabei von vielerlei Faktoren ab. Zur Erfassung der Gesamtkosten eignet sich am besten der sogenannte TCO-Rechner (Total Cost of Ownership).  Er berechnet die Gesamtkosten, die für das Elektrofahrzeug anfallen. Hierzu zählen die Kosten für die Anschaffung von Fahrzeug und Ladeinfrastruktur, Kraftstoff und Strom, Werkstattbesuche, Steuern und Versicherung, die Abschreibung für die Abnutzung sowie der Fahrzeugwert.

Lohnt sich Elektromobilität für Sie? Probieren Sie´s aus.

Das Ökoinstitut e.V. hat einen umfassenden Rechner entwickelt, der verschiedene Ausgangsfaktoren berücksichtigt. Eine bespielhafte Berechnung können Sie hier durchführen.


Komponenten Elektrofahrzeuge

Elektrofahrzeuge haben im Vergleich zu verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen eine Vielzahl anderer, neuer Komponenten an Bord. Zu den Schlüsselkomponenten zählt der Elektromotor, die Batterie inklusive Batterie-Management-System (BMS) sowie die Leistungselektronik.

Elektromotor

Bei der Schlüsselkomponente Elektromotor wird das zum Antrieb eines Elektrofahrzeugs erforderliche Drehmoment ausschließlich durch eine elektrische Maschine erzeugt. Deren Aufgabe ist es, elektrische in mechanische Energie (Motorbetrieb) bzw. mechanische in elektrische Energie (Generatorbetrieb) umzuwandeln. Grundsätzlich werden elektrische Maschinen in Gleich- und Wechselstrommaschinen unterteilt. Die Gleichstrommaschinen finden aufgrund ihrer geringeren Wirkungsgrade bei erhöhtem Wartungsaufwand als Traktionsmotoren bei Elektrofahrzeugen keinen Einsatz. Die Wechselstrommaschinen werden zusätzlich in Synchronmaschinen, bei denen sich der Läufer synchron mit dem Drehfeld dreht, und in Asynchronmaschinen, bei denen sich der Läufer asynchron mit dem Drehfeld dreht, klassifiziert. Gleichstrom- und
Synchronmaschinen können sowohl über Magnetmaterial permanent erregt, als auch über eine Erregerwicklung elektrisch (fremd-)erregt werden. Gegenwärtig werden vorwiegend Asynchronmaschinen sowie fremd- und permanenterregte Synchronmaschinen in Elektrofahrzeugen verwendet. Die Synchronmaschinen besitzen das geringste Leistungsgewicht, was aus dem hohen Wirkungsgrad bei geringem Gewicht und Volumen resultiert. Diese sind daher neben den Asynchronmaschinen für den mobilen Einsatz besonders geeignet. Insbesondere die permanenterregte Synchronmaschine weist
durch die Verwendung von Magnetmaterialien ein nochmals geringeres Gewicht auf und ist gegenwärtig als Traktionsmotor bei elektrifizierten Antriebskonzepten besonders verbreitet. Nachteilig sind bei diesem Motorkonzept allerdings die hohen Kosten der eingesetzten Permanentmagnete, die u.a. auf die vergleichsweise geringe Rohstoffverfügbarkeit zurückzuführen sind.

 

 

Traktionsbatterie

E-Autobatterie.

Die Schlüsselkomponente Batterie ist als Energielieferant das zentrale Bauteil, da sie entscheidend sowohl die Reichweite als auch die Fahrzeugkosten beeinflusst. Grundsätzlich besteht eine Batterie aus einzelnen Zellen, die in Reihe und parallel zu Zellmodulen geschaltet werden. Die einzelnen Zellmodule werden über das Zellmanagement überwacht und geregelt. Das Batteriesystem setzt sich aus mehreren Zellmodulen zusammen, die mit einer entsprechenden Isolierung in einem Batteriegehäuse verbaut werden. Die Überwachung und Regelung der gesamten Batterie erfolgt durch das Batteriemanagementsystem (BMS). Zudem verfügt jedes Batteriesystem für den automobilen Einsatz über ein Kühlsystem, da die Betriebstemperatur der Batterie einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und die Haltbarkeit einer Batterie hat. Die wichtigsten Bewertungsparameter einer Batterie im Hinblick auf den Einsatz im Automobil sind Energiedichte, Leistungsdichte, Lebensdauer, Kosten und Sicherheit.

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Leistungselektronik

Die Schlüsselkomponente Leistungselektronik umfasst die Aufgabe der verlustarmen Umformung und Schaltung elektrischer Energie und der Steuerung des Leistungsflusses. Bei Elektrofahrzeugen ist eine Umformung der elektrischen Energie in Bezug auf das Spannungsniveau, die Frequenz sowie die Polarität und den Spannungsverlauf erforderlich. Dazu werden verschiedene Stromrichter bzw. Wandler eingesetzt, die sich hinsichtlich ihrer Funktion unterscheiden. Der Gleichrichter wandelt einen Wechselstrom (AC, alternating current) in Gleichstrom (DC, direct current) und wird bei Elektrofahrzeugen im Ladegerät verwendet. Dabei wird der Wechselstrom des Stromnetzes in einen Gleichstrom umgewandelt, der so von der Traktionsbatterie gespeichert werden kann. Zum Antrieb des Elektromotors muss der Gleichstrom der Batterie wieder über einen sogenannten Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden. Aufgrund unterschiedlicher Spannungsniveaus von Elektromotor und Batterie wird in der Regel ein Gleichstromsteller (DC/DC-Wandler) benötigt. Ein aktueller Entwicklungsschwerpunkt im Bereich der Leistungselektronik für elektrische Fahrzeugantriebe besteht in der Erhöhung der Leistungsdichte zur Reduzierung des Bauraums und des Gewichts. In diesem Zusammenhang wird auch die Integration von Bauteilen wie Leistungselektronik und Elektromotor verfolgt.

Das sind die Top 3 der Elektro-PKW in NRW

BMW i3 2015 in NRW top

Ein Teil unserer regelmäßigen Veröffentlichung "Zahlen - Daten - Fakten" ist die aktuelle Top 3 der vollelektrischen Fahrzeuge in Nordrhein-Westfalen. Derzeit sind die Zahlen für 2015 frei verfügbar und es ist ein deutsches Fabrikat, das den Spitzenplatz belegt.

BMW vor Nissan und Tesla

In NRW konnte der BMWi3 das Rennen mit 25,1% und damit nur einem halben Prozentpunkt vor dem Renault Zoe (24,6%) für sich entscheiden. Auf den Plätzen 3-6 folgen das Model S von Tesla mit 12,9%, der Kia Soul EV knapp dahinter mit 12,1% und der Nissan Leaf mit 9,8%. Insgesamt wurden 2015 in NRW 1.814 vollelektrische Fahrzeuge neu zugelassen.

Das Angebot an Elektrofahrzeugen ist in den letzten Jahren stark gestiegen. Immer mehr Hersteller setzen auf Elektromobilität und bieten Fahrzeuge aus dieser Sparte an. Eine Übersicht über die derzeit erhältlichen Plug-in-Hybrid Fahrzeuge und die reinen Elektrofahrzeuge finden Sie hier.

© Renault
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