Fahrzeuge

Technische Informationen zu Elektrofahrzeugen und Batterie

Elektroantrieb vs. konventioneller Verbrennungsmotor: Potenziale und Herausforderungen

Ein rein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug wird statt durch einen Verbrennungsmotor durch einen Elektromotor angetrieben, der elektrischen Strom als Antriebsenergie verwendet. So einfach könnte man das komplexe Thema Elektromobilität zusammenfassen.

Bei genauer Betrachtung gibt es jedoch eine Vielzahl technischer Möglichkeiten und Herausforderungen. Es gibt verschiedene Elektrifizierungsgrade und unterschiedliche sogenannte Antriebstopografien. Für die Umweltbilanz der Elektrofahrzeuge 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 kann man sagen, dass auch schienen- oder oberleitungsgebundene Fahrzeuge, die mit Strom angetrieben werden Elektromobilität sind. Die Bahn fährt vielerorts elektrisch, Straßenbahnen und auch Trolley Busse werden elektrisch angetrieben. Auch die allerersten Fahrzeuge waren elektrisch – dann hat sich vor allem aufgrund von Praktikabilität zunächst der Verbrennungsmotor durchgesetzt.

Durch neue Fahrzeug- und Batteriekonzepte können heutzutage aber nutzerfreundliche Reichweiten mit Elektrofahrzeugen dargestellt werden. Die Bandbreite reicht dabei von vollelektrischen Fahrzeugen (BEV = Battery Electric Vehicle) bis zu solchen, bei denen der Elektroantrieb nur einen Teil zum Antrieb beisteuert, sogenannten Hybriden – eine Mischform mit Verbrennungs- und Elektromotor. Hybride, deren Batterie über einen Stecker geladen werden kann, nennt man Plug-In-Hybride (PHEV = Plug-In-Hybrid Electric Vehicle). Diese beiden 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 in der Anwendung die gleichen Anforderungen wie an konventionelle Fahrzeuge gestellt. Wichtigste Fragen für den Nutzer betreffen folgerichtig Reichweite und Anschaffungs- sowie Betriebskosten.
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 werden 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. So kann beispielweise der Elektromotor beim Anfahren zugeschaltet werden, um die optimale Effizienz zu erreichen. Bei einem seriellen Hybrid hat der Verbrenner keine Verbindung zur Antriebsachse. Das bedeutet, dass nur der Elektromotor das Fahrzeug antreibt. 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 die beiden 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 sogenannten Plug-in-Hybrids können Sie zusätzlich extern über das Stromnetz aufladen, z. B. an einer einfachen Haushaltssteckdose oder einer Ladestation. Die Batterie ist größer, sodass sie größere Strecken elektrisch zurücklegen 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 elektromotorisch 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 unter Einsatz fossiler Energien – 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. Das sehr dünne Tankstellennetz ist ausbaufähig. Bisher gibt es bundesweit 19 öffentlich zugängliche Wasserstofftankstellen.

 

 

Wie weit reicht die Elektromobilität? Fakten zur Reichweite

Bei reinen batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen werden herstellerseitig meist Reichweiten von 100–200 km angegeben. Viele Studien haben gezeigt, dass ca. 70 % der deutschen Autofahrer am Tag weniger als 50 km fahren, weitere 20 % zwischen 50 km und 100 km. Das kann ein reines Elektrofahrzeug leicht abdecken. Elektrofahrzeuge mit mehr als 200 km Reichweite sind keine Seltenheit mehr.

Die Reichweite eines Elektrofahrzeugs hängt grundsätzlich davon ab, wieviel Energie das Fahrzeug mitführt und wieviel Energie es verbraucht. Also auf der einen Seite von Batteriekapazität und Größe sowie von möglichen zusätzlichen Energiewandlern, wie bei einem Hybrid Fahrzeug der zusätzliche Verbrennungsmotor. Die Batterieentwicklung der letzten Jahre hat dazu geführt, dass sich bei ähnlicher Baugröße die Kapazitäten der Batterien sowie die Reichweite der Fahrzeuge stark verbessert haben und dabei die Kosten bei gleicher Leistung durch höhere Stückzahlen und Lernkurven (economies of scale) reduziert werden konnten.

Auf der anderen Seite ist eine Reichweitensteigerung durch optimale Verwertung der zur Verfügung stehenden Energie möglich. Das Fahrzeuggewicht spielt beispielsweise eine große Rolle. Leichtbau ist ein wichtiger Entscheidungsfaktor bei Materialien und Verarbeitungswahl, dabei muss aber natürlich immer die Sicherheit des Fahrzeugs gewährleistet bleiben.

 

 

Auch die sogenannten Nebenverbraucher wie z.B. Klimaanlagen im Fahrgastinnenraum, aber auch die vielen technischen Assistenzsysteme beim Fahren sowie die notwendige Klimatisierung von Komponenten (z.B. Batterie) verbrauchen Strom. Ein effizientes Energie- und Thermomanagement verringert den Stromverbrauch des Fahrzeugs.

Nicht zuletzt der Fahrstil beeinflusst den Energieverbrauch. Bei einem möglichst gleichmäßigen Dahinrollen und vorausschauendem Fahren kann mehr Reichweite erzielt werden, als wenn der Fahrer immer die maximale Leistung abruft.

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 auch 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 Fahrstrecke abzustimmen.

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.


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. Dabei ist es die Aufgabe der E-Maschine, elektrische in mechanische Energie (Motorbetrieb) bzw. mechanische in elektrische Energie (Generatorbetrieb) umzuwandeln. Grundsätzlich werden elektrische Maschinen in Gleichstrommaschinen und Wechselstrommaschinen unterteilt. Die Gleichstrommaschinen finden aufgrund ihrer geringeren Wirkungsgrade bei erhöhtem Wartungsaufwand als Traktionsmotoren bei Elektrofahrzeugen keinen Einsatz. Die Wechselstrommaschinen können 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 werden. 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 stellt als Energielieferant ein zentrales Bauteil dar, da diese sowohl die Reichweite als auch die Fahrzeugkosten entscheidend 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 BMS (Batteriemanagementsystem). 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 einen 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.

Die Kosten der Elektromobilität

Elektrofahrzeuge sind heute in der Anschaffung noch teurer als vergleichbare konventionelle Fahrzeuge, auch wenn die Preise in den letzten Jahren schon stark gefallen sind. Die Batterie ist nach wie vor die teuerste Komponente im Elektrofahrzeug. Durch Skaleneffekte und neue technologische Entwicklungen sind mittel- und langfristig weiter sinkende Fahrzeugpreise bei besseren Reichweiten zu erwarten.

Im täglichen Gebrauch sind Elektrofahrzeuge deutlich günstiger als Verbrenner: Die Kosten fürs Stromtanken sind niedriger und werden sich bei steigendem Rohölpreis im Verhältnis weiter verringern. Für 100 km benötigen Sie zwischen 10 und 20 kWh je nach Fahrzeugtyp, Fahrstil und Streckenprofil. Das ergibt bei einem Strompreis von 30 Cent pro kWh ca. 3 – 6 €, bis zu 50 % weniger als bei einem Benziner.

Was die Kosten-Nutzen-Rechnung noch positiver gestaltet ist, dass an vielen Ladesäulen der Strom noch gratis angeboten wird, oder nur Parkgebühren fällig werden.

Zu den Betriebskosten gehören auch Wartung und Reparatur. Diese Kosten sind bei reinen Elektrofahrzeugen deutlich niedriger als bei konventionell angetriebenen Fahrzeugen. Zum Beispiel fallen weder Öl- noch Filterwechsel an. Zudem haben Elektromotoren viel weniger bewegliche Teile, keine Abgasbehandlung und keine Einspritzanlagen - alles Komponenten, die regelmäßig gewartet oder ersetzt werden müssen.

Insgesamt liegen die Wartungskosten für E-Mobile laut einer Studie des Instituts für Automobilwirtschaft (IFA) an der Hochschule Nürtingen-Geislingen schon heute um rund 35 Prozent unter denen von Autos mit Verbrennungsmotor. Eine zusätzliche Kostenersparnis ist die 10-jährige Befreiung von der KfZ-Steuer.

Schwer einzuschätzen dagegen ist der Wiederverkaufswert eines Elektroautos. Es gibt noch keinen funktionierenden Gebrauchtwagenmarkt und wenig Erfahrungswerte, insbesondere bei der monetären Bewertung der Batterie der Fahrzeuge.

Zusammengefasst sind die Gesamtkosten für Anschaffung und Betrieb, abzüglich des Wiederverkaufs, die sogenannten Total Cost of Ownership (TCO) von Elektrofahrzeugen für Privatkunden heute noch höher als diejenigen von konventionell angetriebenen Fahrzeugen. Für Lieferdienste und und einige kommerzielle Flottenbetreiber rechnen sich Eletrofahrzeuge je nach Einsatzart aber bereits. 

Das Beratungsunternehmen p3 kommt in einer Studie zur Kostenentwicklung von Elektrofahrzeugen und Batterien, in Kooperation mit  electrive.net, zu dem Schuss, dass  durch technologischen Fortschritt und steigenden Betriebskosten der Verbrennungsmotoren ab ca. 2018 das Elektroauto die kostengünstiger Alternative sein wird.

Bis dies der Fall ist versuchen viele Länder, inzwischen auch Deutschland, die Kosten für den Nutzer durch Kaufprämien zu senken.