Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs entwickelt sich dynamisch. Dies zeigen unter anderem die steigenden Neuzulassungen von Hybridfahrzeugen; ihre Anzahl ist von 2009 bis 2011 um 67 % gestiegen, und sie beginnen sich im Automobilmarkt zu etablieren. Aktuell haben Hybridfahrzeuge jedoch nur einen Anteil von circa 0,2 % an den zugelassenen Pkw in Deutschland. Dabei bieten Hybridfahrzeuge ein attraktives Konzept zur Kraftstoffeinsparung und Ressourcenschonung, zur Reduzierung der CO₂- und Schadstoffemissionen und gleichzeitig zur Erhöhung von Fahrspaß und Fahrkomfort. Hybridfahrzeuge verwenden zum Antrieb üblicherweise einen Verbrennungsmotor und mindestens einen Elektromotor.

Weiteres Thema: Range Extender.

Der Fahrantrieb im Elektro- oder Hybridfahrzeug wird ganz oder teilweise elektrisch realisiert, das heißt mit einer oder mit mehreren elektrischen Maschinen im Antriebsstrang. Die hierfür erforderliche elektrische Energie wird von einem Generator, angetrieben von einem Verbrennungsmotor oder – bei der Bremsenergierekuperation – von den Antriebsrädern, oder aus dem stationären Stromnetz über ein Ladegerät zur Verfügung gestellt. Die Speicherung der Energie erfolgt in einem Akkumulator, meist als Batterie bezeichnet, oder in einem geeigneten Kondensator (Doppelschichtkondensator, auch Supercap genannt). Die Umformung von Gleich- in Wechselstrom oder umgekehrt sowie die Regelung der Leistungsflüsse übernimmt eine Leistungselektronik. In diesem Kapitel werden die elektrotechnischen Grundlagen elektrischer Maschinen und Antriebe sowie der für Antriebe und Ladegeräte erforderlichen Leistungselektronik im Bordnetz skizziert.

Weitere Themen: Elektrische Maschinen, Elektrische Fahrantriebe, Potentiale elektrischer Einzelradantriebe.

Die Speicherung der elektrischen Energie im Fahrzeug und ihre bedarfsabhängige Abgabe gehören neben den elektrischen Maschinen (siehe auch Kapitel 2.2 und 2.3) und der Leistungselektronik (siehe Kapitel 4.1) zu den Schlüsseltechnologien für die Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Die Batterie (genau gesprochen der Akkumulator wegen der Wiederaufladbarkeit) ist der heute üblicherweise eingesetzte Energiespeicher. Schon vor etwa 100 Jahren sind die damals dominierenden Elektrofahrzeuge an der Batterietechnik gescheitert. Die Batterien waren zu schwer, zu groß und hatten eine zu geringe Speicherkapazität. Die jahrzehntelange Entwicklung führte inzwischen zu Alternativen zur konventionellen Bleibatterie, wie der Nickel-Cadmium-, der Nickel-Metall- Hydrid- oder der Lithium-Ionen- Batterie. Nachfolgend werden die Grundlagen der Batterietechnik beschrieben. Die Lithium-Ionen-Batterie als besonders erfolgversprechende Entwicklung für den Fahrzeugeinsatz wird in Kapitel 3.2 vorgestellt.

Weitere Themen: Lithium-Ionen-Batterien, Superkondensatoren.

Schon im konventionellen Kraftfahrzeug hat die Elektronik verschiedenste Aufgaben der Steuerung und Regelung, die in Steuergeräten umgesetzt werden, übernommen. Neben Mikrorechnern und Signalelektronik umfasst ihre Funktionalität bereits heute leistungselektronische Stellglieder, zum Beispiel für Aktuatoren oder Leuchten [4.1] sowie zur Energieaufbereitung, etwa zur Kopplung des Generators an das Bordnetz. Dieser Trend wird sich mit der weiteren Elektrifizierung des Antriebsstrangs signifikant verstärken. Insbesondere leistungselektronische Stellglieder sind für die Traktionsantriebe sowie für die erweiterten elektrischen Bordnetze unverzichtbar. Außerdem trägt die Leistungselektronik zukünftig einen wesentlichen Anteil zur Wertschöpfung bei. Dieser Beitrag umreißt die leistungselektronisch realisierten Grundfunktionen und erläutert, wie diese mit typischen leistungselektronischen Schaltungen und Bauelementen dargestellt werden können. Er nimmt Bezug auf die in den Kapitel 2.1 und 2.3 dargestellten elektrotechnischen Grundlagen.

Weitere Themen: Batteriesystemtechnik, Thermomanagement.

Die Brennstoffzelle ist ein Energiewandler, der die im Brennstoff (meist Wasserstoff ) gespeicherte Energie mithilfe von Sauerstoff direkt in elektrische Energie umwandelt. Damit entfällt der übliche Energiewandlungsprozess von Kraftstoff in mechanische Energie (Verbrennungskraftmaschine) und anschließend über den Generator in elektrische Energie. Der Wirkungsgrad der Energiewandlung mittels Brennstoffzelle ist deshalb grundsätzlich höher. Für die bedarfsgerechte Verfügbarkeit der elektrischen Energie ist allerdings weiterhin eine Batterie notwendig (Kapitel 3.1 und 3.2), wenn auch mit geringerer Kapazität. Bei den rein elektrischen Fahrzeugantrieben konkurrieren Batterie und Brennstoffzelle als Energiespeicher beziehungsweise -wandler. Erstere hat aktuell für den Nutzer neben den hohen Kosten bei der Anschaffung den Nachteil der geringen Reichweite. Eine Elektrifizierung des Fahrzeugantriebs durch eine Wasserstoff-Brennstoffzelle kennt diese Probleme nicht und gilt damit als idealer Fahrzeugantrieb der Zukunft. Die Kosten eines Brennstoffzellensystems sind derzeitig noch nicht auf dem Niveau eines konventionellen Antriebs mit Verbrennungsmotor. An der nachhaltigen Herstellung und Verfügbarkeit von Wasserstoff wird intensiv gearbeitet.

Weiteres Thema: Gesamtsystem im Fahrzeug

In den bisherigen Kapiteln ging es um die Gesamtkonzepte von Elektro- oder Hybridfahrzeugen und um die einzelnen elektrischen/ elektronischen Komponenten, die solche Fahrzeuge von rein verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen unterscheiden. Dazu zählen vor allem die elektrischen Maschinen, das Hochvoltbordnetz, die Leistungselektronik sowie die verschiedenen Energiespeicher und -wandler wie Akkumulator, Doppelschichtkondensator und Brennstoffzelle. Eine besondere Herausforderung im Elektro- oder Hybridfahrzeug ist das problemlose Zusammenspiel der einzelnen elektrischen und elektronischen Komponenten ohne eine negative gegenseitige Beeinflussung. Jedes elektrische Signal, messbar durch Spannung und Strom, ist stets mit einem elektrischen und magnetischen Feld in seiner Umgebung verbunden. Diese Felder können andere elektrische Signale störend beeinflussen. Um die elektromagnetische Verträglichkeit sicherzustellen, müssen solche ungewollten Beeinflussungen durch verschiedene Maßnahmen auf Bauteil-, Baugruppen- und Gesamtfahrzeugebene verhindert werden.

Infolge der unterschiedlichen Drehmoment/ Drehzahl-Charakteristiken von Verbrennungsmotoren und Elektromotoren ist die Getriebeauslegung an den elektrifizierten Antriebsstrang anzupassen. Nachfolgend werden die grundsätzlichen Unterschiede und Möglichkeiten aufgezeigt. Dabei spielen neben der Antriebskonfiguration auch die Betriebszustände infolge der Elektrifizierung eine wichtige Rolle.

Weiteres Thema: Anwendungsbeispiele

Jedem Antriebssystem in einem Fahrzeug muss Energie zugeführt werden. Bei straßengebundenen Fahrzeugen wird diese Energie in Intervallen mit Zwischenspeicherung an Bord aufgenommen und für den Antrieb zur Verfügung gestellt. Bei rein elektrisch betriebenen Zügen oder Oberleitungsbussen wird die Energie während der Fahrt kontinuierlich und bedarfsgerecht zugeführt. Für verbrennungsmotorisch angetriebene Fahrzeuge sind derzeit überwiegend auf fossiler Basis erzeugte Kraftstoffe (Benzin, Diesel und Gas) im Einsatz. Die damit gespeicherte Energie reicht für etwa 300 bis 1000 km Fahrstrecke, und die Energieaufnahme an der Tankstelle dauert wenige Minuten. Ganz anders verhält es sich mit der Aufnahme und Speicherung der elektrischen Energie bei batteriebetriebenen Elektro- und Plug-in-Hybrid-Fahrzeugen. Die begrenzte Speicherkapazität von Batterien und Superkondensatoren (siehe Kapitel 3.1, 3.2 und 3.3) reicht nur für vergleichsweise geringe Fahrstrecken von weniger als 10 bis etwa 200 km. Damit werden einerseits mehr „Betankungen“ notwendig, und andererseits erfordert das Medium „Strom“ eine völlig andere Technik der Aufnahme in den Zwischenspeicher. Die Verbindung dieser zwei voneinander bisher unabhängigen Entwicklungen stellt die Automobilindustrie und die Energieversorger vor neue Herausforderungen, bietet aber auch neue Möglichkeiten, um den Kunden immer die größtmögliche Reichweite komfortabel zur Verfügung zu stellen. Der nachfolgende Beitrag beschäftigt sich mit den derzeit intensiv diskutierten Fragen der Ladetechnik.

Weitere Themen: Typgenehmigung, Akustik, Elektrische Sicherheit.

Abhängig vom Elektrifizierungs- oder Hybridisierungsgrad des Antriebsstranges, siehe Kapitel 1.1, ist es sinnvoll, den Verbrennungsmotor bezüglich seiner Konzeption und Auslegung an die geänderten Anforderungen anzupassen. Dabei sind allerdings immer das Gesamtsystem der Antriebskonfiguration, also der Elektroantrieb und der verbrennungsmotorische Antrieb und ihre Kombinationen zu optimieren. Außerdem ist die Fahrzeugklasse und damit das zu erwartende Fahrverhalten des Kunden zu beachten. Eine Kosten-Nutzen-Analyse, die Modultauglichkeit innerhalb des Produktportfolios und der Kundenwunsch werden ebenfalls die Entscheidung für den geeigneten Verbrennungsmotor maßgeblich beeinflussen [9.1]. Die nachfolgenden Betrachtungen beschränken sich auf den Einsatz von 4-Takt Otto- oder Dieselmotoren. Häufig, insbesondere im Zusammenhang mit Rang Extender Anwendungen diskutierte Alternativen, wie zum Beispiel 2-Takt Motoren, Wankelmotoren oder exotische Wärmekraftmaschinen, siehe auch Kapitel 1.2, bleiben unberücksichtigt.

Heutige Mobilität stützt sich aus Kosten- Nutzen-Erwägungen im Wesentlichen auf fossile Energieträger. Bedingt durch die Endlichkeit der Ressourcen und die ökologischen Herausforderungen ist dieser Weg mittel- bis langfristig nicht nachhaltig. In Bezug auf die individuelle Mobilität, auf die ein relativ großer Teil des täglichen Energiebedarfs entfällt, gibt es verschiedene Optionen, diesem Problem zu begegnen. Im Zentrum der Diskussion stehen dabei sowohl optimierte Verbrennungsmotoren und deren Betrieb mit alternativen Kraftstoffen, als auch elektrische Antriebe. Um die unterschiedlichen Ansätze zu untersuchen, werden im Folgenden die Wege der Energie in einer Well-to-Wheel- Betrachtung aufgezeigt, das heißt von der Quelle über die Wandlung bis zur Nutzung im Automobil. Diese Analysen bilden die notwendige Grundlage für eine ganzheitliche Betrachtung des automobilen Energieverbrauchs und des Schadstoffemissionsaufkommens. Zentrale Fakten werden im Folgenden in einer Bestandsaufnahme vorgestellt. Daraus lassen sich abschließend Schlussfolgerungen ziehen, die zu geeigneten Strategien der Energieeffizienz sowie CO₂- und Schadstoffemissionsminderung beitragen sollen.