Elektromobilität
Grundlagen und Praxis
- 2022
- Buch
- Verfasst von
- Anton Karle
- Verlag
- Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
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Inhaltsverzeichnis
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Frontmatter
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1. Einführung
Anton KarleDas Kapitel führt in die Welt der Elektromobilität ein und definiert Elektrofahrzeuge, wobei es verschiedene Typen wie Battery Electric Vehicles (BEV) und Plug-in Hybrid Electric Vehicles (PHEV) unterscheidet. Es wird die Unterstützung der Bundesregierung für die Elektrifizierung des Verkehrssektors beleuchtet, einschließlich der Ziele und Maßnahmen des Nationalen Entwicklungsplans Elektromobilität. Die Marktreife von Elektrofahrzeugen wird anhand von Beispielen wie dem BMW i3 und dem VW e-Golf verdeutlicht, wobei auch die Herausforderungen wie Reichweite und Ladeinfrastruktur diskutiert werden. Die Stromversorgung dieser Fahrzeuge wird analysiert, wobei der Fokus auf regenerativ erzeugtem Strom liegt. Die Eigenschaften der Elektrofahrzeuge, wie Leise, emissionsfrei und energieeffizient, werden hervorgehoben, ebenso wie die zukünftigen Entwicklungen und Herausforderungen, insbesondere im Hinblick auf die Kosten und Reichweite.KI-Generiert
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ZusammenfassungUnter Elektromobilität versteht man den Personen- und Güterverkehr mit Fahrzeugen, die mit elektrischer Energie angetrieben werden. Strenggenommen zählt dazu auch die Eisenbahn, die in dieser Arbeit nur eine untergeordnete Rolle spielt. Schwerpunktmäßig befasst sich das Buch mit Elektrofahrzeugen/Elektroautos/Elektromobilen/E-Fahrzeugen, wie sie häufig etwas uneinheitlich bezeichnet werden. Aber auch Elektrofahrräder und -motorräder sowie Elektrobusse gehören dazu, sie werden kurz beschrieben. -
2. Überblick Elektrofahrzeuge
Anton KarleDer Beitrag bietet eine umfassende Übersicht über die Geschichte und grundsätzliche Bedeutung von Elektrofahrzeugen. Bereits Ende des 19. Jahrhunderts wurden erste Elektrofahrzeuge entwickelt, doch erst durch technologische Fortschritte in der Akkutechnik, insbesondere durch die Einführung des Li-Ionen-Akkus, konnten alltagstaugliche Elektrofahrzeuge auf den Markt gebracht werden. Der Beitrag untersucht die konstruktiven Unterschiede zwischen Elektrofahrzeugen und herkömmlichen Kraftfahrzeugen, wobei zwei Hauptansätze – Purpose-Design und Conversion-Design – vorgestellt werden. Die Vorteile des Elektroantriebs, wie Energieeffizienz, Emissionsfreiheit und hohes Drehmoment, werden detailliert erläutert. Zudem werden die Nachteile, wie hohe Anschaffungspreise und eingeschränkte Reichweiten, kritisch beleuchtet. Abschließend wird die Rolle von Vorgaben zur CO2-Reduktion als Treiber für die Elektromobilität analysiert, wobei die strengen EU-Grenzwerte als wichtiger Faktor hervorgehoben werden.KI-Generiert
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ZusammenfassungVersuche, Elektromotoren als effektiven Antrieb für Kraftfahrzeuge zu nutzen, gab es im Prinzip seit Erfindung des Automobils. Allerdings haben es erst die in den letzten Jahren erzielten technologischen Fortschritte in der Akkutechnik erlaubt, alltagstaugliche Elektrofahrzeuge als Konkurrenz zu den herkömmlichen Verbrennungsmotor-Kraftfahrzeugen auf den Markt zu bringen. -
3. Ausführungsformen von Elektrofahrzeugen in der Praxis
Anton KarleDas Kapitel bietet eine umfassende Übersicht über die verschiedenen Ausführungsformen von Elektrofahrzeugen, wobei der Fokus auf Elektro-Pkw liegt. Es werden die unterschiedlichen Antriebskonzepte wie reine Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge und Brennstoffzellenfahrzeuge detailliert beschrieben. Besondere Aufmerksamkeit wird den zentralen Baugruppen wie Elektromotor, Leistungselektronik und Energiespeicher geschenkt. Die Rekuperationstechnik und ihre Bedeutung für den Energieverbrauch werden ebenfalls ausführlich behandelt. Darüber hinaus werden Nutzfahrzeuge, Busse und Elektrofahrräder als weitere Anwendungsbereiche vorgestellt, wobei auch auf die technischen Herausforderungen und Innovationen in diesen Bereichen eingegangen wird. Das Kapitel bietet somit einen tiefgehenden Einblick in die aktuellen Entwicklungen und Technologien im Bereich der Elektrofahrzeuge und ist daher besonders interessant für Fachleute und Experten in der Automobil- und Energietechnik.KI-Generiert
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ZusammenfassungIn diesem Kapitel werden die Ausführungsformen von Elektrofahrzeugen im Überblick beschrieben. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Elektro-Pkw. Zudem werden Nutzfahrzeuge, Busse und Elektrofahrräder angesprochen. Einzelheiten zu den zentralen Baugruppen, wie Elektromotor, Leistungselektronik und Energiespeicher folgen in den nächsten Kapiteln. -
4. Grundlagen Kfz-Antriebe
Anton KarleDer Fachtext behandelt die Grundlagen der verschiedenen Kfz-Antriebe, wobei ein besonderer Fokus auf Verbrennungsmotoren liegt. Es wird die Funktion des Viertaktmotors detailliert beschrieben, einschließlich der vier Takte (Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen) und deren Zusammenwirken. Die Unterschiede zwischen Ottomotoren und Dieselmotoren werden erläutert, insbesondere die Selbstzündung beim Dieselmotor und die höhere thermodynamische Effizienz. Zudem wird die Leistung, das Drehmoment und der Verbrauch der Motoren analysiert, sowie der Wirkungsgrad und die Energiebilanz diskutiert. Besondere Aufmerksamkeit wird der Lastanhebung bei Hybridfahrzeugen gewidmet, die zur Effizienzsteigerung beiträgt. Der Text bietet eine umfassende Einführung in die Grundlagen der Kfz-Antriebe und ihre Optimierung.KI-Generiert
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ZusammenfassungUm die Leistungsfähigkeit und das Potenzial von Elektroantrieben abschätzen zu können, muss man sie im Vergleich zu anderen Kfz-Antrieben betrachten. Auch um das effektive Zusammenspiel der Antriebsarten in den Hybridfahrzeugen beurteilen zu können, muss man die Grundlagen der unterschiedlichen Antriebsarten heranziehen. -
5. Elektrifizierter Antriebsstrang
Anton KarleDas Kapitel behandelt die Grundlagen des elektrifizierten Antriebsstrangs in Elektrofahrzeugen. Es beginnt mit der Beschreibung der wesentlichen Komponenten: Elektromotor, Akkumulator/Fahrzeugbatterie und ggf. Brennstoffzelle. Der Elektromotor wird als zentrales Element vorgestellt, wobei verschiedene Motorarten wie Gleichstrom-, Synchron- und Asynchronmotoren detailliert beschrieben werden. Die Anforderungen an den Elektromotor, wie hoher Wirkungsgrad, feinfühlige Drehzahl- und Drehmomentsteuerung sowie die Möglichkeit zur Rekuperation, werden erläutert. Besondere Aufmerksamkeit wird den verschiedenen Batterietechnologien gewidmet, insbesondere den Lithium-Ionen-Akkus, die aufgrund ihrer hohen Leistungs- und Energiedichte sowie ihrer geringen Selbstentladung als zentraler Energiespeicher für Elektrofahrzeuge dienen. Die Herausforderungen und Lösungen bei der Speicherung und dem Transport von Wasserstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge werden ebenfalls behandelt. Das Kapitel schließt mit einer detaillierten Beschreibung der Leistungselektronik und der Inverter, die als Bindeglied zwischen Akku und Elektromotor fungieren und für die sichere und anforderungsgerechte Drehmomentversorgung sorgen. Diese umfassende Darstellung der technischen Aspekte des elektrifizierten Antriebsstrangs bietet einen tiefgehenden Einblick in die Funktionsweise moderner Elektrofahrzeuge.KI-Generiert
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ZusammenfassungIn diesem Kapitel werden die Grundlagen der wesentlichen Elemente des elektrifizierten Antriebsstrangs beschrieben. Dieser besteht aus folgenden Komponenten:-
Elektromotor,
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Akkumulator/Fahrzeugbatterie und ggf. Brennstoffzelle,
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Leistungselektronik.
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6. Laden und Ladeinfrastruktur
Anton KarleDas Kapitel 'Laden und Ladeinfrastruktur' behandelt die grundlegenden Prinzipien des Ladens von Elektrofahrzeugen und der dazugehörigen Ladeinfrastruktur. Es beginnt mit den Basics des Ladevorgangs, wobei Akkumulatoren als galvanische Zellen beschrieben werden, die chemisch gespeicherte Energie in elektrische Energie umwandeln. Die maßgeblichen Kenngrößen für das Laden sind der Ladestrom, die Ladespannung und die Kapazität des Akkus. Die Laderate, die Ladezeit und die Laderate werden detailliert erläutert. Besondere Aufmerksamkeit wird der Normung und den daraus resultierenden Ladesystemen geschenkt, wobei die verschiedenen Lademodi und deren Anwendung in unterschiedlichen Kontexten beschrieben werden. Das Kapitel geht auch auf die Entwicklung der Ladeinfrastruktur ein, einschließlich der Herausforderungen und Lösungsansätze für das Laden von Elektrofahrzeugen im öffentlichen und privaten Bereich. Zukunftsweisende Konzepte wie induktives Laden und Wechselakkus werden ebenfalls diskutiert. Der Beitrag bietet einen umfassenden Überblick über die technischen und infrastrukturellen Aspekte des Ladens von Elektrofahrzeugen und ist daher für Fachleute und Interessierte gleichermaßen interessant.KI-Generiert
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ZusammenfassungWie beim Laden der Akkus von Handys, Laptops usw. ist auch beim Laden des Fahrzeugakkus ein spezielles Ladegerät notwendig. Für die Standardladung befindet sich dieses im Fahrzeug, sodass zur Nachladung im Prinzip nur ein entsprechendes Ladekabel und für den einfachsten Fall eine normale Haushaltssteckdose (entsprechend abgesichert) erforderlich ist. Damit lässt sich ein Elektrofahrzeug über Nacht wieder aufladen. Aber auch für kürzere Ladedauern gibt es entsprechende Lösungen. Neben den Grundlagen geht dieses Kapitel auf die dazugehörende Normung und die daraus resultierenden Ladesysteme ein. -
7. Verbrauch und Reichweite von E-Fahrzeugen
Anton KarleDas Kapitel behandelt die physikalischen Grundlagen und Berechnungsmethoden zur Bestimmung des Energieverbrauchs und der Reichweite von Elektrofahrzeugen. Es wird erläutert, wie Elektromotoren Energie in mechanische Antriebsenergie umwandeln und welche physikalischen Zusammenhänge dabei eine Rolle spielen. Besondere Aufmerksamkeit wird den Berechnungsgleichungen für die Beschreibung der Fahrzeugbewegung geschenkt, die auf den Gesetzen der technischen Mechanik basieren. Zudem werden verschiedene Fahrwiderstände und deren Einfluss auf den Verbrauch analysiert, wobei die Rekuperation als besonders effiziente Methode zur Energierückgewinnung hervorgehoben wird. Durch umfangreiche Verbrauchssimulationen und die Analyse realer Fahrbedingungen werden praxisnahe Erkenntnisse gewonnen, die die Effizienz von Elektroantrieben im Vergleich zu Verbrennungsmotoren unterstreichen. Abschließend werden die Ergebnisse auf die Normen und Testverfahren wie NEFZ und WLTP bezogen, um eine fundierte Bewertung der Verbrauchs- und Reichweitenangaben von Elektrofahrzeugen zu ermöglichen.KI-Generiert
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ZusammenfassungEin maßgeblicher Vorteil von Elektrofahrzeugen ist bekanntermaßen ihr geringer Energieverbrauch, einer ihrer größten Nachteile die geringe Reichweite. Für beides müssen die Hersteller in ihren Unterlagen Angaben machen, die nach genormten Versuchen ermittelt werden. Damit ist zwar eine grundsätzliche Vergleichbarkeit der Fahrzeuge gegeben. Da aber auch bei den genormten Tests die Ergebnisse von vielen fahrzeugspezifischen Größen beeinflusst sind, Gewicht und Stirnfläche als Beispiele, lassen die Angaben keinen direkten Rückschluss auf die tatsächliche Effektivität des Fahrzeugantriebs zu. Daher ist auch eine Übertragbarkeit von Verbrauch und Reichweite auf reale Fahrbedingungen nur bedingt möglich. In diesem Abschnitt werden die Grundlagen erarbeitet, wie die tatsächliche, fahrzeugspezifische Effektivität beurteilt werden kann, und wie diese Erkenntnisse auf reale Verhältnisse übertragen werden können. -
8. Strom für die Elektrofahrzeuge
Anton KarleDas Kapitel untersucht die Stromversorgung von Elektrofahrzeugen und die damit verbundenen CO2-Emissionen. Es wird die Well-to-Wheel-Betrachtung vorgestellt, die den gesamten Energieverbrauch von der Quelle bis zum Rad umfasst. Die verschiedenen Primärenergiequellen, wie fossile Brennstoffe und erneuerbare Energien, werden detailliert analysiert. Besonderes Augenmerk liegt auf den spezifischen CO2-Emissionen und den Wirkungsgraden der jeweiligen Energiequellen. Die Bedeutung erneuerbarer Energien für die Elektromobilität wird hervorgehoben, und es wird gezeigt, wie diese die CO2-Emissionen reduzieren können. Zudem wird die Notwendigkeit von Speichertechnologien zur Ausgleichung von tages- und jahreszeitlichen Schwankungen in der Stromerzeugung thematisiert. Verschiedene Speichertechnologien, wie Akkumulatoren und Pumpspeicherwerke, werden vorgestellt und ihre Rolle bei der Sicherstellung einer stabilen Stromversorgung für Elektrofahrzeuge erläutert.KI-Generiert
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ZusammenfassungDie Simulationen der vorangegangenen Abschnitte belegen die hohe Effektivität des Elektroantriebs und den daraus resultierenden niedrigen Energieverbrauch. Da sich diese Betrachtung zunächst aber allein auf die Betrachtung des Fahrzeugs beschränkt, der sogenannten Tank-to-Wheel-Betrachtung, bleiben Verluste bei der Stromerzeugung unberücksichtigt. Um die gesamte Energiekette zu berücksichtigen, wird in der Well-To-Wheel-Betrachtung (von der Quelle zum Rad) der Primärenergieverbrauch und die CO2-Belastung bei der Stromerzeugung in die Gesamtbetrachtung miteinbezogen. -
9. Umweltbilanz von Elektrofahrzeugen
Anton KarleDer Fachtext untersucht die Umweltbilanz von Elektrofahrzeugen entlang des gesamten Lebenszyklus, von der Herstellung über die Nutzung bis hin zur Verwertung. Dabei werden verschiedene Methoden der Umweltbeurteilung vorgestellt, wie die CO2-Bilanzierung und die Ökobilanz nach DIN EN ISO 14040 und 14044. Besondere Aufmerksamkeit wird der Nutzungsphase geschenkt, in der Elektrofahrzeuge durch ihre emissionsfreie Fahrt und die Möglichkeit zur Nutzung regenerativer Energien Vorteile gegenüber Verbrennungsmotoren aufweisen. Die Herstellung und Verwertung von Elektrofahrzeugen werden ebenfalls analysiert, wobei die Herstellung aufgrund der komplexen und dynamischen Verhältnisse besonders herausfordernd ist. Studien und Projekte, wie die des ifeu-Instituts und der Volkswagen AG, zeigen, dass Elektrofahrzeuge unter bestimmten Bedingungen eine ähnliche oder sogar bessere Klimabilanz als Verbrennungsfahrzeuge haben können. Die zukünftige Entwicklung der Energiewende und der Recyclingmöglichkeiten von Batterien wird als entscheidend für die weitere Verbesserung der Umweltbilanz von Elektrofahrzeugen angesehen.KI-Generiert
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ZusammenfassungDie Umweltaspekte von Kraftfahrzeugen müssen in drei Phasen entlang des Lebenszyklus des Fahrzeugs analysiert werden:1.Fahrzeugherstellung,2.Nutzungsphase (einschließlich Energiebereitstellung),3.Verwertungsphase. -
10. Markt
Anton KarleDas Kapitel untersucht die Kostenvergleiche zwischen Elektrofahrzeugen und konventionellen Fahrzeugen, wobei es sowohl die Anschaffungskosten als auch die laufenden Kosten wie Betriebskosten und Wartungskosten berücksichtigt. Es wird auf die dynamische Kostenrechnung eingegangen und die Auswirkungen der Akkukosten auf die Gesamtkosten analysiert. Darüber hinaus wird das Angebot an Elektrofahrzeugen dargestellt, wobei sowohl reine Elektro-Pkw als auch Plug-in-Hybride und Nutzfahrzeuge betrachtet werden. Die Entwicklung der Reichweiten und Akkukapazitäten wird ebenfalls thematisiert. Das Kapitel schließt mit einer Untersuchung der Wirkung staatlicher Fördermaßnahmen auf die Verbreitung von Elektrofahrzeugen und zeigt auf, wie diese die Marktentwicklung beeinflussen.KI-Generiert
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ZusammenfassungNeben der eingeschränkten Reichweite sind die hohen Anschaffungskosten das zweite Hemmnis für eine weite Verbreitung von Elektrofahrzeugen. Daher soll in diesem Kapitel zunächst die Kostensituation beleuchtet werden. Anschließend wird auch das Angebot an Fahrzeugen dargestellt. -
11. Mobilitätskonzepte mit Elektrofahrzeugen
Anton KarleDas Kapitel untersucht die Rolle von Elektrofahrzeugen in modernen Mobilitätskonzepten und deren Anwendung in verschiedenen Bereichen. Im Fokus stehen Carsharing-Modelle wie car2go und DriveNow, die durch ihre Geräuscharmut und emissionsfreie Fahrt im Nahbereich eine hohe Akzeptanz finden. E-Taxis werden als nachhaltige Alternative für den Taxibetrieb vorgestellt, wobei eine ausgeklügelte Ladeinfrastruktur und schnell aufladbare Elektroautos entscheidend sind. Elektrobusse spielen eine wichtige Rolle im öffentlichen Nahverkehr, indem sie abgasfrei und leise durch Innenstädte fahren. Im Güterverkehr werden Elektrofahrzeuge wie der StreetScooter der Deutschen Post und Elektro-Lkw von Firmen wie E-FORCE ONE AG als umweltfreundliche und CO2-neutrale Lösungen präsentiert. Die Praxistauglichkeit dieser Konzepte wird durch verschiedene Projekte und wissenschaftliche Begleitungen belegt, die den Weg für eine nachhaltige Mobilität der Zukunft ebnen.KI-Generiert
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ZusammenfassungAufgrund ihrer Eigenschaften wie geringe Geräuschemissionen, vor Ort emissionsfrei, geringer Energieverbrauch, können Elektrofahrzeuge eine wichtige Rolle bei derzeitigen und künftigen Mobilitätskonzepten spielen. Das fängt an bei Elektrofahrrädern und kann enden bei Elektrobussen oder Elektro-Lkw. Dabei muss sehr genau beachtet werden, für welche Randbedingungen ein Konzept optimiert werden soll. -
12. Automatisiertes/Autonomes Fahren
Anton KarleDas automatisierte und autonome Fahren verfolgt das Ziel, die Sicherheit im Straßenverkehr zu maximieren und den Fahrkomfort zu steigern. Durch die Vernetzung der Fahrzeuge kann der Verkehrsfluss optimiert werden. Der Beitrag beschreibt die verschiedenen Automatisierungsstufen gemäß SAE und die notwendigen Sensoren für eine präzise Umwelterfassung. Es wird auch auf die rechtlichen Rahmenbedingungen und die Akzeptanz der Technologie durch die Verbraucher eingegangen. Besonders interessant ist die Darstellung der aktuellen rechtlichen Entwicklungen und die praktische Umsetzung durch Hersteller wie Mercedes-Benz. Der Text bietet einen umfassenden Überblick über die technischen und regulatorischen Herausforderungen und Chancen des automatisierten Fahrens.KI-Generiert
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ZusammenfassungDie Entwicklung des automatisierten Fahrens verfolgt mehrere Ziele: Es soll die Sicherheit im Fahrzeugverkehr soweit erhöhen, dass die Unfallzahlen gegen Null gehen. Gleichzeitig wird der Fahrkomfort für den Fahrer gesteigert. Und durch eine Vernetzung der automatisierten Fahrzeuge untereinander kann der Verkehrsfluss insgesamt optimiert werden. -
13. Schlussfolgerungen und Gesamtbeurteilung
Anton KarleDas Kapitel untersucht die zentrale Rolle der Elektromobilität in Politik, Gesellschaft und Industrie. Es zeigt auf, dass seit 2013/2014 alltagstaugliche Elektrofahrzeuge auf dem Markt sind, deren Angebot seit 2019 signifikant ausgeweitet wurde. Die Anschaffungspreise sind höher als bei Verbrennungsmotoren, aber die Akkukosten sollen in den nächsten Jahren sinken. Elektrofahrzeuge haben niedrige Betriebskosten, insbesondere wenn zu Hause geladen wird. Plug-in-Hybride bieten eine elektrische Reichweite von über 50 km, sind aber nicht billiger als reine Elektrofahrzeuge. Die Reichweite von Elektrofahrzeugen hat sich seit 2015 mehr als verdoppelt, und es gibt Fortschritte bei der Ladeinfrastruktur. Die EU-Vorgaben zu CO2-Ausstoß führen zu einer verstärkten Hybridisierung und Elektrifizierung der Fahrzeugflotte. Der Strombedarf für Elektrofahrzeuge kann aus dem derzeitigen Angebot gedeckt werden, und es gibt Synergien mit der Energiewende. Die Bundesregierung fördert Elektrofahrzeuge, und die Wachstumsraten sollten ab 2021 zunehmen. Brennstoffzellenantriebe spielen derzeit im Pkw-Bereich eine untergeordnete Rolle, könnten aber im Lkw-Bereich und langfristig auch im Pkw-Bereich an Bedeutung gewinnen. Die Dynamik der Entwicklung hängt von Förderung, Marktgeschehen und internationalen Einflüssen ab.KI-Generiert
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ZusammenfassungDie vorangegangenen Ausführungen zeigen, dass Elektromobilität ein zentrales und zukunftsträchtiges Thema in Politik, Gesellschaft, Industrie und bei der Energiewende ist. -
14. Berechnungen
Anton KarleDer Fachbeitrag behandelt die Berechnung von physikalischen Größen im Kontext von Elektrofahrzeugen. Dabei werden spezifische Aufgaben mit realitätsnahen Zahlen gestellt und Lösungen vorgeschlagen. Ein Schwerpunkt liegt auf der Ermittlung von Leistung, Reichweite und Fahrwiderständen. Besonders interessant sind die detaillierten Berechnungen zur Maximalleistung und zum Drehmoment von Elektromotoren sowie die Analyse des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen. Zudem wird die Simulation des dynamischen Verhaltens von Fahrzeugen behandelt, wobei nichtlineare, geschwindigkeitsabhängige Fahrwiderstände berücksichtigt werden. Die Anwendung von Simulationsmethoden zur Modellbildung und die Berechnung von Beschleunigungswerten für verschiedene Geschwindigkeitsbereiche sind weitere Highlights des Beitrags.KI-Generiert
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ZusammenfassungIn diesem Abschnitt werden spezifische Themen beleuchtet, indem Aufgaben mit realitätsnahen Zahlen (auch für das Selberrechnen) gestellt und eine Lösung vorgeschlagen wird. -
Backmatter
- Titel
- Elektromobilität
- Verfasst von
-
Anton Karle
- Copyright-Jahr
- 2022
- Verlag
- Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
- Electronic ISBN
- 978-3-446-47509-0
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-446-47509-0
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