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About this book

Dieses Lehrbuch vermittelt die Grundlagen von der Energiegewinnung über die Energiewandlung bis zur Drehfeldmaschine und deren Anwendung in heutigen und vor allem zukünftigen Antriebssystemen. Zunächst werden aktuelle und zukünftige Energiequellen für Fahrzeugantriebe vorgestellt und miteinander verglichen. Darauf aufbauend werden elektrochemische Energiespeicher und -wandler wie die Brennstoffzelle oder Doppelschichtkondensatoren behandelt. Diese kommen u. a. in E- oder Hybridfahrzeugen zum Einsatz. Es werden nicht nur die Standardmaschinen wie Gleichstrom-, Asynchron-, Synchron- und Linearmotor erklärt, sondern auch solche die in zukünftigen Pkw- und Bahnantrieben zum Einsatz kommen werden, wie z. B. Reluktanz-, Transversalfluss- und BLDC-Motoren. Im letzten Kapitel werden Antriebssysteme am Beispiel einer E-Lok und der Magnetschwebebahn bzw. dem supraleitenden MAGLEV vorgestellt.

Neu in der 3. Auflage ist ein Kapitel zum Kinetic Energy Restoring System KERS, welches in der Formel 1 bereits erfolgreich zum Einsatz kommt. Schrittmotoren ergänzen das Kapitel E-Maschinen.

Table of Contents

Frontmatter

1. Energie als primäre Antriebsgröße

Zusammenfassung
Für die Antriebskraft F und die Antriebsenergie W von Fahrzeugen gilt der fundamentale Zusammenhang:
$$ F=\frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}x}\quad {(\mathrm{d}x=\text{Wegst{\"u}ck in Fahrtrichtung})}.$$
(1.1)
Elektroantriebe setzen eine elektrische Energiequelle voraus. Überhaupt muss man zunächst einmal dafür sorgen, dass eine Primärenergiequelle in einem Fahrzeug vorhanden ist.
Die elektrische Antriebsenergie kann aus verschiedenen Energiequellen gewonnen werden, es können Akkumulatoren, Kondensatoren oder Brennstoffzellen sein, wobei die Brennstoffzelle kein Energiespeicher sondern ein elektrochemischer Energiewandler ist.
Bei den heutigen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird die Energie aus Benzin, Diesel oder Erdgas erzeugt. Bei den Brennstoffzellenfahrzeugen wird es voraussichtlich Wasserstoff oder Methanol sein.
Im Prinzip sind auch andere Primärquellen möglich wie z. B. radioaktives Uran in Atom-U-Booten oder Ionenquellen und Gravitationsfelder für Raumfahrzeuge.
Hybridfahrzeuge verfügen sowohl über einen Verbrennungsmotor wie auch einen Elektromotor. Primäre Energiequelle ist dabei wiederum Benzin oder Diesel, ein Teil der elektrischen Energie wird auch dadurch gewonnen, dass im Bremsbetrieb die elektrische Antriebsmaschine als Generator eingesetzt wird und die gewonnene elektrische Energie in einer Batterie zwischengespeichert wird.
Letztendlich wird aus einer Primärenergie die mechanische Antriebsenergie W gewonnen.
Die Menge der Primärenergie bestimmt dabei die Reichweite eines Fahrzeugs.
Gerhard Babiel

2. Elektrochemische Energiespeicher und -wandler

Zusammenfassung
Den ersten Akkumulator baute Graf Alessandro Volta um 1770 in Italien. Die Elektroden bestanden aus Kupfer und Zink und befanden sich in einer Zelle mit verdünnter Schwefelsäure, die Zellenspannung betrug 1 V.
Heute werden Akkumulatoren in Fahrzeugen als elektrochemische Energiespeicher eingesetzt. Dabei hat sich der Bleiakkumulator durchgesetzt. Zukünftig sind auch andere Systeme zu erwarten. Neben dem Preis pro Wh spielt die Praxistauglichkeit eine große Rolle. Dazu gehört der Betriebstemperaturbereich von −40 bis +85 °C, die Vibrationsfestigkeit und eine möglichst hohe Zyklenzahl.
Die genannten Daten für die Energiedichten sind immer abhängig von der Bauart. Es gibt Akkumulatoren die auf hohe Lebensdauer ausgelegt sind, die sind dann gewichtiger als solche für niedrige Lebensdauer.
Auch Sicherheitsaspekte spielen eine Rolle. Zum Beispiel gibt es Li‐Ion‐Akkus mit Kobalt Elektroden, die über eine Energiedichte von 140 Wh/kg verfügen. Diese führen aber zu Problemen beim Überladen und es sind aufwändige Sicherheitsschaltungen erforderlich.
Die Funktionsweise des Bleiakkumulators soll die Skizze in Abb. 2.1 verdeutlichen.
Bei einem 12 V‐Akkumulator sind sechs Plattenpaare in Reihe geschaltet.
Beim Entladen wandern Sulfat(SO4 − −)‐Ionen zum Minuspol und bilden mit dem Blei Bleisulfat (PbSO4) und zwei freie Elektronen.
Gerhard Babiel

3. Transformatoren

Zusammenfassung
Ein Transformator besteht aus zwei Spulen, welche über ein magnetisches Wechselfeld miteinander gekoppelt sind.
Eine Seite des Transformators wird von einem Wechselstrom gespeist, dieser Strom ver­ursacht ein magnetisches Wechselfeld, welches wiederum die andere Spule durchdringt und dort eine Wechselspannung induziert. Wird ein Verbraucher angeschlossen, fließt ein entsprechender Strom.
Ist die magnetische Kopplung perfekt und treten keinerlei Verluste auf, so spricht man vom idealen Übertrager.
Bei einem realen Transformator wird ein Teil des Magnetfeldes gestreut. Man unterscheidet zwischen Streufluss und Hauptfluss.
Der Hauptfluss durchdringt beide Spulen gleichermaßen, der Streufluss durchdringt nur eine Spule.
Das Verhältnis von Streufluss zu Hauptfluss definiert die Streuziffer.
Gerhard Babiel

4. Elektrische Maschinen

Zusammenfassung
Elektrische Maschinen können immer als Generator oder als Motor betrieben werden. Im Generatorbetrieb ist der aus der Maschine heraus fließende Strom positiv, im Motorbetrieb ist der in die Maschine hinein fließende Strom positiv.
Wird bei der gegebenen Zählpfeilrichtung der Motor als Generator oder der Generator als Motor betrieben, so wird der Strom negativ.
Die Energieumwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie (oder umgekehrt) erfolgt hauptsächlich über magnetische Felder und nur selten über elektrostatische Felder. Der Grund liegt in der größeren Energiedichte, die man mit Magnetfeldern erreichen kann.
$$ \frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}V}=\frac{1}{2}\varepsilon {{E}^{2}}$$
(4.1)
$$ \varepsilon ={{\varepsilon }_{0}}{{\varepsilon }_{\text{r}}}$$
(4.2)
In Luft (ε = ε 0) erreicht man Feldstärken bei normaler Luftfeuchtigkeit bis zur Durchschlagsfeldstärke von 10 kV/cm (trockene Luft >20 kV) und damit eine maximale Energiedichte von:
$$ \frac{\mathrm{d}W}{\mathrm{d}V}=\frac{1}{2}8{,}86 \cdot {{10}^{-14}}\frac{\mathrm{F}}{\text{cm}} \cdot {{10}^{8}}\frac{{{\mathrm{V}}^{2}}}{\mathrm{cm}^2}=4{,}5 \cdot {{10}^{-6}}\frac{\mathrm{Nm}}{\mathrm{cm}^3}.$$
(4.3)
Gerhard Babiel

5. Antriebssysteme

Zusammenfassung
Als Beispiel für ein Antriebssystem, welches eine viel größere Komplexität aufweist als z. B. ein Elektromotor, betrachten wir blockschaltbildmäßig auszugsweise den elektrischen Schaltplan der Elektrolokomotive der Baureihe 101 der Deutschen Bahn.
In der Baureihe 101 der Deutschen Bahn kommen Drehstromlokomotiven der jüngsten Generation zum Einsatz.
Vom Antriebskonzept wird in Abb. 5.2 die elektrische Energieflusskette von der einphasigen 15 kV-Oberleitung bis zum dreiphasigen Drehstrommotor dargestellt.
Von der 15 kV-Oberleitung geht es direkt auf einen schwergewichtigen Transformator mit mehreren Wicklungen (Gewicht 13 t). Nachteilig daran ist die geringe Netzfrequenz von 16,66 Hz, die historisch bedingt ist. (Der Blindwiderstand der Hauptinduktivität des Transformators ist direkt proportional zur Frequenz X h = ωL h.)
Die vier Drehstrommotoren (3) benötigen zur Erzeugung eines Drehfeldes 3-Phasen-Wechselstrom, deshalb folgen für die Antriebsstränge Gleichrichter (1) und Pulswechselrichter (2), die zusätzlich zur 3-Phasenerzeugung auch die Höhe des Motorstroms regeln können.
Hilfsumrichter (4) versorgen das Bordnetz mit den erforderlichen Spannungen (315 V) für Beleuchtung, Heizung, Hilfsmotoren etc.
Hochfrequente Störspannungen werden über das sekundärseitige Netzfilter (5) kurzgeschlossen.
Gerhard Babiel

6. Anhang

Zusammenfassung
Die Scheinleistung S, die Wirkleistung P, die Blindleistung Q
(Der Stern bedeutet konjugiertkomplex.)
$$ \underline{S}=P+\mathrm{j}Q=\underline{U} \cdot {{\underline{I}}^{*}}$$
(6.1)
$$ P=\operatorname{Re}\{\underline{S}\}=\underline{U} \cdot {{\underline{I}}^{*}}\cos \varphi $$
(6.2)
$$ Q=\operatorname{Im}\{\underline{S}\}=\underline{U} \cdot {{\underline{I}}^{*}}\sin \varphi $$
(6.3)
An der Spule eilt der Strom der Spannung um 90° nach
$$ \underline{S}=U \cdot {{(I \cdot {\mathrm{\mathrm{e}}^{-\mathrm{j}90^\circ }})}^{*}}=U \cdot I \cdot {{\mathrm{e}}^{+\mathrm{j}90^\circ }}=U \cdot I \cdot \mathrm{j}.$$
Die Blindleistung ist somit
$$ Q=U \cdot I$$
eine positive reelle Größe.
Bei der grafischen Darstellung ist darauf zu achten, dass die Maßstäbe der Abszisse (x-Achse) und der Ordinate (y-Achse) gleich groß gewählt werden, damit man zu jedem Punkt der Ortskurve den entsprechenden komplexen Zeiger nach Betrag und Phase korrekt ablesen kann.
Gerhard Babiel

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