Grundlagen der Elektromobilität

Nach einer kurzen Einleitung in die historische Entwicklung der elektrischen Antriebstechnik und der elektrischen Fahrzeuge führt dieses Kapitel in kompakter Form in die Grundlagen der Berechnung elektrischer Wechselstromkreise mit komplexen Zahlen ein. Dieser Teil ist besonders für Leser mit geringen Vorkenntnissen der Grundlagen der Elektrotechnik oder zur Auffrischung gedacht. Das vermittelte Wissen wird später bei der Beschreibung des Betriebsverhaltens von elektrischen Antrieben benötigt. Die weiteren Abschnitte beschäftigen sich mit der physikalisch-mathematischen Modellierung von elektrischen und magnetischen Kreisen einschließlich einer knappen Zusammenfassung der elektrischen Wechselstromlehre. Die Gesetzmäßigkeiten der Erzeugung von Magnetfeldern aus elektrischem Strom und der Erzeugung von Spannung durch veränderliche Magnetfelder werden vorgestellt. Man lasse sich von der ausführlichen Darstellung nicht abschrecken, die vor allem als Auffrischung für Absolventen ingenieurwissenschaftlicher Studiengänge gedacht ist. Die späteren Kapitel sind auch ohne dieses elektrotechnische Grundlagenwissen nachvollziehbar.

In diesem Kapitel werden die wesentlichen Betriebseigenschaften von elektrischen Traktionsantrieben, insbesondere die Drehzahl-/Drehmomentkennlinie und die betriebspunktabhängigen Verluste, vorgestellt. Gemeinsamkeiten und Unterschiede zu konventionellen Verbrennungskraftmaschinen werden aufgezeigt. Ein Schwerpunkt liegt auf der Erläuterung von Grunddrehzahl- und Feldschwächbereich sowie auf den diversen Betriebsgrenzen im Dauer- und Kurzzeitbetrieb. Auch rein elektrische Antriebe benötigen ein Getriebe, um eine kompakte und kosteneffiziente Bauweise zu erreichen. Für die Platzierung des Elektromotors im Antriebsstrang stehen verschiedene Varianten zur Auswahl, deren technische Eigenschaften vorgestellt werden.

In diesem Kapitel werden die hybriden Fahrzeugklassen, Betriebsarten und Technologien eingeführt. Es wird ein Überblick über die gebräuchlichen Motor- und Getriebevarianten für hybride und vollelektrische Pkw gegeben. Die hybriden Fahrzeugklassen vom Micro-Hybrid bis zum Plug-in-Hybrid werden im Detail vorgestellt. Die benötigten Motorleistungen und Batteriekapazitäten und die damit realisierbaren technischen Funktionen werden dargestellt. Anhand des Muscheldiagramms der Verbrennungskraftmaschine wird anschaulich erläutert, wie durch hybride Antriebe eine Kraftstoffeinsparung realisiert werden kann und welches Potenzial besteht. Abschließend werden die hybriden Antriebsstränge (serieller, paralleler und leistungsverzweigter Hybridantrieb) behandelt. Wesentlich für die Funktionsweise des leistungsverzweigten Antriebs ist das Planetengetriebe, das in einem eigenen Abschnitt im Detail vorgestellt wird.

Die Fahrwiderstandskraft setzt sich aus verschiedenen Anteilen zusammen. Zusammen mit der Geschwindigkeit ergibt sich die benötigte Antriebsleistung. Durch Rekuperation kann bei Elektroautos ein Teil der aufgewendeten Energie beim Verzögern zurückgewonnen werden. Das Kapitel zeigt die weltweit gebräuchlichsten Fahrzyklen und stellt die Messung des Energieverbrauchs von Hybridfahrzeugen dar. Zum Schluss werden die CO₂-Effizienzklassen von Pkw vorgestellt.

Wesentlich für den Erfolg bei der Verbrauchsminimierung eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs ist die Wahl der situationsabhängig besten Betriebsstrategie durch den Hybridcontroller. Hierfür ist eine Vielzahl von Konzepten und Algorithmen bekannt, von denen einige in diesem Abschnitt vorgestellt werden.

Dieses Kapitel vermittelt die Grundlagen elektrochemischer Speicher. Die derzeit wichtigsten Varianten Blei-Akkumulator, Nickel-Metallhydridbatterie und Lithium-Ionen-Batterie werden im Detail vorgestellt. Gerade bei der Li-Ionen-Batterie gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien für Anode, Kathode und Elektrolyt, woraus zum Teil recht unterschiedliche Betriebseigenschaften resultieren. Eigene Abschnitte widmen sich den verschiedenen Ladeverfahren, dem Ladungsausgleich (Balancing) zwischen den verschiedenen parallelgeschalteten Zellen, den Zellbauformen sowie dem Aufbau von Batteriespeichersystemen (Stack, Batteriemanagement). Eine möglichst genaue Modellierung des Betriebsverhaltens von Lithium-Ionen-Akkus ist erforderlich, um das schnelle Laden so zu kontrollieren, dass keine irreversiblen Schäden auftreten. Geeignete Modelle werden vorgestellt. In den letzten Abschnitten des Kapitels werden die verschiedenen Verfahren zur Speicherung von Wasserstoff besprochen.

Nach einer kurzen Einführung in das grundlegende Funktionsprinzip elektrischer Maschinen und das Drehstromsystem werden die drei wesentlichen Grundvarianten elektrischer Maschinen, die Asynchronmaschine, die fremderregte und die permanentmagnetisch erregte Synchronmaschine, vorgestellt. Es folgt ein Überblick über den konstruktiven Aufbau von Stator und Rotor dieser drei Motorvarianten. Anschließend werden die physikalischen Hintergründe der Rekuperation (Spannungserzeugung) und des motorischen Betriebs (magnetische Kraftwirkung) näher erläutert. Der Grunddrehzahlbereich und der Feldschwächbereich, die im zweiten Kapitel rein phänomenologisch vorgestellt wurden, werden nun auf Basis der magnetischen Eigenschaften des Motors im Detail vorgestellt. Den Abschluss des Kapitels bilden Überblicke über die Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe und über die in elektrischen Maschinen auftretenden Verluste.

Dieses Kapitel widmet sich der detaillierten Beschreibung von Funktionsweise und Betriebseigenschaften der Synchronmaschine. Insbesondere werden die Beschreibung des Maschinenverhaltens und der Regelung in d-q-Koordinaten erläutert, die sich in der Praxis bewährt und durchgesetzt haben. Damit lässt sich auch anschaulich zeigen, wie die Synchronmaschine das Drehmoment aus Magnet- und Reluktanzkraft aufbaut. In einem kurzen Abschnitt wird die Parameterebene vorgestellt. Damit kann man systematisch das Rotordesign im Hinblick auf das gewünschte Drehmoment-Drehzahlverhalten auswählen. Abschließend werden kritische Betriebszustände wie Kurzschluss und Leitungsunterbrechung diskutiert, die im Fehlerfall beherrscht werden müssen.

In diesem Abschnitt werden die wesentlichen Gleichungen und das einphasige Ersatzschaltbild zur Beschreibung der Betriebseigenschaften der Asynchronmaschine vorgestellt. Dabei wird insbesondere dargestellt, wie die charakteristischen Drehzahl-/Drehmomentverläufe bei variabler Spannung und Frequenz entstehen.

Dieses Kapitel stellt die wichtigsten leistungselektronischen Bauteile vor, aus denen die in hybriden und elektrischen Fahrzeugen erforderlichen Baugruppen, insbesondere DC/DC- und DC/AC-Wandler, aufgebaut sind. Dies sind vor allem Halbleiter-Ventile (Dioden) und leistungselektronische Schalter (MOSFET, IGBT).

In diesem Kapitel werden der grundsätzliche Aufbau und die Funktionsweise der Hauptkomponenten des elektrischen Antriebsstrangs zunächst in Form eines kurzen Überblicks vorgestellt. Die anschließenden Abschnitte geben einen detaillierten Einblick in die Funktionsweise einzelner leistungselektronischer Komponenten. Die Verbindung zwischen Batterie (DC) und Motor (AC) wird über leistungselektronische Energiewandler hergestellt. Man unterscheidet DC/AC- und DC/DC-Wandler. Dieses Kapitel stellt die verschiedenen Schaltungs- und Ansteuerungskonzepte vor. Weitere Abschnitte widmen sich der Regelung von Strom-, Spannung-, Drehmoment- und Drehzahl der beiden elektrischen Maschinentypen (Synchron- und Asynchronmotor).

Nach einem Überblick über Ladeleistungen und -zeiten werden die verschiedenen, heute in Europa gebräuchlichen Steckersysteme vorgestellt. Für das AC-Laden hat sich der IEC Typ 2-Stecker weithin durchgesetzt. DC-Laden erfolgt mit dem IEC CCS-Stecker. Danach werden die verschiedenen schaltungstechnischen Varianten der Leistungselektronik für den Ladevorgang dargestellt, einschließlich eines kurzen Exkurses in die Technologie des kontaktlosen Ladens.

Ausgehend von dem Konzept der Nachhaltigkeit werden in diesem Kapitel die Klimaschutzziele motiviert und kurz erläutert.Es folgt ein kurzer Ausblick auf die nationale und internationale Entwicklung des Individualverkehrs und auf die Anforderungen seiner Nutzer. Daran anschließend werden die Herausforderungen bei der Einführung von Elektromobilität näher beleuchtet, insbesondere die Verfügbarkeit von Schlüsselrohstoffen wie Lithium, Kobalt, Kupfer und seltenen Erden. Danach werden die wichtigsten Primärenergiequellen und Energieträger mit ihren chemischen Eigenschaften vorgestellt. Bei den endlichen Primärenergien werden die nach heutigem Stand verfügbaren Reserven und die daraus erreichbaren Reichweiten dargestellt. Bei nachwachsenden Rohstoffen wird dementsprechend der Flächenbedarf abgeschätzt. Ein umfangreicher Abschnitt widmet sich der Stromproduktion aus konventionellen und erneuerbaren Energiequellen einschließlich der dazu erforderlichen Verteilnetze. Anschließend wird die Wasserstoffproduktion näher beleuchtet. Neben den chemischen Eigenschaften des Energieträgers werden verschiedene Verfahren zur Produktion vorgestellt. Danach werden die Energieketten von der Bereitstellung der Primärenergie bis zum Rad-Straße-Kontakt im Detail vorgestellt. Ein Schwerpunkt liegt auf der Umweltwirkung, insbesondere auf der Produktion von Treibhausgasen und gesundheitlich wirksamen Schadstoffen. Die Emissionen von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen sowie die bei der Stromerzeugung anfallenden Emissionen werden im Detail beleuchtet. Abschließend werden für eine Reihe vereinfachter Szenarien beispielhafte Berechnung der CO₂-Emissionen von der Energiebereitstellung bis zum Rad durchgeführt. Der folgende Abschnitt erweitert die zuvor vorgestellte Analyse der Schadstoffemissionen der verschiedenen Fahrzeugarten um die Elemente „Produktionsphase“ und „Recycling“.

Die Umstellung auf nachhaltigen Energie- und Ressourcenverbrauch ist heute die wichtigste Aufgabe der Menschheit. Dazu gehört auch eine emissionsneutrale Energieversorgung für den Straßenverkehr. In diesem Abschnitt wird dieses umfangreiche Thema zunächst schlaglichtartig anhand von Kennzahlen und politischen Zielvorgaben eingeführt. Danach werden die Emissionen beim Betrieb von Pkw in unterschiedlichen Szenarien durch die Aufstellung von Well-to-Wheel Analysen verglichen. Letztlich ist jedoch eine ganzheitliche Betrachtung erforderlich, also mit Berücksichtigung der energetischen und Materialaufwände für die Fahrzeugherstellung, für das Recycling sowie für Aufbau und Betrieb der Tankinfrastruktur. Das Kapitel schließt mit einem kleinen Einblick in diese Life Cycle Analysen.

In diesem Kapitel werden die infrastrukturellen Aufwendungen betrachtet, die für die Einführung von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben erforderlich sind. Der Fokus liegt dabei auf batterieelektrischen und Brennstoffzellen-Pkw. Zunächst wird die für Erzeugung und Verteilung der Energieträger benötigte Infrastruktur abgeschätzt. Darunter fällt auch der Aufbau eines hinreichend engmaschigen Netzes von Lademöglichkeiten für batterieelektrische Fahrzeuge. Im Anschluss werden aktuelle und perspektivisch erreichbare Produktionskosten im Vergleich zu konventionellen Pkw mit Verbrennungsmotor abgeschätzt. Abschließend wird kurz auf die Aufwände für die Wartung der Fahrzeuge eingegangen.