Grundlagen der Elektromobilität

Die Grundlagen der elektrischen Antriebe sind schon rund 200 Jahre alt, die ersten elektrischen Fahrzeuge gab es bereits vor über 120 Jahren. Das Kapitel gibt eine Übersicht über die Entwicklung der für ein modernes Elektroautos benötigten Technologien, vom Elektromotor über die Leistungselektronik bis zur Batterie.

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 ein 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 in 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.

Im kurzen Kapitel über Asynchronmaschinen werden die Gleichungen für das einphasige Ersatzschaltbild abgeleitet. Daraus kann man das Drehmoment und das Betriebsverhalten berechnen.

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 von elektrischen Antriebssträngen zunächst in Form eines kurzen Überblicks vorgestellt. Die anschließenden Abschnitte geben einen detaillierten Einblick in die Funktionsweise einzelnen leistungselektronischen 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

Das Kapitel gibt einen Überblick über die Ladeverfahren für E-Fahrzeuge. Anschließend werden die verschiedenen Steckervarianten und ihre Leistungsfähigkeit ausführlich diskutiert. Der Schwerpunkt liegt auf dem konduktiven Laden für Pkw, aber auch Systeme für Nutzfahrzeuge und kontaktlose Systeme werden kurz besprochen. Das Kapitel endet mit einem Überblick über die technischen Merkmale von Wasserstofftankstellen.

Ausgehend vom Konzept der Nachhaltigkeit werden in diesem Kapitel die regionalen und globalen Klimaschutzanstrengungen und -ziele begründet und dargestellt. Es folgt ein Überblick über die globale Automobillandschaft: Fahrzeugflotten, Verbrauch, Fahrleistung. Weitere Abschnitte beleuchten die Emissionen aus der Stromerzeugung, dem Umstieg auf erneuerbare Energien und der Elektromobilität. Das Kapitel schließt mit einer Darstellung der verschiedenen für die Elektromobilität benötigten Rohstoffe, deren Reichweite, Produktionsbedingungen und mögliche Umweltbelastungen. Und schließlich ein Abschnitt über die Zweitverwendung und das Recycling von Batterien.

In diesem Kapitel werden verschiedene technische Möglichkeiten der Energieversorgung von mobilen Fahrzeugen vorgestellt, angefangen mit den Energieketten von der Bereitstellung der Primärenergie bis zu den Energieträgern an den Tank- oder Ladestationen. Zunächst werden die wichtigsten Primärenergiequellen und Energieträger mit ihren chemischen Eigenschaften vorgestellt. Bei den endlichen Primärenergien werden die derzeit verfügbaren Reserven und die erzielbaren Reichweiten dargestellt. Bei nachwachsenden Rohstoffen wird der Flächenbedarf entsprechend abgeschätzt.Ein umfangreicher Abschnitt ist der Stromerzeugung aus konventionellen und erneuerbaren Energieträgern gewidmet, einschließlich der notwendigen Verteilnetze und deren Stabilität. Den Abschluss des Kapitels bildet ein Abschnitt über Wasserstoff. Die verschiedenen Möglichkeiten der Wasserstofferzeugung und -verteilung an Tankstellen werden kurz vorgestellt. Dabei werden auch die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff in Fahrzeugen, zur Netzstabilisierung und in industriellen Prozessen kurz angesprochen.

In diesem Kapitel werden die direkten und indirekten Schadstoffemissionen von Autos analysiert und bewertet. Aufbauend auf den Erkenntnissen der vorangegangenen Kapitel wird dann anhand von Beispielen aufgezeigt, wie die Emissionen aus dem Betrieb von Autos mit unterschiedlichen Antriebstechnologien verglichen werden können. Für eine umfassende Bewertung des Fußabdrucks einer Autotechnologie reichen solche Überlegungen jedoch nicht aus. Vielmehr müssen auch die Kosten der Herstellung, die gesamte Nutzungsphase und ein mögliches Recycling berücksichtigt werden. Solche Lebenszyklusanalysen werden am Beispiel durchschnittlicher Autos vorgestellt und präsentiert.

In diesem Kapitel werden die Kosten für Elektrofahrzeuge, Batterien und die notwendige Infrastruktur betrachtet. Die Untersuchungen zur Infrastruktur werden am Beispiel Deutschlands durchgeführt, wobei das Jahr 2050 als Grenzszenario angenommen wird, in dem hoffentlich alle Autos emissionsfreie batterieelektrische Fahrzeuge sein werden. Auf dieser Basis wird die notwendige Verteilung der Ladepunkte abgeschätzt. Aus den geschätzten Kosten pro Ladepunkt ergibt sich dann eine Investitionssumme für den Ausbau der Infrastruktur.