Antriebe von Elektroautos in der Praxis

Motoren · Batterietechnik · Leistungstechnik

Robert Schoblick

• Verlag: Franzis Verlag
• Jahr: 2013
• ISBN:
  9783645270311
• Thema: Betriebswirtschaft
• Thema: Automobilindustrie

Elektrische Antriebe - Mobilität per Steckdose. Das Elektroauto gilt als Fortbewegungsmittel mit Potenzial: Es verursacht keine Emissionen, fährt, vom Reifengeräusch einmal abgesehen, nahezu lautlos und schickt sich an, unsere mobile Gesellschaft zu revolutionieren. Machen Sie sich fit für Studium und Beruf und entdecken Sie, dass im elektrischen Antrieb mehr steckt als nur Strom. Elektromobilität ist eine Herausforderung für engagierte Ingenieure, die neue Wege suchen. Obwohl bereits fast so alt wie das Auto selbst, stellt der Elektroantrieb heute alles infrage, was wir bisher über Design, Funktionalität und Mobilität zu wissen glaubten. Längst der Ökoecke entwachsen, sorgt er für trendige Lösungen der Mobilitätsprobleme unserer Zeit: Klimaschutz, Wirtschaftlichkeit und Dynamik. Die Batterietechnik ist das künftige Schwergewicht der Ingenieurs- arbeit, denn Elektroautos müssen in absehbarer Zeit langstreckentauglich werden. Gleichzeitig setzt das Fahrzeuggewicht Grenzen. Dieses Buch bietet einen Überblick über alles, was Sie über Elektroantriebe wissen müssen - vom Energiehaushalt über die moderne Leistungselektronik und die technischen Grundlagen elektrischer Antriebsmotore bis hin zu Ladestecker oder Batterietechnik. Ein wichtiges Plus: Hier finden sich auch Sicherheitsaspekte wie Unfallverhütung und Bergung von Elektroautos im Notfall. Ein Elektroauto ist keine Zauberei, die Technik kein Geheimnis und für alle, die schon heute wissen wollen, wie sie morgen Auto fahren: Dieses Buch enthält alles Know-how zum Durchstarten.

1 Elektrofahrzeuge

Das Elektroauto gilt als Fortbewegungsmittel der Zukunft: Es verursacht keine Emissionen, fährt, vom Reifengeräusch abgesehen, nahezu lautlos und hat das Potenzial, das Autofahren zu revolutionieren. Vor einigen Jahrzehnten, als der Benzinpreis noch keine Rolle spielte, waren Autos wahre Schmuckstücke. Das Design und natürlich Faktoren wie Geschwindigkeit und Beschleunigung waren ein Statussymbol. Doch damals bestaunte man Geschwindigkeiten, die heute zum allgemeinen Durchschnitt zählen. Zugegeben: Ein leistungsstarker Sportwagen oder eine Limousine der gehobenen Mittelklasse lässt die Tachometernadel mühelos jenseits der 250 km/h-Marke drehen. Kann ein Elektroauto da mithalten? Elektro, das ist doch »Öko«! Manche assoziieren damit langhaarige »Freaks«, Träumer und Weltverbesserer, ohne dass sie fundierte Kenntnis der Zusammenhänge hätten.

Noch vor einigen Jahren wurden Elektroautos von Idealisten in Garagen gebaut. Manche dieser Vehikel sahen nicht nur abenteuerlich aus, sie waren auch unkomfortabel und nicht besonders schnell. Heute ist klar: Die Ergebnisse dieser in den 70er-Jahren expandierenden Arbeit haben die Welt verändert.

Elektromobilität ist nichts Neues und doch werden Ziele bis zum weit entfernten Jahr 2050 gesetzt, die den Klimaschutz betreffen. Das zweite Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts ist entscheidend für das Umdenken im Straßenverkehr. Die Abkehr vom Verbrennungsmotor ist eine große Chance für technische Innovationen. Sie wird neue Märkte eröffnen, doch sie steht großen, heute existierenden Märkten entgegen: Die Automobilbranche will Börsenerfolge und Unternehmenswachstum sehen. Alle Betreiber öffentlicher Verkehrsmittel arbeiten nach dem Grundsatz der Wirtschaftlichkeit. Die Erdölbranche verdient am Straßenverkehr Milliarden, Tendenz steigend. Umwelt-, Klimaschutz und innovative, vor allem aber unabhängige Mobilität durchzusetzen wird wegen politischer und wirtschaftlicher Interessen schwierig werden. Solange aber Techniker Freude an Innovationen haben, wird sich diese Art der Mobilität über kurz oder lang trotz aller Widerstände durchsetzen.

Die ersten Elektroautos gab es schon vor über 100 Jahren, und es gab sogar Jahre, in denen mehr elektrische Autos als Autos mit Verbrennungsmotor auf den Straßen fuhren. Es erscheint wie eine Ironie, dass es ausgerechnet ein Elektromotor war, der den Verbrennungsmotoren zum Durchbruch verhalf: in der Form des Anlassers! Schließlich wollte man sich nicht an der verschmierten Kurbel die Hände schmutzig machen.

Üblich sind Elektroantriebe in der Industrie z. B. bei Flurförderzeugen oder bei der Bahn.

1.1 Eisenbahn

Bahnen, ganz gleich ob Straßenbahn oder S-Bahn, U-Bahn oder Fernbahn, erfordern eine kostspielige Infrastruktur. Es müssen Gleise verlegt und Bahnhöfe errichtet und betrieben werden. Die Bahn ist jedoch ohne Frage ein sehr schnelles Transportmittel und das klassische Beispiel für Elektromobilität. Seit Jahrzehnten dominieren elektrische Antriebe die Bahn. Der Elektroantrieb ist hier unbestritten von Vorteil, allerdings braucht eine Lokomotive keinen Energiespeicher an Bord, denn sie bezieht ihren Strom über den Fahrdraht und die Gleise.

Bei der Bahn bietet der elektrische Antrieb viele Vorteile: Neben dem gegenüber Diesel-lokomotiven leisen Motorengeräusch bieten elektrische Triebwagen einen sanften Anlauf bei gleichzeitig hohen möglichen Endgeschwindigkeiten. So erreicht der ICE 3 eine Geschwindigkeit von über 320 km/h.

Natürlich ist eine Leistung von rund 9.000 kW (ca. 11.000 PS) nicht über den Anschluss an eine Haushaltssteckdose zu bedienen. Die Bahn speist ihre Triebwagen über Hochspannungsleitungen, um möglichst kleine Ströme und damit dünne Leiterquerschnitte der Fahrdrähte zu erreichen. 15 kV beträgt die Spannung am Fahrdraht der Deutschen Bahn AG bei einer Netzfrequenz von 16,7 Hz. Das entspricht aus historischen Gründen ungefähr einer Frequenz von einem Drittel des öffentlichen Versorgungsnetzes. Der ICE kann allerdings auch auf Trassen eingesetzt werden, die mit einer Spannung von 25 kV/50 Hz arbeiten. Das betrifft viele osteuropäische Staaten.

Gefährliche Mutproben!

Ein offenbar beliebter »Sport« unter abenteuerlustigen Jugendlichen ist das »Surfen« auf Bahnen. Abgesehen von der Tatsache, dass das grundsätzlich untersagt und strafbar und die Unfallgefahr durch Abstürzen enorm ist, stellt die Hochspannung an sich ein großes Risiko dar: Gegeben ist sowohl die Gefahr eines Stromschlags bei direkter Berührung leitender Teile als auch das Risiko, durch einen überspringenden Lichtbogen Verbrennungen und tödliche Stromschläge zu erleiden. Für Rettungskräfte ist bei Spannungen von 1 kV bis 110 kV bei Bergungs- und Rettungseinsätzen ein Abstand von 3 m zu den Spannung führenden Teilen vorgeschrieben.

Bild 1.1: Auch das ist Elektromobilität mit 11.000 PS: Foto: Uwe Miethe/Deutsche Bahn AG

Die Bahn ist auch für den elektrisch betriebenen Individualverkehr ein wichtiges Element auf Fernstrecken, die von rein elektrisch betriebenen Pkws derzeit noch nicht überwunden werden können. In einem modernen Verkehrskonzept bietet die Bahn zuverlässige und angemessen getaktete Verbindungen für mittlere und ferne Reisestrecken. Die Bahn ist darüber hinaus ein wichtiges Element in Park-and-ride-Konzepten. An Bahnhöfen müssen aber in ausreichender Menge Ladesäulen für Elektrofahrzeuge sowie in Ballungsräumen umfassende Busliniennetze und Carsharing-Lösungen mit elektrisch betriebenen Fahrzeugen vorgesehen werden. Konzepte dieser Art sind noch Zukunftsmusik und in erster Linie mit politischen und wirtschaftlichen Hemmnissen behaftet. Aber sie eröffnen die Chance für eine saubere Mobilität, die Entlastung von Ballungsräumen und neue Potenziale für die Wirtschaft.

1.2 E-Bikes

Elektrofahrräder, Pedelecs/E-Bikes sind ein Fortbewegungsmittel mit großer Zukunft. Sie stehen nicht in direkter Konkurrenz zu den klassischen Kraftfahrzeugen, sondern sind und bleiben Fahrräder, die jedoch mit einem Elektroantrieb unterstützt benutzt werden können. Das ist sinnvoll bei Fahrten an Steigungen oder auch für ältere und schwächere Menschen, denen mit einem E-Bike auch längere Ausflüge ermöglicht werden. E-Bikes kommen mit sehr preiswerten Akkus aus, die vom Rad getrennt und an einem Ladegerät im Haus geladen werden können. Eine spezielle Ladeinfrastruktur ist im öffentlichen Straßenverkehr nicht unbedingt erforderlich, jedoch würde dadurch auch die Mobilität mit E-Bikes gefördert.

Es gibt interessante Konzepte, um auch herkömmliche Fahrräder nachzurüsten. Eine solche Lösung war auf der eCarTec 2012 in München zu sehen: Motor, Akku und Steuerelektronik sind gemeinsam im Vorderrad untergebracht. Es wird lediglich das Vorderrad gegen dieses Modul ausgewechselt und der Anschluss zu den Schaltelementen am Lenker verlegt. Die Module kommunizieren drahtlos per Bluetooth miteinander. Wermutstropfen dieses Systems: Die Masse des Rads ist sehr groß. Fahrten im Gelände (Mountainbikes) sollten mit diesem System nicht ausgerüstet werden, um die Gabel des Rads nicht zu belasten.

Gängige Ansätze der Elektrifizierung von Fahrrädern sind Mittelmotoren, die im Tretlager eingebaut sind, oder Radnabenmotoren, die direkt auf das Hinterrad wirken. Für den Antrieb von E-Bikes kommen z. B. kleine Gleichstrom- und Universalmotoren zum Einsatz, die Leistungen von ungefähr 500 W haben.

Bild 1.2: E-Bikes sind flexible und einfach konstruierte Elektrofahrzeuge, die nicht nur in der Freizeit sinnvoll eingesetzt werden können.

Bild 1.3: Pedale sind hier überflüssig, denn es handelt sich nur optisch um ein Fahrrad. Man fährt mit einem Elektroantrieb.

Bild 1.4: In einer Fahrrad-Rikscha können Touristen in Innenstädten wie Berlin und München bereits entspannt die Sehenswürdigkeiten bewundern. Den Chauffeur unterstützt bei diesem Fahrzeug ein leistungsfähiger Elektromotor.

1.3 Elektro-Scooter

E-Scooter sind derzeit das beliebteste Fahrzeug mit rein elektrischem Antrieb. Auch sie liegen in den Anschaffungskosten deutlich über vergleichbaren Modellen mit Verbrennungsmotor, sind aber trotzdem zu einem erschwinglichen Preis zu bekommen. Nachteilig ist, dass derzeit vorwiegend preiswerte Bleiakkus als Energiespeicher verwendet werden, deren Anzahl an Vollladezyklen deutlich unter denen moderner Batterien liegt, wie sie in elektrischen Pkws verbaut werden.

E-Scooter gibt es sowohl in der »Moped«-Klasse (bis maximal 45 km/h) als auch in einer mit kleinen Krafträdern vergleichbaren Klasse. Das Fahren mit einem E-Scooter macht es leicht, sich mit elektrisch angetriebenen Fahrzeugen anzufreunden. Das Drehmoment ist vom Start weg ausgesprochen kraftvoll und die Beschleunigung beeindruckend. E-Scooter bringen deswegen viel Fahrspaß und machen besonders der jugendlichen Zielgruppe viel Freude.

Bild 1.5: Die kleinen elektrischen Flitzer haben das Potenzial, schon recht bald Roller mit Verbrennungsmotor in der Klasse bis 45 km/h vollständig zu ersetzen. Sie bieten nicht nur umweltfreundliche Mobilität, sondern auch jede Menge Fahrspaß.

Bild 1.6: Nicht lachen! »Tante Paula« ist ein geniales Fahrzeug, denn mit wenigen Handgriffen ist es so klein, dass es bequem neben den Einkäufen im Kofferraum Platz findet. Vom Park-and-ride-Parkplatz aus erreicht man mit diesem Miniflitzer jedes Ziel in der Innenstadt.

1.4 Elektronutzfahrzeuge

Dem Elektroauto wird aus unterschiedlichen Gründen großer Widerstand entgegen gebracht. Ein wesentlicher Kritikpunkt ist die noch begrenzte Reichweite mit einer Akkuladung. Bei kleineren Nutzfahrzeugen ist der Elektroantrieb jedoch längst eine etablierte Alternative. Hier spielt, neben der Wartungsfreundlichkeit der Fahrzeuge, die Wirtschaftlichkeit eine große Rolle. Immer mehr in den Vordergrund rückt auch der Image-Gewinn für Unternehmen, die durch umweltfreundliche Konzepte und entsprechendes Handeln Zeichen setzen.

Elektroantriebe spielen bei Flurförderzeugen schon seit Jahren eine wichtige Rolle. Automatische Transportfahrzeuge, die, von Induktionsschleifen im Boden geleitet, ein wichtiger Teil der Logistik im Produktionsprozess sind, arbeiten rein elektrisch, weil innerhalb der Hallenkomplexe keine Abgase toleriert werden.

Auch im Bereich der Nutzfahrzeuge greift man mittlerweile nach den Sternen und baut größere Maschinen wie z. B. Müllentsorgungsfahrzeuge. Die Benteler-Gruppe hat 2012 ein Müllentsorgungsfahrzeug mit einem Hybridantrieb entwickelt, bestehend aus einem konventionellen Dieselmotor und einem hochleistungsfähigen Elektroantrieb. Das tonnenschwere Fahrzeug ist eine klare Ansage an die Ingenieure des Automobil- und Nutzfahrzeugbaus, denn ein Müllentsorgungsfahrzeug ist hochkomplexe Technik. Im Sammelbetrieb wird das Fahrzeug nicht nur rein elektrisch angetrieben und fährt damit nahezu geräuschlos durch die Straßen, auch das bei konventionellen Modellen lautstarke Presswerk arbeitet weit unterhalb der Lärmgrenzwerte. So verursacht neben einem Surren der Presse nur das Klappern der Container am Heck Geräusche. Hier wird der Elektroantrieb – wenngleich das Fahrzeug deutlich teurer ist als eine klassische Ausführung – auch wirtschaftlich und stadtplanerisch sinnvoll. Durch den leisen Betrieb des Fahrzeugs können die Abholzeiten auch in die Nacht verlegt werden. Das entlastet die Straßen vor allem im Berufsverkehr, in dem sich tagtäglich hinter den Müllsammlern Staus bilden. Denkbar ist auch ein Mehrschichtbetrieb, durch den das Fahrzeug besser ausgelastet wäre und wirtschaftlicher betrieben werden könnte.

Rein elektrisch fährt das Müllentsorgungsfahrzeug allerdings nur während des Sammelbetriebs. Der Weg zur Deponie wird mit dem Dieselmotor zurückgelegt. Dieser Kompromiss ist bei der heute verfügbaren Batterietechnologie bisweilen nötig, um dem Fahrzeuggewicht und der erforderlichen Leistungsfähigkeit gerecht zu werden. Für den Mehrschichtbetrieb sind zudem Schnellladesysteme oder Batteriewechsel von entscheidender Bedeutung.

Bild 1.7: Dieses kleine Straßenreinigungsfahrzeug wird rein elektrisch angetrieben. Es eignet sich hervorragend für den Einsatz in Wohngebieten, wo es geräuscharm operieren kann. Foto: Gabi Schoblick/e-emotion.net

1.5 Oberleitungsbusse

Oberleitungs(O-)busse gibt es seit ...

Inhaltsverzeichnis

• Deckblatt
• Vorwort
• Inhaltsverzeichnis
• 1 Elektrofahrzeuge
• 2 Energiehaushalt
• 3 Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge
• 4 Elektrische Antriebsmotoren
• 5 Ladestecker und Fahrzeugkabel
• 6 Batterietechnik
• 7 Unfallverhütung/Bergung von Elektroautos
• Stichwortverzeichnis