Elektroantrieb Auto
Elektroantrieb Auto – Weg von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor hin zu Elektrofahrzeugen – dieser Wandel erfordert ein neues technologisches Verständnis. Hier erfahren Sie, wie elektrische Antriebe funktionieren, wie Batteriezellen Energie speichern und wo „Skateboard-Architektur“ zum Einsatz kommt.
Die Zahl der Elektromodelle und deren Batteriekapazität nimmt zu. Mit einer realistischen Reichweite von über 400 bis 500 Kilometern und exzellenter Schnellladetechnik sind auch heute noch große Distanzen möglich. Die Elektromobilität hat in relativ kurzer Zeit einen gewaltigen Technologiesprung gemacht und viele Hersteller holen in diesem Bereich inzwischen zu Tesla auf.
Elektroantrieb Auto
Natürlich werden elektrische Antriebe ständig verbessert. Seine grundsätzliche Funktionsweise lässt sich jedoch sehr gut anhand konkreter Komponenten erklären. Dabei entdeckt man viele Stärken, wie eine hohe Energieeffizienz, aber auch Schwächen, die es bei der zukünftigen Entwicklung der Elektromobilität zu überwinden gilt.
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Das Herzstück eines Elektrofahrzeugs ist die Batterie. Weitere Komponenten sind Elektromotoren, Leistungselektronik, Kühlsysteme oder Temperaturmanagement. Aggregate wie Lenkung, Bremsen und Klimaanlage werden elektrisch betrieben. Das „Gehirn“ der Batterie ist das Batteriemanagementsystem, das den Zustand der Batterie ständig kennt und den Ladevorgang und die Aktivität während des Betriebs koordiniert.
Bei der Anordnung von Komponenten im Fahrzeuginnenraum ist die sogenannte „Skateboard“-Architektur vorherrschend. Die Batterie befindet sich zwischen den Achsen im Unterboden, Elektromotor und Leistungselektronik an Vorder- und/oder Hinterachse. Dann “drücken” Sie Ihren Körper auf dieses Skateboard. Dieser Unterbodenaufbau garantiert einen tiefen Schwerpunkt und eine etwas bessere Raumausnutzung als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Außerdem ist der Raum zwischen den Achsen der sicherste Ort im Falle eines Unfalls.
Der Elektromotor wurde bereits 1837/38 patentiert. Seitdem wird es in unzähligen Bereichen der Industrie, des Gewerbes und der Mobilität (elektrische Bahnen) eingesetzt. Und er erwies sich als ideale Fahrmaschine. Weil es Energie sehr effizient manipulieren kann. Zuverlässig, verschleißarm, nahezu geräuschlos und vibrationsfrei. Mit einem Elektromotor steht in einem weiten Drehzahlbereich von Anfang an das volle Drehmoment zur Verfügung. Daher ist für die meisten Anwendungen ein Getriebe mit fester Übersetzung (meist nur ein Gang) ausreichend.
Besonders der geräuscharme Fahrkomfort, der lästige Gangwechsel und Fahrfreude mit spontanem Drehmoment überflüssig macht, überzeugt viele Fahrer. Aus physikalischer Sicht arbeiten Elektromotoren mit einem Wirkungsgrad von über 90 % mit geringen Verlusten durch Wärme oder Reibung.
Technik Elektroantrieb: Bremsentechnik
Neben der großen Herausforderung, dass Elektromotoren zu Beginn des 19. Jahrhunderts die Verbrennungsmotoren als Antriebsmotoren für Automobile nicht schlagen konnten, lag der Grund in einer akzeptablen Energiespeicherung.
Beim Bremsen oder Bergabfahren fungiert der Elektromotor als Generator und regeneriert (regeneriert) Energie. Vorausschauendes Fahren ermöglicht es Elektrofahrzeugen, mit wenig oder gar keinem mechanischen Bremsen zu fahren, wodurch die Lebensdauer von Elektrofahrzeugen verlängert wird.
Elektromotoren sind leise, daher können langsame Elektrofahrzeuge zu langsam oder gar nicht hörbar klingen. Fußgänger erleben „Momente des Schreckens“, etwa auf Parkplätzen und in verkehrsberuhigten Bereichen. Daher müssen neue Elektrofahrzeuge ab Mitte 2019 serienmäßig mit einem akustischen Generator ausgestattet sein, der bis 20 km/h ein künstliches (Warn-)Geräusch erzeugt. Bei hohen Geschwindigkeiten werden Elektroautos normalerweise durch Reifengeräusche wahrgenommen.
Die wichtigsten Anforderungen an Elektrofahrzeugbatterien sind eine hohe Energie- und Leistungsdichte (wichtig für die Fahrleistung) sowie Sicherheit und Funktionalität zu einem akzeptablen Preis. Fast alle Autohersteller und Zulieferer setzen mittlerweile auf Lithium-Ionen-Batterien. Denn es erfüllt die Anforderungen am besten und hat zudem noch Entwicklungspotenzial. Die ersten Festkörperbatterien für Autos sind ab 2025 zu erwarten.
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Lithium-Ionen-Akkus zeichnen sich durch eine hohe Zyklenfestigkeit (Laden/Entladen) und eine relativ lange Lebensdauer aus. Als solche gehören sie seit Jahrzehnten zur Standardausstattung in Elektrokleingeräten wie Handys, Notebooks und kabellosen Werkzeugen.
Im Gegensatz zu den dort zu findenden Lithium-Ionen-Batterien verfügen die in Elektrofahrzeugen eingesetzten Batterien über ein fortschrittliches Thermomanagement. Dies gewährleistet eine lange Lebensdauer der Batteriezellen. Einerseits regelt es bei niedrigen Temperaturen die Temperatur und Leistung, damit die Zelle nicht überhitzt und andererseits die Zelle nicht beschädigt wird.
Der Vergleich mit Organismen ist eindeutig. Wenn die Batterie nicht auf einer bestimmten Temperatur (ca. 10-40 Grad Celsius) gehalten wird, kann sie sich krank anfühlen, gut funktionieren oder sogar beschädigt werden. Jede Zelle wird von einem Batteriemanagementsystem (BMS) und Sensoren auf Spannung, Strom und Temperatur überwacht.
Batteriezellen sind in drei gängigen Ausführungen erhältlich. Beutelzellen vergleichbar mit runden, prismatischen (rechteckigen) oder Vakuum-Kaffeeverpackungen. Auch gibt es unterschiedliche Zellchemien mit unterschiedlichen Stärken und Schwächen in Bezug auf Energiedichte, Schnellladefähigkeit und Leistungsdichte, Zyklenfestigkeit (Lebensdauer), Sicherheit, Temperaturverhalten, Rohstoffe oder Kosten. Leistungsdichte, Energiedichte und Zyklenfestigkeit haben sich in den letzten Jahren stetig verbessert.
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Für Autofahrer ist es wichtig zu wissen, dass die Größe einer Batterie und ihre Energiemenge auf zwei Arten angegeben werden: Gesamtenergiemenge (brutto) oder tatsächlich verfügbare Energiemenge (netto). Hintergrund: Von der gesamten Batterieenergie (brutto) bleiben die oberen und unteren Batterieladestandspuffer ungenutzt. Diese Maßnahme trägt zu einer möglichst langen Batterielebensdauer bei. Sie wird nicht an ihre Grenzen getrieben und ist daher weniger gestresst.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die mögliche Ladegeschwindigkeit, insbesondere auf langen Strecken. Eine Belastbarkeit von 150 kW oder mehr reduziert die Länge des Übersetzungstisches erheblich. Ein Spitzenauto wie der Porsche Taycan kann in einer 20-minütigen Kaffeepause über 300 Kilometer weit laden.
Elektrische Komponenten in Serien-Elektrofahrzeugen sind auf Eigensicherheit ausgelegt. Damit gilt es nicht nur im Normalbetrieb als sicher, sondern auch bei häufigen Defekten.
Wenn die Traktionsbatterie bei einem Unfall verformt und beschädigt wird, kann dies schwerwiegend sein. Um dies zu verhindern, ist die Hochvoltbatterie in einem crashgeschützten Bereich mit einer stabilen Batterie aus Stahl oder Aluminium untergebracht. Hält der Akku extremen Belastungen nicht mehr stand, können die Zellen im schlimmsten Fall „durchgehen“. Das ist das sogenannte „Thermal Runaway“.
Elektroantrieb Und Elektromotor: Aufbau Und Funktion
Eine brennende Traktionsbatterie sollte mit reichlich Wasser gelöscht werden. Solche Fälle sind jedoch äußerst selten, denn im Falle eines Unfalls wird der Stromfluss der Batterie durch den Not-Aus-Mechanismus sofort unterbrochen. Studien kommen daher zu dem Ergebnis, dass selbst ein brennendes Elektrofahrzeug keine größere Gefahr darstellt als ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor.
Eine beschädigte Traktionsbatterie kann sehr teuer werden, vergleichbar mit einem Motorschaden bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Die meisten heute verfügbaren Elektrofahrzeuge ermöglichen eine modulare Batteriereparatur (statt den Austausch der gesamten Batterie), aber dies ist nicht immer in einer Werkstatt möglich. Beachten Sie diesbezüglich die Garantiezeit der Batterie des jeweiligen Herstellers und prüfen Sie, ob ein teilweiser Austausch des Batteriemoduls möglich ist und wie viel dieser kostet.
Die Herstellung von Traktionsbatterien ist noch immer sehr energieintensiv (insbesondere für die Hitzetrocknung von beschichteten Blechen), erfordert den Einsatz wertvoller Rohstoffe und ist noch relativ teuer – die Preise der Batterien sind seit 2013 auf bereits weniger gesunken als die Hälfte.
Auch wenn Festkörperbatterien als Energiespeicher der nächsten Generation vermarktet werden, sagen Experten, dass Lithium-Ionen-Batterien noch viel Potenzial haben. Fortschreitende technologische Entwicklungen und eine Zunahme der Anzahl von Batterien werden voraussichtlich die Batterien weiter reduzieren und die Energiedichte verbessern.
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Idealerweise werden Batterien aus 100 % erneuerbarer Energie hergestellt. Geschieht dies nicht, beginnt ihr Leben mit einer entsprechenden CO2-Belastung. Beispielsweise ist die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien sehr energieintensiv, je größer die Batterie, desto größer der CO2-Fußabdruck. Untersuchungen zur Gesamt-CO2-Bilanz unterschiedlicher Fahrweisen zeigen jedoch, dass Elektroautos in der Regel besser abschneiden als solche mit Verbrennungsmotor.
Praktische Reichweite im Alltag ist ein entscheidender Faktor für die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen. Mehr als die Hälfte der Befragten erwartet von ihrem Elektrofahrzeug eine Reichweite von mehr als 300 Kilometern ohne lästige Ladeunterbrechungen. Lange Zeit konnten nur teure Luxus-Elektrofahrzeuge diese Reichweite erfüllen, doch mittlerweile gibt es mehrere Fahrzeugmodelle zu günstigeren Preisen auf dem Markt.
Laut Hersteller können der moderne Kona Electro und der Kia e-Niro mehr als 400 Kilometer mit einer Akkuladung zurücklegen. Allerdings sollten Käufer bedenken, dass Herstellerangaben im realen Fahrbetrieb oft nicht realisierbar sind, sei es nach dem neuen WLTP oder nach älteren NEFZ-Messverfahren.
Der Stromverbrauch von Elektrofahrzeugen wird durch die benötigte Menge an Antriebsenergie (abhängig von den Betriebsbedingungen), den Batteriewirkungsgrad (Innenwiderstand, Batterieerwärmung und -kühlung, Selbstentladung) und den Wirkungsgrad des Ladegeräts (Ladeverluste) bestimmt. ) und Anforderungen an Nebenaggregate (im Wesentlichen Raumklimatisierung).
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Die erreichbare Reichweite im täglichen Gebrauch ist daher stark abhängig vom Fahrverhalten, der Außentemperatur, den Wetterbedingungen und der Nutzung elektrischer Verbraucher wie Heizung und Klimaanlage. Elektrofahrzeuge sind im Stadt- und Überlandverkehr sehr effizient, das Fahren mit hohen Geschwindigkeiten auf Autobahnen verbraucht jedoch deutlich mehr Strom und verringert die Reichweite erheblich.
Zur Optimierung der Reichweite bieten Elektrofahrzeuge Eco-Fahrmodi und einige energiesparende Wärmepumpen sind erhältlich. Gerade die klimatischen Bedingungen wirken sich dramatisch auf die Reichweite aus, so zeigen Tests, dass Elektrofahrzeuge im Winter 10 bis 30 Prozent mehr Energie verbrauchen, im Extremfall bis zu 50 Prozent mehr Energie.
Bisher sind die meisten Autofahrer in Deutschland aufgrund des hohen Anschaffungspreises, der begrenzten Reichweite und der notwendigen Ladepausen für lange Fahrten in Deutschland noch nicht bereit, auf das elektrische Fahren umzusteigen.
Die Kosten sinken jedoch aufgrund der gestiegenen Volumina und des technologischen Fortschritts weiter. Zudem wird die Ladeinfrastruktur dichter und die Ladetechnik entwickelt sich weiter. Die Energiewende und die Bemühungen der Hersteller werden die Ökobilanz durch eine nachhaltigere Produktion von Elektrofahrzeugen und Batterien verbessern. Elektrofahrzeuge brauchen kein Getriebe, heißt es immer wieder, und es wird auch hartnäckig darüber geredet, dass die gesamte Branche betroffen sein wird. Vitalität der technischen Einfachheit von Elektrofahrzeugen, insbesondere von Getriebeherstellern. Das bedeutet aber nicht, dass die Getriebehersteller vom Aussterben bedroht sind. Auch wenn es nicht MT oder AT ist, ist es für Elektrofahrzeuge zwingend erforderlich.
