Informationen zum Thema Elektro- Hybridfahrzeuge

 

   Plugin Hybridtechnik

Hybrid Fahrzeuge

Serieller Hybrid

Serieller Hybrid mit Verbrennungsmotor

Bei einem seriell angeordneten Hybridantrieb, der dem klassischen dieselelektrischen Antrieb bei zum Beispiel Schiffen oder Lokomotiven entspricht, hat der zweite Energiewandler keinerlei mechanische Verbindung mehr zur eigentlichen Antriebsachse. Meist treibt ein Verbrennungsmotor einen elektrischen Generator an, der die Fahrenergie bereitstellt oder den Fahrakku lädt. Beim Brennstoffzellenfahrzeug übernimmt die Brennstoffzelle die Funktion des Generators. Die Leistungsfähigkeit der Motor-Generator-Kombination oder der Brennstoffzelle bestimmt dabei die Dauerleistung und -höchstgeschwindigkeit. Bei kurzzeitigem höheren Leistungsbedarf können die Akkus zusätzlichen Strom liefern. Der oder die antreibende(n) Elektromotor(en) müssen immer das gesamte geforderte Drehmoment und die gesamte geforderte Leistung erbringen.

Beispiele mit Motor + Generator: BMW i3 mit Range Extender, Fisker Karma, der aktuell nur in Japan verfügbare Nissan Note ePower, die Studie Opel Flextreme GT/E sowie der Prototyp Mindset

Beispiele für aktuelle Brennstoffzellenfahrzeuge als serieller Hybrid: Toyota Mirai (leistungsverzweigt), Hyundai Nexo oder der Transporter Renault Kangoo Z.E. Hydrogen

Die Darstellung mit einem magnetisch-elektrischen Getriebe-Automaten wird auch Direkthybrid genannt.

Paralleler Hybrid

Paralleler Hybrid

Anders als beim seriellen Hybridantrieb kann beim parallelen Hybridantrieb ein Betriebszustand eingeschaltet werden, bei dem Elektromotor und Verbrennungsmotor zugleich auf den Antriebsstrang wirken, was die Drehmomente der einzelnen Antriebe addiert. Das ermöglicht eine schwächere Auslegung aller Motoren, was Kosten, Gewicht und Bauraum spart, im Falle des Verbrennungsmotors auch Kraftstoff (downsizing). Parallelhybride lassen sich vergleichsweise kostengünstig als Mildhybrid verwirklichen. Falls auch ein rein elektrischer Fahrbetrieb möglich sein soll, muss der Elektromotor dementsprechend ausgelegt werden. Naunin[8] schreibt dazu: Charakteristisch für den parallelen Hybrid ist, dass beide Antriebsaggregate aufgrund der Leistungsaddition bei gleichen Fahrleistungen im Vergleich zum konventionellen Antrieb kleiner dimensioniert werden können.

Die Parallelhybride werden je nach Position und Eingriffspunkt der E-Maschine (EM) zum Verbrennungsmotor (VM) in die Kategorien P0-P4 eingeteilt:

  • P0: EM vor dem VM, z. B. über Riemen mit der Kurbelwelle des VM verbunden
  • P1: EM fest mit der Kurbelwelle des VM verbunden
  • P2: EM sitzt zwischen VM und Getriebeeingangswelle, zwischen VM und EM befindet sich eine Kupplung (C0). Die EM ist fest oder über eine zweite Kupplung (C1) mit der Getriebeeingangswelle verbunden
  • P2.5: EM sitzt in einem Doppelkupplungsgetriebe an der Eingangswelle einer Getriebeseite
  • P3: EM fest mit der Getriebeausgangswelle verbunden, die EM befindet sich zwischen Getriebe und Differential
  • P4, auch Axle-Split: Elektrische Achse aus EM und Differential oder EMs als Radnabenmotoren, keine mechanische Verbindung (Welle) zum VM

Für P0 und P1 gilt:

  • Der VM ist immer fest mit der EM gekoppelt, daher kann das Fahrzeug nicht rein elektrisch fahren.
  • Im geschleppten Betrieb (Schubbetrieb) vermindern die zusätzlichen Reibungsverluste der VM die Rekuperationsleistung der EM.
  • Diese Konfigurationen eignen sich zur Lastpunktverschiebung (siehe Verbrauchskennfeld der VM), wobei der VM das Fahrzeug antreibt und gleichzeitig der Energiespeicher geladen wird. Das bedeutet zwar einen höheren Verbrauch, durch den besseren Wirkungsgrad der VM wird dennoch weniger verbraucht, als wenn der VM zum Fahren und zur Ladung zu verschiedenen Zeiten eingesetzt werden.
  • Durch gleichzeitigen Betrieb von VM und EM kann die Beschleunigung des Fahrzeugs erhöht werden.
  • Diese Konfigurationen ergeben sich, wenn man einen VM mit einem Startergenerator kombiniert.

P4 erlaubt auch einen Allradantrieb, zumindest in dem Geschwindigkeitsbereich, in dem beide Maschinen antreiben können. Varianten können auch zusammengesetzt werden, z. B. als P0/4.

Bei Fahrzeugen wie dem Nissan March/Cube e-4WD gab es eine japanische Variante in P4-Auslegung. Der VM treibt die Vorderachse und einen Generator für den Antrieb der EM an der Hinterachse. Über die Erregung des Generators wurde die Leistungsabgabe der EM geregelt. In einer ersten Variante war so ein Allrad bis 25 km/h möglich, in der folgenden Generation bis 40 km/h. Energiequelle war immer der VM, da keine Batterien für elektrischen Antrieb und Rekuperation vorhanden waren.

Ein Beispiel für einen parallelen Hybrid ist der Honda Civic Hybrid. In jedem Fall ist ein Getriebe am Verbrennungsmotor notwendig, was Gewichts- und Kostenvorteile teilweise wieder aufhebt.

Leistungsverzweigender Hybrid (Mischhybrid)

Leistungsverzweigender Hybrid

Mischhybride kombinieren den seriellen und den parallelen Hybridantrieb (oft variabel) während der Fahrt entsprechend den Fahrzuständen. Je nach Betriebsart und Fahrzustand kann entweder der Verbrennungsmotor mit dem Generator nur den elektrischen Energiespeicher (Hybridbatterie) laden und den Elektromotor antreiben (serieller Hybridantrieb) oder mechanisch mit den Antriebswellen gekoppelt sein (paralleler Hybridantrieb). Bei diesem kombinierten Hybridantrieb wird lediglich mittels einer (automatisch betätigten) Kupplung zwischen den beiden Betriebsarten umgeschaltet. Als Beispiele für Mischhybride sind der Chevrolet Volt, der Opel Ampera und der seit 2014 auf dem Markt befindliche Cadillac ELR sowie der Mercedes-Benz B-Klasse E-Cell Plus zu nennen.

Demgegenüber wird beim Leistungsverzweigenden Hybridantrieb die Leistung teils mechanisch, teils über die als elektrisches Getriebe (serieller Hybridantrieb) arbeitende Motor-Generator-Kombination auf die Räder übertragen. Ein Beispiel für Leistungsverzweigung ist der Toyota Prius mit dem Hybrid Synergy Drive, in dem die Übersetzung ausschließlich über die Drehzahlen der elektrischen Maschinen gesteuert wird. Diese One-Mode-Getriebe werden bei Toyota, Lexus, Ford und anderen eingesetzt.

Das Two-Mode-Getriebe von Allison Transmission bietet verschiedene Betriebsmodi, die mit Lamellenkupplungen geschaltet werden. Das Getriebe hat zwei leistungsverzweigende Fahrbereiche und vier mechanische Übersetzungen (zusätzliche feste Gänge), in denen das System als Parallelhybrid arbeiten kann. Dadurch kann gegenüber One-Mode-Getrieben der elektrische Leistungsanteil verringert werden, wodurch die elektrischen Maschinen geringeren Anforderungen unterliegen. Der höhere mechanische Leistungsanteil ergibt zudem einen höheren Wirkungsgrad. Mit diesem aufwändigeren Konzept sind weitergehende Anpassungen an verschiedene Fahrzustände, wie etwa hohe Geschwindigkeiten, möglich. Dieses Getriebe wird in einer Kooperation zwischen General Motors, Daimler AG und BMW entwickelt.

Einteilung nach dem Anteil der elektrischen Leistung

Nach dem Leistungsanteil des elektrischen Antriebs an der Gesamtleistung (Hybridisierungsgrad) des Fahrzeugs und den möglichen Betriebszuständen werden drei Stufen unterschieden. Es gibt zudem unterschiedlichste Zwischenformen. Darüber hinaus sind auch Fahrzeuge darstellbar, die überwiegend elektrisch angetrieben werden.

Micro-Hybrid

Grundsätzlich kennzeichnet ein Hybridfahrzeug das Vorhandensein zweier unterschiedlicher für den Fahrzeugantrieb eingesetzter Energiewandler, was beim sogenannten Mikrohybrid nicht der Fall ist. Mikrohybridfahrzeuge haben im Wesentlichen die folgenden Merkmale:

  • Start-Stopp-Automatik und zusätzlich
  • Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation) zum Laden der Starterbatterie. Die Elektro-Maschine (Startergenerator) wird aber meist nicht oder kaum zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt.

Nach Naunin hat sie eine Leistung von 2,7–4 kW/t (spezifisches Leistungsgewicht in Kilowatt Leistung des Elektroantriebs pro Tonne Fahrzeugmasse). Vorteil ist eine Kraftstoffeinsparung durch Motorabschaltung im Stillstand und den durch Laden der Batterie mit Bremsenergie später verringerten Leistungsbedarf der Lichtmaschine.

Beispiel: Die BMW-1er-Baureihe ab Modelljahr 2007 mit Schaltgetriebe.

Nachteil der Start-Stopp-Funktion ist der durch das häufige Anlaufen bedingte höhere Verschleiß der Kurbelwelle, die mit einer reibungsarmen Lagerung auf eine andauernde Rotation ausgelegt ist. Wie groß diese Auswirkungen einer Start-Stopp-Funktion auf die Lebensdauer eines Motors sind, werden die nächsten Jahre zeigen.

Mild-Hybrid

Das Elektroantriebsteil unterstützt den Verbrennungsmotor zur Leistungssteigerung. Die Bremsenergie kann in einer Nutzbremse teilweise wiedergewonnen werden.

Im Wesentlichen hat damit diese Ausführung folgende Merkmale:

  • Start-Stopp-Funktion
  • Rekuperation (in aller Regel stärker als bei Mikro-Hybrid)
  • etwas elektromotorische Unterstützung des Antriebs beim Losfahren des Fahrzeugs und bei hoher Beschleunigung, größere Distanzen sind damit nicht elektrisch möglich

Als elektromotorische Leistungen werden etwa 6–14 kW/t angegeben. Durch die Kraftstoffersparnis lässt sich eine CO2-Einsparung von etwa 15 Prozent realisieren. Parallel arbeitende Hybridantriebe werden oft als Mildhybrid ausgeführt.

Beispiele sind der Honda Civic Hybrid, der seit Modelljahr 2006 nahezu Vollhybridmerkmale aufweist, der Smart Fortwo mhd sowie der Honda Insight (ab 2009).

Voll-Hybrid

Vollhybridfahrzeuge sind mit ihrer elektromotorischen Leistung von mehr als 20 kW/t in der Lage, auch rein elektromotorisch zu fahren (einschließlich Anfahren und Beschleunigen) und stellen daher die Grundlage für einen seriellen Hybriden dar.

In groben Zügen lassen sich die Merkmale wie folgt zusammenfassen:

  • Start-Stopp-Funktion
  • Rekuperation
  • Ausschließlich elektrischer Antrieb möglich
  • Boost-Funktion (gleichzeitiger Antrieb von allen Motoren, sowohl elektrischer Antrieb und zusätzlich der Verbrennungsmotor)

Beispiele: Der BMW ActiveHybrid X6, der rein elektromotorisch etwa 60 km/h erreichen kann, der Toyota Prius, der etwa 70 km/h erreichen kann, siehe Toyota Hybrid Synergy Drive, oder der Ford C-MAX Hybrid, der etwa 100 km/h erreicht.

Range Extender

Der Begriff des Range Extenders (Reichweitenverlängerer, auch REX) stellt die Fähigkeit in den Vordergrund, im Normalbetrieb rein oder überwiegend mit elektrischer Energiezufuhr zu fahren, aber bei Bedarf (z. B. mangels Ladesäulen) auch einen Verbrennungsmotor in Betrieb zu nehmen, der weniger leistungsstark ist, z. B. beim BMW i3 (Modell von 2013) 28 kW aufweist gegenüber 125 kW des Elektromotors und als Ausstattungsoption angeboten wird. So können eventuelle Nachteile aufgrund mangelnder elektrischer Reichweite oder fehlender elektrischer Nachlademöglichkeiten ausgeglichen werden. Nachteile des REX sind das erhöhte Gewicht durch Motor, Getriebe und Tank, eine meist die recht begrenzte Tankkapazität (BMW i3 REX: neun Liter), sowie die durch die verringerte Leistung des Extenders dann bei leerer Batterie begrenzte Durchschnittsgeschwindigkeit im Nachladebetrieb (beim i3 ca. 120 km/h).

Eigenschaften der verschiedenen Konzepte

Der Hybridantrieb wird verwendet, um einen geringeren Kraftstoffverbrauch zu erzielen oder um Leistung oder Fahrkomfort zu steigern. Bei ihm ergänzen sich die Leistungskennlinien eines Elektromotors mit seinem hohen Drehmoment im unteren Drehzahlbereich und eines Verbrennungsmotors, dessen Stärken im oberen Drehzahlbereich liegen. Zusätzlich kann durch eine Nutzbremse ein Teil der Bremsenergie zurückgewonnen werden.

Ein systembedingter Nachteil des Vollhybridantriebes sind die notwendigen größeren Energiespeicherkapazitäten, die durch höhere Eigengewichte den Nutzen verringern. Das kann jedoch durch Einsparungsmöglichkeiten an anderer Stelle (zum Beispiel vereinfachtes Getriebe, Entfallen der Lichtmaschine und des Anlassers) teilweise kompensiert werden. Es ist allerdings auch zu erwarten, dass moderne Akkumulatoren wie zum Beispiel Lithium-Polymer-Akkus oder auch Superkondensatoren beziehungsweise Lithium-Ionen-Kondensatoren diesen Nachteil noch weiter verringern.

Ein weiterer Nachteil ist die aufwändige Produktion der Hauptkomponenten Elektromotor und Akkumulator, die die Herstellungsbilanz belasten. Bisher fehlt es an unabhängigen Untersuchungen zur Klärung der Frage, wie viel mehr an Energie für die Herstellung von Hybridfahrzeugen aufgewendet werden muss bzw. mit welcher Kraftstoffmenge man das im Vergleich zu einem Standardfahrzeug verrechnen müsste.

Derzeit hat der Mildhybrid bei geringerem Aufwand ebenfalls ein gutes Einsparpotenzial. Diese Antriebsart ist mit wenig Aufwand in vorhandene Fahrzeugkonzepte zu integrieren, während für Vollhybride mehr Entwicklungsaufwand vonnöten ist. Der einfachste Ansatz des Mildhybrid ist der Startergenerator, der den Anlasser und die Lichtmaschine in einem Elektromotor vereint und an den Antriebsstrang angebunden ist.

Bei Vollhybriden, mit Einschränkung auch bei Mildhybriden, besonders ausgeprägt bei Leistungsverzweigung und stufenlosem Getriebe können ungünstige Motorbetriebspunkte weitgehend vermieden werden. Dieser Zusatznutzen ist beim Diesel-Hybridantrieb nur in geringerem Ausmaß möglich, da der Dieselmotor ohnehin in den meisten Motorbetriebspunkten einen sehr guten Wirkungsgrad aufweist. Weil sich aber das nötige Beschleunigungsdrehmoment des Verbrennungsmotors durch die Kombination mit dem Elektromotor verringert, kann beim Dieselmotor eine erhebliche Verringerung der Stickoxid-Emission (NOx) erreicht werden, wenn das Downsize-Potenzial nicht ausgenutzt wird. Der Diesel-Hybridantrieb hat also neben dem Verbrauchsnutzen auch einen Emissionsnutzen vorzuweisen.

Plug-in-Hybride

Eine Erweiterung der Hybrid-Technik stellen die Plug-in-Hybride (PHEV) dar, die versuchen, den Kraftstoffverbrauch weiter zu senken, indem die Akkus nicht mehr ausschließlich durch den Verbrennungsmotor, sondern zusätzlich auch am Stromnetz aufgeladen werden können. Das englische Wort Plug bedeutet soviel wie Stecker, der für den Anschluss des Fahrzeugs an das Stromnetz nötig ist. Bei diesem Konzept wird gesteigerter Wert auf eine Vergrößerung der Akkukapazität gelegt, um auch größere Strecken ohne lokale Emissionen zurücklegen zu können. Bei ausreichender Kapazität können Kurzstrecken (etwa 60 bis 80 Kilometer) so ausschließlich im Elektrobetrieb zurückgelegt werden, während der Verbrennungsmotor zusätzlich als Generator zum Nachladen der Batterien verwendet wird, um auch größere Strecken zu ermöglichen. Durch den möglichen Alleinbetrieb des Verbrennungsmotors sind auch bei leerer Batterie größere Fahrstrecken möglich.

Quelle: Wikipedia

 

Elektro Fahrzeuge

Fahrzeugkonzepte

Elektroautos lassen sich nach ihrem Konstruktionsprinzip unterscheiden:

  • Neuentwickelte Elektroautos (sog. Purpose Design), bei denen keine konstruktiven Kompromisse bei der Umsetzung eingegangen werden müssen. Diesem technischen Vorteil steht der betriebswirtschaftliche Nachteil des hohen Einmalaufwands für die Neuentwicklung gegenüber, weshalb dieses Konzept hohe Produktionsstückzahlen erfordert. Beispiele sind u. a. BMW i3, Nissan Leaf, Tesla Model S, Tesla Model X, Tesla Model 3, Renault Zoé, BYD e6, Chevrolet Bolt, Streetscooter, Porsche Taycan, VW ID.3
  • Elektroautos als Anpassung konventioneller Autos (sog. Conversion): Hier werden in einem konventionellen Fahrzeug Komponenten des verbrennungsmotorischen Antriebs durch jene des elektrischen Antriebs ersetzt. Das erfordert konstruktive Kompromisse, da E-Motor und Batterie in den vorhandenen Bauraum eingepasst werden. Dem geringen Entwicklungsaufwand stehen hohe Teilekosten für die Sonderanfertigung von Antriebskomponenten gegenüber, weshalb sich dies für niedrige Produktionsstückzahlen eignet. Sowohl der Geländewagen Toyota RAV4 EV, die etwa zehntausend französischen Elektroautos seit 1990 von PSA Peugeot Citroën und Renault der „electric-Serie“ (Saxo, Berlingo, 106, Partner, Clio, Kangoo) als auch das Mitsubishi Electric Vehicle, das 2010 in Europa erschienene, erste in Großserie gefertigte Elektroauto der Welt (ca. 17.000 Fahrzeuge weltweit pro Jahr)(in leicht abgewandelter Form auch von PSA als Citroën C-Zero bzw. Peugeot Ion vermarktet) und der Elektro-Smart basieren auf dieser kostengünstigen Entwicklungsmethode. Diese Fahrzeuge benötigen im Alltag etwa 12–20 kWh elektrische Energie für 100 km. Seit Ende 2013 wird der VW e-up! angeboten, seit 2014 der VW e-Golf. Weitere Beispiele sind die im Vorfeld der Entwicklung des BMW i3 eingesetzten MINI E und BMW ActiveE.
  • Elektroautos als Umrüstung von Serienfahrzeugen wie Stromos und Citysax ermöglichen kleinen Herstellern die Fertigung von Elektroautos. Dabei wird ein in Serie gefertigter neuer Antriebsstrang eingebaut, oder der Elektromotor wird an das serienmäßige Schaltgetriebe angeflanscht. Fahrleistungen, Reichweite und Verbrauch ähneln jenen aus Anpassungen von konventionellen Serienautos großer Hersteller. Höheren Fertigungskosten durch Kleinserienfertigung stehen flexible Anpassungsmöglichkeiten an Kundenwünsche und die Nutzung von nicht als Elektroversion erhältlichen oder Gebrauchtfahrzeugen als Basis gegenüber.

Antrieb

Elektromotoren laufen im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren selbstständig unter Last mit sehr hohen Drehmomenten an. Der Fahrtregler, eine Leistungselektronik-Baugruppe, steuert den Antrieb. Die Elektromotoren können auf verschiedene Arten mit den Rädern mechanisch gekoppelt sein, zumeist über Untersetzungsgetriebe und Antriebswellen, im Rad integriert als Radnabenmotor oder z. B. bei Umrüstungen auch über das vorhandene Schaltgetriebe.

Aufgrund des großen nutzbaren Drehzahlbereiches von Elektromotoren werden bei E-Fahrzeugen keine Schaltgetriebe oder lösbare Kupplungen benötigt, jedoch sind in der Regel Untersetzungsgetriebe eingebaut. Elektromotoren können in beiden Richtungen laufen und benötigen daher auch keinen gesonderten Rückwärts-Getriebegang. Es sind jedoch unter Last schaltbare Zweiganggetriebe erhältlich, insbesondere für Fahrzeuge mittleren und größeren Gewichts. Bis zu fünf Prozent an Reichweite sollen damit herausgeholt werden können. Solche Zweiganggetriebe sind etwa, wenn Hersteller unterschiedliche Motorleistungen alternativ für ein Fahrzeugmodell anbietet, in gewissen Auf- und Abstufungen skalierbar. Bei mehreren Antriebsmotoren (zum Beispiel je einer für Vorder- und Hinterachse) können die E-Motoren auch für verschiedene Geschwindigkeitsbereiche optimiert werden.

Elektromotoren sind einfacher und mit erheblich weniger beweglichen Teilen aufgebaut als Verbrennungsmotoren. Sie werden meist luft-, gelegentlich auch wassergekühlt.

Als Antrieb für Elektroautos kommen verschiedene Motortypen in Frage:

  • Gleichstrommotoren
    • Bürstenmotor
    • Bürstenloser Gleichstrommotor
  • Synchronmotoren
    • Permanenterregter Synchronmotor
    • Fremderregter Synchronmotor
  • Reluktanzmotor
    • Synchron-Reluktanzmotor
    • Geschalteter Reluktanzmotor
  • Asynchronmotor (Induktionsmaschine)
  • Axialflussmotor

Permanenterregter Synchronmotor

Die permanentmagneterregte Drehstrom-Synchronmaschine besitzt einen hohen Wirkungsgrad von über 90 %, ein hohes spezifisches Drehmoment (5 Nm/kg) und eine hohe spezifische Leistung (1 kW/kg). Sie sind daher die am weitesten verbreiteten Antriebe für E-Mobile.

Permanenterregte Synchronmaschinen besitzen keine Kohlebürsten, Kollektoren oder Schleifringe für die Kommutierung und Erregung und sind daher verschleiß- und wartungsfrei.

Der zwingend erforderliche Drehstrom-Wechselrichter ist in der Regel fähig zum Vierquadranten-Betrieb, kann also in beiden Fahrtrichtungen zum Motorbetrieb und im generatorischen Betrieb zur Rekuperation benutzt werden. Die gleiche Schaltung kann auch zum Laden der Antriebsbatterie aus dem Drehstromnetz verwendet werden. Die Integration eines Wechselstrom-Normallade- oder Drehstrom-Schnellladesystems in ein Elektroauto ist daher ohne wesentlichen Mehraufwand möglich.

Fremderregter Synchronmotor

Bei fremderregten Synchronmotoren wird das Magnetfeld statt durch Permanentmagnete durch Elektromagnete erzeugt. Die Vorteile sind die Einsparung der Seltene-Erden-Magnete und geringere Herstellungskosten. Dem gegenüber stehen Einbußen beim elektrisch-mechanischen Wirkungsgrad im Vergleich zum permanentmagneterregten Synchronantrieb. Fremderregte Synchronmotoren kommen zum Beispiel im Renault Zoé und im e-Smart zum Einsatz.

Asynchronmotor

Die Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer, ausgeführt als Doppelstabläufer, kann nur dann für Elektroautos benutzt werden, wenn ein frequenz- und amplitudengesteuerter Dreiphasen-Wechselrichter vorgeschaltet ist. Nur so kann ein hohes Anlaufmoment, ein weiter Drehzahlbereich und ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden.

Asynchronmotoren sind billiger herzustellen als permanenterregte Synchronmotoren und haben im Gegensatz zu diesen kein Bremsmoment, wenn sie abgeschaltet sind. Sie haben jedoch einen geringeren Wirkungsgrad. Auch Asynchronmotoren können mittels Vierquadranten-Wechselrichtern rekuperieren. Einige Elektroautos haben eine gemischte Bestückung aus einem Asynchron- und einem Synchronmotor.

Gleichstrommotor

Gleichstrommotoren haben bei Elektro-PKW nur historisch Bedeutung gehabt. Die hierfür aufgrund ihrer Kennlinie prädestinierte Reihenschlussmaschine (hohes Anlaufmoment, ohne Steuerung variable Drehzahl) ist einfach steuerbar, rekuperationsfähig mittels Umpolung der Feldwicklung und kurzzeitig hoch überlastbar. Sie hat jedoch den Nachteil, dass sie aufgrund der Kommutierung (Bürstenverschleiß) nicht wartungsfrei ist. Zur Steuerung kamen vorgeschaltete Widerstände und später eine Pulsweitenmodulation in Frage.

Reluktanzmotor

Ein geschalteter Reluktanzmotor treibt den in den 1980er-Jahren produzierten elektrischen Lieferwagen Chloride Lucas an; synchrone Reluktanzmotoren werden ebenfalls als Elektroautoantrieb diskutiert. BMW setzt im i3 auf eine Hybridlösung aus permanenterregtem Synchronmotor und Reluktanzmotor. Ansonsten spielen Reluktanzmotoren im Massenmarkt bislang keine Rolle.

Reluktanzmotoren kommen ohne Seltene Erden aus, sind robust und zuverlässig. Sie sind bei hohen Drehzahlen effizient, haben aber nur einen mäßigen Wirkungsgrad im unteren Drehzahlbereich. Dieser könnte zwar gegebenenfalls durch ein Untersetzungsgetriebe verbessert werden, jedoch nur mit Abstrichen beim elektrisch-mechanischen Wirkungsgrad.

Weitere Motorkonzepte

Als weitere Alternative wurde ein hochdrehzahliger Asynchronmaschinenantrieb mit nachgeschaltetem Planetenradgetriebe diskutiert. Bei letzterem Konzept ist das System leichter als ein Synchronantrieb. Dafür ist der elektrisch-mechanische Wirkungsgrad etwas schlechter.

In Teilen der Literatur wird der Axialflussmotor als sehr vorteilhaft für Elektroautos beschrieben. Sie sind sehr kompakt mit hohem Leistungsgewicht und einen drehzahlunabhängig hohen Wirkungsgrad. Bislang kamen sie jedoch nur in Prototypen zum Einsatz (z. B. Renovo Coupe).

Bauform Radnabenmoto

Eine Bauform für den Antrieb ist der Radnabenmotor. Dabei ist der Motor direkt im Rad, in der Regel innerhalb der Felge, untergebracht. Bei dieser Art des Antriebes entfallen die Antriebsstränge und die Verteilergetriebe hin zu den Rädern, was den Aufbau vereinfacht und Freiheiten für die Gestaltung in der Bodengruppe schafft. Jedoch muss der Bauraum zumeist mit der Bremse geteilt werden und es wird eine höhere ungefederte Masse in Kauf genommen. Die Motoren sind außerdem stärker den Umwelteinflüssen ausgesetzt. Radnabenmotoren gibt es oft in Fahrzeugen mit geringen Anforderungen an die Fahrdynamik. Sie sind etwa an Elektrofahrrädern, Elektromotorrollern und Nutzfahrzeugen zu finden. In Serien-Pkw konnten sie sich bisher nicht etablieren, sind jedoch Gegenstand von Forschungs- und Entwicklungsarbeit.

Nutzbremsung (Rekuperation)

Elektromotoren eignen sich im Generatorbetrieb zur Rückwandlung der kinetischen Energie (Bewegungsenergie) in elektrische Energie (Rekuperation). Beim Abbremsen und Bergabfahren wird Energie in den Akkumulator zurückgegeben, die ansonsten über mechanische Bremsen oder die Motorbremse in Verlustwärme umgewandelt würde. Im Langstreckenverkehr ist der Einsparungseffekt geringer als im Stadt- und Kurzstreckenverkehr, da im Verhältnis weniger Bremsvorgänge stattfinden.

Bei starkem Bremsen kann die maximale Generatorleistung der Motoren überschritten werden; es kann dann nur ein Teil der Bremsleistung in elektrische Leistung umgesetzt werden. Weitere Verluste entstehen infolge der bei hohen Strömen signifikanten Widerstandsverluste in Generator, Ladeelektronik und Akkumulator.

Mit Rekuperation kann der innerstädtische Energieverbrauch um bis zu 30 % gesenkt werden. Dieser Wert wird auch bei Oberleitungsbussen erzielt.

Die Batterielebensdauer wird durch die Rekuperation nicht beeinträchtigt; es ist im Gegenteil aufgrund der Batterieschonung mit einer leichten Verbesserung zu rechnen.

Die Rekuperation hat zur Einführung eines neuen Pedalsystems bei einigen Elektroautos geführt, dem One-Pedal-Driving. Hierbei wird mit demselben Pedal beschleunigt und gebremst.

Hybrid-Elektrofahrzeuge verwenden auch Doppelschicht-Kondensatoren als Energiespeicher, um trotz kleinerer Batterien höhere Leistungen verarbeiten zu können. So können im Stadtverkehr Rückspeisegrade von über 40 % erreichbar sein.

Quelle: Wikipedia

 

 


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