Handout Elektroauto 120515 Final - Johannes Senft · Es gibt viele Vor- und Nachteile eines E-Autos. Zu den Vorteilen gehören unter anderem, dass ein E-Auto keine Abgase emittiert

Das Elektroauto

Erstellt von: Barleben Franziskus,

Senft Johannes, Burkert Robin

13.05.2015

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Vortrag Elektroauto Von: Barleben Franziskus, Senft Johannes, Burkert Robin

Inhalt 1. Der Weg des Stromes .......................................................................................................................... 2

2. Der Antrieb .......................................................................................................................................... 2

3. Reichweitenerhöhung .......................................................................................................................... 3

3.1. Akku ............................................................................................................................................. 3

3.2. Gewicht......................................................................................................................................... 3

3.3. Aerodynamik ................................................................................................................................ 3

3.4. Verbrennungsmotor ...................................................................................................................... 3

3.5. Solar .............................................................................................................................................. 4

3.6. Rekuperation ................................................................................................................................. 4

4. Fahrmodi.............................................................................................................................................. 5

4.1. Sport-Modus ................................................................................................................................. 5

4.2.Eco-Modus .................................................................................................................................... 5

4.3. Eco-Plus-Modus ........................................................................................................................... 5

5. Energy-Harvesting ............................................................................................................................... 5

5.1. Erklärung ...................................................................................................................................... 5

5.2. Einsatzmöglichkeiten ................................................................................................................... 5

6. Pro und Kontra des Elektroautos ......................................................................................................... 6

7. Akkumulator und Ladeinfrastruktur .................................................................................................... 7

8. Sicherheitsunterschiede beim Elektroauto ........................................................................................... 8

9. Zukunftsaussichten .............................................................................................................................. 8

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1. Der Weg des Stromes Die Energie eines Elektroautos speichern wir heutzutage in Akkus. Diese sind so geschalten, dass sie eine Gesamtspannung von ca. 330V bereitstellen. Von diesen Energiespeichern führt uns der Weg zu dem Ladegerät. Von dort aus geht es zu einem elektrischen Klimakompressor und zu einem Hochvolt PTC-Heizelement. Der größte Teil der Energie fließt allerdings zu der Leistungs-/Steuerelektronik des Elektromotors. Der wohl kleinste Teil wandert über einen Spannungswandler in eine normale 12V KFZ-Batterie. Von dieser beziehen all jene Verbraucher ihre Energie die mit 330V nichts anfangen können. Das sind unteranderem alle Steuergeräte, das Entertainment-System und die Beleuchtungseinrichtung.

2. Der Antrieb Viele Hersteller wie VW und BMW setzen bei ihren Fahrzeugen auf Achsmotoren. Der Vortrieb wird hierbei Achsweise mit nur einem Motor erzeugt. Bei kleineren Verkehrsmitteln wie E-Bikes oder Elektrorollern hat sich aber der Nabenmotor durchgesetzt. Der Vorteil eines Nabenmotors ist die direkte Umsetzung, der elektrischen Energie, im Rad.

Bei den Elektromotoren hat sich vor allem der Synchron 3-Phasen-Drehstrom Motor gegenüber den vielen anderen, wie Gleichstrombürsten oder Bürstenlosen Motoren, durchgesetzt.

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3. Reichweitenerhöhung Wie euch bestimmt allen bekannt ist, ist der größte Nachteil eines Elektroautos die eingeschränkte Reichweite. Doch was kann ich, oder der Hersteller des Fahrzeugs dagegen tun? Zum einen kommt es natürlich sehr stark auf deinen Fahrstil an, denn es ist ein großer Unterschied ob ich mit Vollgas beschleunige und sehr stark abbremse, oder langsamer anfahre und vorausschauend verzögere. Der Hersteller hingegen hat sehr viel mehr Möglichkeiten Energie zu sparen oder zurückzugewinnen.

3.1. Akku

Der Akku (unser Energielieferant) ist zwar leistungsstark, jedoch bringt er noch nicht die gewünschte Reichweite und ist zudem noch extrem schwer. Der Akku des BMW i3 wiegt beispielsweise 300 kg und erreicht eine Reichweite von 150 km. Das bedeutet beim heutigen Stand der Technik:

2kg Akku für 1km Reichweite

Tipp-Akku: Auf die Energiedichte der Akkus konzentrieren und diese verbessern

3.2. Gewicht

Das Gewicht eines Elektrofahrzeuges wird günstig beeinflusst durch das Wegfallen etlicher schwerer Komponenten, wie zum Beispiel Getriebe, Tank oder der deutlich kleinere Elektromotor. Jedoch wird dieser Vorteil durch das hohe Gewicht des Akkus egalisiert. So hat der oben abgebildete BMW i3 ein Leergewicht von über 1300kg trotz dem Einsatz von extrem leichter Kohlefaser.

Tipp-Gewicht: siehe Tipp-Akku

3.3. Aerodynamik

Die Aerodynamik verbessert die Reichweite eines Fahrzeugs im Alltäglichen nicht wesentlich und schränkt den Praktischen Nutzen häufig ein.

Tipp-Aerodynamik: nur für die Rennstrecke, eingeschränkter Alltagsnutzen

3.4. Verbrennungsmotor

Der Verbrennungsmotor (Range Extender) ist bis jetzt das alltagstauglichste mittel die Reichweite effektiv zu erweitern. Jedoch benötigt man hierfür zusätzlichen Treibstoff, welcher durch seine Verbrennung zu einer Umweltbelastung führt(das soll eigentlich verhindert werden). Es kann jedoch trotzdem zu einer Umweltentlastung beitragen, doch dazu ist es nötig seine Strecke optimal zu planen.

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Tipp-Verbrennungsmotor: Gute Möglichkeit die Reichweite zu erhöhen, verfehlt jedoch den Sinn eines Elektrofahrzeuges.

3.5. Solar

Die Solarzelle auf dem Dach eines Hauses ist heute keine Seltenheit mehr, auf einem Autodach allerdings schon. Dies liegt zum einen an der geringen Fläche eines Autodachs und zum anderen der selten scheinenden Sonne.

Tipp-Solarzelle: interessantes Gadget

3.6. Rekuperation

Die Rekuperation (Bremsenergierückgewinnung) ist ein gutes einfaches Mittel Energie zurückzugewinnen und sollte auf jeden Fall in jedem E-Fahrzeug eingesetzt werden. Hierbei wird die vorhandene Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt und kann so erneut genutzt werden. Von Vorteil ist es auch, die Rekuperation stufenweise zu verstellen. So gibt es im VW E-Golf vier dieser Stufen. Diese reichen von sehr starker Rekuperation bis hin zur abgeschalteten Funktion. Das Auto ist in der Lage zu Segeln. Jedoch rekupereriert das Fahrzeug erst ab einem Ladestand von 90%.

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Abbildung 6: Rekuperation ein Muss in jedem E-Auto

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4. Fahrmodi Genau wie bei herkömmlichen Verbrennermotoren, gibt es auch bei Elektroautos verschiedene Fahrmodi, um entweder den Fahrspaß oder den Sparspaß zu erhöhen. Diese werden zwar von jedem Anbieter anders genannt, jedoch funktionieren sie ähnlich.

4.1. Sport-Modus

Im Sport-Modus wird nur wenig auf den Energieverbrauch geachtet, dafür hat der Motor die meiste Leistung und macht besonders viel „Freude am Fahren“.

4.2.Eco-Modus

Im Eco-Modus macht das Auto einige Kompromisse und reduziert die Motorleistung und die Verbraucher auf ein niedrigeres Maß. So wird zum Beispiel die Klimaanlage oder die Sitzheizung gedrosselt

4.3. Eco-Plus-Modus

Der Eco-Plus-Modus ist ähnlich kompromisslos wie der Sport-Modus. Hier wird die Motorleistung sehr stark gedrosselt und unnötige Verbraucher, wie beispielsweise die Klimaanlage oder die Sitzheizung komplett abgeschaltet.

5. Energy-Harvesting Energy-Harvesting (Energie Ernte) kann überall dort eingesetzt werden, wo sich etwas bewegt. Das kann sichtbar geschehen, wie bei fließendem Wasser oder unsichtbar für das menschliche Auge, wie bei schwingenden Atomen im Inneren eines heißen Objektes.

5.1. Erklärung

Energy-Harvesting beschäftigt sich in der Elektromobilität hauptsächlich mit der Gewinnung von Energie durch Hitze, Druck oder Knickung. Außerdem kann durch Schwingungen im Auto Energie erzeugt werden.

5.2. Einsatzmöglichkeiten

Energy-Harvesting wird demnächst in großen Passagierflugzeugen eingesetzt. Hier soll die Körperwärme und die Bewegungsenergie (Piezzokristall) der vielen Reisenden genutzt werden, um die vielen „kleinen “ elektrischen Verbraucher an Bord mit Energie zu versorgen. Außerdem können durch Erschütterungen im Auto Magnete und Spulen gegeneinander verschoben werden und so Strom erzeugen.

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6. Pro und Kontra des Elektroautos Es gibt viele Vor- und Nachteile eines E-Autos. Zu den Vorteilen gehören unter anderem, dass ein E-Auto keine Abgase emittiert. Gemäß einer Studie des Instituts für Energie- und Umweltforschung (IFEU) in Heidelberg stammen 72% aller Asthmaerkrankungen von Autoabgasen. Die Emission muss jedoch gesamt betrachtet werden. In der Produktion und Verwertung eines E-Autos entstehen deutlich mehr Co₂ und andere umweltschädigende Substanzen. Jedoch wird nach einer Fahrleistung von ca. 30.000 Km eine schwarze Emissions-Null erreicht. Ab diesen Punkt ist ein rein elektrisch betriebenes Auto deutlich umweltfreundlicher als ein herkömmlicher Verbrenner.

Aufgrund der fehlenden Kolben läuft ein Elektromotor deutlich ruhiger als ein Otto- oder Dieselmotor. Somit sind Vibrationen und auch Lärm kaum noch vorhanden. Jedoch kann das fehlende Fahrgeräusch für Fußgänger (vor allem Blinde) sehr gefährlich werden. Deswegen bieten einige Hersteller die Option, dass ein Fahrgeräusch über Lautsprecher abgespielt wird. Dieses verhält sich proportional zur aktuellen Geschwindigkeit.

Ein weiterer Aspekt ist der einfachere Aufbau des Antriebsstrangs durch den viele kosten- und verschleißträchtige Bauteile nicht mehr benötigt werden. Ebenso ein wichtiger Vorteil ist es das im Leerlauf kein Verbrauch herrscht. Die vorteilhafte Drehmoment- und Leistungscharakteristik sorgt für ein unterbrechungsfreies Beschleunigen, wodurch der hohe Wirkungsgrad von ca. 65% zur Geltung kommt. Da die Möglichkeit der starken Motorbremse gegeben ist, werden Gesamtkosten von ca. 3,50€ auf 100 Km erreicht.

Denn Verbrennungskraftmaschinenantrieb steht die geringe Energiedichte der Akkumulatoren gegenüber. Sie beträgt nur ca. ein Fünfzigstel bis ein Hundertstel je nach Typ. Zudem folgen daraus meist ein höheres Gewicht und eine niedrigere Reichweite. Ebenso ist die erreichte Höchstgeschwindigkeit kaum konkurrenzfähig mit Verbrennern. Zu Letzt sind die Tankzeiten auch deutlich länger und die Versorgungsinfrastruktur muss noch weiter ausgebaut werden.

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7. Akkumulator und Ladeinfrastruktur Mit Ausnahme von O-Bussen werden in allen elektrisch angetriebenen Autos Akkumulatoren verwendet. Meist Nickel-Kobalt-Mangan- oder Lithium-Ionen-Akkus. Es gibt zwei Systeme wie der Hersteller mit den Akkus umgeht. Bei den meisten gehört der Akku zum Auto dazu und ist somit im Kaufpreis enthalten. Jedoch vermieten einige nur die Akkus, wodurch der Kunde sich nicht um den Akkuservice kümmern muss.

Im Allgemeinen wird aber von den Herstellern eine Garantie von 8 Jahren bzw. 100.000 Km gegeben. Es hat sich heraus gestellt, dass die meisten Akkumulatoren in dieser Zeit gerade einmal 8% ihrer Kapazität verloren haben. Es handelt sich immer um Hochvoltbatterien, die eine Spannung von 320-360V je nach Fahrzeugtyp, besitzen.

Es gibt unterschiedliche Bauweisen, im Allgemeinen sind 6 Zellen zu einem Block verbaut und wiederrum 6 oder 12 Blöcke zu einem Master- oder Slavemodul. Mehrere in Reihe geschaltete Module ergeben dann den gesamten Akkublock. Geladen werden könne n diese über Wechselstromladen, Gleichstromladen oder induktivem Laden. Dies dauert zwischen 1-8 h und wird mit bis zu 400V und 120A vollzogen. Viele E-Autos sind dank der Akkumulatoren auch Smart Home fähig. Der Ladevorgang kann über die übliche Schutzkontaktsteckdose oder eine extra installierte und deutlich schnellere Ladebox erfolgen. Unterwegs gibt es mittlerweile Deutschlandweit 4400 Ladesäulen, welche jedoch unterschiedliche Ladezeiten zulassen. Da es viele verschiedene Ladesteckersysteme gibt, empfiehlt es sich eine längere Reise im Voraus zu planen. Hierzu können verschiedene Websites oder auch Herstellerapps verwendet werden.

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8. Sicherheitsunterschiede beim Elektroauto Zu den mittlerweile serienmäßigen Sicherheitsmerkmalen eines Autos (z.B. Airbags, ABS, etc…) benötigt ein E-Auto zusätzliche Sicherheitsvorrichtungen. Da der Akkumulator ein hohes Gefahrenpotenzial birgt, werden verschiedene mechanische und elektrische Vorkehrungen getroffen. Zunächst verstärken alle Hersteller die Karosserie des Fahrzeuges, damit im Falle einer Kollision die Akkus nicht gestaucht werden können.

Zudem befinden sich diese in einem extra konstruierten Behälter, der eine hohe IP-Klasse aufweist. Zuletzt wird noch ein Unterfahrschutz installiert, damit keine Fremdkörper von unten in den Akkubehälter eindringen können. Alle neu angefertigten Teile sind laut Hersteller aus deutlich hochwertigerem Material gefertigt und die Konzepte der Aufprallenergieverteilung sind verbessert worden.

Zur elektrischen Absicherung gibt es ein Akkusteuergerät, das nicht nur für ein gleichmäßiges Laden und Entladen sorgt, sondern auch eine Isolationsüberwachung besitzt und das Schutzrelais steuert. Um bei einem Unfall einen Kurzschluss zu vermeiden, gibt es mehrere Crashsensoren. Schlägt einer dieser Sensoren an, zündet die Akkusteuerung kleine Schneidladungen, die an den Akkuanschlüssen platziert sind. Dadurch werden die Akkus vom restlichen elektrischen Teil getrennt und vor einem Durchsetzen geschützt.

9. Zukunftsaussichten Fossile Brennstoffe werden irgendwann einmal zur Neige gehen, deshalb ist es wichtig sich für die Zukunft zu wappnen. Die Elektromobilität ist ein probates Mittel um die Menschheit weiterhin mobil zu halten. Seit dem Jahr 2010 haben sich die Zulassung zahlen von Elektro und Serial-Plug-in Hybriden verzehnfacht.

Die Träume von der Mobilität mit fliegenden Autos oder Helikoptern für den Privathaushalt wird wohl auch weiterhin Zukunftsmusik bleiben, allerdings versprechen Carsharing-Projekte, vor allem im Großstadtbereich, eine gute Alternative zu werden.

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