Antriebe von Elektroautos in der Praxis
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Antriebe von Elektroautos in der Praxis

Motoren · Batterietechnik · Leistungstechnik

Robert Schoblick

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Antriebe von Elektroautos in der Praxis

Motoren · Batterietechnik · Leistungstechnik

Robert Schoblick

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

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Information

Year
2013
ISBN
9783645270311

1 Elektrofahrzeuge

Das Elektroauto gilt als Fortbewegungsmittel der Zukunft: Es verursacht keine Emissionen, fĂ€hrt, vom ReifengerĂ€usch abgesehen, nahezu lautlos und hat das Potenzial, das Autofahren zu revolutionieren. Vor einigen Jahrzehnten, als der Benzinpreis noch keine Rolle spielte, waren Autos wahre SchmuckstĂŒcke. Das Design und natĂŒrlich Faktoren wie Geschwindigkeit und Beschleunigung waren ein Statussymbol. Doch damals bestaunte man Geschwindigkeiten, die heute zum allgemeinen Durchschnitt zĂ€hlen. Zugegeben: Ein leistungsstarker Sportwagen oder eine Limousine der gehobenen Mittelklasse lĂ€sst die Tachometernadel mĂŒhelos jenseits der 250 km/h-Marke drehen. Kann ein Elektroauto da mithalten? Elektro, das ist doch »Öko«! Manche assoziieren damit langhaarige »Freaks«, TrĂ€umer und Weltverbesserer, ohne dass sie fundierte Kenntnis der ZusammenhĂ€nge hĂ€tten.
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 verÀndert.
ElektromobilitĂ€t 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 fĂŒr das Umdenken im Straßenverkehr. Die Abkehr vom Verbrennungsmotor ist eine große Chance fĂŒr technische Innovationen. Sie wird neue MĂ€rkte eröffnen, doch sie steht großen, heute existierenden MĂ€rkten 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 unabhĂ€ngige MobilitĂ€t durchzusetzen wird wegen politischer und wirtschaftlicher Interessen schwierig werden. Solange aber Techniker Freude an Innovationen haben, wird sich diese Art der MobilitĂ€t ĂŒber kurz oder lang trotz aller WiderstĂ€nde durchsetzen.
Die ersten Elektroautos gab es schon vor ĂŒber 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 HĂ€nde 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 mĂŒssen Gleise verlegt und Bahnhöfe errichtet und betrieben werden. Die Bahn ist jedoch ohne Frage ein sehr schnelles Transportmittel und das klassische Beispiel fĂŒr ElektromobilitĂ€t. 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 ĂŒber den Fahrdraht und die Gleise.
Bei der Bahn bietet der elektrische Antrieb viele Vorteile: Neben dem gegenĂŒber Diesel-lokomotiven leisen MotorengerĂ€usch bieten elektrische Triebwagen einen sanften Anlauf bei gleichzeitig hohen möglichen Endgeschwindigkeiten. So erreicht der ICE 3 eine Geschwindigkeit von ĂŒber 320 km/h.
NatĂŒrlich ist eine Leistung von rund 9.000 kW (ca. 11.000 PS) nicht ĂŒber den Anschluss an eine Haushaltssteckdose zu bedienen. Die Bahn speist ihre Triebwagen ĂŒber Hochspannungsleitungen, um möglichst kleine Ströme und damit dĂŒnne Leiterquerschnitte der FahrdrĂ€hte zu erreichen. 15 kV betrĂ€gt die Spannung am Fahrdraht der Deutschen Bahn AG bei einer Netzfrequenz von 16,7 Hz. Das entspricht aus historischen GrĂŒnden ungefĂ€hr 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 osteuropĂ€ische Staaten.
GefÀhrliche Mutproben!
Ein offenbar beliebter »Sport« unter abenteuerlustigen Jugendlichen ist das »Surfen« auf Bahnen. Abgesehen von der Tatsache, dass das grundsĂ€tzlich untersagt und strafbar und die Unfallgefahr durch AbstĂŒrzen enorm ist, stellt die Hochspannung an sich ein großes Risiko dar: Gegeben ist sowohl die Gefahr eines Stromschlags bei direkter BerĂŒhrung leitender Teile als auch das Risiko, durch einen ĂŒberspringenden Lichtbogen Verbrennungen und tödliche StromschlĂ€ge zu erleiden. FĂŒr RettungskrĂ€fte ist bei Spannungen von 1 kV bis 110 kV bei Bergungs- und RettungseinsĂ€tzen ein Abstand von 3 m zu den Spannung fĂŒhrenden Teilen vorgeschrieben.
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Bild 1.1: Auch das ist ElektromobilitÀt mit 11.000 PS: Foto: Uwe Miethe/Deutsche Bahn AG
Die Bahn ist auch fĂŒr den elektrisch betriebenen Individualverkehr ein wichtiges Element auf Fernstrecken, die von rein elektrisch betriebenen Pkws derzeit noch nicht ĂŒberwunden werden können. In einem modernen Verkehrskonzept bietet die Bahn zuverlĂ€ssige und angemessen getaktete Verbindungen fĂŒr mittlere und ferne Reisestrecken. Die Bahn ist darĂŒber hinaus ein wichtiges Element in Park-and-ride-Konzepten. An Bahnhöfen mĂŒssen aber in ausreichender Menge LadesĂ€ulen fĂŒr Elektrofahrzeuge sowie in BallungsrĂ€umen 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 fĂŒr eine saubere MobilitĂ€t, die Entlastung von BallungsrĂ€umen und neue Potenziale fĂŒr die Wirtschaft.

1.2 E-Bikes

ElektrofahrrĂ€der, Pedelecs/E-Bikes sind ein Fortbewegungsmittel mit großer Zukunft. Sie stehen nicht in direkter Konkurrenz zu den klassischen Kraftfahrzeugen, sondern sind und bleiben FahrrĂ€der, die jedoch mit einem Elektroantrieb unterstĂŒtzt benutzt werden können. Das ist sinnvoll bei Fahrten an Steigungen oder auch fĂŒr Ă€ltere und schwĂ€chere Menschen, denen mit einem E-Bike auch lĂ€ngere AusflĂŒge ermöglicht werden. E-Bikes kommen mit sehr preiswerten Akkus aus, die vom Rad getrennt und an einem LadegerĂ€t im Haus geladen werden können. Eine spezielle Ladeinfrastruktur ist im öffentlichen Straßenverkehr nicht unbedingt erforderlich, jedoch wĂŒrde dadurch auch die MobilitĂ€t mit E-Bikes gefördert.
Es gibt interessante Konzepte, um auch herkömmliche FahrrĂ€der nachzurĂŒsten. Eine solche Lösung war auf der eCarTec 2012 in MĂŒnchen 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 GelĂ€nde (Mountainbikes) sollten mit diesem System nicht ausgerĂŒstet werden, um die Gabel des Rads nicht zu belasten.
GĂ€ngige AnsĂ€tze der Elektrifizierung von FahrrĂ€dern sind Mittelmotoren, die im Tretlager eingebaut sind, oder Radnabenmotoren, die direkt auf das Hinterrad wirken. FĂŒr den Antrieb von E-Bikes kommen z. B. kleine Gleichstrom- und Universalmotoren zum Einsatz, die Leistungen von ungefĂ€hr 500 W haben.
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Bild 1.2: E-Bikes sind flexible und einfach konstruierte Elektrofahrzeuge, die nicht nur in der Freizeit sinnvoll eingesetzt werden können.
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Bild 1.3: Pedale sind hier ĂŒberflĂŒssig, denn es handelt sich nur optisch um ein Fahrrad. Man fĂ€hrt mit einem Elektroantrieb.
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Bild 1.4: In einer Fahrrad-Rikscha können Touristen in InnenstĂ€dten wie Berlin und MĂŒnchen bereits entspannt die SehenswĂŒrdigkeiten bewundern. Den Chauffeur unterstĂŒtzt bei diesem Fahrzeug ein leistungsfĂ€higer Elektromotor.

1.3 Elektro-Scooter

E-Scooter sind derzeit das beliebteste Fahrzeug mit rein elektrischem Antrieb. Auch sie liegen in den Anschaffungskosten deutlich ĂŒber 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 KraftrĂ€dern 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.
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Bild 1.5: Die kleinen elektrischen Flitzer haben das Potenzial, schon recht bald Roller mit Verbrennungsmotor in der Klasse bis 45 km/h vollstĂ€ndig zu ersetzen. Sie bieten nicht nur umweltfreundliche MobilitĂ€t, sondern auch jede Menge Fahrspaß.
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Bild 1.6: Nicht lachen! »Tante Paula« ist ein geniales Fahrzeug, denn mit wenigen Handgriffen ist es so klein, dass es bequem neben den EinkÀufen 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 GrĂŒnden großer Widerstand entgegen gebracht. Ein wesentlicher Kritikpunkt ist die noch begrenzte Reichweite mit einer Akkuladung. Bei kleineren Nutzfahrzeugen ist der Elektroantrieb jedoch lĂ€ngst eine etablierte Alternative. Hier spielt, neben der Wartungsfreundlichkeit der Fahrzeuge, die Wirtschaftlichkeit eine große Rolle. Immer mehr in den Vordergrund rĂŒckt auch der Image-Gewinn fĂŒr 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 grĂ¶ĂŸere Maschinen wie z. B. MĂŒllentsorgungsfahrzeuge. Die Benteler-Gruppe hat 2012 ein MĂŒllentsorgungsfahrzeug mit einem Hybridantrieb entwickelt, bestehend aus einem konventionellen Dieselmotor und einem hochleistungsfĂ€higen Elektroantrieb. Das tonnenschwere Fahrzeug ist eine klare Ansage an die Ingenieure des Automobil- und Nutzfahrzeugbaus, denn ein MĂŒllentsorgungsfahrzeug ist hochkomplexe Technik. Im Sammelbetrieb wird das Fahrzeug nicht nur rein elektrisch angetrieben und fĂ€hrt damit nahezu gerĂ€uschlos durch die Straßen, auch das bei konventionellen Modellen lautstarke Presswerk arbeitet weit unterhalb der LĂ€rmgrenzwerte. So verursacht neben einem Surren der Presse nur das Klappern der Container am Heck GerĂ€usche. Hier wird der Elektroantrieb – wenngleich das Fahrzeug deutlich teurer ist als eine klassische AusfĂŒhrung – 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 tagtĂ€glich hinter den MĂŒllsammlern Staus bilden. Denkbar ist auch ein Mehrschichtbetrieb, durch den das Fahrzeug besser ausgelastet wĂ€re und wirtschaftlicher betrieben werden könnte.
Rein elektrisch fĂ€hrt das MĂŒllentsorgungsfahrzeug allerdings nur wĂ€hrend des Sammelbetriebs. Der Weg zur Deponie wird mit dem Dieselmotor zurĂŒckgelegt. Dieser Kompromiss ist bei der heute verfĂŒgbaren Batterietechnologie bisweilen nötig, um dem Fahrzeuggewicht und der erforderlichen LeistungsfĂ€higkeit gerecht zu werden. FĂŒr den Mehrschichtbetrieb sind zudem Schnellladesysteme oder Batteriewechsel von entscheidender Bedeutung.
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Bild 1.7: Dieses kleine Straßenreinigungsfahrzeug wird rein elektrisch angetrieben. Es eignet sich hervorragend fĂŒr den Einsatz in Wohngebieten, wo es gerĂ€uscharm operieren kann. Foto: Gabi Schoblick/e-emotion.net

1.5 Oberleitungsbusse

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

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