Elektroauto: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 30. März 2010, 18:15 Uhr

Vorwort

Seit vielen Jahren findet in unserer Gesellschaft ein Umbruch statt. Wir, die Menschen, sehen, dass jedes negative Verhalten gegenüber der Umwelt unmittelbare Folgen nach sich zieht. Durch dieses Verhalten der letzten Jahrzehnte hat sich die Natur stark verändert. Die Pole schmelzen, Wälder sterben aufgrund von Saurem Regen und die Zahl von Naturkatastrophen wie z.B. Wirbelstürme oder Tsunamis nimmt stark zu. Die Menschheit ist verpflichtet seinen und den Lebensraum anderer Lebewesen zu erhalten. Dies wird zum einen durch Maßnahmen zur Rettung von Lebensraum, wie z.B. Regenwälder etc. unterstützt. Zum anderen werden präventiv Maßnahmen eingeführt. Durch Kalken von Wäldern wird versucht den Sauren Regen entgegenzuwirken. Doch es ist nicht immer möglich Naturreaktionen aufzuhalten. Der Mensch muss Lösungen finden, mit denen es möglich ist, mit der Natur im Einklang zu sein. Wir befassen uns in dieser Ausarbeitung mit einem der am häufigsten genutzten Gebrauchsgegenstände, der Menschen in einem Industriestaat. In Deutschland gibt es 49,6 Millionen zugelassene Kraftfahrzeuge, die mehr oder weniger stark die Umwelt mit ihren Abgasen belasten. Im Verlauf der Ausarbeitung werden Sie über die Technik und deren Entstehungsgeschichte eines Kraftfahrzeuges mit Elektrischem Antrieb aufgeklärt. Außerdem werden die Grenzen der auf dem Markt befindlichen Fahrzeuge aufgezeigt. Unser Hauptaugenmerk liegt dabei in der Energiespeicherung und deren Verwendung bzw. Umwandlung in mechanische Energie. Zusätzlich erhalten sie einen kleinen Einblick in die Technik eines mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeuges.

Inhaltsverzeichnis

1. Geschichte
2. Elektromotor bzw. Elektrische Maschine
2.1 Gleichstrommaschine
2.2 Wechsel- bzw. Drehstrommotor
3. Elektrische Steuerung
3.1 Transformator
3.2 Frequenzumrichter
4. Energiespeicher
4.1 Elektrochemische Energiespeicher
4.2 Brennstoffzelle
4.3 Solarzellen
4.4 Elektrostatische Energiespeicher
5. Antrieb
5.1 Reifen
6. Wirkungsgrad
7. Quellenverzeichnis

Das Auto

1. Geschichte

Die Erfindung des Elektroautos wurde erst möglich mit der Entwicklung eines Mobilen-wiederaufladbaren Elektrizitätsspeichers.
1860 entwickelte Gaston Planté die erste Blei Batterie, und setzte damit den Grundstein für die weitere Entwicklung eines Elektrisch betriebenen Fahrzeuges. Bereits sechs Jahre später erfand Werner von Siemens den Gleichstrommotor mit Elektromagneten und machte es dadurch möglich die gespeicherte Energie zu nutzen.
Der Franzose Charles Jeantaud konstruierte 1881 ein Elektrofahrzeug, in dem wiederaufladbare Bleiakkumulatoren die Elektrizität speichern und diese von Gleichstrommotoren genutzt wurde. So erfand er das erste Elektroauto. Von da an stieg die Anzahl der zugelassenen Fahrzeuge mit Elektrischen Antrieb rasant an. 1945 zählte man bereits 20.000 zugelassene Fahrzeuge. In Amerika gab es, speziell in New York, sogar einen Anteil von 50% aller Fahrzeuge mit Elektrischem Antrieb.
Mit der Erfindung des Elektrischen Starters, durch Henry Ford, verdrängte der Otto bzw.
Dieselmotor den Elektromotor aufgrund seiner höheren Reichweite und der wesentliche kürzeren Tankzeiten, denn ein Bleiakkumulator muss stundenlang geladen werden, damit er wieder einsatzbereit ist. Ein mit Benzin bzw. Diesel betriebenes Fahrzeug muss nur mit Kraftstoff betank werden, welches lediglich einige Minuten in Anspruch nimmt und ist sofort wieder einsatzbereit. Doch in heutiger Zeit genießt das Elektrisch betriebene Fahrzeug eine Renaissance.
Aufgrund des Immer mehr vorhandenen Umweltbewusstseins, werden neue Technologien gesucht bzw. erforscht, welche eine Verwendung von Elektromotoren attraktiv machen.
Außerdem ist die steigende Rohstoffknappheit ein ausschlaggebender Punkt für Elektroautos.
Der Staat ist bemüht das Emissionsfreie Elektroauto attraktiver zu gestalten, indem er sehr günstige Steuersätze ausspricht.
Ein durchschnittliches Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor kostet ca. 100 bis 140 Euro, wenn es Schadstoffarm ist.
Ein Elektroauto wird nach Gewicht besteuert, daraus resultieren erheblich günstigere Steuersätze. Z.B.: Ein Elektrisch getriebenes Fahrzeug mit einer zulässigen Gesamtmasse von 1500 Kg kostet lediglich 45 Euro im Jahr.
Ein weiterer Fortschritt ist in der Akkumulatoren Technologie zu verzeichnen.
Die Verwendung von Lithium-Ionen Akkumulatoren kann die Reichweite eines Elektroautos verdoppeln und dessen Gewicht reduzieren.

2. Elektromotor bzw. Elektrische Maschine

Heutzutage sind Elektrische Maschinen für Haushalt und Industrie nicht mehr wegzudenken. Sie nutzen saubere Energie in Form von Elektrizität und wandeln diese in Mechanische Energie um. Früher wurden sie deshalb auch Energiewandler genannt. Der Elektromotor hat damit die umgekehrte Funktion des Generators, welcher mechanische Drehbewegungen in Elektrizität umwandelt. Man unterscheidet zwischen Elektrischen Motoren und Elektrischen Maschinen, wobei erstere ausschließlich der Umwandlung von Elektrizität in Bewegungen dient. Elektrische Maschinen sind in der Lage beide Aufgaben zu bewältigen. Beim Stromdurchfluss wird elektrische Energie in Mechanische Umgewandelt. Wenn nun der Stromfluss unterbrochen wird, und die Welle weiter dreht, tritt der Generatorbetrieb ein und es wird elektrische Energie an die Elektrizitätsspeicher zurückgegeben. Heutzutage findet man hauptsächlich Gleich- und Wechsel- bzw. Drehstrommaschinen an. Jedoch werden Hauptsächlich Drehstromantriebe in Elektroautos verwendet.

2.1 Gleichstrommaschine

Die Gleichstrommaschine ist eine der am Einfachsten Aufgebauten Elektroantriebe. Er nutzt Gleichstrom, wie er in Batterien zu finden ist, um eine Welle in Drehung zu versetzen. Er besteht im Einfachsten Fall aus einem Dauermagneten, Kommutator, Kontaktbürsten und einer Spulenwicklung. Der Kommutator sorgt dafür, dass die Richtung des Stromes alle 180° einmal umgekehrt wird, da die Welle sonst nach einer halben Drehung einfach stehen bleibt. Dieser Vorgang wird mechanisch durchgeführt, resultierend aus der Bauform des Kommutators. Aufgrund des mechanischen Stromwenders, welcher ab einer Drehzahl von über 5000 U/min keine Veränderung mehr wahrnehmen kann, ist die Drehzahl auf 4 000 bis 5 000 Umdrehungen pro Minute begrenzt, was wiederum zu einem geringen Leistungsgewicht von nur 0,15 kW/Kg führt. Wenn man nun bedenkt, dass man ein Fahrzeug mit ca. 60 kW bauen möchte, müsste man ein Motor von ungefähr 400 Kg einsetzen.

Gleichstrommaschinen gibt es aber auch in Komplexeren Ausführungen. So z.B. mit mehreren Spulen, welche jeweils nebeneinander versetzt angeordnet sind. Der Kommutator besitzt in diesem Fall für jede Spule einen Abschnitt. Außerdem gibt es Bauformen wo der Dauermagnet durch Spulen ersetzt wird, man nennt ihn nun Stator. Verwendung findet die Gleichstrommaschine heutzutage nur noch in Bereichen wo keine Explosionsgefahr besteht. Dies hat den einfachen Grund, dass beim Übergang von Bürste zu Kommutator Funken entstehen, man nennt diesen Effekt Bürstenfeuer. Ferner sind Gleichstrommaschinen teurer im Unterhalt, aufgrund ihres hohen Verschleißes an Kohlebürsten, und haben bei weitem nicht die Laufruhe eines Wechsel- bzw. Drehstrommotors.

2.2 Wechsel- bzw. Drehstrommotor

Der am häufigsten eingesetzte Elektroantrieb ist die Asynchronmaschine. Sie weist viele positive Merkmale im Bereich des elektrischen Fahrzeugantriebes auf. Sie ist Wartungsarm, da keine Kohlebürsten vorhanden sind welche verschleißen können, daraus folgt eine dementsprechend hohe Lebensdauer, von ungefähr 100 000 Stunden bzw. elf ein halb Jahre, wohingegen die Gleichstrombetriebene Maschine nur auf 2 000 - 4 000 Stunden kommt, was wiederum nur einem halben Jahr entspricht. Ein weiterer Vorteil ist das einfache Anlaufen bzw. Betreiben am normalen Wechselstromnetz bzw. Drehstromnetz. Asynchronmaschinen werden in unterschiedlichsten Anwendungen mit den verschiedensten Leistungsspektren angeboten. Sie reichen von wenigen Watt bis zu einigen Mega Watt, dabei liegt das Leistungsgewicht bei 0,6 kW/ kg und ist damit vier Mal so effektiv wie eine Gleichstrommaschine.

Aufbau

Die am häufigsten anzutreffende Bauform ist der Asynchronmotor mit Kurzschlussläufer. Bei dieser Bauart besteht der Rotor aus einer Welle, welche mit einem Blechpaket ummantelt ist. Dieses Blechpaket besteht in der Regel aus Dynamoblech. Außen am Rotor befinden sich Nuten die mit Aluminium ausgegossen sind, dadurch entsteht ein Käfig. Zusätzlich gibt es einen Stator. Er besteht auch aus einem Dynamoblechpaket, verfügt aber zusätzlich über eine im Blechpaket integrierte Mehrphasenwicklung. Der Rotor ist im Stator untergebracht hat aber keinen Kontakt zu diesem (Abstand < 0,5 mm). Der Rotor ist am Gehäuse gelagert und lässt sich damit frei drehen.

Funktionsweise

Wenn nun eine Dreiphasenspannung an die Anschlussklemmen des Asynchronmotors angelegt wird, entsteht ein Drehfeld in den Spulen des Stators. Dieses induziert im Läufer Spannungen, welche wiederum Ströme im Rotor verursachen. Diese Ströme sind in der Anlaufphase besonders hoch, da man diese Lage von Stator zu Rotor, mit einem Transformator in Kurzschlussbetrieb vergleichen kann. Da Ströme in Elektrischen Leitern, die sich in einem Magnetfeld befinden, eine Kraft erzeugen, bewegt sich nun der Rotor zeitversetzt (Asynchron) dem Drehfeld hinterher. Die Ströme werden mit steigender Drehzahl geringer, sind also Frequenzabhängig.

3. Elektrische Steuerung

3.1 Transformator

Ein Transformator besteht aus zwei nebeneinander liegenden Spulen, welche auf einem Eisenkern liegen. Bei gleicher Wicklungsanzahl spricht man von einem Trenntransformator zur Galvanischen Trennung von Stromkreisen, hier liegt an der Sekundärspule die gleiche Spannung wie an der Primärspule.

Wenn unterschiedliche Wicklungsanzahlen bzw. Wicklungsdicken vorliegen, kann man Wechselspannungen beliebig herauf- oder herunter transformieren. Hierbei wird aber gleichzeitig der entnehmbare Strom verändert. Beim Herauf transformieren sinkt der Strom und beim Herab transformieren steigt der Strom. Durch das Fließen des Stromes in der Primärspule, wird eine Spannung in der Sekundärspule induziert.

Für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug spielt dies eine entscheide Rolle, da sich somit die elektrischen Ströme verkleinern lassen, welche zusammenhängend auftreten mit der hohen Leistung der elektrischen Antriebe. Durch die geringeren Ströme werden Wärmeverluste minimiert.

3.2 Der Frequenzumrichter

Ein Frequenzumrichter wandelt z.B. Gleichspannung in eine beliebige Wechselspannung um, deren Frequenz in einem großen Bereich regelbar ist. Damit lässt sich die Drehzahl an einer Asynchronmaschine regeln. Ein Frequenzumrichter besteht in der Regel aus einem Gleichrichter, welcher die ankommende Wechselspannung in einen Gleichspannungszwischenkreis speist. Diese Gleichspannung wird von einem Wechselrichter, der aus Schalttransistoren (Insulatet Gate Bipolar Transistor; IGBT), oder Schaltthyristoren (Integratet Gate Commutated Thyristor; IGCT) besteht. Somit wird eine pulsweitenmodulierte (PWM) Spannung erzeugt. Die Ausgangsspannung hat dadurch einen Sinusförmigen Verlauf, doch der Strom ähnelt im Verlauf noch dem Gleichstrom. Mit Hilfe der verstellbaren Frequenz lässt sich ein Wechsel- bzw. Drehstrom gespeister Motor in der Drehzahl regulieren.

4. Energiespeicher

4.1 Elektrochemische Energiespeicher

Der einfachste Elektrochemische Energiespeicher besteht aus einer Anode und einer Kathode, die sich in einem Elektrolyt befinden. Als Elektrolyt werden elektrisch Leitende Flüssigkeiten oder Feststoffe verwendet. Einer der bekanntesten elektrochemischen Energiespeicher ist die Bleibatterie. Bei ihr wird als Elektrolyt Schwefelsäure an der Kathode und Blei an der Anode verwendet. Durch das Anlegen einer Spannung zwischen Kathode und Anode bildet sich an der Anode eine Schicht Bleioxid. Wenn man nun die Spannungsquelle abklemmt, ist eine Spannung messbar. Somit kann diese gespeicherte elektrische Energie verwendet werden. Blei Akkumulatoren sind die am Kostengünstigsten zu produzierenden Akkumulatoren. Jedoch besitzen sie im Gegensatz zu anderen Arten von Akkumulatoren die geringste Energiedichte von nur 25-30 Wh/kg. Ferner sind sie sehr Empfindlich gegenüber Tiefentladung, welche sie unbrauchbar machen würde. Bei Nickel-Eisen-, Nickel-Cadmium- und Nickel-Hydrid- Akkumulatoren liegt die Energiedichte schon bei 40-60 Wh/kg. Diese besitzen außerdem die Möglichkeit der Schnellladung, die es möglich macht den Akku innerhalb von zwanzig Minuten zu 80% aufzuladen. Zink-Brom-Akkumulatoren besitzen eine Energiedichte von ca. 85 Wh/kg. Diese Art des Akkumulators ist äußerst robust gegenüber der Tiefentladung. Außerdem entlädt sich der Akku nicht im abgeschalteten Zustand. Bei Lithium-Akkumulatoren steigert sich die Energiedichte sogar auf einen Wert von 100 Wh/kg. Dieser Wert wird allerdings noch von dem Natrium-Schwefel-Akkumulator überschritten, welcher einen Spitzenwert von über 120 Wh/kg erreichen kann. Dieser Akkumulator hat aber einen entscheidenden Nachteil, denn er muss in einem Temperaturbereich von 300°C bis 350°C gelagert werden um betriebsbereit zu sein. Daher kommt auch der Name Hochtemperatur-Batterie. Im Bezug auf die Lebensdauer der Akkus schneidet der Blei Akkumulator mit einer Laufleistung von ca. 60 000 Km ab. Der Natrium-Schwefel-Akkumulator hat hingegen eine Laufleistung von ca. 200 000 Km. Eine weitere Steigerung der Energiedichten ist in absehbarer Zukunft nicht zu erwarten. Der nächste Schritt wäre der zur Brennstoffzelle, die wesentlich höhere Werte erzielen kann.

4.2 Brennstoffzelle

Brennstoffzellen haben eine der höchsten Energiedichten der chemischen Energiespeicher. Die Brennstoffzelle nutzt das Prinzip der umgekehrten Elektrolyse. In ihr befinden sich zwei Elektroden, in deren Mitte sich eine Elektrolytmembran befindet. Bei der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle wird an der Anode Wasserstoff zugeführt und an der Kathode Sauerstoff in Form von Luft. Der Wasserstoff versucht nun eine Verbindung mit dem Sauerstoff einzugehen, kann dieses aber nur teilweise durchführen, da die mit einem Katalysator beschichtete Elektrolytmembran ausschließlich die positiv geladenen Protonen durchlässt.

Die negativ geladenen Elektronen müssen hingegen einen Umweg durch den Leiter bzw. Verbraucher (Motor) gehen. Als Endprodukt entsteht Wasser, Wärme und Elektrizität.
Brennstoffzellen haben eine Energiedichte von 500 Wh/kg, womit sie eine Fahrstrecke von fast 500 km pro Tankladung zurücklegen können. Somit hat das Elektroauto mit Brennstoffzelle keinen Nachteil in punkto Langstreckenbewältigung.

Wird bearbeitet von Stefan Dalibor Kfz-U
(Diese Ausarbeitung enthält Auszüge der Facharbeit von Kilian Stumpf und Stefan Dalibor)