ANTRIEBSTECHNIK Elektroantrieb Lehrermaterial und Kopiervorlagen Klassen 8 bis 10

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1 Hanne Lier Markus Röscheisen Dieter Schaich ANTRIEBSTECHNIK Elektroantrieb Lehrermaterial und Kopiervorlagen Klassen 8 bis 10 Daimler AG Klett MINT GmbH Stuttgart

2 Inhaltsverzeichnis Elektroantrieb 10 Lehrerinformationen Alternativen warum und welche? Elektromagnetismus Aufbau und Funktion eines Drehfeld-Elektromotors Die Elektrifizierung des Autos Warum haben noch nicht alle Autos einen Elektroantrieb? Zum Trainieren und Merken: Elektroantrieb 49 50

3 10 Lehrerinformationen 27 Internetadressen über Batterietechnologien: html technik-know-how/antriebstechnik/article/1347/0/ Die_Batterie_ist_der_Schluessel/ Animationen von Galvanischen Zellen, Batterien etc: galvanisches%20element.html essentialchemistry/flash/galvan5.swf über Elektroautos: de.wikipedia.org/wiki/elektroauto elektroauto-akkus/ name=eautogeschichte&file=eautog1 Animationen von Gleichstrom-Elektromotoren und Induktion: Den direkten Zugang zu diesen Seiten bekommen Sie über die Link-Liste auf beiliegender CD-ROM. Leitfragen Warum sucht man nach Alternativen für den Verbrennungsmotor? Wie verhalten sich Wirkungsgrad und Umweltverträglichkeit von Verbrennungsmotoren und Elektromotoren im direkten Vergleich? Wie funktioniert ein Elektromotor? Was bedeutet Elektrifizierung des Autos? Warum haben nicht alle Autos einen Elektroantrieb? In welchen Bereichen besteht der hauptsächliche Forschungsbedarf bei der Elektrifizierung von Autos? Lehrerhinweise zu AB 12: Elektromagnetismus Je nach Vorkenntnissen der Schülerinnen und Schüler müssen die Begriffe Magnetfeld und Feldlinien wiederholt oder besprochen werden. Dies kann auch anhand des Lehrerversuchs geschehen. Dabei sollten folgende Ergebnisse herausgearbeitet werden: Jeder Magnet hat zwei verschiedene Pole, einen magnetischen Nord- und einen magnetischen Südpol. An den Polen eines Magneten ist die magnetische Kraft am stärksten. Nähert man zwei Magnete mit ihren gleichen Polen, so stoßen sie sich ab, andernfalls ziehen sie sich an. Ein Magnet in der Nähe eines Körpers aus Eisen richtet dessen Elementarmagnete aus. Der Eisenkörper wird magnetisiert, er wird zum magnetischen Dipol. Es gibt keine magnetischen Einzelpole. Im Wirkungsbereich um einen Magneten erfahren andere Magnete Kräfte. Man nennt diesen Wirkungsbereich magnetisches Feld. Die Struktur eines Magnetfeldes wird durch Feldlinien beschrieben.

4 28 10 Lehrerinformationen Zu Versuch 2: Magnetische Wirkung des elektrischen Stroms: Wichtig ist nur, dass sich bei Vertauschung des Plus- und Minusanschlusses an der Spule auch das Magnetfeld umpolt. Man sollte aber darauf achten, dass es nicht zu folgender Fehlvorstellung kommt: Pluspol an der Spule Minuspol an der Spule Nordpol des Magnetfelds Südpol des Magnetfelds oder umgekehrt. Um dieser falschen Vorstellung entgegenzuwirken, kann man die Zusatzaufgabe stellen: Ändere bei gleicher elektrischer Polung den Wicklungssinn der Spule. Lehrerhinweise zu AB 13: Aufbau und Funktion eines Drehfeld-Elektromotors Zu Versuch 1: Lernziel: Der Rotor wird durch magnetische Anziehung durch die beiden Magnete der Drehscheibe mitgenommen. Um den Rotor in eine Drehbewegung zu versetzen, braucht man ein magnetisches Drehfeld. Im Unterrichtsgespräch kann erarbeitet werden, wie man ein solches magnetisches Drehfeld erzeugen kann, ohne selbst drehen zu müssen. Man braucht mehrere Magnetpaare, die man zeitlich nacheinander ansteuern kann. Permanentmagnete müssen durch Elektromagnete ersetzt werden. Zu Versuch 2: Wichtiger Hinweis: Es müssen immer zwei Spulen in Reihe geschaltet werden (Netzteil 9 V, Spulen für 4,5 V ausgelegt, ca. 1,8 A)! Nach Erklärung der Anschlussbox erarbeiten die Schüler ausgehend von der Idee des Vorversuchs die Schaltung zur Erzeugung des benötigten magnetischen Drehfeldes. Anschlussplan für das Modell des Drehfeld-Elektromotors: L1(+) N(-) L2(+) N(-) L3(+) Info: Auf der beiliegenden CD-ROM finden Sie die Simulation eines Elektromotors, falls kein Modell zur Verfügung steht. N(-) 1U A1 2U A2 2V 1V 4W A6 3W 2W A3 1W 3V 3U A5 A4 4V 4U Spule A1 A2 A3 A4 A5 A6 Buchse 1U 1V 1W 4U 4V 4W Anschluss L1 L2 L3 2U 2V 2W Buchse 2U 2V 2W 3U 3V 3W Anschluss 4U 4V 4W N N N

5 10 Lehrerinformationen 29 Zu Versuch 4: Hier soll die Anwendung der Elektromaschine als Generator gezeigt werden. Anschließend soll die Rückgewinnung von Energie (Rekuperation) beim Elektrofahrzeug erarbeitet werden: Immer dann, wenn der Fahrer vom Gaspedal geht oder bremst, wird elektrische Energie zum Nachladen der Batterie gewonnen (Elektromaschine als Generator). Dadurch wird die Reichweite des Fahrzeugs erhöht. Die Elektromaschine läuft dann als Generator. Er wandelt mechanische Energie (Bewegungsenergie) in elektrische Energie um. Info: Falls es nicht möglich ist, mit dem Drehfeld-Elektromotor oder der entsprechenden Simulation auf der CD- ROM zu arbeiten, können die Arbeitsblätter CD_E_AB10_1 bis 6 von der beiliegenden CD-ROM eingesetzt werden. Weiterführende Texte zu AB 14: Die Elektrifizierung des Autos Geschichte des Elektroantriebs Die ersten Unternehmen, die eine Alternative zum Verbrennungsantrieb als Kraftquelle für das Automobil entwickeln wollten, setzen auf Elektromotoren. Die Motorfahrzeug- und Motorenfabrik Berlin-Marienfelde stellt bereits 1898 ihr erstes Elektrofahrzeug vor. Partner des Projekts ist die US-amerikanische Columbia Electric Company in Connecticut, die bis 1918 Elektroautos baut bietet die Motorfahrzeug- und Motorenfabrik Berlin-Marienfelde auf der Basis des amerikanischen Patents vier verschiedene Personenwagen an. Ihr Elektromotor überträgt seine Kraft über einen Zahnradantrieb auf die Hinterachse. Mit der schnellen Weiterentwicklung des Verbrennungsmotors kann das Elektromobil nach dem System Columbia Electric jedoch nicht mithalten. So wird die Produktion in Berlin-Marienfelde bereits 1902 wieder eingestellt. Der erste Mercedes mit elektrischem Antrieb entsteht 1907 in Wien. Insbesondere für Feuerwehren und Busse werden die Fahrzeuge vom Typ Mercedes-Electrique eingesetzt. Für solche Elektroautos entscheidet sich 1908 auch die Berliner Feuerwehr, als ein neuer Löschzug mit vier Mercedes- Electriques in Dienst gestellt wird. Das erste Konzept für einen modernen Elektrotransporter entsteht bei Mercedes-Benz bringt die Firma erste Transporter mit Elektroantrieb auf den Markt entsteht ein Prototyp auf Basis der C-Klasse mit Asynchron-Elektromotor als Antrieb. Zebra- Hochenergiebatterien von AEG geben dem Konzeptfahrzeug eine Reichweite von 120 Kilometern. In den folgenden Jahren entstehen Versuchsfahrzeuge mit Hochenergiebatterien vom Typ Zebra auch auf Basis des Transporters Vito 108 E und der A-Klasse. Batteriefahrzeuge stellen jedoch, umweltpolitisch gesehen, letztlich nur eine Notlösung dar, denn die Schadstoffemissionen entstehen bei der Stromerzeugung in den Kraftwerken. Hybridantriebe und auf lange Sicht gesehen Brennstoffzellenfahrzeuge mit der Stromerzeugung an Bord, bieten die deutlich besseren fahrdynamischen und wirtschaftlichen Alternativen.

6 30 10 Lehrerinformationen Weiterführende Infos zu AB 15: Warum haben noch nicht alle Autos einen Elektroantrieb? Lithium-Ionen-Batterien Entscheidende Voraussetzung für alle Elektroantriebssysteme ist ein leistungsfähiger, sicherer und zuverlässiger Energiespeicher. Die Leistungsfähigkeit des gesamten elektrischen Systems im Automobil wird wesentlich durch die Batterie mitbestimmt. Neben spezifischen Leistungsmerkmalen vor allem der Speicherkapazität muss die Batterie eine lange Lebensdauer sowie hohe Crash-Sicherheit aufweisen und recyclingfähig sein. Beste Voraussetzungen bietet die neue Lithium-Ionen-Batterie. Ihre Vorteile liegen insbesondere in ihren kompakten Abmessungen, kombiniert mit einer deutlich höheren Leistungsfähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Batterietechnologien. Weitere Fortschritte verspricht die Lithium-Ionen-Flachzelle mit höherer Energiedichte und noch kompakteren Abmessungen. Dank des leistungsfähigen Kühlsystems und des intelligenten Temperaturmanagements arbeitet die Lithium-Ionen-Batterie immer im optimalen Temperaturbereich zwischen 15 und 35 C. So werden klimaunabhängige Zuverlässigkeit sowie volle Leistungsfähigkeit und ein hervorragendes Kaltstartverhalten über die gesamte Lebensdauer sichergestellt. Eine unter Großserienbedingungen kostengünstige Produktion der Lithium-Ionen-Batterie ist die Voraussetzung für eine breite Anwendung im Automobilbereich. Deshalb wird an der Zellstandardisierung dieser Batterietechnologie gearbeitet. Entwicklungsziel ist eine standardisierte, industrialisierte Produktion von Lithium-Ionen-Batterien sowohl für Hybridals auch für Brennstoffzellen- und reine Batteriefahrzeuge soll die Serienproduktion starten. Wie funktioniert eine Lithium-Ionen-Batterie? Die CERIO Batteriezellen von Li-Tec bestehen aus drei Hauptkomponenten: einer positiven Elektrode aus einem Lithium-Metalloxid auf einem Aluminiumableiter (1 Kathode), einer negativen Elektrode mit Graphit als Hauptbestandteil auf einem Kupferableiter (2 Anode), einem hochmolekularen Ionenleiter mit einer keramischen Trennmembran (3), die Kathode und Anode zuverlässig voneinander trennt und somit den inneren Kurzschluss verhindert. Dank seiner porösen Struktur lässt die Membran die Lithium- Ionen passieren (4). Diese wandern beim Laden der Zellen von der Kathode durch den Ionenleiter mit der Trennmembran zur Anode. Beim Entladen wandern die Lithium-Ionen zurück zur Kathode. Dabei wird die elektrische Energie wieder freigesetzt. Quelle: Li-Tec Battery GmbH / Internet: Zusatzangebot Batterien als Energiespeicher / Funktion einer Batterie Bei Bedarf oder Wiederholung kann das Arbeitsblatt CD_E_AB10_1 von der beiliegenden CD-ROM kopiert werden. Die Lösung CD_E_AB10_1L finden Sie ebenfalls auf der CD-ROM.

7 11 Alternativen warum und welche? 31 Info: Kraftstoffe aus Erdöl bestehen aus einem begrenzten Rohstoff (fossile Rohstoffe), sie haben einen schlechten Wirkungsgrad und sie werden verantwortlich gemacht für den Treibhauseffekt. Deswegen sucht man nach Alternativen. 1. Sieh dir das nebenstehende Diagramm an und beantworte folgende Fragen und Aufgaben. a) Berechne den CO 2 -Ausstoß in t durch den Verkehr weltweit in den Jahren 1971 und b) Berechne den gesamten CO 2 -Ausstoß in China und Indien sowie in den USA und in Deutschland. Stelle die Ergebnisse in Mrd. t für die Jahre 1971 und 2007 tabellarisch gegenüber. Jahr China Indien USA Deutschland c) Kennzeichne in der Tabelle mit einem schwarzen (Mehrausstoß) oder einem blauen (weniger Ausstoß) Pfeil die jeweiligen Staaten. CD_E_AB11_1

8 32 11 Alternativen warum und welche? d) Welche Gründe könnten für das starke Ansteigen des CO 2 -Ausstoßes in China und Indien vorliegen? e) Überlege, warum laut Schaubild in den USA, in Japan und in Deutschland der prozentuale Anteil des CO 2 -Ausstoßes zurückgegangen sein könnte. f) Was fällt dir in der Tabelle zu Aufgabe b) auf? Betrachte die von dir eingezeichneten Pfeile und schreibe eine Erklärung auf. 2. Berechne anhand der folgenden Angaben, wie viel Energie in kwh ein Deutscher durchschnittlich im Verkehr pro Jahr verbraucht (nimm an, dass CO 2 -Ausstoß und Energieverbrauch proportional sind). 10,88 t CO 2 produziert jeder Deutsche durchschnittlich im Jahr; davon entfallen 2,52 t auf den Verkehr. Der Primärenergieverbrauch pro Person beträgt hierzulande kwh/a. 3. Überlege, in welchen Bereichen man nach Alternativen für fossile Brennstoffe sucht und begründe deine Aussage. CD_E_AB11_2

9 11 Alternativen warum und welche? Das Diagramm zeigt die Entwicklung des Straßenverkehrs in Deutschland von 1960 bis % 500 Einführung Dreiwegekatalysator Fahrleistung CO CO HC NO x PM a) Recherchiere (z.b. im Internet) die Bedeutungen der einzelnen Abkürzungen und ergänze die Steckbriefe. NO x Name: CO 2 Name: HC (oder CH) Name: Steckbrief: Steckbrief: Steckbrief: CO Name: PM Name: Steckbrief: Steckbrief: Info: Ein Katalysator ermöglicht oder beschleunigt eine chemische Reaktion ohne sich selbst zu verändern. Ein Dreiwege-Katalysator im Kfz wandelt Kohlenstoffmonooxid, Kohlenwasserstoffe und Stickstoffoxide um in Kohlenstoffdioxid, Stickstoff (Hauptbestandteil der Luft) und Wasser(dampf). HC CO NO X b) Schreibe zusammen mit deinem Banknachbarn/deiner Banknachbarin ein Referat (max. 1 DIN-A4-Seite) über die Zusammenhänge, die das Diagramm in Aufgabe 4 aufzeigt. Gehe dabei auf Fahrleistungen, Katalysator und Schadstoffe ein. H 2 O CO 2 N 2 CD_E_AB11_3

10 34 11 Alternativen warum und welche? 5. Diskutiere die folgenden Abbildungen. Wirkungsgrad 25% Wirkungsgrad 75% Getriebe Differenzial Tank Verbrennungsmotor Elektromotor Leistungselektronik Batterie Rad Rad Verbrauch Energiekosten CO 2 -Ausstoß Benzinmotor 6 L/100 km 1,40 /L 2,36 kg/l Dieselmotor 60 kwh/100 km 1,20 /L 2,65 kg/l Elektroantrieb 20 kwh/100 km 0,20 /kwh 520 g/kwh (Strommix EU) a) Worauf bezieht sich die Angabe des Wirkungsgrades? b) Welche Energie muss zum Vergleich der Antriebe herangezogen werden? c) Ermittle und vergleiche die Kosten pro gefahrenem km bei Autos mit herkömmlichem Verbrennungsmotor und beim Elektroauto. d) Ermittle und vergleiche den CO 2 -Ausstoß pro gefahrenem km bei Autos mit herkömmlichem Verbrennungsmotor und beim Elektroauto. CD_E_AB11_4

11 35 12 Elektromagnetismus A Lehrerversuch zum Elektromagnetismus Materialliste: 1 Stabmagnet 1 Plexiglasplatte mehrere Magnetnadeln 1. Beobachte den Lehrerversuch zum Elektromagnetismus. Was zeigen die Magnetnadeln an? B Schülerversuch 1 zum Elektromagnetismus Materialliste: 1 Stabmagnet 1 Plexiglasplatte Eisenfeilspäne 2. Streue die Eisenfeilspäne auf die Plexiglasplatte. Was beobachtest du? Erkläre deine Beobachtung. 3. Zeichne das Feldlinienbild. CD_E_AB12_1

12 36 12 Elektromagnetismus C Schülerversuch 2: Magnetische Wirkung des elektrischen Stroms Materialliste: 1 Eisenschraube (z.b. Länge 70 mm, Durchmesser 10 mm) ca. 1,40 m isolierter Kupferdraht (z.b. Durchmesser 0,8 mm) 1 Magnetnadel drehbar gelagert Eisenfeilspäne 1 Plexiglasplatte 1 Netzgerät Kabel 2 Krokodilklemmen 4. Wickle den isolierten Draht auf die Eisenschraube (siehe Abb.). Dies ergibt eine Spule mit Eisenkern. Schließe die Spule an das Netzgerät an und überprüfe ihre magnetische Wirkung. 5. Untersuche, wo die Spule ihren magnetischen N-Pol bzw. S-Pol hat. Was ändert sich, wenn du den Plus- und Minusanschluss an der Spule vertauschst? 6. Zeichne auch für diesen Versuch das Feldlinienbild. 7. Vergleiche die beiden Magnetfelder. Beschreibe deine Beobachtungen. 8. Welche Vorteile bieten Elektromagnete gegenüber Stabmagneten? 9. Welche Anwendungen von Elektromagneten kennst du? CD_E_AB12_2

13 37 13 Aufbau und Funktion eines Drehfeld-Elektromotors Materialliste für alle Versuche: Das Modell des nachfolgend beschriebenen Drehfeld-Elektromotors wurde in der Ausbildungswerkstatt der Daimler AG hergestellt. Drehfeld-Elektromotor Permanentmagnet Lämpchen (3,8 V, 70 ma) Lämpchenfassung Kabel A Schülerversuch 1 a) Untersuche die magnetische Polung der Permanentmagnete der Drehscheibe und des Rotors und zeichne sie in die folgende Abbildung ein. Drehscheibe Rotor b) Befestige die Drehscheibe mit zwei Inbus-Schrauben an der Grundplatte mit Rotor. Drehe jetzt die Scheibe von Hand. Was beobachtest du? Erkläre die Beobachtung. CD_E_AB13_1

14 38 13 Aufbau und Funktion eines Drehfeld-Elektromotors Modell eines Drehfeld-Elektromotors Grundplatte mit Permanentmagnet-Rotor Drehscheibe mit zwei Permanentmagneten Stator mit 6 Spulen Box mit Tastschaltern zur manuellen Ansteuerung der Spulen Box zur elektronischen Ansteuerung CD_E_AB13_2

15 A6 A5 A2 A3 13 Aufbau und Funktion eines Drehfeld-Elektromotors 39 B Schülerversuch 2 Ersetze die Drehscheibe durch die Scheibe mit den Spulen. Sie bildet den Stator des Elektromotors. Versuchsziel: Durch Anschließen der Spulen an die Tasterbox soll der Rotor beim Drücken der Taster in eine Drehbewegung versetzt werden. Hinweise unbedingt beachten: Die Spulen sind für 4,5 V ausgelegt, weshalb immer 2 Spulen in Reihe geschaltet werden müssen (Netzteil 9 V). Beim Einschalten der Spulenströme geben die Leuchtdioden die magnetische Polung der Elektromagnete auf der Außenseite des Stators an: Grün Südpol Rot Nordpol Vorüberlegungen: a) Die Elektromagnete sollen die gleiche magnetische Polung wie die Permanentmagnete des Versuchs 1 haben. Zeichne die Pole ein. A1 A4 b) Um den Rotor weiterzudrehen, müssen beim Betätigen eines Tasters jeweils gleichzeitig zwei Spulen eingeschaltet werden (diese Spulen müssen hintereinandergeschaltet werden!). Welche Spulenpaare sind zu bilden? CD_E_AB13_3

16 40 13 Aufbau und Funktion eines Drehfeld-Elektromotors Aufgaben: 1. Schließe zunächst nur das erste Spulenpaar an die Anschlüsse L1 und N des Tasters 1 an und lass die Schaltung vom Lehrer kontrollieren. Dabei ist darauf zu achten, dass die Spulen eine magnetische Polung gemäß Vorüberlegung a haben (beachte: Leuchtdiode grün Südpol). Der Rotor muss jetzt beim Drücken des Tasters von den beiden Spulen angezogen werden. Zeichne die Beschaltung der Spulen in die Abbildung ein. L1(+) N(-) L2(+) N(-) L3(+) N(-) 1U 1V A1 A2 2U 2V 4W A6 3W 2W A3 1W 3V 3U A5 A4 4V 4U 2. Schließe jetzt das zweite und dann das dritte Spulenpaar entsprechend Aufgabe1 an und betätige jeweils die zugehörigen Taster. Vervollständige den Schaltplan von Aufgabe Versetze nun den Rotor durch Drücken der drei Taster in eine Rotationsbewegung. 4. Vergleiche die Beobachtungen von Versuch 1 und Versuch 2. Überlege, inwiefern es sich bei diesem Modell um einen Drehfeldmotor handelt. CD_E_AB13_4

17 13 Aufbau und Funktion eines Drehfeld-Elektromotors 41 C Schülerversuch 3: Elektronische Ansteuerung der Spulenpaare Die Ansteuerung der Spulenpaare soll nun automatisch erfolgen. Schließe die Ansteuerbox gemäß der Anschlussskizze an das Motormodell an. Die Drehzahl lässt sich mit dem Drehknopf regeln. rot 1. Spulenpaar schwarz rot 2. Spulenpaar schwarz rot: + rot 3. Spulenpaar blau: schwarz Wichtige Hinweise für den Betrieb: Bei mittlerer Stellung des Drehknopfs starten (ca. 1/3 aufgedreht) Rotor zum Starten evtl. von Hand antreiben Steigere die Drehzahlen durch langsames Drehen des Drehknopfes, damit der Motor die Synchronisierung nicht verliert. D Schülerversuch 4: Rekuperation Schließe an die Anschlüsse eines Spulenpaares ein Lämpchen an (3,8 V, 70 ma). Wickle um die Achse des Rotors eine Schnur und versetze damit den Rotor in eine Drehbewegung. a) Was beobachtest du? b) Wozu kann man die Elektromaschine also auch benutzen? Kennst du eine solche Maschine aus dem Alltag? c) Inwiefern handelt es sich bei der hier gemachten Beobachtung um eine Umkehrung des Vorganges aus Versuch 3? CD_E_AB13_5

18 42 13 Aufbau und Funktion eines Drehfeld-Elektromotors 5. Das Manuskript für einen Vortrag über Rekuperation ist hier als Ideenskizze abgedruckt. Benutze die Bausteine und schreibe einen Vortrag (ca. ½ Seite DIN-A4) unter folgenden Gesichtspunkten. Was versteht man unter Rekuperation? Wann findet beim Kraftfahrzeug eine Rekuperation statt? Was wird durch die Rekuperation erreicht? Diese gespeicherte Energie kann genutzt werden, um den Elektromotor anzutreiben. Die durch Rekuperation gewonnene Energie reduziert den Kraftstoffverbrauch von Hybridfahrzeugen. Immer wenn ein Fahrzeug abgebremst wird, geht normalerweise sehr viel Energie verloren : Die Bewegungsenergie wird an den Bremsen in Wärme umgewandelt. Bei der Rekuperation wird die beim Bremsen normalerweise als Wärme anfallende Energie in Strom umgewandelt und dann in einem Akku oder Kondensator gespeichert. Beim Bremsen kann die meiste Energie zurückgewonnen und gespeichert werden. Rekuperation steht für Rückgewinnung und meint die Rückgewinnung von Energie. Die meisten Hybridautos sind mit speziellen Bremsanlagen ausgestattet, die bei Betätigung elektrische Energie erzeugen und den Energiespeicher speisen. Überschüssige kinetische Energie eines fahrenden Autos wird nicht einfach ungenutzt in Wärme ungewandelt, sondern stattdessen in elektrische Energie. Die Umwandlung der Bewegungsenergie kann unterschiedlich erfolgen. Auch der Elektromotor selbst kann zur Rückgewinnung der Energie eingesetzt werden. Er funktioniert dann wie eine Motorbremse: Die Reifen übertragen die Bewegungsenergie über den Antriebsstrang zum Elektromotor, der als Dynamo agiert und Strom erzeugt. Bei Elektroautos trägt Rekuperation unmittelbar zu einer spürbaren Erhöhung der Reichweite bei. CD_E_AB13_6

19 14 Die Elektrifizierung des Autos Überlege, wo überall in einem Kraftfahrzeug Elektromotoren eingesetzt werden bzw. welche Systeme elektrisch oder elektronisch gesteuert/geregelt werden. Ergänze die Mindmap. Elektrik im Auto Info: Noch vor 30 Jahren wurden die meisten Bauteile im Auto mechanisch bedient und geregelt. Inzwischen werden selbst in Kleinwagen überwiegend Elektromotoren eingesetzt. Nur beim Antrieb selbst dominiert fast ausschließlich der Verbrennungs motor. Ein Blick zurück offenbart aber Erstaunliches Beantworte die folgenden Quizfragen: Autos mit elektrischem Antrieb gibt es seit 30 Jahren mehr als 100 Jahren ca. 10 Jahren Zu Beginn des 20. Jahrhunderts gab es Autos mit Verbrennungsantrieb Elektroantrieb Dampfantrieb Der Anteil des Verbrennungsmotors betrug zu Beginn der Automobilentwicklung ca. 22% fast 100% unter 10% Der Anteil an Elektroautos betrug zu Beginn der Automobilentwicklung knapp 40% fast 100% unter 10% CD_E_AB14_1

20 14 Die Elektrifizierung des Autos Hier sind mehr als 100 Jahre Entwicklungsgeschichte elektrischer Antriebstechnik zu sehen leider durcheinander geraten. Ordne die Texte den Bildern zu, indem du die Jahreszahl aus den Bildern in den passenden Text setzt. Mercedes-AMG entwickelt einen elektrisch angetriebenen Sportwagen mit kraftvollem, emissionsfreiem Antrieb. Spitzenleistung: 392 kw Vmax: > 200 km/h Reichweite: km Ladezeit 100%: 8 h (über Nacht) Zieleinlauf eines Rennwagens mit Hybridantrieb und elektrischen Radnabenmotoren in den Vorderrädern Der erste elektrisch betriebene Automobil-Feuerlöschzug Deutschlands bei der Berliner Feuerwehr. Start eines Modellversuchs mit Elektro-Hybridbussen im regulären Linienverkehr Der smart electric drive geht in Serienproduktion Hier ist der erste Elektrotransporter mit Batteriewechseltechnik (Versuchsfahrzeug). Daimler präsentiert seinen ersten Elektro-Pkw mit einer 600 (!) Kilogramm schweren Nickel-EisenBatterie. Einer der ersten Elektrowagen: Hybridfahrzeuge werden als Mercédès Mixte, batterieelektrische Fahrzeuge als Mercédès Electrique angeboten CD_E_AB14_2

21 14 Die Elektrifizierung des Autos Die beiden Abbildungen zeigen zwei Antriebskonzepte. a) Übersetze die englischen Begriffe und erkläre sie ggf. On board charger Power distributor Power electronics Electric motor High voltage battery Bild 1 Combustion engine Range extender Power electronics Electric motor Fuel tank High voltage battery Bild 2 CD_E_AB14_3

22 46 14 Die Elektrifizierung des Autos b) Vergleiche die beiden Antriebskonzepte. Worin unterscheiden sie sich? c) Welchen Grund könnte es für das Antriebskonzept in Bild 2 geben? Lege deinen Überlegungen den Begriff Range extender zugrunde. 5. Lokal emissionsfrei fahren hat sich ein Automobilhersteller auf die Fahnen geschrieben. a) Nutze die folgenden Wortbausteine für einen kleinen Vortrag, der den Begriff erläutert. emissionsfreie Energieumsetzung elektrischer Strom Nahverkehr elektrischer Antrieb saubere Luft Stadtverkehr Batterien lokal Primärenergie Emissionen b) Gestalte eine Wandzeitung mit Informationen und Bildern aus dem Internet zum Thema Lokal emissionsfreie Mobilität. Gehe dabei auf die Aspekte aus Aufgabe 5a) ein. CD_E_AB14_4

23 47 15 Warum haben noch nicht alle Autos einen Elektroantrieb? 1. Folgende Berechnungen über eine Fahrstrecke von 500 km ermöglichen einen Vergleich zwischen herkömmlichem Kraftstoff und Akkus für einen Elektroantrieb. Ergänze die fehlenden Werte in der Tabelle. a) Wie hoch ist der Energiebedarf in L und kwh bei Kraftstoff (Benzin) und bei Akkus für Elektroantrieb? b) Wie viel wiegt die benötigte Menge Kraftstoff? c) Wie groß wäre demgegenüber die Masse eines Lithium-Ionen-Akkus? d) Forschungsbedarf: Wie hoch müsste die Energiedichte eines Akkus sein bei einem angenommenen Gewicht von 90 kg? e) Diskutiere die Ergebnisse. Energiespeicher Kraftstoff für Verbrennungsmotor Lithium-Ionen-Akkus Energiedichte 12 kwh/kg (9 kwh/l) 0,14 kwh/kg? Reichweite 500 km Verbrauch*??? noch zu entwickelnder Akku für Elektroantrieb Masse**?? 90 kg*** * bei 6 L/100 km; Energiebedarf bei Elektroantrieb angenommen mit 20 kwh/100 km ** Dichte Benzin 740 kg/m 3, *** angenommen als Wunschgewicht Info: Das Aufladen von Batterien erfordert einen größeren Zeitbedarf, sodass als Tankstellen vor allem Garagen, Parkhäuser oder Parkplätze infrage kommen. Meistens wird man sein Elektroauto über Nacht in der heimischen Garage auftanken. Ein normaler Hausanschluss hat 230 V Spannung bei 16 A. Vorwissen: P = U I 2. Welche Ladezeit ist für die Akkus für Elektroantrieb erforderlich, wenn man am nächsten Tag 100 km weit fahren möchte? CD_E_AB15_1

24 48 15 Warum haben noch nicht alle Autos einen Elektroantrieb? 3. a) Bestimme die ungefähre Masse der Batterie dieses smart fortwo electric drive. b) Errechne und diskutiere die Kosten für die Batterie des abgebildeten smarts (Automobilhersteller berechnen die Batterie-System-Kosten bei Einheiten/Jahr mit 500 /kwh). Fahrzeugtyp Antrieb Verbrauch Reichweite Höchstgeschw. Beschleunigung Batterie Technische Daten smart fortwo (BR451) Permanenterregter Synchron-Elektromotor Leistung (Continous / Peak): 35 kw / 50 kw Max. Drehmoment: 130 Nm ~13 kwh /100 km 150 km (100 miles) 125 km/h (78 mph) 11,5 s (0-100 km/h) Flüssiggekühlte Li-Ionen- Batterie, Leistung (Continuos / Peak) 35 kw / 55 kw; Kapazität: 17,6 kwh 4. Notiere alle Punkte, die die Forscher/Forscherinnen und Entwickler/innen zur Verbesserung des Elektroantriebs noch abarbeiten müssen. 5. Stell dir vor: Auf der Straße siehst du das nebenstehende Auto. a) Was bedeutet das Wort Hybrid? b) Worauf könnte sich das Wort Hybrid beim Auto beziehen? c) Welche Kombination wird wahrscheinlich eingesetzt? CD_E_AB15_2

25 16 Zum Trainieren und Merken Kreuzworträtsel: Wichtige Begriffe aus den Bereichen Alternativen zum Verbrennungsmotor, Batterie und Elektromotor werden hier gesucht. Viel Vergnügen waagerecht 1 einer der Hauptverursacher von CO 2 -Emissionen 4 lat. Bezeichnung für örtlich 6 deutscher Name für combustion engine 9 Name für Reaktion, bei der Oxidations- und Reduktionsvorgänge ablaufen 10 giftiger Bestandteil unvollständiger Verbrennungen (Abkürzung) 11 Elektrode, an der Reduktionsvorgänge ablaufen 12 Maß für Energiegehalt/Masse 13 Einheit für Spannung 15 Elektrode, an der Oxidationsvorgänge ablaufen 17 bezeichnet allgemein die Einrichtungen, die notwendig sind, dass z.b. der Verkehr funktioniert 18 Name für einen Energiespeicher 19 sorgt für saubere Abgase 20 Land mit dem höchsten CO 2 -Ausstoß (im Diagramm) 21 wiederaufladbare Batterie 23 feststehendes Teil im Elektromotor 24 entsteht durch magnetische Materialien oder elektrische Ströme 25 Hauptbestandteil der Luft 26 so wird Spannung im Generator erzeugt 27 daran mangelt es noch beim Elektroauto senkrecht 2 Alternative für Verbrennungsmotor 3 Größe, die die Häufigkeit von Umdrehungen angibt 5 Einheit für Stromstärke 7 bewegliches Teil im Elektromotor 8 ändern der magnetischen Richtung 14 wandelt mechanische Energie um in elektrische 16 was bedeutet PM (Dieselkraftstoff)? 22 unterschiedliche Antriebsarten in einem Fahrzeug 23 Name eines kleinen Autos, das auch mit Elektroantrieb hergestellt wird CD_E_AB16_1

26 50 16 Zum Trainieren und Merken 2. Wer wird Wissensmillionär? Kreuze bei den folgenden Fragen die richtigen Antworten an. Die Lösungsbuchstaben verraten dir, was u.a. bei Antriebsbatterien für Elektroautos noch verbessert werden muss. a) Combustion engine heißt übersetzt h) Feldlinien entstehen durch B F E Verdichtungsmaschine Explosionsmaschine Verbrennungsmotor D magnetische Krafteinwirkung S Eisenteile U Traktorfurchen b) Anode und Kathode sind P Elektronen N Elektroden E Elektorate c) Die größten CO 2 -Emissionen entstehen O im Haushalt R im Verkehr E in Elektrizitäts- und Heizkraftwerken d) PM ist die Abkürzung für i) Ein Fahrzeug mit zwei unterschiedlichen Antrieben nennt man M I F Hydrid Hybrid Hyazinth j) Das klimaschädigende Gas aus fossilen Verbrennungen heißt W Kohlenstoffmonoxid C Kohlenstoffdioxid S Kohlenwasserstoff I Parts of Mobility E Partikelmeter R Partikelmasse e) Moderne Akkus heißen nach dem Metall G Lithium U Blei E Platin f) Eine wiederaufladbare Batterie heißt I Akkumulator O Aquädukt N Akkolade k) Die Wiedergewinnung von (Brems)-Energie im Fahrzeug ist die R Reduktion H Rekuperation Y Regeneration l) Folgende Energieart ist keine Primärenergie: B L T Sonnenenergie Erdöl Wärmeenergie m) In Batterien ergibt Stärke des Entladungsstromes Entladungszeit die g) Spannung wird im Generator erzeugt durch G Intention E Induktion A Innovation E Kapazität A Leistung T Spannung Hier besteht noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf bei Antriebsbatterien: CD_E_AB16_2

27 Bildquellennachweis Umschlag: Schwarz Gruppe Grafikdesign, Stuttgart 15, 16, 17 Dr. Tilmann Berger, Josef Maier 12, 13, 14, 32, 33, 44, 45, 48, 57, 58, 60, 65, 66, 68, 69, 71 Daimler AG, Stuttgart 19, 20, 21, 22, 23, 28, 30, 40, 41, 46, 52, 54, 55, 61, 62, 63, 72 Arno Pfeuffer, Kürnach 74 Grin 31 Picture-Alliance 56, 62 Volker Rust, Helmut Graf 35, 35, 36, 38 Dieter Schaich, Markus Röscheisen 59 Wikipedia 1. Auflage 2010 Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwillung des Verlages. Hinweis 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Fotomechanische oder andere Wiedergabeverfahren nur mit Genehmigung des Verlages. Eine Zusammenarbeit des Genius Projektteams der Daimler AG und der Klett MINT GmbH Daimler AG, Stuttgart und Klett MINT GmbH, Stuttgart Autorin und Autoren: Hanne Lier, Stuttgart; Dr. Tilmann Berger, Sindelfingen; Helmut Graf, Wörth; Josef Maier, Stuttgart; Markus Röscheisen, Esslingen; Volker Rust, Karlsruhe; Dieter Schaich, Kirchheim unter Teck Autoren der Elektromotor-Simulation auf CD-ROM: Leonard Doyle, Karlsruhe; Joscha Krug, Karlsruhe Redaktion: Hanne Lier, Stuttgart Projektkoordination und Herstellung: Petra Wöhner Umschlag und CI: Schwarz Gruppe Grafikdesign, Stuttgart Gestaltung Inhalt: Gabriele Kiesewetter, Jung Medienpartner, Limburg Illustrationen: Arno Pfeuffer, apmedia-design, Kürnach Bildbearbeitung: Till Traub, Bildwerkstatt, Leonberg HTML-Rahmen der Motor-Simulation: cobra youth communications GmbH, Berlin