Anton Karle. Elektromobilität. und Praxis. Grundlagen. Mit 139 Bildern und 21 Tabellen. Fachbuchverlag Leipzig. im Carl Hanser Verlag

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1 Anton Karle Elektromobilität Grundlagen und Praxis Mit 139 Bildern und 21 Tabellen Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

2 Inhalt Q Einführung 13 Q Überblick Elektrofahrzeuge Geschichte und grundsätzliche Bedeutung Konstruktive Unterschiede zwischen Elektrofahrzeug und herkömmlichem Kraftfahrzeug Die Vorteile des Elektroantriebs Die Nachteile des Elektroantriebs Vorgaben zur C02-Reduktion als Treiber für die Elektromobilität 24 CT Ausführungsformen von Elektrofahrzeugen in der Praxis Elektro-Pkw Reine Elektrofahrzeuge, Batterieelektrische Fahrzeuge Elektrofahrzeuge mit Range Extender, Range Extended Electric Vehicle (REEV) Hybridfahrzeuge, Hybrid Electric Vehicle (HEV) Mikrohybrid Mildhybrid Vollhybrid Plug-In-Hybride Antriebsstruktur der Hybride Hybridsysteme in der Formel Brennstoffzellenfahrzeug Funktion der Brennstoffzelle Speicherung des Wasserstoffs im Fahrzeug Wasserstoffversorgung Wie wird der Wasserstoff produziert? Beispiele Brennstoffzellenfahrzeuge Elektrobusse Elektro-Nutzfahrzeuge Elektrofahrräder Bauformen von Elektrofahrrädern Reichweite von Elektrofahrrädern Weitere Elektrofahrzeuge Segway Elektro-Motorräder Elektro-Flugzeuge 48

3 8 Inhalt El Grundlagen Kfz-Antriebe Übersicht Antriebe Verbrennungsmotor Funktion Viertaktmotor Leistung, Drehmoment und Verbrauch des Verbrennungsmotors Energiebilanz und Berechnung des Wirkungsgrads aus dem spezifischen Verbrauch Lastanhebung bei Hybridfahrzeugen Berechnung der Motorleistung im Verbrauchskennfeld 57 H Elektrifizierter Antriebsstrang Elektromotor Anforderungen Kurzbeschreibung Elektromotoren Gleichstrommotor Drehstrommotor Betrieb von Drehstrommotoren in Elektrokraftfahrzeugen Leistung und Drehzahl-Drehmomentverhalten der Elektroantriebe Berechnungsgrundlagen für den Pkw-Elektroantrieb Leistung des Antriebs und Leistung des Gesamtfahrzeugs Zusammenhang Fahrzeuggeschwindigkeit und Motordrehzahl Ermittlung der notwendigen Getriebeübersetzung Berechnung der Antriebskraft des Fahrzeugs aus dem 71 Drehmoment des Motors Berechnung der Beschleunigung aus der Antriebskraft Energiespeicher Akku Grundlagen und Begriffe Basiszelle Lithium-Ionen-Akku Li-Ionen-Akku als Fahrzeugakku Akkukapazität und Reichweite von Elektrofahrzeugen Die Lebensdauer von Fahrzeugakkus Das Batterie-Management-System (BMS) Sicherheit der Fahrzeugakkus Hersteller Ausblick Weiterentwicklung Akkus Leistungselektronik, Inverter 86

4 Inhalt 9 Q Laden und Ladeinfrastruktur Grundlagen Akkuladen Die Laderate Kapazität des Akkus Kapazität in Amperestunden (Ah) Kapazität in Wattstunden (Wh) und Wirkungsgrad Anforderungen beim Laden von Lithium-Ionen-Basiszellen Laden von Li-Ionen-Fahrzeugakkus Das Laden von Elektrofahrzeugen Ladearten und Lademodi Zusammenhang Ladeleistung/Ladedauer Anschlüsse zum Laden: Steckverbindungen Sicherheit beim Laden Entwicklung der Ladeinfrastruktur Weiterentwicklung von Ladekonzepten Induktives Laden Wechselakku Intelligentes Laden, Vehicle to Grid Dichte von Ladestationen 103 Q Verbrauch und Reichweite von E-Fahrzeugen Physikalische Grundlagen Berechnungsgrößen Berechnungsgleichungen für die Beschreibung der Fahrzeug bewegung Energie und Verbrauch Antriebskraft und Fahrwiderstände Verbrauchssimulationen Einflussgrößen Leistung und Antriebskraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit Fahrwiderstände und Verbrauch Einfluss der Rekuperation auf den Verbrauch Verbrauch Elektrofahrzeuge im NEFZ Der NEFZ-Fahrzyklus NEFZ-Verbrauchssimulationen Einfluss von Änderungen ausgewählter Konstruktionsparameter NEFZ-Verbrauch bei Plug-In-Hybriden Elektrische Reichweite (NEFZ) Einfluss von Zusatzverbrauchern auf die Reichweite Reichweitenverluste durch Heizen und Kühlen Verbesserungsansätze für Heizung und Klimatisierung Alternative Messzyklen und Übertragbarkeit der NEFZ-Messwerte auf reale Fahrsituationen Schlussfolgerungen aus den Verbrauchsermittlungen 136

5 konventionelle 10 Inhalt pl Strom für die Elektrofahrzeuge Energieerzeugung Primärenergiequellen Der Strommix Deutschland Erneuerbare Energien Strom aus Photovoltaik-Anlagen Windenergie Strom aus Biomasse Wasserkraft Speicherung von Strom Speichertechnologien Beschreibung wichtiger Stromspeicher Akkumulatoren Pumpspeicherwerke Erdgasspeicher Power-to-Gas 155 Q Umweltbilanz von Elektrofahrzeugen Beurteilungsmöglichkeiten für eine Umweltbilanz Herstellungs-und Verwertungsphase der E-Fahrzeuge Nutzungsphase Lärm Luftschadstoffe C02-Ausstoß als Maß für die Klimaschädlichkeit des Autoverkehrs Ökobilanz der Mercedes-Benz-B-Klasse Electric Drive Markt Kostenvergleich Elektroautos - Fahrzeuge Anzusetzende Kosten Vergleichsrechnung Elektrofahrzeug/Verbrennungsmotor- Fahrzeug Angebot an Elektrofahrzeugen und Verbreitung Verbreitung von Elektrofahrzeugen Angebote Elektrofahrzeuge Reine Elektro-Pkw Plug-In-Hybride Nutzfahrzeuge Brennstoffzellenfahrzeuge Staatliche Förderung Schlussfolgerungen Markt 187

6 Inhalt 11 ffl Mobilitätskonzepte mit Elektrofahrzeugen Carsharing car2go DriveNow Carsharing im ländlichen Raum E-Taxis Elektrobusse Güterverkehr Paketzustellung mit Elektrofahrzeugen Elektro-Lkw 194 [Tl Förderung der Elektromobilität in Deutschland Förderbereiche der Bundesministerien und Leuchtturmprojekte Schaufenster für Elektromobilität NPE-Fortschrittsbericht ffl Schlussfolgerungen und Gesamtbeurteilung 199 ffl Workshop Simulation 201 Glossar 207 Verzeichnis Bildquellen 211 Literatur 213 Index 217