Elektro- und Solarfahrzeuge

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1 Elektro- und Solarfahrzeuge Elektroauto-Geschichte Fahrzeuge mit Elektroantrieb sind durchaus keine neue Erfindung. Als 1885 Carl Friedrich Benz ( ) seine dreirädrige Motorkutsche vorstellte und Gottlieb Wilhelm Daimler ( ) unabhängig davon 1886 seine vierrädrige, waren in Paris schon seit 1881 elektrisch betriebene Wagen unterwegs. Es waren die ersten Fahrzeuge zu dieser Zeit, die schneller als 100 km/h fahren konnten. Um die Jahrhundertwende bildeten in den USA die Benzinautos mit 22% die Minderheit - Elektromobile hatten 38% und Dampfmaschinen 40% Anteil an den Straßenfahrzeugen. Mit der Erfindung des elektrischen Anlassers für den Otto- Motor änderten sich aber die Wettbewerbsbedingungen schlagartig. So betrug im Jahre 1995 in der BRD beispielsweise der Bestand an elektrisch betriebenen Straßenfahrzeugen lediglich noch 0,01% (4547 Stck.) gemessen am Gesamtbestand von 47,5 Mill. zugelassener Kraftfahrzeuge. Einen starken Motivationsschub für intensivere Forschung und Entwicklung gab das Umweltministerium von Kalifornien 1990 mit dem Clean Air Act. Nach dieser Verordnung zur Luftreinhaltung müssen ab dem Jahre 2003 zehn Prozent der dort zugelassenen Fahrzeuge aller Hersteller emissionsfrei sein. Die amerikanischen Unternehmen General Motors, Ford und Chrysler sowie die japanischen Firmen Toyota, Honda, Mazda und Nissan haben eine Selbstverpflichtung für die freiwillige Markteinführung von Elektroautos abgegeben. So sollen ab 1998 in Kalifornien mindestens 3750 solcher Fahrzeuge mit fortschrittlichen Batterien (keine Blei-Gel-Batterien) verkauft werden, im Jahre 2002 soll der Absatz auf steigen. Als erste Großserienhersteller brachten General Motors (GM) und Honda reine Elektroautos auf den Markt, GM den EV 1 mit einer Leistung von 102 kw bei einem Drehmoment von 1640 Nm. Nach einer Ladezeit von 3,5 h (220V) fährt das Fahrzeug km gemessen bei einer Geschwindigkeit von 130 km/h. Das verwendete Batteriesystem ist ein Bleiakkumulator mit einem Gewicht von ca. 500 kg, das ist etwas weniger als die Hälfte der Fahrzeuggesamtmasse. Aufgrund der sehr hohen Entwicklungs- und Produktionskosten kann man sich dieses Auto nur zu einem Preis von etwa ,- DM über einen Zeitraum von drei Jahren leasen. Honda verwendet in seinem Honda EV moderne Nickel/Metallhydrid-Batterien, mit denen das Auto nach einer Ladezeit von 8 h ca. 200 km bei einer Geschwindigkeit von 130 km/h fährt. Batterien und Brennstoffzellen für Elektroautos Hier wollen wir Ihnen einige Batterie- und Brennstoffzellentypen vorstellen, die nicht nur in Elektroautos Einsatz fanden oder finden sollen und Ihnen die wichtigsten Vor- und Nachteile aufzeigen. Dabei geht es um folgende Systeme: Spießberger Christian 1/

2 Zink-Luft-Batterie Hochtemperatur-Batterien Nickel-Cadmium und Nickel-Metallhydrid- Batterien Lithium-Ion und Lithium-Polymer-Batterien Direkt Methanol-Brennstoffzelle Polymer-Membran-Brennstoffzelle alkalische Brennstoffzelle phosphorsaure Brennstoffzelle Blei Säure Akkumulator Batterien für Elektrostraßenfahrzeuge Wenn an dieser Stelle von Batterien gesprochen wird, sind Sekundärelemente d.h. wiederaufladbare Elemente gemeint. Mit der Batterie steht und fällt das ganze Elektroauto. Leider können Batterien nur sehr geringe Energiemengen bei hohem Gewicht und Volumen speichern. Vergleich: 1 Liter Diesel = 11 kwh Energie 30 kg Blei Batterie = 1 kwh Energie Der Gewichtsunterschied ist so hoch, dass es sehr schwierig ist mit einem Elektrofahrzeug annehmbare Reichweiten zu erzielen. Böse Zungen behaupten das Elektrofahrzeug sei nur dazu da seine eigene Batterie zu bewegen. Der Vorteil des Elektrofahrzeuges liegt im besseren Wirkungsgrad mit der die Energie weiterverarbeitet wird und im kontrollierten Schadstoffausstoß im Kraftwerk. Eine Batterie muss möglichst leicht sein und eine möglichst hohe Speicherkapazität haben. Um zusätzlich eine hohe Zellenspannung zu bekommen wählt man Stoffe aus dem Periodensystem der Elemente die möglich weit auseinander liegen (rechts und links). Um ein niedriges Gewicht zu erhalten sollten die Stoffe im Periodensystem möglichst weit oben liegen. Diese Bedingungen erfüllt z.b. die Stoffkombination Natrium und Schwefel. Allerdings ist es nicht leicht diese optimalen Stoffpaarungen zu einer funktionierenden Batterie zu verarbeiten. Maßeinheiten und Messverfahren Um Batterien miteinander vergleichen zu können benutzt man folgende Einheiten. Spannung [V] Die Spannung einer Batterie setzt sich aus den Teilspannungen der in Reihe geschalteten Einzelzellen zusammen. Einige Batterietypen werden auch als Einzelzellen geliefert. Die Spannung untergliedert sich in verschieden Spannungsangaben für eine Batterie: Nennspannung Die Nennspannung gibt an, welchen Nennwert die Spannung der Batterie hat. Diese Spannung liegt aber meistens unter der Leerlaufspannung. Leerlaufspannung Die Leerlaufspannung ist die Spannung die an der Batterie ohne Belastung gemessen wird. Nach einer Ladung oder Entladung braucht die Leerlaufspannung einige Zeit um sich einzupendeln. Bei vielen Batterietypen lässt sich aufgrund der Leerlaufspannung der Ladezustand abschätzen. Spießberger Christian 2/

3 Ladespannung Die Ladespannung untergliedert sich in: Gasungsspannung, Dauerladespannung und maximale Ladespannung. Entladespannung Die Entladespannung gibt an bis zu welcher Spannung eine Batterie entladen werden kann ohne Schaden zu nehmen. Diese Spannungsangabe ist oft mit einem bestimmten Entladestrom gekoppelt, z.b. bei 200 A Entladung 0,8 V/Z. Kapazität [kwh Ah] Die Kapazität ist die wichtigste Angabe bei einer Batterie. Diese Angabe ist meistens von sehr vielen Faktoren abhängig. Kapazität = Spannung * Strom * Zeit, wobei Spannung und Strom über die Zeit der Entladung nie konstant bleiben. Die Kapazität unterscheidet sich ebenfalls in verschieden Kapazitätsangaben. Nennkapazität Die Nennkapazität gibt an wie viel Energie der Batterie bei einer definierten Entladedauer entnommen werden kann. Gemessen wird in Kilowattstunden [kwh] mit einer Zeitangabe in Stunden C X, K X oder in Amperestunden [Ah] ebenfalls mit einer Zeitangabe in Stunden. Entnehmbare Kapazität Bei vielen Batterien ist die entnehmbare Kapazität vom Entladestrom d.h. von der Entladedauer abhängig. Z.B 8kWh C5 d.h. 8kWh entnehmbare Kapazität bei 5 Stunden Entladedauer. D.h. eine Entladeleistung von 1,6 kw. Eine Entladedauer über 5 Stunden ist bei Elektrofahrzeugen sehr unrealistisch, da die meisten Fahrzeuge nach 1 bis 2 Stunden "leergefahren" sind. Deshalb setzt sich auch die Angabe C1 oder C2 immer mehr durch. D.h. Kapazität bezogen auf 1 oder 2 stündige Entladung. Beispiel: Solarbatterie 12 Volt 100 Ah C 100 D.h. 1 Ampere Entladestrom über eine Dauer von 100 Stunden bis zu einer Entladeschlussspannung von üblicherweise 10,5 Volt bei einer 12 Volt Bleibatterie. Oder die gleiche Batterie 80 Ah C5, d.h. 16 Ampere * 5 Stunden oder 55 Ah C1 d.h. 55 Ampere * 1 Stunde. Bei Solarbatterien wird üblicherweise die 100-stündige Kapazität angegeben, bei Autobatterien üblicherweise die 20-stündige Kapazität, bei Traktionsbatterien die 5-stündige Kapazität und bei USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgungen) wird die 1-stündige Kapazität angegeben. Lebensdauer [Zyklen kwh]/haltbarkeit Zyklen Unter Haltbarkeit versteht man das Ergebnis eines Dauertestes unter Laborbedingungen, bei denen die Batterie genau festgelegten Lade/Entladezyklen unterworfen wird. Die Lebensdauer ist von der Tiefe der Entladungen abhängig. Bei einer Entladung bis zur zulässigen Entladungsgrenze und anschließender Ladung spricht man von einem Vollzyklus. Spießberger Christian 3/

4 Blei-Batterien z.b. dürfen nur bis 20 % Restkapazität entladen werden, während NC Batterien ab und zu tiefentladen werden müssen (je nach Typ) Die Lebensdauer wird meistens in Vollzyklen angegeben. Beispiel SAFT STM NC nach 2000 Zyklen mit 80% Entladung noch 80% Restkapazität. Eine Lebensdauerangabe in Jahren ist nicht sinnvoll, da dabei nicht festgelegt ist wie, oft die Batterie zykliert wird. Eine solche Angabe kann nur eine Mindestlebensdauerangabe sein bei sehr wenigen Zyklen z.b. Standby Betrieb in Notstromversorgungen. Energiedurchsatz [kwh] Manchmal wird die Lebensdauer auch als Energiedurchsatz in kwh angegeben die der Batterie über der Lebensdauer entnommen werden können, bei maximaler Entladung. Berechnung: Kapazität * Entladetiefe * Zyklen = entnehmbare Gesamtkapazität Ladewirkungsgrad [%] Der Ladewirkungsgrad gibt an wie viel Prozent Energie geladen werden muss, um 100 % Energie wieder zu entladen, z.b. 1,4 = 140% Ladung, 100 % Entladung. Besonders bei Batterietypen die stark Gasen oder am Ende der Ladung Wärme freisetzen ist dieser Faktor besonders hoch und damit ungünstig. Die heißen Batterien sind ein Sonderfall, da sie ständig Verlustwärme haben. Energiedichte [Wh/l Wh/kg] Die Energiedichte in Wh/l (Energievolumen) gibt den Energieinhalt pro Volumen an und die Energiedichte in Wh/kg (Energiegewicht) gibt den Energieinhalt pro Gewicht an. Beide Werte sollten möglichst hoch sein. Leistungsdichte [W/kg W/l] Die Leistungsdichte gibt die entnehmbare Leistung pro Gewicht (Leistungsgewicht) bzw. pro Volumen (Leistungsvolumen) an. Dies ist eine sehr wichtige Größe, da dadurch das Beschleunigungsvermögen des Fahrzeuges festliegt. Einige der neueren Batterietypen haben zwar eine sehr gute Energiedichte aber nur eine sehr mäßige Leistungsdichte. Betriebstemperatur [ C] Die Betriebstemperatur gibt an bei welcher Umgebungstemperatur die Batterie betrieben wird (bei nicht isolierten System). Viele Batteriesysteme verlieren stark an Kapazität bei tiefen Temperaturen. So kann z.b. eine Angabe lauten 60 % Kapazität bei 0 C. Bei heißen Batterien ist die Temperatur im inneren der Batterie gemeint z.b. 300 C. Diese Temperatur ist unabhängig von der Außentemperatur, da sie getrennt geregelt wird. Wenn das Heiz- und Kühlsystem dieser heißen Batterien ausreicht ist die Umgebungstemperatur beliebig. Spießberger Christian 4/

5 Batterietypen Blei-Batterie Die Blei-Batterie ist der am häufigsten verwendete Batterietyp überhaupt. Er findet seinen Einsatz als Starterbatterie in Verbrennungskraftfahrzeugen, als Traktionsbatterie in Flurförder- und Elektrofahrzeugen, sowie als Energiespeicher bei unterbrechungsfreien Stromversorgungen. Trotz millionenfacher Anwendung ist dieser Batteriertyp noch nicht ausentwickelt. Größere Leistungssteigerungen sind allerdings nicht zu erwarten. Blei-Säure-Batterien Dieser Batterietyp ist Stand 1998 noch der gebräuchlichste Batterietyp bei Elektrofahrzeugen. Er ist in der Anschaffung der billigste, pro Kilometer aber relativ teuer. Es gibt diesen Batterietyp in vielen verschiedenen Ausführungen, die sich meist durch die Plattenoberfläche, -zusammensetzung und durch die Isolation unterscheiden. Für Verbrennungsfahrzeuge gibt es Starterbatterien, die einen niedrigen Innenwiderstand und damit gute Hochstromfestigkeit haben. Diese Batterien sind aber meistens nicht zyklenfest. Traktionsbatterien sind zudem noch zyklenfest und damit um den Faktor 2-4 teurer. Vor allem für Flurförderfahrzeuge gibt es sehr robuste und schwere Traktionsbatterien. Röhrchenplattenbatterien sind besonders zyklenfest, haben aber einen relativ hohen Innenwiderstand und damit bei hohen Strömen einen schlechten Wirkungsgrad. Solarbatterien sind eine Sonderbauform der Blei-Säure-Batterie die besonders auf gute Zyklierbarkeit und niedrige Selbstentladung ausgelegt sind und nicht für Hochstromladung und Entladung geeignet sind. Blei-Gel-Batterien Bei Blei-Gel-Batterien ist der Elektrolyt als Gel vorhanden. Dadurch arbeitet dieser Batterietyp lageunabhängig und wartungsfrei. Die Ladeschlussspannung dieser Batterie muss unter der Gasungsspannung liegen. Blei-Gel-Batterien sind geschlossen, sie haben lediglich ein Sicherheitsventil, das bei zu hohem Innendruck Aufgrund von zu hoher Ladespannung öffnet, damit entweicht der Elektrolyt und die Batterie ist zerstört. Vorteile der Blei-Gel-Batterie sind die höhere Lebensdauer, eine bessere Energieeffizienz durch weniger Spannungshub, sowie bessere Entladbarkeit bei Kälte und Wartungsfreiheit. Dieser Blei Batterietyp ist damit der am besten geeignete Blei Batterietyp. Ein typischer Vertreter dieses Batterietyps sind Batterien Typ Sonnenschein dryfit A 500C. Reihenschaltung von Blei-Batterien Blei-Säure-Batterien Um eine höhere Gesamtspannung zu erreichen, lassen sich Blei-Säure-Batterien einfach in Reihe schalten. Kapazitätsdifferenzen der einzelnen Zellen korrigieren sich beim Laden automatisch. Zellen, die bereits geladen sind, erhöhen ihre Spannung bei weiterem Laden kaum noch. Es wird lediglich Knallgas freigesetzt und die Zelle hat damit einen erhöhten Wasserverbrauch. Somit ist sichergestellt, dass alle Zellen immer die gleiche Spannung haben. Kleinere "Sünden" wie der Teilspannungsabgriff für Minimalverbraucher verzeiht dieses Batteriesystem, sie sind aber trotzdem nicht zu empfehlen. Spießberger Christian 5/

6 Blei-Gel-Batterien Bei Blei-Gel-Batterien ist die Reihenschaltung problematischer als bei Blei-Säure-Batterien. Dieser Batterietyp kommt nicht oder nur bedingt in die Gasungsphase. Dadurch ist der automatische Ausgleich nicht gewährleistet. Da Batterien ab Werk nie genau die gleiche Kapazität haben, sind die "kleinen" Kapazitäten beim Laden zuerst voll und werden leicht überladen. Vor allem bei der Reihenschaltung sehr vieler Zellen ist dies sehr leicht möglich. Durch die Überladung öffnet meist das Sicherheitsventil der betreffenden Zelle und Elektrolyt tritt aus. Damit verliert diese Zelle zusätzlich an Kapazität und dieser Prozess schaukelt sich immer weiter auf. Auch Ausgleichsladungen können dies nicht aufhalten. Teilspannungsabgriffe sind bei diesem Batteriesystem auf keinen Fall möglich. Eine Lösung dieses Problems bietet ein System, bei dem ein Energiespeicher (Kondensator) mehrmals pro Sekunde von Zelle zu Zelle weitergereicht wird. Dieser Kondensator gleicht Spannungsund damit Kapazitätsunterschiede zwischen den Zellen aus. Alternativ gibt es andere Systeme die durch Lastwiderstände die hohen Batteriespannungen "abfackeln", bzw. durch kleine Bordnetzwandler die schwächste Batterie nachladen. Die Energie wird dabei aus der Reihenschaltung aller Batterien entnommen. Batterieheizung Das Temperaturverhalten der Blei Batterie ist relativ schlecht, d.h. die Batterie verliert bei tiefen Temperaturen sehr stark an Leistung und entnehmbarem Energieinhalt. Um dies zu kompensieren muss man die Batterien isolieren und gegebenenfalls beheizen. Durch zyklischen Betrieb der Batterie bei Vielfahrern erwärmt sich die Batterie durch Spannungsfall am Innenwiderstand, so dass oft eine Isolierung der Batterien genügt. Bei weniger oft benutzten Fahrzeugen ist eine Beheizung, der Batterien, für den Winterbetrieb unerlässlich. Man eine Heizleistung von Watt / kwh Batteriekapazität. Wichtig ist dabei die Batterietemperatur zu regeln. Die Batterie sollte eine Maximaltemperatur von 40 C nicht überschreiten, da ab dieser Temperatur die Selbstentladung stark ansteigt. Optimal sind Temperaturen um C. Leider verbrauchen diese Batterieheizungen oft erhebliche Energien und verschlechtern dabei sehr stark den Gesamtwirkungsgrad. Es ist nicht sinnvoll diese Heizung aus der Batterie selbst zu versorgen. Bei normaler Nutzung des Fahrzeuges reicht es aus die Batterieheizung beim Laden der Batterien zu Aktivieren. Die Wärmekapazität der Batteriemasse reicht aus um die Wärme einige Stunden zu speichern. Realisieren lässt sich eine Batterieheizung mit Heizfolien oder Heizleitungen. Heizfolien gibt es für verschiedene Anwendungen, erhältlich sind sie z.b. im Elektronikversandhandel. Heizleitungen gibt es ebenfalls in verschiedenen Anwendungen. Damit die Heizleitung und die Batterie mechanisch nicht beschädigt werden, sollte die Heizleitung in eine Isolierplatte eingelegt werden. Wichtig bei der Isolierung ist, dabei nicht brennbares oder schwer entflammbares Material zu benutzen! Bei der Isolierung ist darauf zu achten, dass die Entgasung der Batterie nicht beeinträchtigt wird, d.h. Der Entgasungsschlauch muss durch die Isolierung ins Freie geführt werden! Ladefaktorverbesserungen Bei der Ladung einer Blei-Batterie wird dem Elektrolyten Wasser entzogen und konzentrierte Schwefelsäure gebildet. Die gegenüber Wasser schwere Säure sinkt in den unteren Zellenbereich ab und ruft eine Elektrolytenschichtung hervor. Diese Schichtung wird wieder aufgehoben, wenn in der Nachladephase durch Gasung die Säure durchmischt wird. Hieraus resultieren Energieverbrauch, Zeitverlust, Temperaturerhöhung und Wasserverbrauch. Um diese Gasungsphase zur Säuredurchmischung einzusparen gibt es mehrere Möglichkeiten. Spießberger Christian 6/

7 Lebensdauer Die Lebensdauer von Blei-Batterien ist je nach Ausführung und Behandlung der Batterie recht unterschiedlich. Batterien für hohe Entladeströme (Starterbatterien) haben sehr dicht gepackte Platten um einen niedrigen Innenwiderstand zu bekommen. Dadurch ist die Selbstentladung relativ hoch, und die Batterie muss oft in die Gasungsphase gebracht werden, um die Säure zwischen den Platten gut durchzumischen. Batterien für Solaranwendungen haben relativ große Plattenabstände und damit eine niedrigere Selbstentladung, aber auch einen höheren Innenwiderstand. Bei zu wenig Gasung der Batterien tritt eine Säureschichtung ein und der Elektrolyt zwischen den Platten wird nicht richtig durchmischt, bei zuviel Gasung quellen die Platten auf. Lebensdauer: Starterbatterien 50 Zyklen Solarbatterien 200 Zyklen Traktionsbatterien Zyklen Röhrchenplattenbatterien bis 1200 Zyklen Alle Werte sind ca. Werte die sehr stark von der Behandlung der Batterie abhängen. Bei Bleibatterien ist ein Zyklus eine Entladung bis zu 20 % Restkapazität. Zusammenfassung Vorteile der Blei-Batterie: Geringer Preis durch hohe Stückzahlen Verfügbar in sehr vielen Ausführungen Gute Recycelbarkeit Nachteile der Blei-Batterie: Geringe Lebensdauer Temperaturempfindlich Entnehmbare Kapazität stark vom Entladestrom abhängig teilweise Wartungsarbeiten nicht tiefentladbar Da die Lebensdauer von Blei-Batterien bei Elektrostraßenfahrzeugen erfahrungsgemäß bei etwa km (unter optimalen Bedingungen km) liegt, sollte sie für zukünftige Elektrostraßenfahrzeuge ausscheiden. Durch diese kurze Lebensdauer ist die Bleibatterie eine relativ unbefriedigende Lösung. Nickel-Cadmium-Batterien Nickel-Cadmium-Batterien zählen zu den langlebigsten Batterien die auf dem Markt erhältlich sind. Sie werden dort eingesetzt wo sehr viel Zyklen benötigt werden, z.b. bei im Bergwerk bei Grubenlampen, Bergwerklokomotiven, Flugzeugstarterakkus, Modellbau, Unterhaltungselektronik usw. Neuere Elektrofahrzeuge kommen jetzt schon ab Werk mit Nickel-Cadmium Batterien auf den Markt, da diese Batterien in der Anschaffung zwar sehr teuer sind, aber der Kilometerpreis niedriger liegt als bei Blei-Batterien. Zudem ist die Energiedichte von Nickel Cadmium Batterien höher, so dass höhere Reichweiten erzielt werden. Da dieser Batterietyp sehr teuer ist, kann man die Batterie bei einigen Fahrzeugen auch leasen. Spießberger Christian 7/

8 Offene Ausführungen Offene Typen gibt es schon seit langer Zeit in vielen Größen. Bei Verwendung in Elektrostraßenfahrzeugen ist ein automatisches Wassernachfüllsystem unerlässlich, da der Wasserverbrauch dieser Batterietypen bei mehreren Litern pro Woche liegen kann. Sonst ist dieser Batterietyp ziemlich unverwüstlich. Geschlossene Ausführungen Geschlossene Ausführungen waren bei NC Akkus bisher nur als Kleinakku erhältlich (Mignon Zellen o. ä.) Um das Elektrofahrzeug wartungsfrei zu machen wurde bei Daho (Daug-Hoppecke) ein geschlossener NC Akku mit Faserstruktur entwickelt. Dieses System nennt sich "recom" und basiert auf einer neuartigen Anordnung der Elektroden, außerdem herrscht im Inneren der Zelle ständig Unterdruck. "Daho" gibt es so nicht mehr, die Rechte an der Batterie sind soviel ich weiß bei Daimler Chrysler. Von Hoppecke ist dieser Typ heute nicht mehr erhältlich. Zwischen den halbierten negativen Platten befinden sich massefreie Rekombinationsgerüste, an denen während der Ladung entstehender Sauerstoff mit hoher Geschwindigkeit reduziert wird. Faserstruktur Typen Um die Aktive Fläche der Zellen zu vergrößern gibt es verschiedene Verfahren. Ein Verfahren ist, auf eine Kunststofffaserstruktur die aktive Masse aufzubringen. Eine andere ist, die Faserstruktur selbst aus der aktiven Masse herzustellen. Diese Faserstruktur Typen gibt es als offene oder geschlossene Typen z.b. von Hoppecke (FNC) Ladeverfahren NC Batterien sind zwar schnellladefähig aber auch hier besteht die Gefahr des Kristallwachstumes. Diese Kristalle können den Separator durchdringen und die Zelle zerstören. Nach Möglichkeit sollten die Zellen mit einer IoIa* Kennlinie geladen werden. Kleinere NC Akkus werden mit Pulsströmen mit bis zu 10 * I geladen, d.h. mit einem 10 mal höherem Strom als die Nennkapazität ist. Als Ladespannungen werden oft 1,5 bis 1,6 Volt angegeben. Im Traktionsbetrieb sollte man etwas höher gehen, kurzzeitig bis 1,7 V /Z (bei offenen Typen). *Je nach Typ werden sehr spezielle Ladeverfahren vorgeschrieben. Memorieeffekt Nickel-Cadmium-Batterien haben den besonderen Effekt, dass sie Kapazität "vergessen" falls diese lange nicht gefordert wird. D.h. die entnehmbare Kapazität wird kleiner, falls diese lange nicht entnommen wird. Bei reduzierter Kapazität kann diese teilweise wieder "antrainiert" werden durch zyklisches Laden und Entladen der Batterie. Kleinakkuladegeräte entleeren den Akku erst vollständig vor erneuter Ladung. Bei einem Fahrzeug ist dies nicht so einfach möglich und es bleibt abzuwarten wie stark sich dieser Effekt bemerkbar macht. Reihenschaltung von Nickel-Cadmium-Batterien Spießberger Christian 8/

9 Nickel-Cadmium-Batterien haben bei der Entladung den besonderen Effekt, dass sie lange Zeit sehr Spannungsstabil bleiben und dann relativ abrupt in der Spannung abfallen. Bei der Reihenschaltung ist auf diesen Effekt besonders zu achten. Für die Reihenschaltung müssen Zellen mit möglichst gleicher Kapazität verwendet werden! Bei der Reihenschaltung kann es sonst passieren, dass eine Zelle bereits leer ist und ihre Spannung gegen 0V geht. Wird dies weiter nicht bemerkt, so kann sich diese Zelle umpolen. Ein Umpolen der Zelle hat ein starkes Kristallwachstum zur Folge. Diese Kristalle können mechanisch den Separator durchdringen und damit einen internen Kurzschluss auslösen, womit die Zelle defekt ist. Beim Wiederaufladen der umgepolten Zelle braucht man mehr Energie als bei der normalen Ladung, d.h. bei der Ladung in Reihe mit den anderen Zellen des Stranges wird diese Zelle nicht ganz geladen und ist damit bei der nächsten Entladung wieder "umpolgefährdet". Abhilfe bringt ein getrenntes Aufladen der geschädigten Zelle. Damit Umpolungen nicht passieren sollten die Zellen möglichst Kapazitätsgleich sein. Falls dies nicht der Fall ist, muss die schwächste Zelle überwacht werden und ggf. der Strang abgeschaltet werden. Abhilfe bringt auch ein Ausgleichssystem wie es im Kapitel Reihenschaltungen von Blei- Batterien beschrieben ist. Zusammenfassung: Die Vorteile der Nickel Cadmium Batterie sind: hohe Zyklenzahl ( Zyklen) Kapazität weitgehend Entladestromunabhängig Hochstromfest (niedriger Innenwiderstand) Temperaturunempfindlich volle Leistung bis zum Entladeschluß Schnellladefähig tiefentladbar Nachteile der Nickel Cadmium Batterie: hoher Preis (5-10 * höher als Blei) schlechter Wirkungsgrad (im Vollzyklenbetrieb) nicht wartungsfrei (nur offene Typen) enthalten Schwermetalle (Cadmium) Memorieffekt Nickel-Cadmium-Batterien sind eine kurzfristige Alternative für heute zu bauende Fahrzeuge, solange die Hochenergiebatterien noch nicht zur Verfügung stehen. Technische Daten Saft STM 1.60 Zelle Typ STM 1,60 Nennspannung 1,2 V Ladespannung 1,5-1,65 V Entladespannung 1,0 V Nennkapazität C5 61 Ah Maße (l * b * h) 85 * 45,5 *278 mm³ Gewicht 2,0 kg Elektroden gesinterte positive und kunststoffgebondete negative Elektrode Elektrolyt Reserve 96 cm³ Max Level 30 mm Min Level 5 mm über Platten Spießberger Christian 9/

10 Leistungsdichte C5 56 Wh/kg Leistungsdichte C1 52 Wh/kg Leistungsvolumen 95 Wh/l Spez.Leistung 210 W/kg Temperaturbereich -20 C C Lebensdauer 2000 Zyklen (Garantie 80 % Restkapazität nach 2000 Zyklen mit 80 % Entladung) Option Wassernachfüllsystem Hoppecke FNC recom (nicht mehr lieferbar) Typ FNC H 70 Nennspannung 1,2 V Entladespannung 1,0 V Nennkapazität C5 75 Ah Maße (l * b * h) 115 * 46 *170 mm³ Volumen 0,9 l Gewicht 1,9 kg Gasdichtes Zellensystem Einbaulage: Beliebig Nickel-Hydrid-Batterie Mit steigendem Umweltbewusstsein passt sich auch die Industrie diesem Trend an und entwickelt umweltfreundlichere Akkus. Nickel Hydrid Akkus werden bis in wenigen Jahren Nickel Cadmium Akkus ersetzen. Die Nickel Hydrid Batterie ist relativ neu auf dem Markt und momentan (1996) nur als Klein Akku (Mignon Zelle) erhältlich. Größere Einheiten werden aber momentan für Sonderanwendungen hergestellt und getestet. Spießberger Christian 10/

11 Zusammenfassung: Vorteile: hohe Energiedichte umweltfreundlich Nachteile: noch hoher Preis noch geringe Leistungsdichte Nickel-Hydrid-Akkus würden die Reichweiten der Fahrzeuge gegenüber Nickel-Cadmium- Fahrzeuge noch weiter verbessern. Auch dieser Batterietyp hat keine Standverluste wie die heißen Batterien NaS und NaNiCl. Natrium-Schwefel-Batterie Funktionsweise Die Natrium/Schwefel-Batterie unterscheidet sich wesentlich von den bekannten Batterien: sie hat als Elektrolyten einen Festkörper, die Reaktanden sind flüssig und ihre Betriebstemperatur liegt bei etwa 300 C. Die Reaktanden Natrium und Schwefel, die beide in geschlossenen Gefäßen flüssig vorliegen, sind durch einen keramischen Elektrolyten voneinander getrennt, der Natriumionen leitet und für Elektronen ein Isolator ist. Diese Eigenschaft hat z. B. ein Werkstoff, der aus Aluminiumoxid, Natriumoxid und Magnesiumoxid besteht. Dem beim Entladen durch den äußeren Lastwiderstand fließenden Elektronenstrom entspricht ein durch den Elektrolyten fließender Natriumionenstrom von der Natriumseite zur Schwefelseite, wo Natriumpolysulfid entsteht. Im Vergleich hierzu hat man es bei der Blei- Säure-Batterie mit festen Reaktionspartnern (Blei, Bleioxid) und einem flüssigen Elektrolyten (verdünnte Schwefelsäure) zu tun. Die der chemischen Reaktion der Natrium/Schwefel-Zelle zugeordnete Ruhespannung beträgt je nach Ladezustand 2,08 V bis 1,78 V. Die Ruhespannung ist bis zu einer Zusammensetzung des Kathodenmaterials von Na2S3 als 100 %ige Entladung bezeichnet. Dies entspricht einer theoretischen Energiedichte von 760 Wh/kg. Aus dem Phasendiagramm von Natrium und Schwefel sieht man, dass eine weitere Entladung möglich ist, jedoch steigt mit zunehmendem Natriumgehalt die Schmelztemperatur rasch an, was eine Anhegung der Betriebstemperatur zur Folge hätte. Beim Laden und Entladen der Zelle mit konstantem Strom ändert sich die Spannung, d. h. sie verschiebt sich parallel zur Ruhespannung, was bedeutet, dass der Innenwiderstand der Zelle nahezu unabhängig vom Ladezustand ist. Am Ende der Ladung wird die Zelle hochohmig, da dann der nichtleitende Schwefel einen Ladungstransport nicht mehr zulässt. Dieses starke Ansteigen der Ladespannung ist auch ein einfaches Kriterium für das Beenden des Ladevorgangs. Im Gegensatz zu anderen Batterien wird bei weiterem Anliegen einer Ladespannung kein Reaktand zersetzt, was z. B. bei der Blei-Säure-Batterie zur Knallgas-Bildung führt. Das bedeutet auch, dass die Natrium/Schwefel-Zelle einen 100 %igen Ladungswirkungsgrad besitzt. Zellenaufbau Reale Natrium/Schwefel-Zellen sind zylindrisch aufgebaut. Als zusätzliche Elemente enthält eine solche technische Zelle einen Kohlefilz im Schwefelraum, der die Ableitung der Elektronen zum Gehäuse durch den elektrisch isolierenden Schwefel ermöglicht. In den Natriumraum ist eine Elektrode eingebracht, die auch bei sinkendem Natriumpegel den unverminderten Stromtransport ermöglicht. Sie liegt sehr dicht am Elektrolytrohr an, wodurch die gesamte Elektrolytinnenfläche wegen der Kapillarkraft mit Natrium benetzt wird. Spießberger Christian 11/

12 Andererseits kommt dadurch bei einem gewaltsamen Bruch des Elektrolyten nur wenig Natrium in direkten Kontakt mit dem Schwefel, so dass die exotherme Reaktion nur zu einergeringen Temperaturerhöhung führt. Der Stromabnehmer übernimmt damit gleichzeitig eine Sicherheitsfunktion. Eine Zelle mit der Kapazität von 45 Ah hat einen Durchmesser von 35 mm und eine Länge von 230 mm. Ihr Innenwiderstand liegt bei 7 mohm. Batterieaufbau Im Folgenden ist eine Batterie beschrieben und ihre potentiellen Leistungsdaten angegeben. Diese Batterie wurde von ABB vom Markt genommen - die Entwicklung wird bei ABB nicht weiter verfolgt. In einem Batteriegehäuse mit einem Volumen von 248 dm³ lassen sich 348 Zellen unterbringen. Das Gehäuse ist als Wärmedämmung ausgebildet. Der Kasten enthält neben den elektrisch isolierenden Zellenhalterungen die Kühlkanäle zwischen den Zellen und die Einrichtungen zum Heizen bzw. Warmhalten der Batterie. Die Öffnungen im Frontbereich des Batteriekastens sind im oberen Teil links und in der Mitte für die Stromdurchführungen und rechts für die Anschlüsse von Batterieheizung und Temperaturfühler vorgesehen. Durch die unteren Öffnungen tritt links und rechts Kühlluft ein und in der Mitte wieder aus. Der Flansch im Zentrum der Frontplatte wird zum Evakuieren der Wärmedämmung während der Fertigung benötigt. Am Gesamtgewicht von 265 kg haben die Zellen einen Anteil von 55 %. Durch elektrische Verbindung der Zellen in vier parallelen Strängen mit je 96 Zellen erhält die Batterie eine Leerlaufspannung von 200 V bis 170 V. Der Innenwiderstand beträgt in diesem Fall 168 mohm, die Kapazität 180 Ah. Der Spannungsfall bei Belastung ergibt sich aus dem Produkt von Innenwiderstand und Batteriestrom, wobei der Innenwiderstand sowohl beim Laden als auch beim Entladen für alle Entladungsgrade konstant bleibt. Bei einer vollständigen Entladung in zwei Stunden beträgt der Energieinhalt 32 kwh. Dem entspricht eine Energiedichte von rund 120 Wh/kg. Der dazugehörige Entladewirkungsgrad ist 92 %. Wegen des Ladefaktors 1 ist der Ladewirkungsgrad bei zweistündiger Ladung fast gleich groß, nämlich ca. 91 %. Bei zehnstündiger Ladung, was für einen Elektroautospeicher typisch ist, beträgt der Ladewirkungsgrad 98 %. Eine vollständige Entladung mit konstanter Leistung ohne Unterbrechung ist in minimal einer Stunde möglich, eine Entladung zu 80 % in weniger als einer Dreiviertelstunde. Diese Dauergrenzlast ist durch die Bemessung des Kühlsystems der Batterie bestimmt. Es benötigt aufgrund der hohen Betriebstemperatur einen Kühlluftstrom von nur 1 m³/min. Für wenige Minuten ist die Batterie bis zu zwei Drittel der Leerlaufspannung belastbar. Dies entspricht einer Leistung von etwa 50 kw bzw. 188 W/kg. Der nicht durch Kühlung abgeführte Teil der Jouleschen Wärmeverluste wird in der Erwärmung der Zellen gespeichert und deckt die Wärmeverluste bis zu 30 h. Während längerer Stillstandszeiten ist jedoch eine Zusatzheizung erforderlich. Die dafür notwendige Energie kann entweder dem elektrischen Versorgungsnetz (z. B. bei Wartezeiten an der Steckdose) oder der Batterie selbst entnommen werden. Die Verlustleistung der Batterie beträgt aufgrund der guten Wärmedämmung nur 80 W, so dass sie sich mit einer vollen Ladung 16 Tage lang selbst warm halten kann. Die gegen Atmosphärendruck stabile Vakuumwärmedämmung hat eine Wärmeleitfähigkeit von nur 0,0025 W/mK, die damit etwa 20mal geringer als die der weit verbreiteten Mineralwollisolation ist. Um die Batterie ständig betriebsbereit zu halten, sollte ihre Temperatur nicht unter den minimalen Betriebswert absinken. Das Aufheizen der Batterie aus dem kalten Zustand dauert etwa 4 h bis 10 h und ist mit dem eingebauten Heizleiter oder einem Heißluftgebläse möglich. Mehr als insgesamt 30 Temperaturwechsel sollten jedoch vermieden werden. Dem Nachteil des Wärmeverlusts, der aus der erhöhten Betriebstemperatur folgt, steht der Vorteil gegenüber, dass diese Batterie unabhängig von der Außenlufttemperatur arbeitet. Es ist gleichgültig, ob sie in einer Umgebung von - 50 C oder bei 80 C betrieben wird. Spießberger Christian 12/

13 Die einzige erforderliche "Wartung" ist das Warmhalten der Batterie, was vollautomatisch eine Regeleinrichtung übernimmt. Das Nachfüllen von Wasser, wie bei konventionellen Batterien, entfällt systembedingt. Diese und die zuvor beschriebenen Eigenschaften der hohen Energie- und Leistungsdichte sowie die hohen Lade- und Entladewirkungsgrade bieten für die Anwendung im Elektroauto günstige Voraussetzungen.1 Technische Daten Entwicklungsbatterie B15: Batterietyp B15 Entwicklungsbatterie Maße (l*b*h) 733 *318 * 320 mm³ Gewicht 98 kg Thermische Verlustleistung ca. 80 W Energie (5h) 10 kwh Energiedichte (5h) 134 Wh/l Energiedichte (5h) 102 Wh/kg Nennspannung 72 V Leerlaufspannung (geladen) 74,9 V Minimale Leerlaufspannung 64,1 V Parallele Stränge 4 Innenwiderstand (310 C) 90 m Ohm Kapazität 140 Ah Spitzenstrom (<3 min.) 200 A Dauerentladestrom* 150 A Dauerladestrom 70 A Anschlußseite oben, lokal 27 mm zusätzliche Höhe * bis zur thermischen Begrenzung Die Daten gelten nur in Verbindung mit der Batterie-Management-Einheit BM1 Mit dem Horlacher Sport wurde ein Langstrecken-Weltrekord mit 527 km aufgestellt. Dieses Fahrzeug war mit zwei ABB B15-Batterien sowie einer Brusa-Antriebskonzeption ausgestattet. Natrium-Nickel-Chlorid-Batterie "Zebra Zelle" Die Natrium Nickel Chlorid Zelle ist vom Aufbau ähnlich der NaS Zelle. Sie ist ebenfalls eine Hochenergiebatterie mit einer Arbeitstemperatur von 300 C. Technische Daten: Zellen: Zellenspannung 2,58 V Zellenform Quadratisch Coulombscher Wirkungsgrad 100 % Energetischer Wirkungsgrad % (bei 10 h Laden und 2-3 h entladen) Lebensdauer 1000 Zyklen Ladung: 50 % in 45 min, 100 % in 4,5h Ladekennlinie IU Überladung und Überentladung begrenzt möglich Spießberger Christian 13/

14 Batterie: Maße Entwicklungstyp 1430 * 515 *360 mm³ Kapazität 30 kwh Betriebstemperatur C Verluste 100 W +/- 50 W Aufheizzeit 24 h Überwachung durch Batteriemanagement Entwicklungsstand: Entwicklungs- und Laborphase bei AEG beendet; Pilotfertigung ab Ende Nach dem Daimler Chrysler das Batterieauto scheinbar abgeschrieben hat ist die Entwicklung dieser Batterie teilweise in England und teilweise in der Schweiz? Zusammenfassung: Vorteile: konstante Ruhespannung vollständig entladbar Wartungsfrei Inhärente Sicherheit aufgrund des Stoffsystems Überladung und Überentladung begrenzt möglich Selbstüberbrückung ausgefallener Zellen begrenzt möglich (5-8% der Zellen) Kühlung der Batterie mit geringem Volumenstrom Nachteile: kein konstanter Innenwiderstand permanente Energiezufuhr für Temperierung der Batterie nicht erhältlich Zink-Brom-Batterie Die Zink-Brom-Batterie (ein altes Konzept) wurde erst wieder aufgegriffen und als Lizenz von Exxon von einer internationalen Kooperation von voneinander unabhängigen Firmen darunter auch SEA weiterentwickelt. (Quelle Fa. Zipperling) Dieser Batterietyp ist momentan noch in der Entwicklung...seit einigen Jahren hört man nichts mehr von diesem Batterietyp (Stand 9/1999) Funktionsweise Während des Ladens wird ein Zinkfilm an der Kathode abgeschieden. Brom wird an der Anode erzeugt, mittels des Komplexes in Form einer organischen Phase aus dem Zellenpaket ausgetragen und im Reservoir als Sumpf gespeichert. Zur Beschleunigung der Brom-Reaktion an der Anode ist eine spezielle Aktivierung der Elektrodenoberfläche notwendig. Während des Entladens wird eine Emulsion aus bromreicher und wässriger Phase durch das Zellenpaket gepumpt, um elektrochemisch an den Elektroden zu reagieren. Der zwischen den Elektroden positionierte Separator verhindert den direkten Zutritt von Brom zu Zink und reduziert die Selbstentladung auf ein Minimum. Das Zellenpaket bestimmt durch die aktive Elektrodenoberfläche und durch die Zellenzahl die Spannung (1.76 V/Zelle). Die bipolare Zellenanordnung erfordert pro Zellenpaket nur zwei Kollektoren. Jede Zink-Brom-Batterie nach dem S.E.A.-Design enthält als Bestandteil des Zellenpaketes Hochleistungs-Wärmetauscher für die Temperaturregelung. Spießberger Christian 14/

15 Die Reservoirs inklusive des für die Elektrolytumwälzung notwendigen Rohr- und Pumpensystems können in Form und Aussehen weitgehend beliebig gewählt werden, als auch von den übrigen Komponenten getrennt angeordnet sein. Damit sind die Ausnutzung von Toträumen sowie die Beeinflussung der Schwerpunktlage durch die Batterie möglich. Der Elektrolyt, der mehr als 60% des Batteriegewichtes ausmacht, ist im entladenen Zustand in beiden Reservoirs gleich. In mehr als 2000 Zyklen wurde nachgewiesen, dass durch den Batteriebetrieb keine Beeinflußung des Elektrolyts erfolgt. Der modulare Aufbau der Zink-Brom-Batterie erlaubt die Anordnung der einzelnen Komponenten in vielfacher Weise und damit eine Anpassung der Batterieform in unterschiedliche Einsatzgegebenheiten Technische Daten: Batteriespannung nominal 48, 72, 96 V Zellenspannung nominal 1,5 V Leerlaufspannung 1,79 V Entladespannung 1 V Ah-Kapazität nominal 90 mah/cm²=108 Ah/Elektrode Coulumb`sche Effizienz % Voltaische Effizienz * % Energie-Effizienz brutto * % Energieeffizienz netto * % Energiedichte Wh/kg Volums.Energiedichte Wh/l Spezifische Leistung W/kg Betriebstemperatur C Batteriekapazitäten (kwh) 48V: 5 kwh, 10 kwh 72V: 15 kwh 96V: 10 kwh, 20 kwh 108V: 22,5kWh, 45 kwh * bei dreistündiger Entladung (Quelle SEA) Zusammenfassung Vorteile Batterieform (Tanks sind individuell an das Fahrzeug anpassbar) niedriger Preis relativ hohe Energiedichte tiefentladbar Nachteile unbekannte Faktoren hinsichtlich Giftigkeit und Crashverhalten relativ hoher Innenwiderstand momentan nicht verfügbar Brom ist relativ aggressiv gegenüber Kunststoffen. Da die Elektrode aber aus Kunststoff ist, ist dieses Teil momentan noch Problematisch. Es treten noch Probleme mit der Verstopfung der Elektrode auf. Da SEA nur eine Entwicklungsgesellschaft ist, wird die Batterie voraussichtlich von der Firma ELIN in Österreich produziert. Im Frühjahr 1992 laufen verschiedene Verhandlungen zwischen SEA und Elektrofahrzeugherstellern. Da die Batterie individuell an das Fahrzeug Spießberger Christian 15/

16 angepaßt wird sind größere Stückzahlen nötig um die Batterie wirtschaftlich produzieren zu können. Um beim Crash ein Auslaufen der Batterie zu verhindern, wird die Batterie in einen reißfesten Sack eingepackt. Beim TÜV München wurden verschieden Untersuchungen darüber gemacht. Unfallverhalten von Batterien Blei-Batterien Positive Erfahrungen wurden bei VW mit Blei-Gel-Batterien gemacht. Bei diesem Batterietyp ist der Elektrolyt gebunden und kann bei einem Unfall nicht auslaufen. Bei Blei-Säure- Batterien ist mit einem Auslaufen der Säure zu rechnen. Gefährlich ist der Kontakt mit der Säure besonders bei Verletzten mit offenen Wunden. Nickel-Cadmium-Batterien Das Schwermetall Cadmium ist nicht das Problem, da es als festes Teil vorliegt und wieder eingesammelt werden kann. Gefährlich ist hier ebenfalls der Elektrolyt, der die Insassen verletzen kann. Natrium-Schwefel-Batterien Über diesen Batterietyp liegen noch relativ wenig Erkenntnisse vor. Zwar hat z.b. der Behälter der ABB Batterie eine Druckfestigkeit von 15o kn, dies ist aber bei einem Unfall nicht viel, so dass auch hier mit einem Auslaufen der Batterie zu rechnen ist. Die hohen Temperaturen des Batterieinneren mit 300 C sollten natürlich den Insassen möglichst fern gehalten werden. Auch die Inhärente Sicherheit ist ein weiterer wichtiger Punkt. Natrium-Nickel-Chlorid-Batterien Über diesen Batterietyp liegen ähnlich wenige Erkenntnisse wie über die NaS Batterie vor. Dieser Typ soll aber auf jeden Fall eine Inhärente Sicherheit besitzen. Zink-Brom-Batterien Brom ist sehr giftig, es muss demnach unter allen Bedingungen verhindert werden, dass es ausläuft. Da eine ZnBr Batterie sehr aufwendig gebaut ist, mit sehr vielen Verbíndungsstellen, hat man vor die gesamte Batterie in einen reißfesten Sack einzupacken. Bei einem Unfall soll so ein Auslaufen verhindert werden. Konstruktive Maßnahmen am Fahrzeug Damit die Batterien im Falle eines Unfalls möglichst wenig Schaden anrichten, sollten die Batterieträger so konstruiert sein, dass die Batterie beim Crash unter das Fahrzeug rutscht und damit den Insassen nicht mehr gefährlich werden kann. Arbeiten an Batteriesystem Bei Arbeiten an Batteriesystem ist höchste Vorsicht geboten. Anders als bei Arbeiten am Allgemeinen Stromnetz sind an Batterien nicht immer Sicherungen vorhanden die den Kurzschlussstrom begrenzen. Besonders ist der Ein- und Ausbau von einzelnen Zellen oder Batterieblöcken gemeint. Das Hantieren mit Gabelschlüssel oder anderen metallischen Gegenständen kann sehr gefährlich werden, da Batterien im Kurzschlussfall Ströme von 1000 A und mehr abgeben können! Es kann passieren dass sich das Werkzeug mit dem der Kurzschluss ausgelöst wurde mit dem Batteriepol verschweißt und die Batterie Aufgrund des Kurzschlusses explodiert. Es ist nach Spießberger Christian 16/

17 Möglichkeit isoliertes Werkzeug zu verwenden. Auch metallische Uhrarmbänder können zum Verhängnis werden. Bei der Aufteilung der Fahrzeugbatterie in mehrere Batterieblöcke innerhalb des Fahrzeuges sollten zwischen den Blöcken Sicherungen gesetzt werden um die Möglichkeiten eines unabgesicherten Kurzschlusses zu minimieren. Batteriepole sollten keinen Drehmomenten ausgesetzt werden. Beim Anziehen der Batterieverbinder mit einem zweiten Schlüssel gegenhalten! Das Chassis des Fahrzeuges sollte in jedem Fall von der Batterie getrennt sein, um so dass Risiko eines Kurzschlusses zu minimieren. Motoren Für Elektrofahrzeuge verwendbare Motoren Es gibt eine Vielzahl von Motorbauformen, aber nicht alle sind für Elektrofahrzeuge geeignet. Es gibt die zwei Hauptgruppen Gleichstrom und Drehstrommotoren, die für Elektrofahrzeuge geeignet sind. Einphasen-Wechselstrommotoren sind nicht geeignet. Alle Motoren sind heute noch sehr schwer, da nur wenige Motoren gewichtsoptimiert sind. Elektromotoren, insbesondere Drehstrommotoren wurden bisher nur stationär eingebaut. Auch z.b. bei Gabelstaplermotoren spielt das Gewicht keine Rolle, im Gegenteil, der Gabelstapler braucht Gegengewicht. Das Leistungsgewicht von Elektromotoren liegt heute üblicherweise bei 0,2-0,5 kw / kg. Steigerungen bis 4 kw / kg sind zu erwarten. Vor allem neue Magnetwerkstoffe werden dazu beitragen. Gleichstrommotoren Eine Batterie liefert Gleichstrom, darum liegt es nahe einen Gleichstrommotor zu verwenden. Man unterscheidet zwischen: Reihenschlussmotoren Sie besitzen ein sehr hohes Anzugsmoment und sind deshalb für Elektrofahrzeuge geeignet. Durch die hohen Anfahrmomente können sehr leicht Schäden am Getriebe entstehen, so dass das Moment auf jeden Fall über den Strom begrenzt werden muss. Das Drehmoment dieses Motors fällt aber mit steigender Drehzahl sehr schnell ab, so dass evtl. ein Schaltgetriebe verwendet werden muss. Die Regelung geschieht über einen Pulsweitensteller. Nebenschlussmotoren Nebenschlussmotoren werden z.b. im ABB City-Stromer eingesetzt. Zu ihrer Regelung benötigt man zwei Steller, einen für den Ankerstrom und einen für das Feld. Fahren lässt sich das Fahrzeug durch Regeln des Feldes, also im Feldschwächebereich. Bei diesem Motortyp reicht im Allgemeinen ein zweistufiges Getriebe aus. Der Motor hat ein ähnliches Drehzahl/ Drehmomentverhalten wie ein Verbrennungsmotor. Compoundmotoren Compoundmotoren (Doppelschlussmotoren) sind eine Kombination aus Reihen, und Nebenschlussmotor. Sie besitzen das hohe Anzugsmoment des Reihenschlussmotors und können durch Regeln, Schalten der Nebenschluss (Compound) Wicklung eine zusätzliche Feldschwächung herbeiführen und damit den Wirkungsgrad verbessern, und Spießberger Christian 17/

18 die Drehzahl weiter erhöhen. Dies wird z.b. beim city el und beim neuen Microcar so gemacht. Permanenterregte Gleichstrommotoren (Dauermagnetmotoren) Permanenterregte Gleichstrommotoren besitzen den besten Wirkungsgrad aller Gleichstrommotoren, da die Energie des Feldes von einem Permanentmagnet erzeugt wird. Leider sind diese Motoren sehr wenig elastisch, bzw. der Wirkungsgrad fällt sehr stark bei fallender Drehzahl. Für ihren Betrieb ist auf jeden Fall ein Schaltgetriebe erforderlich. Der Wirkungsgrad kann über 90 % liegen. Wartungsarbeiten bei Gleichstrommotoren Oft werden bei Gleichstrommotoren die Wartungsarbeiten als Nachteil angeführt. Wechselintervalle der Kohlen liegen z.b. beim mini el bei km. Die Zeitintervalle liegen absolut im Rahmen, wenn man bedenkt wie oft ein Ölwechsel an Verbrennungsfahrzeugen notwendig ist. Weitere Wartungsarbeiten sind den Motor von Kohlenstaub und anderen Verunreinigungen zu säubern sowie die Lager zu schmieren. Insgesamt sind auch Gleichstrommotoren sehr wartungsarm. Belüftung von Gleichstrommotoren Gleichstrommotore benötigen fast immer eine Belüftung. Meistens wird dies durch ein, auf der Motorwelle montiertes, Lüfterrad realisiert. Dies ist aber nicht sinnvoll. Elektrofahrzeuge mit Gleichstrommotoren benötigen ihre maximale Leistung meistens nur bei Bergfahrten. Auf der Ebene wird die Maximalleistung nicht benötigt. Bei Bergfahrten läuft das Lüfterrad relativ langsam und bringt eigentlich zu wenig Kühlleistung, auf der Ebene zu viel Kühlleistung und verbraucht damit unnötig Energie. Deshalb ist eine Fremdbelüftung des Motors sinnvoll, die sich temperaturgesteuert einschaltet. Drehstrommotoren Drehstrommotoren werden in riesiger Stückzahl verwendet, sie sind fast alle wartungsfrei und sehr robust. Drehstrommotoren haben den Nachteil, dass sie Drehstrom benötigen, der im Fahrzeug aus der Batteriegleichspannung erzeugt werden muss. Man unterscheidet zwischen: Drehstromasynchronmotoren Der Drehstromasynchronmotor ist der Standardmotor in der Industrie schlechthin. Er ist billig, wartungsfrei, leicht und hat einen relativ guten Wirkungsgrad. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Motor geschlossen sein kann, und keine Kühlluft durch den Motor fließt. Ein Teil der Energie wird durch die Erregung verbraucht, die durch die im Käfig induzierten Ströme entsteht. Ein 15 kw Asynchronmotor für ein Elektrofahrzeug kostet heute weniger als ein 2,5 kw Gleichstrommotor für ein Elektrofahrzeug, allerdings kostet der Frequenzumrichter fast 8-mal so viel wie ein Gleichstromsteller. Asynchronmotoren sind momentan die idealen Elektrofahrzeugmotoren, wie sich auch auf den verschiedenen Rennen immer wieder zeigt. Permanenterregte Drehstromsynchronmotoren Dieser Motortyp hat sehr gute Zukunftschancen, die aber stark von der Entwicklung der Magnetwerkstoffe abhängig sind. Die Energie für die Erregung wird bei diesem Motortyp von Permanentmagneten erzeugt. Diese Magnete müssen sehr hohen Temperaturen und Fliehkräften standhalten. Die Entwicklung bei den Magnetwerkstoffen geht sehr schnell voran, so dass bald sehr kleine, leichte und leistungsfähige Motoren entstehen werden. Spießberger Christian 18/

19 Sonderbauformen Um höhere Drehmomente zu erzielen, werden Sonderbauformen mit mehr als dreiphasigem Drehstrom entwickelt. Bei vielphasiger (bis zu 32 Phasen) Drehstromtechnik sind alle Komponenten (Motor, Leistungsendstufe, Ansteuerung) entsprechend aufwendiger. Der Vorteil davon sind sehr hohe Drehmomente. Z.B. ein Antriebssystem für Daimler Benz mit zwei Vielphasen Drehstrommotoren mit zusammen 600 Nm. Solche Motoren lassen sich dann 1:1 an das Rad übersetzen. Betriebsarten Es gibt für jeden Motor bestimmte Betriebsarten d.h. Wechsel zwischen Belastungs- und Ruhezeiten. S1 Dauerbetrieb Betrieb mit konstantem Belastungszustand, dessen Dauer ausreicht, den thermischen Beharrungszustand zu erreichen. S2 Kurzzeitbetrieb Betrieb mit konstantem Belastungszustand, der aber nicht so lange dauert, dass der thermische Beharrungszustand erreicht wird und einer nachfolgenden Pause, die so lange besteht, bis die Motortemperatur nicht mehr als 2K von der Temperatur des Kühlmittels abweicht. S3 Aussetzbetrieb Betrieb, der sich aus einer Folge gleichartiger Spiele (Spieldauer 10 min) zusammensetzt, von denen jedes eine Zeit mit konstanter Belastung und eine Pause umfasst, wobei der Anlaufstrom die Erwärmung nicht merklich beeinflusst. Für Elektrofahrzeuge sollte der Motor die Nennleistung im Dauerbetrieb S1 abgeben können. Wenn sichergestellt ist, dass das Fahrzeug von der Batteriekapazität her die Nennleistung nicht länger als für den Motor zugelassen abgeben kann, so lässt sich auch ein Motor für Kurzzeitbetrieb S2 verwenden. z.b. mini el: Entnehmbare Batteriekapazität 2 kwh, Motor 2,5 kw S2 60 min. Die Abkühlzeit des Motors ist dann durch die Aufladezeit der Akkus gewährleistet. Bei einigen Fahrzeugen wird die Motortemperatur überwacht und die Motorleistung gegebenenfalls reduziert. Bauformen Für elektrische Maschinen gibt es nicht nur eine Vielzahl von Schaltungen, sondern auch eine Vielzahl von Bauformen. Sie unterscheiden sich bezüglich der Anordnung der Lager, der Gehäusebefestigung, der Betriebslage usw. Für Elektrofahrzeuge hat sich die Bauform mit dem Kurzzeichen B5 herauskristallisiert. Dies bedeutet, ein Gehäuse ohne Füße mit einem Befestigungsflansch auf der Antriebsseite, zwei Lagerschilden und ein freies Wellenende. Bei vielen Elektrofahrzeugen werden die Motoren waagerecht eingebaut und an der Flanschplatte befestigt. Spießberger Christian 19/

20 Vor- und Nachteile der Elektrofahrzeuge Vorteile Lokale Emissionsfreiheit Geringer Lärmpegel Wartungsarmer Betrieb Senkung der globalen Umweltbelastung durch Schadstoffe wie CO, HC, NOX mit Ausnahme von SO2 Lösung vom Primärenergieträger Öl im mobilen Sektor Nachteile Niedrige Energiedichte der Batterie Geringe Reichweite Geringe Nutzlast Hoher Preis Eingeschränkte Verfügbarkeit durch lange Aufladezeiten Elektrofahrzeuge Bei einem Elektrofahrzeug handelt es sich um ein Kraftfahrzeug, das mit einem Akkumulator zur Speicherung von elektrischer Energie ausgestattet ist und durch einen Elektromotor angetrieben wird. Vorteile des Elektroantriebes sind die geringe Lärmentwicklung sowie die Abgas- und Schadstofffreiheit am Fahrzeug. Im Rahmen der nachfolgenden Ausführungen werden nur nichtspurgeführte Elektrofahrzeuge (elektrische Straßenfahrzeuge) berücksichtigt, zu denen u.a. Personenkraftwagen, Transporter und Lieferwagen oder Kleinbusse zählen. Motorsteuerungen Die Motorsteuerung hat die Aufgabe den Sollwert des Fahrers in Motordrehzahl- und Drehmoment umzusetzen. Gleichzeitig müssen in der Motorsteuerung Überwachungs- und Schutzfunktionen, für Motor und Batterie integriert sein. Gleichstrommotorsteuerungen Vorwiderstand Eine sehr unökonomische wenn auch funktionierende Methode ist die Steuerung über einen Vorwiderstand. Der Vorwiderstand wird in Reihe zum Anker des Gleichstrommotors geschaltet. Dabei wird je nach Systemleistung einige Watt bis zu einigen Kilowatt im Vorwiderstand "verbraten". Ab einer bestimmten Geschwindigkeit, nahe der Maximalgeschwindigkeit, kann der Widerstand über einen Schütz überbrückt werden. Der Motor läuft jetzt mit Maximaldrehzahl. In den ersten "mini el" bis 1989 wurde dies so praktiziert! Diese Methode ist im Zeitalter der Leistungselektronik und des Energiesparens nicht mehr angebracht. Thyristorsteller Mit voranschreitender Technik entwickelte sich die Leistungselektronik. Mit Thyristoren war es erstmals möglich größere Ströme zu schalten. Bei Gabelstaplern ist diese Technik sehr verbreitet. Ein Hersteller ist z.b. die Firma BOSCH die Thyristorsteller für z. B. Flurförderfahrzeuge herstellt. Spießberger Christian 20/