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Anton Karle
Elektromobilität
Grundlagen und Praxis
Vorwort
6
Inhalt
8
1 Einführung
1 Einführung
2 Überblick Elektromobile
2 Überblick Elektromobile
2.1 Geschichte und grundsätzliche Bedeutung
18
2.2 Konstruktive Unterschiede zwischen Elektromobil und herkömmlichem Kraftfahrzeug
19
2.3 Die Vorteile durch den Elektroantrieb
22
2.4 Nachteile des Elektroantriebs
24
2.5 Vorgaben zur CO2-Reduktion als Treiber für die Elektromobilität
25
3 Ausführungsformen von Elektrofahrzeugen in der Praxis
27
3.1 Elektro-Pkw
27
3.1.1 Reine Elektrofahrzeuge, Batterieelektrische Fahrzeuge
27
3.1.2 Elektrofahrzeuge mit Range Extender, Range Extended Electric Vehicle (REEV)
29
3.1.3 Hybridfahrzeuge, Hybrid Electric Vehicle (HEV)
30
3.1.3.1 Mikrohybrid
32
3.1.3.2 Mildhybrid
32
3.1.3.3 Vollhybrid
32
3.1.3.4 Plug-In-Hybride
33
3.1.3.5 Antriebsstruktur der Hybride
34
3.1.3.6 Hybridsysteme in der Formel 1
36
3.1.3.7 Brennstoffzellenfahrzeug
37
3.1.3.8 Funktion der Brennstoffzelle
38
3.1.3.9 Speicherung des Wasserstoffs im Fahrzeug
39
3.1.3.10 Wasserstoffversorgung
39
3.1.3.11 Wie wird der Wasserstoff produziert?
40
3.1.3.12 Beispiele Brennstoffzellenfahrzeuge
40
3.2 Elektrobusse
41
3.3 Elektro-Nutzfahrzeuge
42
3.4 Elektrofahrräder
43
3.4.1 Bauformen von Elektrofahrrädern
43
3.4.2 Reichweite von Elektrofahrrädern
46
3.5 Weitere Elektrofahrzeuge
47
3.5.1 Segway
47
3.5.2 Elektro-Motorräder
48
3.5.3 Elektro-Flugzeuge
49
4 Grundlagen Kfz-Antriebe
4 Grundlagen Kfz-Antriebe
4.1 Übersicht Antriebe
50
4.2 Verbrennungsmotor
50
4.2.1 Funktion Viertaktmotor
51
4.2.2 Leistung, Drehmoment und Verbrauch des Verbrennungsmotors
53
4.2.2.1 Energiebilanz und Berechnung des Wirkungsgrads aus dem spezifischen Verbrauch
55
4.2.2.2 Lastanhebung bei Hybridfahrzeugen
56
4.2.2.3 Berechnung der Motorleistung im Verbrauchskennfeld
58
5 Elektrifizierter Antriebsstrang
59
5.1 Elektromotor
59
5.1.1 Anforderungen
59
5.1.2 Kurzbeschreibung Elektromotoren
60
5.1.3 Gleichstrommotor
60
5.1.4 Drehstrommotor
62
5.1.5 Betrieb von Drehstrommotoren in Elektrokraftfahrzeugen
65
5.1.6 Leistung und Drehzahl-Drehmomentverhalten der Elektroantriebe
67
5.1.7 Berechnungsgrundlagen für den Pkw-Elektroantrieb
69
5.1.7.1 Leistung des Antriebs und Leistung des Gesamtfahrzeugs
70
5.1.7.2 Zusammenhang Fahrzeuggeschwindigkeit und Motordrehzahl
71
5.1.7.3 Ermittlung der notwendigen Getriebeübersetzung
72
5.1.7.4 Berechnung der Antriebskraft des Fahrzeugs aus dem Drehmoment
5.1.7.4 Berechnung der Antriebskraft des Fahrzeugs aus dem Drehmoment
73
73
5.1.7.5 Berechnung der Beschleunigung aus der Antriebskraft
75
5.2 Energiespeicher Akku
76
5.2.1 Grundlagen und Begriffe
76
5.2.2 Basiszelle Lithium-Ionen-Akku
77
5.2.3 Li-Ionen-Akku als Fahrzeugakku
79
5.2.3.1 Akkukapazität und Reichweite von Elektrofahrzeugen
82
5.2.3.2 Die Lebensdauer von Fahrzeugakkus
83
5.2.3.3 Das Batterie-Management-System, BMS
84
5.2.3.4 Sicherheit der Fahrzeugakkus
85
5.2.4 Hersteller
86
5.2.5 Ausblick Weiterentwicklung Akkus
86
5.3 Leistungselektronik, Inverter
87
6 Laden und Ladeinfrastruktur
89
6.1 Grundlagen Akkuladen
89
6.1.1 Die Laderate
89
6.1.2 Kapazität des Akkus
90
6.1.2.1 Kapazität in Amperestunden (Ah)
90
6.1.2.2 Kapazität in Wattstunden (Wh) und Wirkungsgrad
90
6.1.3 Anforderungen beim Laden von Lithium-Ionen-Basiszellen
91
6.1.4 Laden von Li-Ionen-Fahrzeugakkus
92
6.2 Das Laden von Elektrofahrzeugen
93
6.2.1 Ladearten und Lademodi
94
6.2.2 Zusammenhang Ladeleistung/Ladedauer
96
6.2.3 Anschlüsse zum Laden: Steckverbindungen
97
6.2.4 Sicherheit beim Laden
99
6.3 Entwicklung der Ladeinfrastruktur
99
6.4 Weiterentwicklung von Ladekonzepten
101
6.4.1 Induktives Laden
101
6.4.2 Wechselakku
102
6.4.3 Intelligentes Laden, Vehicle to Grid
103
6.4.4 Dichte von Ladestationen
104
7 Verbrauch und Reichweite von E-Fahrzeugen
105
7.1 Physikalische Grundlagen
105
7.1.1 Berechnungsgrößen
105
7.1.2 Berechnungsgleichungen für die Beschreibung der Fahrzeugbewegung
106
7.1.3 Energie und Verbrauch
108
7.1.4 Antriebskraft und Fahrwiderstände
109
7.2 Verbrauchssimulationen
111
7.2.1 Einflussgrößen
111
7.2.2 Leistung und Antriebskraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit
112
7.2.3 Fahrwiderstände und Verbrauch
112
7.2.4 Einfluss der Rekuperation auf den Verbrauch
115
7.3 Verbrauch Elektrofahrzeuge im NEFZ
119
7.3.1 Der NEFZ-Fahrzyklus
119
7.3.2 NEFZ-Verbrauchssimulationen
122
7.3.3 Einfluss von Änderungen ausgewählter Konstruktionsparameter
126
7.3.4 NEFZ-Verbrauch bei Plug-In-Hybriden
128
7.3.5 Elektrische Reichweite (NEFZ)
131
7.3.6 Einfluss von Zusatzverbrauchern auf die Reichweite
132
7.3.6.1 Reichweitenverluste durch Heizen und Kühlen
132
7.3.6.2 Verbesserungsansätze für Heizung und Klimatisierung
134
7.3.7 Alternative Messzyklen und Übertragbarkeit der NEFZ-Messwerte auf reale Fahrsituationen
135
7.4 Schlussfolgerungen aus den Verbrauchsermittlungen
137
8 Strom für die Elektrofahrzeuge
138
8.1 Energieerzeugung
138
8.1.1 Primärenergiequellen
138
8.1.2 Der Strommix Deutschland
139
8.1.3 Erneuerbare Energien
142
8.1.3.1 Strom aus Photovoltaik-Anlagen
144
8.1.3.2 Windenergie
146
8.1.3.3 Strom aus Biomasse
148
8.1.3.4 Wasserkraft
150
8.2 Speicherung von Strom
151
8.2.1 Speichertechnologien
152
8.2.2 Beschreibung wichtiger Stromspeicher
153
8.2.2.1 Akkumulatoren
153
8.2.2.2 Pumpspeicherwerke
154
8.2.2.3 Erdgasspeicher
155
8.2.2.4 Power-to-Gas
156
9 Umweltbilanz von Elektrofahrzeugen
160
9.1 Beurteilungsmöglichkeiten für eine Umweltbilanz
160
9.2 Herstellungs- und Verwertungsphase der E-Fahrzeuge
162
9.3 Nutzungsphase
162
9.3.1 Lärm
163
9.3.2 Luftschadstoffe
163
9.3.3 CO2-Ausstoß als Maß für die Klimaschädlichkeit des Autoverkehrs
164
9.4 Ökobilanz der Mercedes-Benz-B-Klasse Electric Drive
166
10 Markt
10 Markt
10.1 Kostenvergleich Elektroautos - konventionelle Fahrzeuge
168
10.1.1 Anzusetzende Kosten
168
10.1.2 Vergleichsrechnung Elektrofahrzeug/Verbrennungsmotor-Fahrzeug
169
10.2 Angebot an Elektrofahrzeugen und Verbreitung
172
10.2.1 Verbreitung von Elektrofahrzeugen
172
10.2.2 Angebote Elektrofahrzeuge
175
10.2.2.1 Reine Elektro-Pkw
175
10.2.2.2 Plug-In-Hybride
182
10.2.2.3 Nutzfahrzeuge
184
10.2.2.4 Brennstoffzellenfahrzeuge
186
10.3 Staatliche Förderung
186
10.4 Schlussfolgerungen Markt
188
11 Mobilitätskonzepte mit Elektrofahrzeugen
189
11.1 Carsharing
189
11.1.1 car2go
189
11.1.2 DriveNow
191
11.1.3 Carsharing im ländlichen Raum
191
11.2 E-Taxis
192
11.3 Elektrobusse
193
11.4 Güterverkehr
194
11.4.1 Paketzustellung mit Elektrofahrzeugen
194
11.4.2 Elektro-Lkw
195
12 Förderung der Elektromobilität in Deutschland
196
12.1 Förderbereiche der Bundesministerien und Leuchtturmprojekte
196
12.2 Schaufenster für Elektromobilität
197
12.3 NPE-Fortschrittsbericht 2014
198
13 Schlussfolgerungen und Gesamtbeurteilung
200
14 Workshop Simulation
14 Workshop Simulation
Glossar
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Verzeichnis Bildquellen
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Literatur
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Index
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