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Anton Karle
Elektromobilität
Grundlagen und Praxis
Inhalt
10
1 Einführung
16
2 Überblick Elektrofahrzeuge
20
2.1 Geschichte und grundsätzliche Bedeutung
20
2.2 Konstruktive Unterschiede zwischen Elektrofahrzeug und herkömmlichem Kraftfahrzeug
21
2.3 Die Vorteile des Elektroantriebs
24
2.4 Die Nachteile des Elektroantriebs
26
2.5 Vorgaben zur CO2-Reduktion als Treiber für die Elektromobilität
27
3 Ausführungsformen von Elektrofahrzeugen in der Praxis
29
3.1 Elektro-Pkw
29
3.1.1 Reine Elektrofahrzeuge, Batterieelektrische Fahrzeuge
29
3.1.2 Elektrofahrzeuge mit Range Extender, Range Extended Electric Vehicle (REEV)
31
3.1.3 Hybridfahrzeuge, Hybrid Electric Vehicle (HEV)
32
3.1.3.1 Mikrohybrid
34
3.1.3.2 Mildhybrid
34
3.1.3.3 Vollhybrid
34
3.1.3.4 Plug-In-Hybride
35
3.1.3.5 Antriebsstruktur der Hybride
36
3.1.3.6 Hybridsysteme in der Formel 1
38
3.1.3.7 Brennstoffzellenfahrzeug
39
3.1.3.8 Funktion der Brennstoffzelle
40
3.1.3.9 Speicherung des Wasserstoffs im Fahrzeug
40
3.1.3.10 Wasserstoffversorgung
41
3.1.3.11 Wie wird der Wasserstoff produziert?
41
3.1.3.12 Beispiele Brennstoffzellenfahrzeuge
42
3.2 Elektrobusse
43
3.3 Elektro-Nutzfahrzeuge
43
3.4 Elektrofahrräder
44
3.4.1 Bauformen von Elektrofahrrädern
45
3.4.2 Reichweite von Elektrofahrrädern
47
3.5 Weitere Elektrofahrzeuge
48
3.5.1 Segway
48
3.5.2 Elektromotorräder
50
3.5.3 Elektroflugzeuge
51
4 Grundlagen Kfz-Antriebe
52
4.1 Übersicht Antriebe
52
4.2 Verbrennungsmotor
52
4.2.1 Funktion Viertaktmotor
53
4.2.2 Leistung, Drehmoment und Verbrauch des Verbrennungsmotors
55
4.2.2.1 Energiebilanz und Berechnung des Wirkungsgrads aus dem spezifischen Verbrauch
57
4.2.2.2 Lastanhebung bei Hybridfahrzeugen
58
4.2.2.3 Berechnung der Motorleistung im Verbrauchskennfeld
60
5 Elektrifizierter Antriebsstrang
61
5.1 Elektromotor
61
5.1.1 Anforderungen
62
5.1.2 Kurzbeschreibung Elektromotoren
62
5.1.3 Gleichstrommotor
62
5.1.4 Drehstrommotor
64
5.1.5 Betrieb von Drehstrommotoren in Elektrokraftfahrzeugen
68
5.1.6 Leistung und Drehzahl-Drehmomentverhalten der Elektroantriebe
69
5.1.7 Berechnungsgrundlagen für den Pkw-Elektroantrieb
71
5.1.7.1 Leistung des Antriebs und Leistung des Gesamtfahrzeugs
72
5.1.7.2 Zusammenhang Fahrzeuggeschwindigkeit und Motordrehzahl
73
5.1.7.3 Ermittlung der notwendigen Getriebeübersetzung
74
5.1.7.4 Berechnung der Antriebskraft des Fahrzeugs aus dem Drehmoment des Motors
75
5.1.7.5 Berechnung der Beschleunigung aus der Antriebskraft
78
5.2 Energiespeicher Akku
79
5.2.1 Grundlagen und Begriffe
79
5.2.2 Basiszelle Lithium-Ionen-Akku
80
5.2.3 Li-Ionen-Akku als Fahrzeugakku
82
5.2.3.1 Akkukapazität und Reichweite von Elektrofahrzeugen
84
5.2.3.2 Die Lebensdauer von Fahrzeugakkus
86
5.2.3.3 Das Batterie-Management-System (BMS)
86
5.2.3.4 Sicherheit der Fahrzeugakkus
87
5.2.4 Hersteller
88
5.2.5 Ausblick Weiterentwicklung Akkus
89
5.3 Leistungselektronik, Inverter
90
6 Laden und Ladeinfrastruktur
92
6.1 Grundlagen Akku laden
92
6.1.1 Die Laderate
93
6.1.2 Kapazität des Akkus
93
6.1.2.1 Kapazität in Amperestunden (Ah)
93
6.1.2.2 Kapazität in Wattstunden (Wh) und Wirkungsgrad
93
6.1.3 Anforderungen beim Laden von Lithium-Ionen-Basiszellen
94
6.1.4 Laden von Li-Ionen-Fahrzeugakkus
95
6.2 Das Laden von Elektrofahrzeugen
96
6.2.1 Ladearten und Lademodi
97
6.2.2 Zusammenhang Ladeleistung/Ladedauer
100
6.2.3 Anschlüsse zum Laden: Steckverbindungen
101
6.2.4 Sicherheit beim Laden
103
6.3 Entwicklung der Ladeinfrastruktur
103
6.4 Weiterentwicklung von Ladekonzepten
106
6.4.1 Induktives Laden
106
6.4.2 Wechselakku
107
6.4.3 Intelligentes Laden, Vehicle to Grid
108
6.4.4 Dichte von Ladestationen
109
7 Verbrauch und Reichweite von E-Fahrzeugen
110
7.1 Physikalische Grundlagen
110
7.1.1 Berechnungsgrößen
110
7.1.2 Berechnungsgleichungen für die Beschreibung der Fahrzeugbewegung
111
7.1.3 Energie und Verbrauch
113
7.1.4 Antriebskraft und Fahrwiderstände
114
7.2 Verbrauchssimulationen
117
7.2.1 Einflussgrößen
117
7.2.2 Leistung und Antriebskraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit
117
7.2.3 Fahrwiderstände und Verbrauch
118
7.2.4 Einfluss der Rekuperation auf den Verbrauch
121
7.3 Verbrauch Elektrofahrzeuge im NEFZ
125
7.3.1 Der NEFZ-Fahrzyklus
125
7.3.2 NEFZ-Verbrauchssimulationen
128
7.3.3 Einfluss von Änderungen ausgewählter Konstruktionsparameter
132
7.3.4 NEFZ-Verbrauch bei Plug-In-Hybriden
134
7.3.5 Elektrische Reichweite (NEFZ)
137
7.3.6 Einfluss von Zusatzverbrauchern auf die Reichweite
138
7.3.6.1 Reichweitenverluste durch Heizen und Kühlen
139
7.3.6.2 Verbesserungsansätze für Heizung und Klimatisierung
140
7.3.7 Alternative Messzyklen und Übertragbarkeit der NEFZ-Messwerte auf reale Fahrsituationen
141
7.4 Schlussfolgerungen aus den Verbrauchsermittlungen
143
8 Strom für die Elektrofahrzeuge
144
8.1 Energieerzeugung
144
8.1.1 Primärenergiequellen
144
8.1.2 Der Strommix Deutschland
145
8.1.3 Erneuerbare Energien
148
8.1.3.1 Strom aus Photovoltaik-Anlagen
150
8.1.3.2 Windenergie
152
8.1.3.3 Strom aus Biomasse
153
8.1.3.4 Wasserkraft
156
8.2 Speicherung von Strom
157
8.2.1 Speichertechnologien
158
8.2.2 Beschreibung wichtiger Stromspeicher
159
8.2.2.1 Akkumulatoren
159
8.2.2.2 Pumpspeicherwerke
160
8.2.2.3 Erdgasspeicher
161
8.2.2.4 Power-to-Gas
162
9 Umweltbilanz von Elektrofahrzeugen
166
9.1 Beurteilungsmöglichkeiten für eine Umweltbilanz
166
9.2 Herstellungs- und Verwertungsphase der E-Fahrzeuge
168
9.3 Nutzungsphase
168
9.3.1 Lärm
169
9.3.2 Luftschadstoffe
169
9.3.3 CO2-Ausstoß als Maß für die Klimaschädlichkeit des Autoverkehrs
170
9.4 Ökobilanz der Mercedes-Benz-B-Klasse Electric Drive
172
10 Markt
174
10.1 Kostenvergleich Elektroautos – konventionelle Fahrzeuge
174
10.1.1 Anzusetzende Kosten
174
10.1.2 Vergleichsrechnung Elektrofahrzeug/Verbrennungsmotor-Fahrzeug
175
10.2 Angebot an Elektrofahrzeugen und Verbreitung
178
10.2.1 Verbreitung von Elektrofahrzeugen
178
10.2.2 Angebote Elektrofahrzeuge
181
10.2.2.1 Reine Elektro-Pkw
182
10.2.2.2 Plug-In-Hybride
190
10.2.2.3 Nutzfahrzeuge
192
10.2.2.4 Brennstoffzellenfahrzeuge
193
10.3 Staatliche Förderung
194
10.4 Schlussfolgerungen Markt
195
11 Mobilitätskonzepte mit Elektrofahrzeugen
196
11.1 Carsharing
196
11.1.1 car2go
196
11.1.2 DriveNow
198
11.1.3 Carsharing im ländlichen Raum
199
11.2 E-Taxis
199
11.3 Elektrobusse
200
11.4 Güterverkehr
201
11.4.1 Paketzustellung mit Elektrofahrzeugen
201
11.4.2 Elektro-Lkw
203
12 Förderung der Elektromobilität in Deutschland
204
12.1 Förderbereiche der Bundesministerien und Leuchtturmprojekte
204
12.2 Schaufenster für Elektromobilität
205
12.3 NPE-Fortschrittsbericht 2014
206
13 Schlussfolgerungen und Gesamtbeurteilung
208
14 Workshop Simulation
210
Glossar
216
Verzeichnis Bildquellen
220
Literatur
222
Index
227
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