http://www.blue-engineering.org/api.php?action=feedcontributions&feedformat=atom&user=Lutzweiss 2026-05-22T03:10:17Z Benutzerbeiträge MediaWiki 1.25.2 http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Wissensspeicher&diff=749 2014-01-27T16:23:23Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>Hier könnten die Wissenspeicher gesammelt werden.<br /> <br /> == [[Open Access]] ==<br /> Open Access beschreibt den ''freien'' Zugang zu wissenschaftlichen (und anderen) Inhalten. Im Ramen des Seminars an der TU Berlin im Wintersemester 13/14 wurde ein Wissensspeicher zu [[Open Access]] angelegt.<br /> <br /> Der Wissensspeicher umfasst die Themen:<br /> * [[Open Access]] allgemein<br /> * Publikations- und Patentwesen<br /> * [[Open Access]] und Patente an der TU Berlin<br /> * Creative Commons als Lizenz für freie Inhalte<br /> <br /> == [[Grüne Elektroautos]] ==</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Datei:Zusammenfassung_Elektromotoren_2.jpg&diff=656 2014-01-25T15:47:14Z

<p>Lutzweiss: H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011</p> <hr /> <div>H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011</div>

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<p>Lutzweiss: H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011</p> <hr /> <div>H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011</div>

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<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> [[Category: Arten von Elektromotoren]]<br /> <br /> <br /> == Gleichstrommotoren ==<br /> <br /> Die am einfachsten zu beschreibende Funktionsweise von Elektromotoren ist diejenige der Gleichstrommotoren. Ein Rotor, auch als Anker bezeichnet, ist von einer Spule umwickelt, um die sich bei Anschluss einer Gleichstromquelle ein magnetisches Feld ausbildet. Der Rotor ist von einem Permanentmagneten umgeben, der dauerhaft ein magnetisches Feld erzeugt und auch als Stator bezeichnet wird. Die Drehung des Rotors in dem magnetischen Feld lässt sich durch das physikalische Gesetz erklären, dass sich gegennamige Ladungen anziehen, während sich gleichnamige Ladungen abstoßen. Wie in Abbildung 1 dargestellt ist, wird der Gleichstrom über sogenannte Bürsten in die Spule geleitet. Je nach Stellung bzw. Position des Rotors sind die beiden Seiten des Rotors unterschiedlich gepolt. Aufgrund der Anziehung gegensätzlicher Pole dreht sich der Rotor in Stellung 1 gegen den Uhrzeigersinn, so dass die Bürsten kurzzeitig über einen Bereich laufen, über den kein Strom in die Spule geleitet werden kann. Über den Kommutator erfolgt eine Ladungsumkehr, so dass die beiden Seiten des Rotors nun über den jeweils anderen Pol der Batterie mit Strom versorgt werden, wodurch sich das von der Spule erzeugte Magnetfeld umkehrt und sich der Rotor erneut im Magnetfeld des Permanentmagneten ausrichtet. Die Drehung wird also dadurch erzeugt, dass sich ein wechselndes Magnetfeld in einem konstanten Magnetfeld ausrichtet. Auf diese Wechselwirkung beruhen die Funktionsweisen aller Elektromotoren &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> [[Datei:Funktionsweise_Gelichstrommotor.jpg]]<br /> Abbildung 1: Funktionsweise eines Gleichstrommotors<br /> <br /> <br /> Gleichstrommaschinen haben heute in der Elektromobilität nahezu keinen Einsatz mehr, zumindest nicht als Primärantrieb &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;. Grund hierfür ist vor allem die schlechte Wärmeabfuhr, da die gesamte Wärme im rotierenden Rotor entsteht und daher nur schwer abgeführt werden kann. In den darauffolgend beschriebenen Motoren entsteht der Wärmeverlust vor Allem im stillstehenden Stator, welcher einfach und günstig durch Luft oder Kühlmittel gekühlt werden kann &lt;ref&gt; J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> == Asynchronmaschine ==<br /> <br /> Für den Betrieb der Asynchronmaschine wird ein Dreiphasenwechselstrom benötigt. Dieser auch als Drehstrom bezeichnete Strom setzt sich aus drei Phasen zusammen, die jeweils um 120° zueinander verschoben sind. Die Spannung der einzelnen Phasen verläuft wie beim Wechselstrom sinusförmig. Da die im Kraftfahrzeug mitgeführten Stromquellen ausschließlich Gleichstrom zur Verfügung stellen können, muss der Drehstrom erst über eine entsprechende Leistungselektronik erzeugt werden. Die folgende Abbildung 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Asynchronmaschine.<br /> <br /> [[Datei:Aufbau_Asynchronmaschine.jpg]]<br /> Abbildung 2: Aufbau einer Asynchronmaschine<br /> <br /> Im Ständer einer Asynchronmaschine werden um 120° versetzte Wicklungen eingelassen, die über jeweils eine Phase des Drehstroms versorgt werden. Im Umfang des Läufers befinden sich kurzgeschlossene Wicklungen. Das über die Ständerwicklungen erzeugte, umlaufende Magnetfeld induziert in den Läuferwicklungen eine Spannung, woraus sich innerhalb der Läuferwicklungen ein Stromfluss ergibt. Die nun stromdurchflossenen Leiter im Läufer erfahren durch das magnetische Drehfeld eine Kraft, die den Läufer in Richtung des Drehfeldes in Bewegung versetzt. Zur Änderung der Drehrichtung des Motors muss die Umlaufrichtung des Ständermagnetfeldes angepasst werden. Aufgrund der fehlenden Kommutierung sind im Vergleich zum Gleichstrommotor deutlich höhere Drehzahlen realisierbar, so können Asynchronmotoren mit Drehzahlen bis zu 14.000 min–1 betrieben werden. <br /> Der Name des Asynchronmotors ist darauf zurückzuführen, dass die erreichte Umfangsgeschwindigkeit des Läufers niemals die vom Drehstrom erzeugte Umfangsgeschwindigkeit des Magnetfelds erreichen kann, sondern aufgrund von Schlupf immer kleiner ist. Besteht keine Relativgeschwindigkeit mehr zwischen Läufer und Drehfeld, wird in den kurzgeschlossenen Läuferwicklungen keine Spannung mehr induziert und der Stromfluss kommt zum Erliegen. Ohne den Stromfluss in den Läuferwicklungen kann kein Drehmoment erzeugt werden. Für diesen Motor ist auch die Bezeichnung Induktionsmotor üblich, da die in den Läuferwicklungen induzierte Spannung maßgeblich zur Funktion des Motors beiträgt &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> Da Asynchronmotoren in allen Bereichen der Industrie weit verbreitet sind, sind deren Anschaffungskosten auf Grund der hohen Produktionsmenge entsprechend gering und ihre Technik ist auch für den mobilen Bereich ausgereift &lt;ref&gt; J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 &lt;/ref&gt;.. Nachteilig ist der schlechtere Wirkungsgrad im Vergleich zum Gleichstrommotor und die geringere Leistungsdichte im niedrigeren Lastbereich. Diese Motoren sind daher nur bedingt als Direktantriebe geeignet. Zusätzlich benötigen leistungsstarke Asynchronmaschinen Magnete in ihrer Erregerwicklung mit einem gewissen Anteil an seltenen Erden um Gewicht zu sparen und die Leistung zu optimieren &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;. <br /> <br /> <br /> <br /> == Synchronmaschine ==<br /> <br /> [[Datei:Aufbau_Synchronmaschine.jpg|mini|Abbildung 3: Funktionsweise einer Synchronmaschine]]<br /> <br /> Bei der Synchronmaschine wird im Gegensatz zur Asynchronmaschine das Läuferfeld nicht durch Induktion erzeugt. Bei kleineren Antrieben wird der Läufer mit Permanentmagneten versehen, bei größeren Maschinen werden Erregerwicklungen, vergleichbar denen der oben beschriebenen Gleichstrommaschine eingesetzt. Der Läufer dreht sich bei dieser Motorvariante synchron mit dem Drehfeld, woraus sich der Name des Motortyps ableitet. Die Erregerwicklungen werden dabei über Schleifkontakte mit Strom versorgt, wodurch ein gewisser Verschleiß und damit Wartungsaufwand entsteht. Gleichzeitig wird hierdurch der Aufbau im Gegensatz zur Asynchronmaschine komplexer und aufwändiger. Aufgrund dieser Tatsache wird der Asynchronmotor im Bereich der Antriebstechnik bevorzugt eingesetzt. Der Wirkungsgrad der Synchronmaschine liegt aufgrund der synchronen Strom- und Spannungsphasen über dem der Asynchronmaschine &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> Vorteil der Synchronmaschine ist ihr sehr hoher Wirkungsgrad, die große Leistungsdichte und die hohen möglichen Drehzahlen, welche ein Getriebe überflüssig machen. Allerdings brauchen diese Maschinen Hochleistungsmagnete, welche verhältnismäßig viel seltene Erden benötigen. Denn trotz der zurzeit extrem hohen Werkstoffpreise für diese Magnete gibt es keine Alternative, wenn Leistungsdichte das Hauptkriterium ist. Falls doch aus Kostengründen vom Einsatz der NdFeB-Magneten abgesehen werden soll, können Kompromisse bei Leistungsdichte und Wirkungsgrad gemacht werden &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> == Reluktanzmaschine ==<br /> <br /> [[Datei:Funktion_Reluktanzmotor.jpg|mini|Abbildung 4: Funktionsweise des Reluktanzmotors]]<br /> <br /> Auch wenn Reluktanzmotoren erst in den letzten Jahrzehnten zum weitverbreiteten Einsatz kam, so ist seine Technik dennoch sehr simpel. Die grundsätzliche Funktionsweise zeigt Abbildung 4 &lt;ref&gt; J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 &lt;/ref&gt;. Grundsätzlich lassen sich bei dieser Art von Motoren die Transversalflussmaschine und der geschaltete Reluktanzmotor unterscheiden, auf was hier allerdings nicht weiter eingegangen wird. Bei einem Reluktanzmotor besitzen Rotor und Stator ein zahnförmiges Profil. Die Statorzähne sind jeweils mit Spulen bestückt, die abwechselnd ein und ausgeschaltet werden. Der Rotor besteht aus einem weichmagnetischen Material, bei dieser Bauart werden also keine Permanentmagneten eingesetzt. Im Ständer werden mehrere, gegenüberliegende Wicklungen eingebracht, die der Erzeugung eines Magnetfelds dienen. Diese Wicklungen werden dabei paarweise zu Strängen zusammengefasst. Das Drehmoment wird bei der geschalteten Reluktanzmaschine durch das abwechselnde Beschalten der Stränge im Stator erzeugt. Das entstehende Feld wirkt auf die Zähne des Rotors, so dass sich dieser relativ zum Strang bewegt. Erreicht er die Strangposition, wird der nächste Strang beschaltet, was den Läufer ein weiteres Stück dreht &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> Der große Verteil der Reluktanzmaschine ist der robuste und einfache Aufbau ohne Rotorwicklung und Permanentmagneten. Aus diesem Grund benötigt diese Art von Elektromotor keine seltenen Erden und könnte daher ein wichtiger Bestandteil zukünftiger Elektromobilitätskonzepte werden. Die Motoren sind zudem relativ kompakt und lassen sich daher auch als Radnabenmotoren einsetzen. Nachteilig ist derzeit noch ihre hohe Geräuschentwicklung was bei hohen Drehzahlen durchaus unangenehm für den Fahren werden kann, als auch ihre niedrige Leistungsdichte &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;. <br /> <br /> <br /> == Zusammenfassung Elektromotoren ==<br /> <br /> Zusammenfassend lassen sich also folgende Eigenschaften der unterschiedlichen, für den automobilen Einsatz geeigneten, Elektromaschinen festhalten:<br /> <br /> [[Datei:Zusammenfassung_Elektromotoren_1.jpg]]<br /> <br /> [[Datei:Zusammenfassung_Elektromotoren_2.jpg]]<br /> <br /> == Einzelnachweise ==<br /> <br /> &lt;references /&gt;<br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Antriebe_und_Zweitverbraucher&diff=653 2014-01-25T15:38:09Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> <br /> == Elektromotoren: Potential und Problematik ==<br /> <br /> Grundsätzlich lassen sich alle gängigen elektrischen Maschinenarten (vgl. [[Arten von Elektromotoren]]) in Elektrofahrzeugen verbauen. Entscheidend für die Wahl einer bestimmten E-Maschine ist das erwartete Fahrprofil, sowie folgende Kriterien: Kosten, Fertigbarkeit, Wartungsfähigkeit, Recyclebarkeit, Lebensdauer, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Materialauswahl &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. <br /> Fahrdynamisch gesehen haben Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren viele Vorteile. Der größte ist sicherlich das konstante Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich. Während beim Verbrennungsmotor das maximale Drehmoment nur in einem sehr kleinen, meist relativ hohem Drehzahlbereich vorherrscht, setzen Elektromotoren ihr maximales Drehmoment schon von Anfang an um (vgl. Abbildung 1). Dies bedeutet ein besseres Beschleunigungsverhalten und den Wegfall einer Anfahrkupplung, da Elektromotoren aus dem Stillstand beschleunigen können. Insgesamt kann bei einem Stadtfahrzeug komplett auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden, da der Elektromotor den benötigten Drehzahlbereich vollkommen abdeckt. Erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten (&gt;120 km/h) wird eine Übersetzung benötigt. Das dafür benötigte Zwei-Gang-Getriebe kann aber deutlich einfacher und kleiner ausfallen, als die heute üblichen 6-, 7- oder 8-Gang-Getriebe, welche benötigt werden um den Verbrennungsmotor im optimalen Betriebspunkt zu halten &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> Anders als Verbrennungskraftmaschinen können E-Motoren zudem im sogenannten 4-Quadranten-Betrieb arbeiten. Darunter wird verstanden, dass die E-Maschine in beide Drehrichtungen als Antrieb und Bremse betrieben werden kann. Gleichzeitig kann sie im Bremsbetrieb auch als Generator verwendet werden, wodurch die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht wird. Allerdings muss diese Energie dann geeignet gespeichert werden &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;<br /> Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchronmaschinen (vgl. Abbildung 2). Diese Maschinen benötigen allerdings Seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine Seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen . Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen niedrigen Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt; (vgl. [[benötigte Ressourcen]]).<br /> <br /> <br /> == Optimales Spannungslevel des elektrischen Bordnetzes ==<br /> <br /> <br /> Die Wahl des Spannungslevels des elektrischen Systems ist ein zentrales Thema bei der Grundauslegung eines E-Fahrzeugs. Wählt man ein niedriges Spannungsniveau von z.B. 60V, so kann einfach sichergestellt werden, dass die Komponenten bei einem Unfall oder unsachgemäßer Handhabung Lebewesen keine schweren Verletzungen zuführen. Allerdings benötigt man dann nach dem Gesetz der Elektrischen Leistung (P = U*I) höhere Ströme, was zu höheren Verlusten in den elektrischen Maschinen und einen höheren Kupferaufwand für das Bordnetz führt. Wählt man jedoch ein höheres Spannungslevel, für welches die meisten Motoren und Halbleiter in der nötigen Leistungsklasse ausgelegt sind, so können die 900 – 1.200V Spannung zu schweren Verletzungen bis hin zum Tode führen. <br /> Die gängige heutige Lösung dieses Problems ist ein DC/DC-Wandler, welcher die von Wechselrichter (wird für Asynchronmaschinen benötigt), Bordnetz und Maschinen geforderte höhere Spannung dynamisch erzeugt. Zwar ist auch dieser mit Verlusten behaftete, jedoch sind diese bei Weitem nicht so hoch wie die Verluste durch hohe Ströme. Beim Abstellen des Fahrzeugs oder im Fehlerfall kann der Zwischenkreis schnell entladen werden, dann ist nur noch die niedrige Batteriespannung im System, welche nahezu ungefährlich ist &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. <br /> <br /> <br /> == Leistungselektronik ==<br /> <br /> <br /> Die Leistungselektronik wird benötigt, da die Antriebe und Zweitverbraucher (Bremskraftverstärker, Lenkhilfe, Heizung, …) eine hohe Leistung und damit eine hohe Spannung benötigen, die allerdings nicht von den Batterien geliefert werden kann. Akkumulatoren können Strom nur in einem geringen Spannungszustand speichern und abgeben, d.h. das sowohl die Energie für den Antrieb, als auch zurückgewonnene Energie durch Rekuperation umgewandelt werden muss. Gleichwohl wird elektrischer Strom als Gleichstrom in den Akkus gespeichert und muss daher beim Einsatz einer Asynchronmaschine als Antrieb zu Wechselstrom umgerichtet werden.<br /> In den letzten Jahren machte man sehr große Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik, wodurch mittlerweile Wirkungsgrade von 90% möglich sind. Eine geringere Wärmeabgabe führt allerdings auch dazu, dass eine zusätzliche fossile Heizung benötigt wird (siehe Kap.4). Die höhere Leistungsdichte der Bauteile und der Betrieb der Teile auf immer kleineren Raum führen allerdings zu einer kritischen elektromagnetischen Verträglichkeit. Vor allem andere elektrische Geräte können durch die hohe EMV-Belastung massiv gestört und beschädigt werden, aber auch die Folgen für den Menschen sind noch nicht gänzlich erforscht &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. Die Folgen von sogenannten Elektrosmog auf den Menschen sind derzeit ein wichtiges Streitthema in der Wissenschaft und sollten daher mit Vorsicht behandelt werden, insbesondere da sich Menschen heutzutage sehr lange in Fahrzeugen aufhalten. <br /> <br /> <br /> == Thermomanagement ==<br /> <br /> Da Elektromotoren einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen (bis zu 90%), produzieren sie nicht mehr genug Abwärme um den Innenraum des Fahrzeugs damit zu beheizen. Aus diesem Grund muss hierfür eine zusätzliche fossile oder elektrische Heizanlage vorgesehen werden. Energetisch gesehen wäre sogar eine fossile Heizanlage vorteilhafter, da elektrische Heizanlagen einen extrem schlechten Wirkungsgrad besitzen und die Reichweite des Fahrzeuges zu stark verringern würden. Für eine fossile Heizung würde man allerdings eine zusätzliche Infrastruktur inklusive Tank benötigen und ein abgeschirmtes Heizaggregat, in welchem das Öl oder das Gas verbrannt wird. Dies wird aus Kosten- und Komplexitätsgründen wahrscheinlich nicht möglich sein. Die Kühlung des Innenraums durch einen Klimakompressor ist hingegen unkritischer wenn auch ebenfalls sehr energieintensiv &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Neben dem Innenraum muss zudem auch die Batterie in einem möglichst engen Temperaturfeld gehalten werden um ihre volle Leistungsfähigkeit zu garantieren. Somit ergibt sich sowohl an besonders heißen, als auch an besonders kalten Tagen eine deutliche Reduzierung der Reichweite, da der Klimakompressor oder die Heizanlage dann einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch des Fahrzeugs aufweisen. So benötigt man z.B. bei einer Außentemperatur von 4°C eine Heizleistung von 3,6 kW um einen mittelgroßen PKW auf 20°C zu heizen. Um eine gefühlte Temperatur von 20°C zu erreichen muss auf Grund der kalten Teile im Fahrzeug sogar mit einer deutlich höheren Temperatur gerechnet werden. Bei einem Standartheizsystem mit elektrischer Direktheizung würde dies bei der heutigen Technik eine Reduzierung der Reichweite um 25-30% nach sich ziehen. Berücksichtigt man Wärmeverluste durch den Lufttransport in den Kanälen und den Energieverbrauch durch die Lüftung, so ist eine Reduzierung der Reichweite von 40% anzunehmen. Bedenkt man nun, dass die Batterie bei 4°C entweder auch geheizt werden muss, oder deutlich weniger Speicherkapazität aufweisen kann, so sinkt die Reichweite des Fahrzeugs schnell unter 50%. Mögliche Gegenmaßnahmen zu dieser Problematik sind besser Dämmung der Fahrzeugkabine und aktive Wärmerückgewinnung &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> == Ressourcenbedarf ==<br /> <br /> Als Rohstoffe für die Produktion eines Elektromotors wird neben Eisen insbesondere Kupfer benötigt. Bei den permanenterregten Varianten der Synchron- und Gleichstrommaschinen wird zusätzlich noch Neodym als permanentmagnetischer Werkstoff benötigt. Neodym gehört den seltenen Erden an und wird für den Bau leistungsfähiger Magnete benötigt. Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchdonmaschinen. Diese Maschinen benötigen wie schon beschrieben seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen geringfügigeren Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen &lt;ref&gt; Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität (http://www.oeko.de/oekodoc/1334/2011-449-de.pdf &lt;/ref&gt;. Der Bedarf an seltenen Erden, insbesondere an Neodym, würde bei einer Umrüstung des Individualverkehrs auf Elektromobilität auf Grund des steigenden Produktionsaufkommens von permanenterregten Elektromotoren extrem anwachsen. Geht man von einer Wachstumsrate des Elektrofahrzeugmarktes von 26% pro Jahr aus und von einer verbauten Masse von 1kg Neodym (heutzutage üblich) pro Elektroauto, so würde der Anteil des für Elektromotoren benötigten Neodyms an der weltweiten Förderung von derzeit 4,11% auf 1452% im Jahr 2030 steigen (vgl. Abbildung 1). Um also alleine die permanenterregten Elektromotoren für Elektroautos herzustellen, würde man bis 2030 die Abbaumenge von Neodym um das 15 fache der heutigen Abbaumenge steigern müssen. <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Neodym.jpg]]<br /> ''Abbildung 1: Erwarteter Anstieg des Neodym Bedarfs''<br /> <br /> <br /> Der Kupferbedarf wird unabhängig vom dominanten Motorentyp wachsen, da alle Elektromotoren und deren Leistungselektronik Kupfer benötigen. Geht man wiederum von einer jährlichen Wachstumsrate der Elektromobilität von 26% aus und einer verbauten Kupfermenge von 30kg pro Fahrzeug, so würde der Anteil der Elektromotoren an der weltweiten Kupferproduktion von derzeit 0,06% bis in Jahr 2030 auf 21,13% steigen (vgl. Abbildung 2) &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Kupfer.jpg]]<br /> ''Abbildung 2: Erwarteter Anstieg des Kupferbedarfs''<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> == Zukunft ==<br /> <br /> Zur jetzigen Zeit lohnt sich ein normales Auto in der Golfklasse mit einer Fahrleistung von 12.000km pro Jahr sowohl als Plug-In-Hybrid als auch als reines Elektrofahrzeug erst ab 3€/l Benzinpreis. Dies wird durch die noch hohen Kosten für den Akku und den Antrieb (100€/kW, zum Vergleich durchschn. Verbrenner: 50€/kW) verschuldet &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Sollte sich in der Automobilindustrie jedoch ein Motorentyp durchsetzen, so ist davon auszugehen, dass durch die höhere Produktionszahl, als auch durch die weiterentwickelte Technik, der Preis für diese Antriebe deutlich sinken wird.<br /> Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Entwickler die Rohstoffsituation in ihre Konzepte mit integrieren und somit auf Motoren setzen, welche entweder vollkommen unabhängig (Reluktanzmotor) oder nur geringfügig abhängig (Asynchronmaschine) von seltenen Erden sind. Ingenieure haben bereits effiziente Reluktanzmotoren entwickelt, welche gänzliche ohne Dauermagnete auskommen und damit auch ohne seltene Erden. Anstatt der teuren Permanentmagnete werden hier Spulen eingesetzt, welche erst magnetisch werden, wenn Strom durch sie fließt. Somit ist dieser Motor sowohl billiger, als auch energieeffizienter &lt;ref&gt; http://www.zeit.de/auto/2013-02/elektromotor-technik &lt;/ref&gt;. Unausweichlich scheint jedoch ein rasanter Anstieg des Kupferbedarfs zu sein, dessen Bewältigung ebenfalls eine Herausforderung darstellen wird &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;, jedoch nicht ganz so kritisch zu betrachten ist, wie der Anstieg des Bedarfs an seltenen Erden.<br /> Ein weiteres Problem stellt das Einsatzgebiet des Fahrzeugs dar: bei normalen Temperaturen (um 20°C) hat ein Elektroauto ungefähr eine Gesamteffizienz von 40 % (von der Produktion des Stroms bis zum direkten Verbrauch im Fahrzeug). Der Verbrennungsmotor hat eine Effizienz von etwa 25 % (von der Förderung bis zum Verbrauch im Auto). Auf der Autobahn, an einem kalten Tag, ist es genau umgekehrt: der Wirkungsgrad des Elektrofahrzeuges liegt eher bei 30 % und der des Verbrenners bei 40 %. so dass das Elektrofahrzeug auf Langstrecken energetisch derzeit eigentlich keinen Sinn ergibt &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Dies liegt jedoch nicht an den Elektroantrieben sondern am jeweiligen Strommix (vgl. [[Strommix der Zukunft]]) und der Speichertechnologie (vgl. [[Energiespeicher]]).<br /> <br /> <br /> <br /> == Einzelnachweise ==<br /> <br /> &lt;references /&gt;<br /> <br /> <br /> == Weblinks ==<br /> <br /> Funktionsweise eines Asynchronmotors: http://www.youtube.com/watch?v=N8LUOTQKXlk<br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Arten_von_Elektromotoren&diff=652 2014-01-25T15:37:49Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> [[Category: Arten von Elektromotoren]]<br /> <br /> <br /> == Gleichstrommotoren ==<br /> <br /> Die am einfachsten zu beschreibende Funktionsweise von Elektromotoren ist diejenige der Gleichstrommotoren. Ein Rotor, auch als Anker bezeichnet, ist von einer Spule umwickelt, um die sich bei Anschluss einer Gleichstromquelle ein magnetisches Feld ausbildet. Der Rotor ist von einem Permanentmagneten umgeben, der dauerhaft ein magnetisches Feld erzeugt und auch als Stator bezeichnet wird. Die Drehung des Rotors in dem magnetischen Feld lässt sich durch das physikalische Gesetz erklären, dass sich gegennamige Ladungen anziehen, während sich gleichnamige Ladungen abstoßen. Wie in Abbildung 1 dargestellt ist, wird der Gleichstrom über sogenannte Bürsten in die Spule geleitet. Je nach Stellung bzw. Position des Rotors sind die beiden Seiten des Rotors unterschiedlich gepolt. Aufgrund der Anziehung gegensätzlicher Pole dreht sich der Rotor in Stellung 1 gegen den Uhrzeigersinn, so dass die Bürsten kurzzeitig über einen Bereich laufen, über den kein Strom in die Spule geleitet werden kann. Über den Kommutator erfolgt eine Ladungsumkehr, so dass die beiden Seiten des Rotors nun über den jeweils anderen Pol der Batterie mit Strom versorgt werden, wodurch sich das von der Spule erzeugte Magnetfeld umkehrt und sich der Rotor erneut im Magnetfeld des Permanentmagneten ausrichtet. Die Drehung wird also dadurch erzeugt, dass sich ein wechselndes Magnetfeld in einem konstanten Magnetfeld ausrichtet. Auf diese Wechselwirkung beruhen die Funktionsweisen aller Elektromotoren &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> [[Datei:Funktionsweise_Gelichstrommotor.jpg]]<br /> Abbildung 1: Funktionsweise eines Gleichstrommotors<br /> <br /> <br /> Gleichstrommaschinen haben heute in der Elektromobilität nahezu keinen Einsatz mehr, zumindest nicht als Primärantrieb &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;. Grund hierfür ist vor allem die schlechte Wärmeabfuhr, da die gesamte Wärme im rotierenden Rotor entsteht und daher nur schwer abgeführt werden kann. In den darauffolgend beschriebenen Motoren entsteht der Wärmeverlust vor Allem im stillstehenden Stator, welcher einfach und günstig durch Luft oder Kühlmittel gekühlt werden kann &lt;ref&gt; J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> == Asynchronmaschine ==<br /> <br /> Für den Betrieb der Asynchronmaschine wird ein Dreiphasenwechselstrom benötigt. Dieser auch als Drehstrom bezeichnete Strom setzt sich aus drei Phasen zusammen, die jeweils um 120° zueinander verschoben sind. Die Spannung der einzelnen Phasen verläuft wie beim Wechselstrom sinusförmig. Da die im Kraftfahrzeug mitgeführten Stromquellen ausschließlich Gleichstrom zur Verfügung stellen können, muss der Drehstrom erst über eine entsprechende Leistungselektronik erzeugt werden. Die folgende Abbildung 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Asynchronmaschine.<br /> <br /> [[Datei:Aufbau_Asynchronmaschine.jpg]]<br /> Abbildung 2: Aufbau einer Asynchronmaschine<br /> <br /> Im Ständer einer Asynchronmaschine werden um 120° versetzte Wicklungen eingelassen, die über jeweils eine Phase des Drehstroms versorgt werden. Im Umfang des Läufers befinden sich kurzgeschlossene Wicklungen. Das über die Ständerwicklungen erzeugte, umlaufende Magnetfeld induziert in den Läuferwicklungen eine Spannung, woraus sich innerhalb der Läuferwicklungen ein Stromfluss ergibt. Die nun stromdurchflossenen Leiter im Läufer erfahren durch das magnetische Drehfeld eine Kraft, die den Läufer in Richtung des Drehfeldes in Bewegung versetzt. Zur Änderung der Drehrichtung des Motors muss die Umlaufrichtung des Ständermagnetfeldes angepasst werden. Aufgrund der fehlenden Kommutierung sind im Vergleich zum Gleichstrommotor deutlich höhere Drehzahlen realisierbar, so können Asynchronmotoren mit Drehzahlen bis zu 14.000 min–1 betrieben werden. <br /> Der Name des Asynchronmotors ist darauf zurückzuführen, dass die erreichte Umfangsgeschwindigkeit des Läufers niemals die vom Drehstrom erzeugte Umfangsgeschwindigkeit des Magnetfelds erreichen kann, sondern aufgrund von Schlupf immer kleiner ist. Besteht keine Relativgeschwindigkeit mehr zwischen Läufer und Drehfeld, wird in den kurzgeschlossenen Läuferwicklungen keine Spannung mehr induziert und der Stromfluss kommt zum Erliegen. Ohne den Stromfluss in den Läuferwicklungen kann kein Drehmoment erzeugt werden. Für diesen Motor ist auch die Bezeichnung Induktionsmotor üblich, da die in den Läuferwicklungen induzierte Spannung maßgeblich zur Funktion des Motors beiträgt &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> Da Asynchronmotoren in allen Bereichen der Industrie weit verbreitet sind, sind deren Anschaffungskosten auf Grund der hohen Produktionsmenge entsprechend gering und ihre Technik ist auch für den mobilen Bereich ausgereift &lt;ref&gt; J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 &lt;/ref&gt;.. Nachteilig ist der schlechtere Wirkungsgrad im Vergleich zum Gleichstrommotor und die geringere Leistungsdichte im niedrigeren Lastbereich. Diese Motoren sind daher nur bedingt als Direktantriebe geeignet. Zusätzlich benötigen leistungsstarke Asynchronmaschinen Magnete in ihrer Erregerwicklung mit einem gewissen Anteil an seltenen Erden um Gewicht zu sparen und die Leistung zu optimieren &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;. <br /> <br /> <br /> <br /> == Synchronmaschine ==<br /> <br /> [[Datei:Aufbau_Synchronmaschine.jpg|mini|Abbildung 3: Funktionsweise einer Synchronmaschine]]<br /> <br /> Bei der Synchronmaschine wird im Gegensatz zur Asynchronmaschine das Läuferfeld nicht durch Induktion erzeugt. Bei kleineren Antrieben wird der Läufer mit Permanentmagneten versehen, bei größeren Maschinen werden Erregerwicklungen, vergleichbar denen der oben beschriebenen Gleichstrommaschine eingesetzt. Der Läufer dreht sich bei dieser Motorvariante synchron mit dem Drehfeld, woraus sich der Name des Motortyps ableitet. Die Erregerwicklungen werden dabei über Schleifkontakte mit Strom versorgt, wodurch ein gewisser Verschleiß und damit Wartungsaufwand entsteht. Gleichzeitig wird hierdurch der Aufbau im Gegensatz zur Asynchronmaschine komplexer und aufwändiger. Aufgrund dieser Tatsache wird der Asynchronmotor im Bereich der Antriebstechnik bevorzugt eingesetzt. Der Wirkungsgrad der Synchronmaschine liegt aufgrund der synchronen Strom- und Spannungsphasen über dem der Asynchronmaschine &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> Vorteil der Synchronmaschine ist ihr sehr hoher Wirkungsgrad, die große Leistungsdichte und die hohen möglichen Drehzahlen, welche ein Getriebe überflüssig machen. Allerdings brauchen diese Maschinen Hochleistungsmagnete, welche verhältnismäßig viel seltene Erden benötigen. Denn trotz der zurzeit extrem hohen Werkstoffpreise für diese Magnete gibt es keine Alternative, wenn Leistungsdichte das Hauptkriterium ist. Falls doch aus Kostengründen vom Einsatz der NdFeB-Magneten abgesehen werden soll, können Kompromisse bei Leistungsdichte und Wirkungsgrad gemacht werden &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> == Reluktanzmaschine ==<br /> <br /> [[Datei:Funktion_Reluktanzmotor.jpg|mini|Abbildung 4: Funktionsweise des Reluktanzmotors]]<br /> <br /> Auch wenn Reluktanzmotoren erst in den letzten Jahrzehnten zum weitverbreiteten Einsatz kam, so ist seine Technik dennoch sehr simpel. Die grundsätzliche Funktionsweise zeigt Abbildung 5 &lt;ref&gt; J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 &lt;/ref&gt;. Grundsätzlich lassen sich bei dieser Art von Motoren die Transversalflussmaschine und der geschaltete Reluktanzmotor unterscheiden, auf was hier allerdings nicht weiter eingegangen wird. Bei einem Reluktanzmotor besitzen Rotor und Stator ein zahnförmiges Profil. Die Statorzähne sind jeweils mit Spulen bestückt, die abwechselnd ein und ausgeschaltet werden. Der Rotor besteht aus einem weichmagnetischen Material, bei dieser Bauart werden also keine Permanentmagneten eingesetzt. Im Ständer werden mehrere, gegenüberliegende Wicklungen eingebracht, die der Erzeugung eines Magnetfelds dienen. Diese Wicklungen werden dabei paarweise zu Strängen zusammengefasst. Das Drehmoment wird bei der geschalteten Reluktanzmaschine durch das abwechselnde Beschalten der Stränge im Stator erzeugt. Das entstehende Feld wirkt auf die Zähne des Rotors, so dass sich dieser relativ zum Strang bewegt. Erreicht er die Strangposition, wird der nächste Strang beschaltet, was den Läufer ein weiteres Stück dreht &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> Der große Verteil der Reluktanzmaschine ist der robuste und einfache Aufbau ohne Rotorwicklung und Permanentmagneten. Aus diesem Grund benötigt diese Art von Elektromotor keine seltenen Erden und könnte daher ein wichtiger Bestandteil zukünftiger Elektromobilitätskonzepte werden. Die Motoren sind zudem relativ kompakt und lassen sich daher auch als Radnabenmotoren einsetzen. Nachteilig ist derzeit noch ihre hohe Geräuschentwicklung was bei hohen Drehzahlen durchaus unangenehm für den Fahren werden kann, als auch ihre niedrige Leistungsdichte &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;. <br /> <br /> <br /> == Zusammenfassung Elektromotoren ==<br /> <br /> Zusammenfassend lassen sich also folgende Eigenschaften der unterschiedlichen, für den automobilen Einsatz geeigneten, Elektromaschinen festhalten:<br /> <br /> <br /> == Einzelnachweise ==<br /> <br /> &lt;references /&gt;<br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Antriebe_und_Zweitverbraucher&diff=651 2014-01-25T15:36:52Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> <br /> == Elektromotoren: Potential und Problematik ==<br /> <br /> Grundsätzlich lassen sich alle gängigen elektrischen Maschinenarten (vgl. [[Elektromotoren]]) in Elektrofahrzeugen verbauen. Entscheidend für die Wahl einer bestimmten E-Maschine ist das erwartete Fahrprofil, sowie folgende Kriterien: Kosten, Fertigbarkeit, Wartungsfähigkeit, Recyclebarkeit, Lebensdauer, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Materialauswahl &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. <br /> Fahrdynamisch gesehen haben Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren viele Vorteile. Der größte ist sicherlich das konstante Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich. Während beim Verbrennungsmotor das maximale Drehmoment nur in einem sehr kleinen, meist relativ hohem Drehzahlbereich vorherrscht, setzen Elektromotoren ihr maximales Drehmoment schon von Anfang an um (vgl. Abbildung 1). Dies bedeutet ein besseres Beschleunigungsverhalten und den Wegfall einer Anfahrkupplung, da Elektromotoren aus dem Stillstand beschleunigen können. Insgesamt kann bei einem Stadtfahrzeug komplett auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden, da der Elektromotor den benötigten Drehzahlbereich vollkommen abdeckt. Erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten (&gt;120 km/h) wird eine Übersetzung benötigt. Das dafür benötigte Zwei-Gang-Getriebe kann aber deutlich einfacher und kleiner ausfallen, als die heute üblichen 6-, 7- oder 8-Gang-Getriebe, welche benötigt werden um den Verbrennungsmotor im optimalen Betriebspunkt zu halten &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> Anders als Verbrennungskraftmaschinen können E-Motoren zudem im sogenannten 4-Quadranten-Betrieb arbeiten. Darunter wird verstanden, dass die E-Maschine in beide Drehrichtungen als Antrieb und Bremse betrieben werden kann. Gleichzeitig kann sie im Bremsbetrieb auch als Generator verwendet werden, wodurch die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht wird. Allerdings muss diese Energie dann geeignet gespeichert werden &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;<br /> Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchronmaschinen (vgl. Abbildung 2). Diese Maschinen benötigen allerdings Seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine Seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen . Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen niedrigen Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt; (vgl. [[benötigte Ressourcen]]).<br /> <br /> <br /> == Optimales Spannungslevel des elektrischen Bordnetzes ==<br /> <br /> <br /> Die Wahl des Spannungslevels des elektrischen Systems ist ein zentrales Thema bei der Grundauslegung eines E-Fahrzeugs. Wählt man ein niedriges Spannungsniveau von z.B. 60V, so kann einfach sichergestellt werden, dass die Komponenten bei einem Unfall oder unsachgemäßer Handhabung Lebewesen keine schweren Verletzungen zuführen. Allerdings benötigt man dann nach dem Gesetz der Elektrischen Leistung (P = U*I) höhere Ströme, was zu höheren Verlusten in den elektrischen Maschinen und einen höheren Kupferaufwand für das Bordnetz führt. Wählt man jedoch ein höheres Spannungslevel, für welches die meisten Motoren und Halbleiter in der nötigen Leistungsklasse ausgelegt sind, so können die 900 – 1.200V Spannung zu schweren Verletzungen bis hin zum Tode führen. <br /> Die gängige heutige Lösung dieses Problems ist ein DC/DC-Wandler, welcher die von Wechselrichter (wird für Asynchronmaschinen benötigt), Bordnetz und Maschinen geforderte höhere Spannung dynamisch erzeugt. Zwar ist auch dieser mit Verlusten behaftete, jedoch sind diese bei Weitem nicht so hoch wie die Verluste durch hohe Ströme. Beim Abstellen des Fahrzeugs oder im Fehlerfall kann der Zwischenkreis schnell entladen werden, dann ist nur noch die niedrige Batteriespannung im System, welche nahezu ungefährlich ist &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. <br /> <br /> <br /> == Leistungselektronik ==<br /> <br /> <br /> Die Leistungselektronik wird benötigt, da die Antriebe und Zweitverbraucher (Bremskraftverstärker, Lenkhilfe, Heizung, …) eine hohe Leistung und damit eine hohe Spannung benötigen, die allerdings nicht von den Batterien geliefert werden kann. Akkumulatoren können Strom nur in einem geringen Spannungszustand speichern und abgeben, d.h. das sowohl die Energie für den Antrieb, als auch zurückgewonnene Energie durch Rekuperation umgewandelt werden muss. Gleichwohl wird elektrischer Strom als Gleichstrom in den Akkus gespeichert und muss daher beim Einsatz einer Asynchronmaschine als Antrieb zu Wechselstrom umgerichtet werden.<br /> In den letzten Jahren machte man sehr große Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik, wodurch mittlerweile Wirkungsgrade von 90% möglich sind. Eine geringere Wärmeabgabe führt allerdings auch dazu, dass eine zusätzliche fossile Heizung benötigt wird (siehe Kap.4). Die höhere Leistungsdichte der Bauteile und der Betrieb der Teile auf immer kleineren Raum führen allerdings zu einer kritischen elektromagnetischen Verträglichkeit. Vor allem andere elektrische Geräte können durch die hohe EMV-Belastung massiv gestört und beschädigt werden, aber auch die Folgen für den Menschen sind noch nicht gänzlich erforscht &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. Die Folgen von sogenannten Elektrosmog auf den Menschen sind derzeit ein wichtiges Streitthema in der Wissenschaft und sollten daher mit Vorsicht behandelt werden, insbesondere da sich Menschen heutzutage sehr lange in Fahrzeugen aufhalten. <br /> <br /> <br /> == Thermomanagement ==<br /> <br /> Da Elektromotoren einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen (bis zu 90%), produzieren sie nicht mehr genug Abwärme um den Innenraum des Fahrzeugs damit zu beheizen. Aus diesem Grund muss hierfür eine zusätzliche fossile oder elektrische Heizanlage vorgesehen werden. Energetisch gesehen wäre sogar eine fossile Heizanlage vorteilhafter, da elektrische Heizanlagen einen extrem schlechten Wirkungsgrad besitzen und die Reichweite des Fahrzeuges zu stark verringern würden. Für eine fossile Heizung würde man allerdings eine zusätzliche Infrastruktur inklusive Tank benötigen und ein abgeschirmtes Heizaggregat, in welchem das Öl oder das Gas verbrannt wird. Dies wird aus Kosten- und Komplexitätsgründen wahrscheinlich nicht möglich sein. Die Kühlung des Innenraums durch einen Klimakompressor ist hingegen unkritischer wenn auch ebenfalls sehr energieintensiv &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Neben dem Innenraum muss zudem auch die Batterie in einem möglichst engen Temperaturfeld gehalten werden um ihre volle Leistungsfähigkeit zu garantieren. Somit ergibt sich sowohl an besonders heißen, als auch an besonders kalten Tagen eine deutliche Reduzierung der Reichweite, da der Klimakompressor oder die Heizanlage dann einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch des Fahrzeugs aufweisen. So benötigt man z.B. bei einer Außentemperatur von 4°C eine Heizleistung von 3,6 kW um einen mittelgroßen PKW auf 20°C zu heizen. Um eine gefühlte Temperatur von 20°C zu erreichen muss auf Grund der kalten Teile im Fahrzeug sogar mit einer deutlich höheren Temperatur gerechnet werden. Bei einem Standartheizsystem mit elektrischer Direktheizung würde dies bei der heutigen Technik eine Reduzierung der Reichweite um 25-30% nach sich ziehen. Berücksichtigt man Wärmeverluste durch den Lufttransport in den Kanälen und den Energieverbrauch durch die Lüftung, so ist eine Reduzierung der Reichweite von 40% anzunehmen. Bedenkt man nun, dass die Batterie bei 4°C entweder auch geheizt werden muss, oder deutlich weniger Speicherkapazität aufweisen kann, so sinkt die Reichweite des Fahrzeugs schnell unter 50%. Mögliche Gegenmaßnahmen zu dieser Problematik sind besser Dämmung der Fahrzeugkabine und aktive Wärmerückgewinnung &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> == Ressourcenbedarf ==<br /> <br /> Als Rohstoffe für die Produktion eines Elektromotors wird neben Eisen insbesondere Kupfer benötigt. Bei den permanenterregten Varianten der Synchron- und Gleichstrommaschinen wird zusätzlich noch Neodym als permanentmagnetischer Werkstoff benötigt. Neodym gehört den seltenen Erden an und wird für den Bau leistungsfähiger Magnete benötigt. Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchdonmaschinen. Diese Maschinen benötigen wie schon beschrieben seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen geringfügigeren Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen &lt;ref&gt; Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität (http://www.oeko.de/oekodoc/1334/2011-449-de.pdf &lt;/ref&gt;. Der Bedarf an seltenen Erden, insbesondere an Neodym, würde bei einer Umrüstung des Individualverkehrs auf Elektromobilität auf Grund des steigenden Produktionsaufkommens von permanenterregten Elektromotoren extrem anwachsen. Geht man von einer Wachstumsrate des Elektrofahrzeugmarktes von 26% pro Jahr aus und von einer verbauten Masse von 1kg Neodym (heutzutage üblich) pro Elektroauto, so würde der Anteil des für Elektromotoren benötigten Neodyms an der weltweiten Förderung von derzeit 4,11% auf 1452% im Jahr 2030 steigen (vgl. Abbildung 1). Um also alleine die permanenterregten Elektromotoren für Elektroautos herzustellen, würde man bis 2030 die Abbaumenge von Neodym um das 15 fache der heutigen Abbaumenge steigern müssen. <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Neodym.jpg]]<br /> ''Abbildung 1: Erwarteter Anstieg des Neodym Bedarfs''<br /> <br /> <br /> Der Kupferbedarf wird unabhängig vom dominanten Motorentyp wachsen, da alle Elektromotoren und deren Leistungselektronik Kupfer benötigen. Geht man wiederum von einer jährlichen Wachstumsrate der Elektromobilität von 26% aus und einer verbauten Kupfermenge von 30kg pro Fahrzeug, so würde der Anteil der Elektromotoren an der weltweiten Kupferproduktion von derzeit 0,06% bis in Jahr 2030 auf 21,13% steigen (vgl. Abbildung 2) &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Kupfer.jpg]]<br /> ''Abbildung 2: Erwarteter Anstieg des Kupferbedarfs''<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> == Zukunft ==<br /> <br /> Zur jetzigen Zeit lohnt sich ein normales Auto in der Golfklasse mit einer Fahrleistung von 12.000km pro Jahr sowohl als Plug-In-Hybrid als auch als reines Elektrofahrzeug erst ab 3€/l Benzinpreis. Dies wird durch die noch hohen Kosten für den Akku und den Antrieb (100€/kW, zum Vergleich durchschn. Verbrenner: 50€/kW) verschuldet &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Sollte sich in der Automobilindustrie jedoch ein Motorentyp durchsetzen, so ist davon auszugehen, dass durch die höhere Produktionszahl, als auch durch die weiterentwickelte Technik, der Preis für diese Antriebe deutlich sinken wird.<br /> Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Entwickler die Rohstoffsituation in ihre Konzepte mit integrieren und somit auf Motoren setzen, welche entweder vollkommen unabhängig (Reluktanzmotor) oder nur geringfügig abhängig (Asynchronmaschine) von seltenen Erden sind. Ingenieure haben bereits effiziente Reluktanzmotoren entwickelt, welche gänzliche ohne Dauermagnete auskommen und damit auch ohne seltene Erden. Anstatt der teuren Permanentmagnete werden hier Spulen eingesetzt, welche erst magnetisch werden, wenn Strom durch sie fließt. Somit ist dieser Motor sowohl billiger, als auch energieeffizienter &lt;ref&gt; http://www.zeit.de/auto/2013-02/elektromotor-technik &lt;/ref&gt;. Unausweichlich scheint jedoch ein rasanter Anstieg des Kupferbedarfs zu sein, dessen Bewältigung ebenfalls eine Herausforderung darstellen wird &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;, jedoch nicht ganz so kritisch zu betrachten ist, wie der Anstieg des Bedarfs an seltenen Erden.<br /> Ein weiteres Problem stellt das Einsatzgebiet des Fahrzeugs dar: bei normalen Temperaturen (um 20°C) hat ein Elektroauto ungefähr eine Gesamteffizienz von 40 % (von der Produktion des Stroms bis zum direkten Verbrauch im Fahrzeug). Der Verbrennungsmotor hat eine Effizienz von etwa 25 % (von der Förderung bis zum Verbrauch im Auto). Auf der Autobahn, an einem kalten Tag, ist es genau umgekehrt: der Wirkungsgrad des Elektrofahrzeuges liegt eher bei 30 % und der des Verbrenners bei 40 %. so dass das Elektrofahrzeug auf Langstrecken energetisch derzeit eigentlich keinen Sinn ergibt &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Dies liegt jedoch nicht an den Elektroantrieben sondern am jeweiligen Strommix (vgl. [[Strommix der Zukunft]]) und der Speichertechnologie (vgl. [[Energiespeicher]]).<br /> <br /> <br /> <br /> == Einzelnachweise ==<br /> <br /> &lt;references /&gt;<br /> <br /> <br /> == Weblinks ==<br /> <br /> Funktionsweise eines Asynchronmotors: http://www.youtube.com/watch?v=N8LUOTQKXlk<br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Arten_von_Elektromotoren&diff=650 2014-01-25T15:36:28Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> [[Category: Elektromotoren]]<br /> <br /> <br /> == Gleichstrommotoren ==<br /> <br /> Die am einfachsten zu beschreibende Funktionsweise von Elektromotoren ist diejenige der Gleichstrommotoren. Ein Rotor, auch als Anker bezeichnet, ist von einer Spule umwickelt, um die sich bei Anschluss einer Gleichstromquelle ein magnetisches Feld ausbildet. Der Rotor ist von einem Permanentmagneten umgeben, der dauerhaft ein magnetisches Feld erzeugt und auch als Stator bezeichnet wird. Die Drehung des Rotors in dem magnetischen Feld lässt sich durch das physikalische Gesetz erklären, dass sich gegennamige Ladungen anziehen, während sich gleichnamige Ladungen abstoßen. Wie in Abbildung 1 dargestellt ist, wird der Gleichstrom über sogenannte Bürsten in die Spule geleitet. Je nach Stellung bzw. Position des Rotors sind die beiden Seiten des Rotors unterschiedlich gepolt. Aufgrund der Anziehung gegensätzlicher Pole dreht sich der Rotor in Stellung 1 gegen den Uhrzeigersinn, so dass die Bürsten kurzzeitig über einen Bereich laufen, über den kein Strom in die Spule geleitet werden kann. Über den Kommutator erfolgt eine Ladungsumkehr, so dass die beiden Seiten des Rotors nun über den jeweils anderen Pol der Batterie mit Strom versorgt werden, wodurch sich das von der Spule erzeugte Magnetfeld umkehrt und sich der Rotor erneut im Magnetfeld des Permanentmagneten ausrichtet. Die Drehung wird also dadurch erzeugt, dass sich ein wechselndes Magnetfeld in einem konstanten Magnetfeld ausrichtet. Auf diese Wechselwirkung beruhen die Funktionsweisen aller Elektromotoren &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> [[Datei:Funktionsweise_Gelichstrommotor.jpg]]<br /> Abbildung 1: Funktionsweise eines Gleichstrommotors<br /> <br /> <br /> Gleichstrommaschinen haben heute in der Elektromobilität nahezu keinen Einsatz mehr, zumindest nicht als Primärantrieb &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;. Grund hierfür ist vor allem die schlechte Wärmeabfuhr, da die gesamte Wärme im rotierenden Rotor entsteht und daher nur schwer abgeführt werden kann. In den darauffolgend beschriebenen Motoren entsteht der Wärmeverlust vor Allem im stillstehenden Stator, welcher einfach und günstig durch Luft oder Kühlmittel gekühlt werden kann &lt;ref&gt; J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> == Asynchronmaschine ==<br /> <br /> Für den Betrieb der Asynchronmaschine wird ein Dreiphasenwechselstrom benötigt. Dieser auch als Drehstrom bezeichnete Strom setzt sich aus drei Phasen zusammen, die jeweils um 120° zueinander verschoben sind. Die Spannung der einzelnen Phasen verläuft wie beim Wechselstrom sinusförmig. Da die im Kraftfahrzeug mitgeführten Stromquellen ausschließlich Gleichstrom zur Verfügung stellen können, muss der Drehstrom erst über eine entsprechende Leistungselektronik erzeugt werden. Die folgende Abbildung 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Asynchronmaschine.<br /> <br /> [[Datei:Aufbau_Asynchronmaschine.jpg]]<br /> Abbildung 2: Aufbau einer Asynchronmaschine<br /> <br /> Im Ständer einer Asynchronmaschine werden um 120° versetzte Wicklungen eingelassen, die über jeweils eine Phase des Drehstroms versorgt werden. Im Umfang des Läufers befinden sich kurzgeschlossene Wicklungen. Das über die Ständerwicklungen erzeugte, umlaufende Magnetfeld induziert in den Läuferwicklungen eine Spannung, woraus sich innerhalb der Läuferwicklungen ein Stromfluss ergibt. Die nun stromdurchflossenen Leiter im Läufer erfahren durch das magnetische Drehfeld eine Kraft, die den Läufer in Richtung des Drehfeldes in Bewegung versetzt. Zur Änderung der Drehrichtung des Motors muss die Umlaufrichtung des Ständermagnetfeldes angepasst werden. Aufgrund der fehlenden Kommutierung sind im Vergleich zum Gleichstrommotor deutlich höhere Drehzahlen realisierbar, so können Asynchronmotoren mit Drehzahlen bis zu 14.000 min–1 betrieben werden. <br /> Der Name des Asynchronmotors ist darauf zurückzuführen, dass die erreichte Umfangsgeschwindigkeit des Läufers niemals die vom Drehstrom erzeugte Umfangsgeschwindigkeit des Magnetfelds erreichen kann, sondern aufgrund von Schlupf immer kleiner ist. Besteht keine Relativgeschwindigkeit mehr zwischen Läufer und Drehfeld, wird in den kurzgeschlossenen Läuferwicklungen keine Spannung mehr induziert und der Stromfluss kommt zum Erliegen. Ohne den Stromfluss in den Läuferwicklungen kann kein Drehmoment erzeugt werden. Für diesen Motor ist auch die Bezeichnung Induktionsmotor üblich, da die in den Läuferwicklungen induzierte Spannung maßgeblich zur Funktion des Motors beiträgt &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> Da Asynchronmotoren in allen Bereichen der Industrie weit verbreitet sind, sind deren Anschaffungskosten auf Grund der hohen Produktionsmenge entsprechend gering und ihre Technik ist auch für den mobilen Bereich ausgereift &lt;ref&gt; J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 &lt;/ref&gt;.. Nachteilig ist der schlechtere Wirkungsgrad im Vergleich zum Gleichstrommotor und die geringere Leistungsdichte im niedrigeren Lastbereich. Diese Motoren sind daher nur bedingt als Direktantriebe geeignet. Zusätzlich benötigen leistungsstarke Asynchronmaschinen Magnete in ihrer Erregerwicklung mit einem gewissen Anteil an seltenen Erden um Gewicht zu sparen und die Leistung zu optimieren &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;. <br /> <br /> <br /> <br /> == Synchronmaschine ==<br /> <br /> [[Datei:Aufbau_Synchronmaschine.jpg|mini|Abbildung 3: Funktionsweise einer Synchronmaschine]]<br /> <br /> Bei der Synchronmaschine wird im Gegensatz zur Asynchronmaschine das Läuferfeld nicht durch Induktion erzeugt. Bei kleineren Antrieben wird der Läufer mit Permanentmagneten versehen, bei größeren Maschinen werden Erregerwicklungen, vergleichbar denen der oben beschriebenen Gleichstrommaschine eingesetzt. Der Läufer dreht sich bei dieser Motorvariante synchron mit dem Drehfeld, woraus sich der Name des Motortyps ableitet. Die Erregerwicklungen werden dabei über Schleifkontakte mit Strom versorgt, wodurch ein gewisser Verschleiß und damit Wartungsaufwand entsteht. Gleichzeitig wird hierdurch der Aufbau im Gegensatz zur Asynchronmaschine komplexer und aufwändiger. Aufgrund dieser Tatsache wird der Asynchronmotor im Bereich der Antriebstechnik bevorzugt eingesetzt. Der Wirkungsgrad der Synchronmaschine liegt aufgrund der synchronen Strom- und Spannungsphasen über dem der Asynchronmaschine &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> Vorteil der Synchronmaschine ist ihr sehr hoher Wirkungsgrad, die große Leistungsdichte und die hohen möglichen Drehzahlen, welche ein Getriebe überflüssig machen. Allerdings brauchen diese Maschinen Hochleistungsmagnete, welche verhältnismäßig viel seltene Erden benötigen. Denn trotz der zurzeit extrem hohen Werkstoffpreise für diese Magnete gibt es keine Alternative, wenn Leistungsdichte das Hauptkriterium ist. Falls doch aus Kostengründen vom Einsatz der NdFeB-Magneten abgesehen werden soll, können Kompromisse bei Leistungsdichte und Wirkungsgrad gemacht werden &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> == Reluktanzmaschine ==<br /> <br /> [[Datei:Funktion_Reluktanzmotor.jpg|mini|Abbildung 4: Funktionsweise des Reluktanzmotors]]<br /> <br /> Auch wenn Reluktanzmotoren erst in den letzten Jahrzehnten zum weitverbreiteten Einsatz kam, so ist seine Technik dennoch sehr simpel. Die grundsätzliche Funktionsweise zeigt Abbildung 5 &lt;ref&gt; J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 &lt;/ref&gt;. Grundsätzlich lassen sich bei dieser Art von Motoren die Transversalflussmaschine und der geschaltete Reluktanzmotor unterscheiden, auf was hier allerdings nicht weiter eingegangen wird. Bei einem Reluktanzmotor besitzen Rotor und Stator ein zahnförmiges Profil. Die Statorzähne sind jeweils mit Spulen bestückt, die abwechselnd ein und ausgeschaltet werden. Der Rotor besteht aus einem weichmagnetischen Material, bei dieser Bauart werden also keine Permanentmagneten eingesetzt. Im Ständer werden mehrere, gegenüberliegende Wicklungen eingebracht, die der Erzeugung eines Magnetfelds dienen. Diese Wicklungen werden dabei paarweise zu Strängen zusammengefasst. Das Drehmoment wird bei der geschalteten Reluktanzmaschine durch das abwechselnde Beschalten der Stränge im Stator erzeugt. Das entstehende Feld wirkt auf die Zähne des Rotors, so dass sich dieser relativ zum Strang bewegt. Erreicht er die Strangposition, wird der nächste Strang beschaltet, was den Läufer ein weiteres Stück dreht &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> Der große Verteil der Reluktanzmaschine ist der robuste und einfache Aufbau ohne Rotorwicklung und Permanentmagneten. Aus diesem Grund benötigt diese Art von Elektromotor keine seltenen Erden und könnte daher ein wichtiger Bestandteil zukünftiger Elektromobilitätskonzepte werden. Die Motoren sind zudem relativ kompakt und lassen sich daher auch als Radnabenmotoren einsetzen. Nachteilig ist derzeit noch ihre hohe Geräuschentwicklung was bei hohen Drehzahlen durchaus unangenehm für den Fahren werden kann, als auch ihre niedrige Leistungsdichte &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;. <br /> <br /> <br /> == Zusammenfassung Elektromotoren ==<br /> <br /> Zusammenfassend lassen sich also folgende Eigenschaften der unterschiedlichen, für den automobilen Einsatz geeigneten, Elektromaschinen festhalten:<br /> <br /> <br /> == Einzelnachweise ==<br /> <br /> &lt;references /&gt;<br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Arten_von_Elektromotoren&diff=649 2014-01-25T15:35:53Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> [[Category: Arten von Elektromotoren]]<br /> <br /> <br /> == Gleichstrommotoren ==<br /> <br /> Die am einfachsten zu beschreibende Funktionsweise von Elektromotoren ist diejenige der Gleichstrommotoren. Ein Rotor, auch als Anker bezeichnet, ist von einer Spule umwickelt, um die sich bei Anschluss einer Gleichstromquelle ein magnetisches Feld ausbildet. Der Rotor ist von einem Permanentmagneten umgeben, der dauerhaft ein magnetisches Feld erzeugt und auch als Stator bezeichnet wird. Die Drehung des Rotors in dem magnetischen Feld lässt sich durch das physikalische Gesetz erklären, dass sich gegennamige Ladungen anziehen, während sich gleichnamige Ladungen abstoßen. Wie in Abbildung 1 dargestellt ist, wird der Gleichstrom über sogenannte Bürsten in die Spule geleitet. Je nach Stellung bzw. Position des Rotors sind die beiden Seiten des Rotors unterschiedlich gepolt. Aufgrund der Anziehung gegensätzlicher Pole dreht sich der Rotor in Stellung 1 gegen den Uhrzeigersinn, so dass die Bürsten kurzzeitig über einen Bereich laufen, über den kein Strom in die Spule geleitet werden kann. Über den Kommutator erfolgt eine Ladungsumkehr, so dass die beiden Seiten des Rotors nun über den jeweils anderen Pol der Batterie mit Strom versorgt werden, wodurch sich das von der Spule erzeugte Magnetfeld umkehrt und sich der Rotor erneut im Magnetfeld des Permanentmagneten ausrichtet. Die Drehung wird also dadurch erzeugt, dass sich ein wechselndes Magnetfeld in einem konstanten Magnetfeld ausrichtet. Auf diese Wechselwirkung beruhen die Funktionsweisen aller Elektromotoren &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> [[Datei:Funktionsweise_Gelichstrommotor.jpg]]<br /> Abbildung 1: Funktionsweise eines Gleichstrommotors<br /> <br /> <br /> Gleichstrommaschinen haben heute in der Elektromobilität nahezu keinen Einsatz mehr, zumindest nicht als Primärantrieb &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;. Grund hierfür ist vor allem die schlechte Wärmeabfuhr, da die gesamte Wärme im rotierenden Rotor entsteht und daher nur schwer abgeführt werden kann. In den darauffolgend beschriebenen Motoren entsteht der Wärmeverlust vor Allem im stillstehenden Stator, welcher einfach und günstig durch Luft oder Kühlmittel gekühlt werden kann &lt;ref&gt; J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> == Asynchronmaschine ==<br /> <br /> Für den Betrieb der Asynchronmaschine wird ein Dreiphasenwechselstrom benötigt. Dieser auch als Drehstrom bezeichnete Strom setzt sich aus drei Phasen zusammen, die jeweils um 120° zueinander verschoben sind. Die Spannung der einzelnen Phasen verläuft wie beim Wechselstrom sinusförmig. Da die im Kraftfahrzeug mitgeführten Stromquellen ausschließlich Gleichstrom zur Verfügung stellen können, muss der Drehstrom erst über eine entsprechende Leistungselektronik erzeugt werden. Die folgende Abbildung 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Asynchronmaschine.<br /> <br /> [[Datei:Aufbau_Asynchronmaschine.jpg]]<br /> Abbildung 2: Aufbau einer Asynchronmaschine<br /> <br /> Im Ständer einer Asynchronmaschine werden um 120° versetzte Wicklungen eingelassen, die über jeweils eine Phase des Drehstroms versorgt werden. Im Umfang des Läufers befinden sich kurzgeschlossene Wicklungen. Das über die Ständerwicklungen erzeugte, umlaufende Magnetfeld induziert in den Läuferwicklungen eine Spannung, woraus sich innerhalb der Läuferwicklungen ein Stromfluss ergibt. Die nun stromdurchflossenen Leiter im Läufer erfahren durch das magnetische Drehfeld eine Kraft, die den Läufer in Richtung des Drehfeldes in Bewegung versetzt. Zur Änderung der Drehrichtung des Motors muss die Umlaufrichtung des Ständermagnetfeldes angepasst werden. Aufgrund der fehlenden Kommutierung sind im Vergleich zum Gleichstrommotor deutlich höhere Drehzahlen realisierbar, so können Asynchronmotoren mit Drehzahlen bis zu 14.000 min–1 betrieben werden. <br /> Der Name des Asynchronmotors ist darauf zurückzuführen, dass die erreichte Umfangsgeschwindigkeit des Läufers niemals die vom Drehstrom erzeugte Umfangsgeschwindigkeit des Magnetfelds erreichen kann, sondern aufgrund von Schlupf immer kleiner ist. Besteht keine Relativgeschwindigkeit mehr zwischen Läufer und Drehfeld, wird in den kurzgeschlossenen Läuferwicklungen keine Spannung mehr induziert und der Stromfluss kommt zum Erliegen. Ohne den Stromfluss in den Läuferwicklungen kann kein Drehmoment erzeugt werden. Für diesen Motor ist auch die Bezeichnung Induktionsmotor üblich, da die in den Läuferwicklungen induzierte Spannung maßgeblich zur Funktion des Motors beiträgt &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> Da Asynchronmotoren in allen Bereichen der Industrie weit verbreitet sind, sind deren Anschaffungskosten auf Grund der hohen Produktionsmenge entsprechend gering und ihre Technik ist auch für den mobilen Bereich ausgereift &lt;ref&gt; J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 &lt;/ref&gt;.. Nachteilig ist der schlechtere Wirkungsgrad im Vergleich zum Gleichstrommotor und die geringere Leistungsdichte im niedrigeren Lastbereich. Diese Motoren sind daher nur bedingt als Direktantriebe geeignet. Zusätzlich benötigen leistungsstarke Asynchronmaschinen Magnete in ihrer Erregerwicklung mit einem gewissen Anteil an seltenen Erden um Gewicht zu sparen und die Leistung zu optimieren &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;. <br /> <br /> <br /> <br /> == Synchronmaschine ==<br /> <br /> [[Datei:Aufbau_Synchronmaschine.jpg|mini|Abbildung 3: Funktionsweise einer Synchronmaschine]]<br /> <br /> Bei der Synchronmaschine wird im Gegensatz zur Asynchronmaschine das Läuferfeld nicht durch Induktion erzeugt. Bei kleineren Antrieben wird der Läufer mit Permanentmagneten versehen, bei größeren Maschinen werden Erregerwicklungen, vergleichbar denen der oben beschriebenen Gleichstrommaschine eingesetzt. Der Läufer dreht sich bei dieser Motorvariante synchron mit dem Drehfeld, woraus sich der Name des Motortyps ableitet. Die Erregerwicklungen werden dabei über Schleifkontakte mit Strom versorgt, wodurch ein gewisser Verschleiß und damit Wartungsaufwand entsteht. Gleichzeitig wird hierdurch der Aufbau im Gegensatz zur Asynchronmaschine komplexer und aufwändiger. Aufgrund dieser Tatsache wird der Asynchronmotor im Bereich der Antriebstechnik bevorzugt eingesetzt. Der Wirkungsgrad der Synchronmaschine liegt aufgrund der synchronen Strom- und Spannungsphasen über dem der Asynchronmaschine &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> Vorteil der Synchronmaschine ist ihr sehr hoher Wirkungsgrad, die große Leistungsdichte und die hohen möglichen Drehzahlen, welche ein Getriebe überflüssig machen. Allerdings brauchen diese Maschinen Hochleistungsmagnete, welche verhältnismäßig viel seltene Erden benötigen. Denn trotz der zurzeit extrem hohen Werkstoffpreise für diese Magnete gibt es keine Alternative, wenn Leistungsdichte das Hauptkriterium ist. Falls doch aus Kostengründen vom Einsatz der NdFeB-Magneten abgesehen werden soll, können Kompromisse bei Leistungsdichte und Wirkungsgrad gemacht werden &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> == Reluktanzmaschine ==<br /> <br /> [[Datei:Funktion_Reluktanzmotor.jpg|mini|Abbildung 4: Funktionsweise des Reluktanzmotors]]<br /> <br /> Auch wenn Reluktanzmotoren erst in den letzten Jahrzehnten zum weitverbreiteten Einsatz kam, so ist seine Technik dennoch sehr simpel. Die grundsätzliche Funktionsweise zeigt Abbildung 5 &lt;ref&gt; J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 &lt;/ref&gt;. Grundsätzlich lassen sich bei dieser Art von Motoren die Transversalflussmaschine und der geschaltete Reluktanzmotor unterscheiden, auf was hier allerdings nicht weiter eingegangen wird. Bei einem Reluktanzmotor besitzen Rotor und Stator ein zahnförmiges Profil. Die Statorzähne sind jeweils mit Spulen bestückt, die abwechselnd ein und ausgeschaltet werden. Der Rotor besteht aus einem weichmagnetischen Material, bei dieser Bauart werden also keine Permanentmagneten eingesetzt. Im Ständer werden mehrere, gegenüberliegende Wicklungen eingebracht, die der Erzeugung eines Magnetfelds dienen. Diese Wicklungen werden dabei paarweise zu Strängen zusammengefasst. Das Drehmoment wird bei der geschalteten Reluktanzmaschine durch das abwechselnde Beschalten der Stränge im Stator erzeugt. Das entstehende Feld wirkt auf die Zähne des Rotors, so dass sich dieser relativ zum Strang bewegt. Erreicht er die Strangposition, wird der nächste Strang beschaltet, was den Läufer ein weiteres Stück dreht &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> Der große Verteil der Reluktanzmaschine ist der robuste und einfache Aufbau ohne Rotorwicklung und Permanentmagneten. Aus diesem Grund benötigt diese Art von Elektromotor keine seltenen Erden und könnte daher ein wichtiger Bestandteil zukünftiger Elektromobilitätskonzepte werden. Die Motoren sind zudem relativ kompakt und lassen sich daher auch als Radnabenmotoren einsetzen. Nachteilig ist derzeit noch ihre hohe Geräuschentwicklung was bei hohen Drehzahlen durchaus unangenehm für den Fahren werden kann, als auch ihre niedrige Leistungsdichte &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;. <br /> <br /> <br /> == Zusammenfassung Elektromotoren ==<br /> <br /> Zusammenfassend lassen sich also folgende Eigenschaften der unterschiedlichen, für den automobilen Einsatz geeigneten, Elektromaschinen festhalten:<br /> <br /> <br /> == Einzelnachweise ==<br /> <br /> &lt;references /&gt;<br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Antriebe_und_Zweitverbraucher&diff=648 2014-01-25T15:35:34Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> <br /> == Elektromotoren: Potential und Problematik ==<br /> <br /> Grundsätzlich lassen sich alle gängigen elektrischen Maschinenarten (vgl. [[Arten von Elektromotoren]]) in Elektrofahrzeugen verbauen. Entscheidend für die Wahl einer bestimmten E-Maschine ist das erwartete Fahrprofil, sowie folgende Kriterien: Kosten, Fertigbarkeit, Wartungsfähigkeit, Recyclebarkeit, Lebensdauer, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Materialauswahl &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. <br /> Fahrdynamisch gesehen haben Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren viele Vorteile. Der größte ist sicherlich das konstante Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich. Während beim Verbrennungsmotor das maximale Drehmoment nur in einem sehr kleinen, meist relativ hohem Drehzahlbereich vorherrscht, setzen Elektromotoren ihr maximales Drehmoment schon von Anfang an um (vgl. Abbildung 1). Dies bedeutet ein besseres Beschleunigungsverhalten und den Wegfall einer Anfahrkupplung, da Elektromotoren aus dem Stillstand beschleunigen können. Insgesamt kann bei einem Stadtfahrzeug komplett auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden, da der Elektromotor den benötigten Drehzahlbereich vollkommen abdeckt. Erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten (&gt;120 km/h) wird eine Übersetzung benötigt. Das dafür benötigte Zwei-Gang-Getriebe kann aber deutlich einfacher und kleiner ausfallen, als die heute üblichen 6-, 7- oder 8-Gang-Getriebe, welche benötigt werden um den Verbrennungsmotor im optimalen Betriebspunkt zu halten &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> Anders als Verbrennungskraftmaschinen können E-Motoren zudem im sogenannten 4-Quadranten-Betrieb arbeiten. Darunter wird verstanden, dass die E-Maschine in beide Drehrichtungen als Antrieb und Bremse betrieben werden kann. Gleichzeitig kann sie im Bremsbetrieb auch als Generator verwendet werden, wodurch die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht wird. Allerdings muss diese Energie dann geeignet gespeichert werden &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;<br /> Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchronmaschinen (vgl. Abbildung 2). Diese Maschinen benötigen allerdings Seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine Seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen . Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen niedrigen Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt; (vgl. [[benötigte Ressourcen]]).<br /> <br /> <br /> == Optimales Spannungslevel des elektrischen Bordnetzes ==<br /> <br /> <br /> Die Wahl des Spannungslevels des elektrischen Systems ist ein zentrales Thema bei der Grundauslegung eines E-Fahrzeugs. Wählt man ein niedriges Spannungsniveau von z.B. 60V, so kann einfach sichergestellt werden, dass die Komponenten bei einem Unfall oder unsachgemäßer Handhabung Lebewesen keine schweren Verletzungen zuführen. Allerdings benötigt man dann nach dem Gesetz der Elektrischen Leistung (P = U*I) höhere Ströme, was zu höheren Verlusten in den elektrischen Maschinen und einen höheren Kupferaufwand für das Bordnetz führt. Wählt man jedoch ein höheres Spannungslevel, für welches die meisten Motoren und Halbleiter in der nötigen Leistungsklasse ausgelegt sind, so können die 900 – 1.200V Spannung zu schweren Verletzungen bis hin zum Tode führen. <br /> Die gängige heutige Lösung dieses Problems ist ein DC/DC-Wandler, welcher die von Wechselrichter (wird für Asynchronmaschinen benötigt), Bordnetz und Maschinen geforderte höhere Spannung dynamisch erzeugt. Zwar ist auch dieser mit Verlusten behaftete, jedoch sind diese bei Weitem nicht so hoch wie die Verluste durch hohe Ströme. Beim Abstellen des Fahrzeugs oder im Fehlerfall kann der Zwischenkreis schnell entladen werden, dann ist nur noch die niedrige Batteriespannung im System, welche nahezu ungefährlich ist &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. <br /> <br /> <br /> == Leistungselektronik ==<br /> <br /> <br /> Die Leistungselektronik wird benötigt, da die Antriebe und Zweitverbraucher (Bremskraftverstärker, Lenkhilfe, Heizung, …) eine hohe Leistung und damit eine hohe Spannung benötigen, die allerdings nicht von den Batterien geliefert werden kann. Akkumulatoren können Strom nur in einem geringen Spannungszustand speichern und abgeben, d.h. das sowohl die Energie für den Antrieb, als auch zurückgewonnene Energie durch Rekuperation umgewandelt werden muss. Gleichwohl wird elektrischer Strom als Gleichstrom in den Akkus gespeichert und muss daher beim Einsatz einer Asynchronmaschine als Antrieb zu Wechselstrom umgerichtet werden.<br /> In den letzten Jahren machte man sehr große Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik, wodurch mittlerweile Wirkungsgrade von 90% möglich sind. Eine geringere Wärmeabgabe führt allerdings auch dazu, dass eine zusätzliche fossile Heizung benötigt wird (siehe Kap.4). Die höhere Leistungsdichte der Bauteile und der Betrieb der Teile auf immer kleineren Raum führen allerdings zu einer kritischen elektromagnetischen Verträglichkeit. Vor allem andere elektrische Geräte können durch die hohe EMV-Belastung massiv gestört und beschädigt werden, aber auch die Folgen für den Menschen sind noch nicht gänzlich erforscht &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. Die Folgen von sogenannten Elektrosmog auf den Menschen sind derzeit ein wichtiges Streitthema in der Wissenschaft und sollten daher mit Vorsicht behandelt werden, insbesondere da sich Menschen heutzutage sehr lange in Fahrzeugen aufhalten. <br /> <br /> <br /> == Thermomanagement ==<br /> <br /> Da Elektromotoren einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen (bis zu 90%), produzieren sie nicht mehr genug Abwärme um den Innenraum des Fahrzeugs damit zu beheizen. Aus diesem Grund muss hierfür eine zusätzliche fossile oder elektrische Heizanlage vorgesehen werden. Energetisch gesehen wäre sogar eine fossile Heizanlage vorteilhafter, da elektrische Heizanlagen einen extrem schlechten Wirkungsgrad besitzen und die Reichweite des Fahrzeuges zu stark verringern würden. Für eine fossile Heizung würde man allerdings eine zusätzliche Infrastruktur inklusive Tank benötigen und ein abgeschirmtes Heizaggregat, in welchem das Öl oder das Gas verbrannt wird. Dies wird aus Kosten- und Komplexitätsgründen wahrscheinlich nicht möglich sein. Die Kühlung des Innenraums durch einen Klimakompressor ist hingegen unkritischer wenn auch ebenfalls sehr energieintensiv &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Neben dem Innenraum muss zudem auch die Batterie in einem möglichst engen Temperaturfeld gehalten werden um ihre volle Leistungsfähigkeit zu garantieren. Somit ergibt sich sowohl an besonders heißen, als auch an besonders kalten Tagen eine deutliche Reduzierung der Reichweite, da der Klimakompressor oder die Heizanlage dann einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch des Fahrzeugs aufweisen. So benötigt man z.B. bei einer Außentemperatur von 4°C eine Heizleistung von 3,6 kW um einen mittelgroßen PKW auf 20°C zu heizen. Um eine gefühlte Temperatur von 20°C zu erreichen muss auf Grund der kalten Teile im Fahrzeug sogar mit einer deutlich höheren Temperatur gerechnet werden. Bei einem Standartheizsystem mit elektrischer Direktheizung würde dies bei der heutigen Technik eine Reduzierung der Reichweite um 25-30% nach sich ziehen. Berücksichtigt man Wärmeverluste durch den Lufttransport in den Kanälen und den Energieverbrauch durch die Lüftung, so ist eine Reduzierung der Reichweite von 40% anzunehmen. Bedenkt man nun, dass die Batterie bei 4°C entweder auch geheizt werden muss, oder deutlich weniger Speicherkapazität aufweisen kann, so sinkt die Reichweite des Fahrzeugs schnell unter 50%. Mögliche Gegenmaßnahmen zu dieser Problematik sind besser Dämmung der Fahrzeugkabine und aktive Wärmerückgewinnung &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> == Ressourcenbedarf ==<br /> <br /> Als Rohstoffe für die Produktion eines Elektromotors wird neben Eisen insbesondere Kupfer benötigt. Bei den permanenterregten Varianten der Synchron- und Gleichstrommaschinen wird zusätzlich noch Neodym als permanentmagnetischer Werkstoff benötigt. Neodym gehört den seltenen Erden an und wird für den Bau leistungsfähiger Magnete benötigt. Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchdonmaschinen. Diese Maschinen benötigen wie schon beschrieben seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen geringfügigeren Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen &lt;ref&gt; Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität (http://www.oeko.de/oekodoc/1334/2011-449-de.pdf &lt;/ref&gt;. Der Bedarf an seltenen Erden, insbesondere an Neodym, würde bei einer Umrüstung des Individualverkehrs auf Elektromobilität auf Grund des steigenden Produktionsaufkommens von permanenterregten Elektromotoren extrem anwachsen. Geht man von einer Wachstumsrate des Elektrofahrzeugmarktes von 26% pro Jahr aus und von einer verbauten Masse von 1kg Neodym (heutzutage üblich) pro Elektroauto, so würde der Anteil des für Elektromotoren benötigten Neodyms an der weltweiten Förderung von derzeit 4,11% auf 1452% im Jahr 2030 steigen (vgl. Abbildung 1). Um also alleine die permanenterregten Elektromotoren für Elektroautos herzustellen, würde man bis 2030 die Abbaumenge von Neodym um das 15 fache der heutigen Abbaumenge steigern müssen. <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Neodym.jpg]]<br /> ''Abbildung 1: Erwarteter Anstieg des Neodym Bedarfs''<br /> <br /> <br /> Der Kupferbedarf wird unabhängig vom dominanten Motorentyp wachsen, da alle Elektromotoren und deren Leistungselektronik Kupfer benötigen. Geht man wiederum von einer jährlichen Wachstumsrate der Elektromobilität von 26% aus und einer verbauten Kupfermenge von 30kg pro Fahrzeug, so würde der Anteil der Elektromotoren an der weltweiten Kupferproduktion von derzeit 0,06% bis in Jahr 2030 auf 21,13% steigen (vgl. Abbildung 2) &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Kupfer.jpg]]<br /> ''Abbildung 2: Erwarteter Anstieg des Kupferbedarfs''<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> == Zukunft ==<br /> <br /> Zur jetzigen Zeit lohnt sich ein normales Auto in der Golfklasse mit einer Fahrleistung von 12.000km pro Jahr sowohl als Plug-In-Hybrid als auch als reines Elektrofahrzeug erst ab 3€/l Benzinpreis. Dies wird durch die noch hohen Kosten für den Akku und den Antrieb (100€/kW, zum Vergleich durchschn. Verbrenner: 50€/kW) verschuldet &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Sollte sich in der Automobilindustrie jedoch ein Motorentyp durchsetzen, so ist davon auszugehen, dass durch die höhere Produktionszahl, als auch durch die weiterentwickelte Technik, der Preis für diese Antriebe deutlich sinken wird.<br /> Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Entwickler die Rohstoffsituation in ihre Konzepte mit integrieren und somit auf Motoren setzen, welche entweder vollkommen unabhängig (Reluktanzmotor) oder nur geringfügig abhängig (Asynchronmaschine) von seltenen Erden sind. Ingenieure haben bereits effiziente Reluktanzmotoren entwickelt, welche gänzliche ohne Dauermagnete auskommen und damit auch ohne seltene Erden. Anstatt der teuren Permanentmagnete werden hier Spulen eingesetzt, welche erst magnetisch werden, wenn Strom durch sie fließt. Somit ist dieser Motor sowohl billiger, als auch energieeffizienter &lt;ref&gt; http://www.zeit.de/auto/2013-02/elektromotor-technik &lt;/ref&gt;. Unausweichlich scheint jedoch ein rasanter Anstieg des Kupferbedarfs zu sein, dessen Bewältigung ebenfalls eine Herausforderung darstellen wird &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;, jedoch nicht ganz so kritisch zu betrachten ist, wie der Anstieg des Bedarfs an seltenen Erden.<br /> Ein weiteres Problem stellt das Einsatzgebiet des Fahrzeugs dar: bei normalen Temperaturen (um 20°C) hat ein Elektroauto ungefähr eine Gesamteffizienz von 40 % (von der Produktion des Stroms bis zum direkten Verbrauch im Fahrzeug). Der Verbrennungsmotor hat eine Effizienz von etwa 25 % (von der Förderung bis zum Verbrauch im Auto). Auf der Autobahn, an einem kalten Tag, ist es genau umgekehrt: der Wirkungsgrad des Elektrofahrzeuges liegt eher bei 30 % und der des Verbrenners bei 40 %. so dass das Elektrofahrzeug auf Langstrecken energetisch derzeit eigentlich keinen Sinn ergibt &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Dies liegt jedoch nicht an den Elektroantrieben sondern am jeweiligen Strommix (vgl. [[Strommix der Zukunft]]) und der Speichertechnologie (vgl. [[Energiespeicher]]).<br /> <br /> <br /> <br /> == Einzelnachweise ==<br /> <br /> &lt;references /&gt;<br /> <br /> <br /> == Weblinks ==<br /> <br /> Funktionsweise eines Asynchronmotors: http://www.youtube.com/watch?v=N8LUOTQKXlk<br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Arten_von_Elektromotoren&diff=647 2014-01-25T15:33:46Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> [[Category: Arten von Elektromotoren]]<br /> <br /> <br /> == Gleichstrommotoren ==<br /> <br /> Die am einfachsten zu beschreibende Funktionsweise von Elektromotoren ist diejenige der Gleichstrommotoren. Ein Rotor, auch als Anker bezeichnet, ist von einer Spule umwickelt, um die sich bei Anschluss einer Gleichstromquelle ein magnetisches Feld ausbildet. Der Rotor ist von einem Permanentmagneten umgeben, der dauerhaft ein magnetisches Feld erzeugt und auch als Stator bezeichnet wird. Die Drehung des Rotors in dem magnetischen Feld lässt sich durch das physikalische Gesetz erklären, dass sich gegennamige Ladungen anziehen, während sich gleichnamige Ladungen abstoßen. Wie in Abbildung 1 dargestellt ist, wird der Gleichstrom über sogenannte Bürsten in die Spule geleitet. Je nach Stellung bzw. Position des Rotors sind die beiden Seiten des Rotors unterschiedlich gepolt. Aufgrund der Anziehung gegensätzlicher Pole dreht sich der Rotor in Stellung 1 gegen den Uhrzeigersinn, so dass die Bürsten kurzzeitig über einen Bereich laufen, über den kein Strom in die Spule geleitet werden kann. Über den Kommutator erfolgt eine Ladungsumkehr, so dass die beiden Seiten des Rotors nun über den jeweils anderen Pol der Batterie mit Strom versorgt werden, wodurch sich das von der Spule erzeugte Magnetfeld umkehrt und sich der Rotor erneut im Magnetfeld des Permanentmagneten ausrichtet. Die Drehung wird also dadurch erzeugt, dass sich ein wechselndes Magnetfeld in einem konstanten Magnetfeld ausrichtet. Auf diese Wechselwirkung beruhen die Funktionsweisen aller Elektromotoren &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> [[Datei:Funktionsweise_Gelichstrommotor.jpg]]<br /> Abbildung 1: Funktionsweise eines Gleichstrommotors<br /> <br /> <br /> Gleichstrommaschinen haben heute in der Elektromobilität nahezu keinen Einsatz mehr, zumindest nicht als Primärantrieb &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;. Grund hierfür ist vor allem die schlechte Wärmeabfuhr, da die gesamte Wärme im rotierenden Rotor entsteht und daher nur schwer abgeführt werden kann. In den darauffolgend beschriebenen Motoren entsteht der Wärmeverlust vor Allem im stillstehenden Stator, welcher einfach und günstig durch Luft oder Kühlmittel gekühlt werden kann &lt;ref&gt; J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> == Asynchronmaschine ==<br /> <br /> Für den Betrieb der Asynchronmaschine wird ein Dreiphasenwechselstrom benötigt. Dieser auch als Drehstrom bezeichnete Strom setzt sich aus drei Phasen zusammen, die jeweils um 120° zueinander verschoben sind. Die Spannung der einzelnen Phasen verläuft wie beim Wechselstrom sinusförmig. Da die im Kraftfahrzeug mitgeführten Stromquellen ausschließlich Gleichstrom zur Verfügung stellen können, muss der Drehstrom erst über eine entsprechende Leistungselektronik erzeugt werden. Die folgende Abbildung 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Asynchronmaschine.<br /> <br /> [[Datei:Aufbau_Asynchronmaschine.jpg]]<br /> Abbildung 2: Aufbau einer Asynchronmaschine<br /> <br /> Im Ständer einer Asynchronmaschine werden um 120° versetzte Wicklungen eingelassen, die über jeweils eine Phase des Drehstroms versorgt werden. Im Umfang des Läufers befinden sich kurzgeschlossene Wicklungen. Das über die Ständerwicklungen erzeugte, umlaufende Magnetfeld induziert in den Läuferwicklungen eine Spannung, woraus sich innerhalb der Läuferwicklungen ein Stromfluss ergibt. Die nun stromdurchflossenen Leiter im Läufer erfahren durch das magnetische Drehfeld eine Kraft, die den Läufer in Richtung des Drehfeldes in Bewegung versetzt. Zur Änderung der Drehrichtung des Motors muss die Umlaufrichtung des Ständermagnetfeldes angepasst werden. Aufgrund der fehlenden Kommutierung sind im Vergleich zum Gleichstrommotor deutlich höhere Drehzahlen realisierbar, so können Asynchronmotoren mit Drehzahlen bis zu 14.000 min–1 betrieben werden. <br /> Der Name des Asynchronmotors ist darauf zurückzuführen, dass die erreichte Umfangsgeschwindigkeit des Läufers niemals die vom Drehstrom erzeugte Umfangsgeschwindigkeit des Magnetfelds erreichen kann, sondern aufgrund von Schlupf immer kleiner ist. Besteht keine Relativgeschwindigkeit mehr zwischen Läufer und Drehfeld, wird in den kurzgeschlossenen Läuferwicklungen keine Spannung mehr induziert und der Stromfluss kommt zum Erliegen. Ohne den Stromfluss in den Läuferwicklungen kann kein Drehmoment erzeugt werden. Für diesen Motor ist auch die Bezeichnung Induktionsmotor üblich, da die in den Läuferwicklungen induzierte Spannung maßgeblich zur Funktion des Motors beiträgt &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> Da Asynchronmotoren in allen Bereichen der Industrie weit verbreitet sind, sind deren Anschaffungskosten auf Grund der hohen Produktionsmenge entsprechend gering und ihre Technik ist auch für den mobilen Bereich ausgereift &lt;ref&gt; J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 &lt;/ref&gt;.. Nachteilig ist der schlechtere Wirkungsgrad im Vergleich zum Gleichstrommotor und die geringere Leistungsdichte im niedrigeren Lastbereich. Diese Motoren sind daher nur bedingt als Direktantriebe geeignet. Zusätzlich benötigen leistungsstarke Asynchronmaschinen Magnete in ihrer Erregerwicklung mit einem gewissen Anteil an seltenen Erden um Gewicht zu sparen und die Leistung zu optimieren &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;. <br /> <br /> <br /> <br /> == Synchronmaschine ==<br /> <br /> [[Datei:Aufbau_Synchronmaschine.jpg|mini|Abbildung 3: Funktionsweise einer Synchronmaschine]]<br /> <br /> Bei der Synchronmaschine wird im Gegensatz zur Asynchronmaschine das Läuferfeld nicht durch Induktion erzeugt. Bei kleineren Antrieben wird der Läufer mit Permanentmagneten versehen, bei größeren Maschinen werden Erregerwicklungen, vergleichbar denen der oben beschriebenen Gleichstrommaschine eingesetzt. Der Läufer dreht sich bei dieser Motorvariante synchron mit dem Drehfeld, woraus sich der Name des Motortyps ableitet. Die Erregerwicklungen werden dabei über Schleifkontakte mit Strom versorgt, wodurch ein gewisser Verschleiß und damit Wartungsaufwand entsteht. Gleichzeitig wird hierdurch der Aufbau im Gegensatz zur Asynchronmaschine komplexer und aufwändiger. Aufgrund dieser Tatsache wird der Asynchronmotor im Bereich der Antriebstechnik bevorzugt eingesetzt. Der Wirkungsgrad der Synchronmaschine liegt aufgrund der synchronen Strom- und Spannungsphasen über dem der Asynchronmaschine &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> Vorteil der Synchronmaschine ist ihr sehr hoher Wirkungsgrad, die große Leistungsdichte und die hohen möglichen Drehzahlen, welche ein Getriebe überflüssig machen. Allerdings brauchen diese Maschinen Hochleistungsmagnete, welche verhältnismäßig viel seltene Erden benötigen. Denn trotz der zurzeit extrem hohen Werkstoffpreise für diese Magnete gibt es keine Alternative, wenn Leistungsdichte das Hauptkriterium ist. Falls doch aus Kostengründen vom Einsatz der NdFeB-Magneten abgesehen werden soll, können Kompromisse bei Leistungsdichte und Wirkungsgrad gemacht werden &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> == Reluktanzmaschine ==<br /> <br /> [[Datei:Funktion_Reluktanzmotor.jpg|mini|Abbildung 4: Funktionsweise des Reluktanzmotors]]<br /> <br /> Auch wenn Reluktanzmotoren erst in den letzten Jahrzehnten zum weitverbreiteten Einsatz kam, so ist seine Technik dennoch sehr simpel. Die grundsätzliche Funktionsweise zeigt Abbildung 5 &lt;ref&gt; J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 &lt;/ref&gt;. Grundsätzlich lassen sich bei dieser Art von Motoren die Transversalflussmaschine und der geschaltete Reluktanzmotor unterscheiden, auf was hier allerdings nicht weiter eingegangen wird. Bei einem Reluktanzmotor besitzen Rotor und Stator ein zahnförmiges Profil. Die Statorzähne sind jeweils mit Spulen bestückt, die abwechselnd ein und ausgeschaltet werden. Der Rotor besteht aus einem weichmagnetischen Material, bei dieser Bauart werden also keine Permanentmagneten eingesetzt. Im Ständer werden mehrere, gegenüberliegende Wicklungen eingebracht, die der Erzeugung eines Magnetfelds dienen. Diese Wicklungen werden dabei paarweise zu Strängen zusammengefasst. Das Drehmoment wird bei der geschalteten Reluktanzmaschine durch das abwechselnde Beschalten der Stränge im Stator erzeugt. Das entstehende Feld wirkt auf die Zähne des Rotors, so dass sich dieser relativ zum Strang bewegt. Erreicht er die Strangposition, wird der nächste Strang beschaltet, was den Läufer ein weiteres Stück dreht &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> Der große Verteil der Reluktanzmaschine ist der robuste und einfache Aufbau ohne Rotorwicklung und Permanentmagneten. Aus diesem Grund benötigt diese Art von Elektromotor keine seltenen Erden und könnte daher ein wichtiger Bestandteil zukünftiger Elektromobilitätskonzepte werden. Die Motoren sind zudem relativ kompakt und lassen sich daher auch als Radnabenmotoren einsetzen. Nachteilig ist derzeit noch ihre hohe Geräuschentwicklung was bei hohen Drehzahlen durchaus unangenehm für den Fahren werden kann, als auch ihre niedrige Leistungsdichte &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;. <br /> <br /> <br /> == Zusammenfassung Elektromotoren ==<br /> <br /> Zusammenfassend lassen sich also folgende Eigenschaften der unterschiedlichen, für den automobilen Einsatz geeigneten, Elektromaschinen festhalten:<br /> <br /> <br /> == Quellenverzeichnis ==<br /> <br /> <br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Antriebe_und_Zweitverbraucher&diff=646 2014-01-25T15:29:33Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> <br /> == Elektromotoren: Potential und Problematik ==<br /> <br /> Grundsätzlich lassen sich alle gängigen elektrischen Maschinenarten (vgl. [[Arten von Elektromotoren]]) in Elektrofahrzeugen verbauen. Entscheidend für die Wahl einer bestimmten E-Maschine ist das erwartete Fahrprofil, sowie folgende Kriterien: Kosten, Fertigbarkeit, Wartungsfähigkeit, Recyclebarkeit, Lebensdauer, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Materialauswahl &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. <br /> Fahrdynamisch gesehen haben Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren viele Vorteile. Der größte ist sicherlich das konstante Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich. Während beim Verbrennungsmotor das maximale Drehmoment nur in einem sehr kleinen, meist relativ hohem Drehzahlbereich vorherrscht, setzen Elektromotoren ihr maximales Drehmoment schon von Anfang an um (vgl. Abbildung 1). Dies bedeutet ein besseres Beschleunigungsverhalten und den Wegfall einer Anfahrkupplung, da Elektromotoren aus dem Stillstand beschleunigen können. Insgesamt kann bei einem Stadtfahrzeug komplett auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden, da der Elektromotor den benötigten Drehzahlbereich vollkommen abdeckt. Erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten (&gt;120 km/h) wird eine Übersetzung benötigt. Das dafür benötigte Zwei-Gang-Getriebe kann aber deutlich einfacher und kleiner ausfallen, als die heute üblichen 6-, 7- oder 8-Gang-Getriebe, welche benötigt werden um den Verbrennungsmotor im optimalen Betriebspunkt zu halten &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> Anders als Verbrennungskraftmaschinen können E-Motoren zudem im sogenannten 4-Quadranten-Betrieb arbeiten. Darunter wird verstanden, dass die E-Maschine in beide Drehrichtungen als Antrieb und Bremse betrieben werden kann. Gleichzeitig kann sie im Bremsbetrieb auch als Generator verwendet werden, wodurch die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht wird. Allerdings muss diese Energie dann geeignet gespeichert werden &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;<br /> Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchronmaschinen (vgl. Abbildung 2). Diese Maschinen benötigen allerdings Seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine Seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen . Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen niedrigen Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt; (vgl. [[benötigte Ressourcen]].<br /> <br /> <br /> == Optimales Spannungslevel des elektrischen Bordnetzes ==<br /> <br /> <br /> Die Wahl des Spannungslevels des elektrischen Systems ist ein zentrales Thema bei der Grundauslegung eines E-Fahrzeugs. Wählt man ein niedriges Spannungsniveau von z.B. 60V, so kann einfach sichergestellt werden, dass die Komponenten bei einem Unfall oder unsachgemäßer Handhabung Lebewesen keine schweren Verletzungen zuführen. Allerdings benötigt man dann nach dem Gesetz der Elektrischen Leistung (P = U*I) höhere Ströme, was zu höheren Verlusten in den elektrischen Maschinen und einen höheren Kupferaufwand für das Bordnetz führt. Wählt man jedoch ein höheres Spannungslevel, für welches die meisten Motoren und Halbleiter in der nötigen Leistungsklasse ausgelegt sind, so können die 900 – 1.200V Spannung zu schweren Verletzungen bis hin zum Tode führen. <br /> Die gängige heutige Lösung dieses Problems ist ein DC/DC-Wandler, welcher die von Wechselrichter (wird für Asynchronmaschinen benötigt), Bordnetz und Maschinen geforderte höhere Spannung dynamisch erzeugt. Zwar ist auch dieser mit Verlusten behaftete, jedoch sind diese bei Weitem nicht so hoch wie die Verluste durch hohe Ströme. Beim Abstellen des Fahrzeugs oder im Fehlerfall kann der Zwischenkreis schnell entladen werden, dann ist nur noch die niedrige Batteriespannung im System, welche nahezu ungefährlich ist &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. <br /> <br /> <br /> == Leistungselektronik ==<br /> <br /> <br /> Die Leistungselektronik wird benötigt, da die Antriebe und Zweitverbraucher (Bremskraftverstärker, Lenkhilfe, Heizung, …) eine hohe Leistung und damit eine hohe Spannung benötigen, die allerdings nicht von den Batterien geliefert werden kann. Akkumulatoren können Strom nur in einem geringen Spannungszustand speichern und abgeben, d.h. das sowohl die Energie für den Antrieb, als auch zurückgewonnene Energie durch Rekuperation umgewandelt werden muss. Gleichwohl wird elektrischer Strom als Gleichstrom in den Akkus gespeichert und muss daher beim Einsatz einer Asynchronmaschine als Antrieb zu Wechselstrom umgerichtet werden.<br /> In den letzten Jahren machte man sehr große Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik, wodurch mittlerweile Wirkungsgrade von 90% möglich sind. Eine geringere Wärmeabgabe führt allerdings auch dazu, dass eine zusätzliche fossile Heizung benötigt wird (siehe Kap.4). Die höhere Leistungsdichte der Bauteile und der Betrieb der Teile auf immer kleineren Raum führen allerdings zu einer kritischen elektromagnetischen Verträglichkeit. Vor allem andere elektrische Geräte können durch die hohe EMV-Belastung massiv gestört und beschädigt werden, aber auch die Folgen für den Menschen sind noch nicht gänzlich erforscht &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. Die Folgen von sogenannten Elektrosmog auf den Menschen sind derzeit ein wichtiges Streitthema in der Wissenschaft und sollten daher mit Vorsicht behandelt werden, insbesondere da sich Menschen heutzutage sehr lange in Fahrzeugen aufhalten. <br /> <br /> <br /> == Thermomanagement ==<br /> <br /> Da Elektromotoren einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen (bis zu 90%), produzieren sie nicht mehr genug Abwärme um den Innenraum des Fahrzeugs damit zu beheizen. Aus diesem Grund muss hierfür eine zusätzliche fossile oder elektrische Heizanlage vorgesehen werden. Energetisch gesehen wäre sogar eine fossile Heizanlage vorteilhafter, da elektrische Heizanlagen einen extrem schlechten Wirkungsgrad besitzen und die Reichweite des Fahrzeuges zu stark verringern würden. Für eine fossile Heizung würde man allerdings eine zusätzliche Infrastruktur inklusive Tank benötigen und ein abgeschirmtes Heizaggregat, in welchem das Öl oder das Gas verbrannt wird. Dies wird aus Kosten- und Komplexitätsgründen wahrscheinlich nicht möglich sein. Die Kühlung des Innenraums durch einen Klimakompressor ist hingegen unkritischer wenn auch ebenfalls sehr energieintensiv &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Neben dem Innenraum muss zudem auch die Batterie in einem möglichst engen Temperaturfeld gehalten werden um ihre volle Leistungsfähigkeit zu garantieren. Somit ergibt sich sowohl an besonders heißen, als auch an besonders kalten Tagen eine deutliche Reduzierung der Reichweite, da der Klimakompressor oder die Heizanlage dann einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch des Fahrzeugs aufweisen. So benötigt man z.B. bei einer Außentemperatur von 4°C eine Heizleistung von 3,6 kW um einen mittelgroßen PKW auf 20°C zu heizen. Um eine gefühlte Temperatur von 20°C zu erreichen muss auf Grund der kalten Teile im Fahrzeug sogar mit einer deutlich höheren Temperatur gerechnet werden. Bei einem Standartheizsystem mit elektrischer Direktheizung würde dies bei der heutigen Technik eine Reduzierung der Reichweite um 25-30% nach sich ziehen. Berücksichtigt man Wärmeverluste durch den Lufttransport in den Kanälen und den Energieverbrauch durch die Lüftung, so ist eine Reduzierung der Reichweite von 40% anzunehmen. Bedenkt man nun, dass die Batterie bei 4°C entweder auch geheizt werden muss, oder deutlich weniger Speicherkapazität aufweisen kann, so sinkt die Reichweite des Fahrzeugs schnell unter 50%. Mögliche Gegenmaßnahmen zu dieser Problematik sind besser Dämmung der Fahrzeugkabine und aktive Wärmerückgewinnung &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> == Ressourcenbedarf ==<br /> <br /> Als Rohstoffe für die Produktion eines Elektromotors wird neben Eisen insbesondere Kupfer benötigt. Bei den permanenterregten Varianten der Synchron- und Gleichstrommaschinen wird zusätzlich noch Neodym als permanentmagnetischer Werkstoff benötigt. Neodym gehört den seltenen Erden an und wird für den Bau leistungsfähiger Magnete benötigt. Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchdonmaschinen. Diese Maschinen benötigen wie schon beschrieben seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen geringfügigeren Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen &lt;ref&gt; Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität (http://www.oeko.de/oekodoc/1334/2011-449-de.pdf &lt;/ref&gt;. Der Bedarf an seltenen Erden, insbesondere an Neodym, würde bei einer Umrüstung des Individualverkehrs auf Elektromobilität auf Grund des steigenden Produktionsaufkommens von permanenterregten Elektromotoren extrem anwachsen. Geht man von einer Wachstumsrate des Elektrofahrzeugmarktes von 26% pro Jahr aus und von einer verbauten Masse von 1kg Neodym (heutzutage üblich) pro Elektroauto, so würde der Anteil des für Elektromotoren benötigten Neodyms an der weltweiten Förderung von derzeit 4,11% auf 1452% im Jahr 2030 steigen (vgl. Abbildung 1). Um also alleine die permanenterregten Elektromotoren für Elektroautos herzustellen, würde man bis 2030 die Abbaumenge von Neodym um das 15 fache der heutigen Abbaumenge steigern müssen. <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Neodym.jpg]]<br /> ''Abbildung 1: Erwarteter Anstieg des Neodym Bedarfs''<br /> <br /> <br /> Der Kupferbedarf wird unabhängig vom dominanten Motorentyp wachsen, da alle Elektromotoren und deren Leistungselektronik Kupfer benötigen. Geht man wiederum von einer jährlichen Wachstumsrate der Elektromobilität von 26% aus und einer verbauten Kupfermenge von 30kg pro Fahrzeug, so würde der Anteil der Elektromotoren an der weltweiten Kupferproduktion von derzeit 0,06% bis in Jahr 2030 auf 21,13% steigen (vgl. Abbildung 2) &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Kupfer.jpg]]<br /> ''Abbildung 2: Erwarteter Anstieg des Kupferbedarfs''<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> == Zukunft ==<br /> <br /> Zur jetzigen Zeit lohnt sich ein normales Auto in der Golfklasse mit einer Fahrleistung von 12.000km pro Jahr sowohl als Plug-In-Hybrid als auch als reines Elektrofahrzeug erst ab 3€/l Benzinpreis. Dies wird durch die noch hohen Kosten für den Akku und den Antrieb (100€/kW, zum Vergleich durchschn. Verbrenner: 50€/kW) verschuldet &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Sollte sich in der Automobilindustrie jedoch ein Motorentyp durchsetzen, so ist davon auszugehen, dass durch die höhere Produktionszahl, als auch durch die weiterentwickelte Technik, der Preis für diese Antriebe deutlich sinken wird.<br /> Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Entwickler die Rohstoffsituation in ihre Konzepte mit integrieren und somit auf Motoren setzen, welche entweder vollkommen unabhängig (Reluktanzmotor) oder nur geringfügig abhängig (Asynchronmaschine) von seltenen Erden sind. Ingenieure haben bereits effiziente Reluktanzmotoren entwickelt, welche gänzliche ohne Dauermagnete auskommen und damit auch ohne seltene Erden. Anstatt der teuren Permanentmagnete werden hier Spulen eingesetzt, welche erst magnetisch werden, wenn Strom durch sie fließt. Somit ist dieser Motor sowohl billiger, als auch energieeffizienter &lt;ref&gt; http://www.zeit.de/auto/2013-02/elektromotor-technik &lt;/ref&gt;. Unausweichlich scheint jedoch ein rasanter Anstieg des Kupferbedarfs zu sein, dessen Bewältigung ebenfalls eine Herausforderung darstellen wird &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;, jedoch nicht ganz so kritisch zu betrachten ist, wie der Anstieg des Bedarfs an seltenen Erden.<br /> Ein weiteres Problem stellt das Einsatzgebiet des Fahrzeugs dar: bei normalen Temperaturen (um 20°C) hat ein Elektroauto ungefähr eine Gesamteffizienz von 40 % (von der Produktion des Stroms bis zum direkten Verbrauch im Fahrzeug). Der Verbrennungsmotor hat eine Effizienz von etwa 25 % (von der Förderung bis zum Verbrauch im Auto). Auf der Autobahn, an einem kalten Tag, ist es genau umgekehrt: der Wirkungsgrad des Elektrofahrzeuges liegt eher bei 30 % und der des Verbrenners bei 40 %. so dass das Elektrofahrzeug auf Langstrecken energetisch derzeit eigentlich keinen Sinn ergibt &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Dies liegt jedoch nicht an den Elektroantrieben sondern am jeweiligen Strommix (vgl. [[Strommix der Zukunft]]) und der Speichertechnologie (vgl. [[Energiespeicher]]).<br /> <br /> <br /> <br /> == Einzelnachweise ==<br /> <br /> &lt;references /&gt;<br /> <br /> <br /> == Weblinks ==<br /> <br /> Funktionsweise eines Asynchronmotors: http://www.youtube.com/watch?v=N8LUOTQKXlk<br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Antriebe_und_Zweitverbraucher&diff=645 2014-01-25T15:28:53Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> <br /> == Elektromotoren: Potential und Problematik ==<br /> <br /> Grundsätzlich lassen sich alle gängigen elektrischen Maschinenarten (vgl. [[Arten von Elektromotoren]]) in Elektrofahrzeugen verbauen. Entscheidend für die Wahl einer bestimmten E-Maschine ist das erwartete Fahrprofil, sowie folgende Kriterien: Kosten, Fertigbarkeit, Wartungsfähigkeit, Recyclebarkeit, Lebensdauer, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Materialauswahl &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. <br /> Fahrdynamisch gesehen haben Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren viele Vorteile. Der größte ist sicherlich das konstante Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich. Während beim Verbrennungsmotor das maximale Drehmoment nur in einem sehr kleinen, meist relativ hohem Drehzahlbereich vorherrscht, setzen Elektromotoren ihr maximales Drehmoment schon von Anfang an um (vgl. Abbildung 1). Dies bedeutet ein besseres Beschleunigungsverhalten und den Wegfall einer Anfahrkupplung, da Elektromotoren aus dem Stillstand beschleunigen können. Insgesamt kann bei einem Stadtfahrzeug komplett auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden, da der Elektromotor den benötigten Drehzahlbereich vollkommen abdeckt. Erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten (&gt;120 km/h) wird eine Übersetzung benötigt. Das dafür benötigte Zwei-Gang-Getriebe kann aber deutlich einfacher und kleiner ausfallen, als die heute üblichen 6-, 7- oder 8-Gang-Getriebe, welche benötigt werden um den Verbrennungsmotor im optimalen Betriebspunkt zu halten &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> Anders als Verbrennungskraftmaschinen können E-Motoren zudem im sogenannten 4-Quadranten-Betrieb arbeiten. Darunter wird verstanden, dass die E-Maschine in beide Drehrichtungen als Antrieb und Bremse betrieben werden kann. Gleichzeitig kann sie im Bremsbetrieb auch als Generator verwendet werden, wodurch die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht wird. Allerdings muss diese Energie dann geeignet gespeichert werden &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;<br /> Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchronmaschinen (vgl. Abbildung 2). Diese Maschinen benötigen allerdings Seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine Seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen . Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen niedrigen Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt; .<br /> <br /> <br /> == Optimales Spannungslevel des elektrischen Bordnetzes ==<br /> <br /> <br /> Die Wahl des Spannungslevels des elektrischen Systems ist ein zentrales Thema bei der Grundauslegung eines E-Fahrzeugs. Wählt man ein niedriges Spannungsniveau von z.B. 60V, so kann einfach sichergestellt werden, dass die Komponenten bei einem Unfall oder unsachgemäßer Handhabung Lebewesen keine schweren Verletzungen zuführen. Allerdings benötigt man dann nach dem Gesetz der Elektrischen Leistung (P = U*I) höhere Ströme, was zu höheren Verlusten in den elektrischen Maschinen und einen höheren Kupferaufwand für das Bordnetz führt. Wählt man jedoch ein höheres Spannungslevel, für welches die meisten Motoren und Halbleiter in der nötigen Leistungsklasse ausgelegt sind, so können die 900 – 1.200V Spannung zu schweren Verletzungen bis hin zum Tode führen. <br /> Die gängige heutige Lösung dieses Problems ist ein DC/DC-Wandler, welcher die von Wechselrichter (wird für Asynchronmaschinen benötigt), Bordnetz und Maschinen geforderte höhere Spannung dynamisch erzeugt. Zwar ist auch dieser mit Verlusten behaftete, jedoch sind diese bei Weitem nicht so hoch wie die Verluste durch hohe Ströme. Beim Abstellen des Fahrzeugs oder im Fehlerfall kann der Zwischenkreis schnell entladen werden, dann ist nur noch die niedrige Batteriespannung im System, welche nahezu ungefährlich ist &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. <br /> <br /> <br /> == Leistungselektronik ==<br /> <br /> <br /> Die Leistungselektronik wird benötigt, da die Antriebe und Zweitverbraucher (Bremskraftverstärker, Lenkhilfe, Heizung, …) eine hohe Leistung und damit eine hohe Spannung benötigen, die allerdings nicht von den Batterien geliefert werden kann. Akkumulatoren können Strom nur in einem geringen Spannungszustand speichern und abgeben, d.h. das sowohl die Energie für den Antrieb, als auch zurückgewonnene Energie durch Rekuperation umgewandelt werden muss. Gleichwohl wird elektrischer Strom als Gleichstrom in den Akkus gespeichert und muss daher beim Einsatz einer Asynchronmaschine als Antrieb zu Wechselstrom umgerichtet werden.<br /> In den letzten Jahren machte man sehr große Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik, wodurch mittlerweile Wirkungsgrade von 90% möglich sind. Eine geringere Wärmeabgabe führt allerdings auch dazu, dass eine zusätzliche fossile Heizung benötigt wird (siehe Kap.4). Die höhere Leistungsdichte der Bauteile und der Betrieb der Teile auf immer kleineren Raum führen allerdings zu einer kritischen elektromagnetischen Verträglichkeit. Vor allem andere elektrische Geräte können durch die hohe EMV-Belastung massiv gestört und beschädigt werden, aber auch die Folgen für den Menschen sind noch nicht gänzlich erforscht &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. Die Folgen von sogenannten Elektrosmog auf den Menschen sind derzeit ein wichtiges Streitthema in der Wissenschaft und sollten daher mit Vorsicht behandelt werden, insbesondere da sich Menschen heutzutage sehr lange in Fahrzeugen aufhalten. <br /> <br /> <br /> == Thermomanagement ==<br /> <br /> Da Elektromotoren einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen (bis zu 90%), produzieren sie nicht mehr genug Abwärme um den Innenraum des Fahrzeugs damit zu beheizen. Aus diesem Grund muss hierfür eine zusätzliche fossile oder elektrische Heizanlage vorgesehen werden. Energetisch gesehen wäre sogar eine fossile Heizanlage vorteilhafter, da elektrische Heizanlagen einen extrem schlechten Wirkungsgrad besitzen und die Reichweite des Fahrzeuges zu stark verringern würden. Für eine fossile Heizung würde man allerdings eine zusätzliche Infrastruktur inklusive Tank benötigen und ein abgeschirmtes Heizaggregat, in welchem das Öl oder das Gas verbrannt wird. Dies wird aus Kosten- und Komplexitätsgründen wahrscheinlich nicht möglich sein. Die Kühlung des Innenraums durch einen Klimakompressor ist hingegen unkritischer wenn auch ebenfalls sehr energieintensiv &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Neben dem Innenraum muss zudem auch die Batterie in einem möglichst engen Temperaturfeld gehalten werden um ihre volle Leistungsfähigkeit zu garantieren. Somit ergibt sich sowohl an besonders heißen, als auch an besonders kalten Tagen eine deutliche Reduzierung der Reichweite, da der Klimakompressor oder die Heizanlage dann einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch des Fahrzeugs aufweisen. So benötigt man z.B. bei einer Außentemperatur von 4°C eine Heizleistung von 3,6 kW um einen mittelgroßen PKW auf 20°C zu heizen. Um eine gefühlte Temperatur von 20°C zu erreichen muss auf Grund der kalten Teile im Fahrzeug sogar mit einer deutlich höheren Temperatur gerechnet werden. Bei einem Standartheizsystem mit elektrischer Direktheizung würde dies bei der heutigen Technik eine Reduzierung der Reichweite um 25-30% nach sich ziehen. Berücksichtigt man Wärmeverluste durch den Lufttransport in den Kanälen und den Energieverbrauch durch die Lüftung, so ist eine Reduzierung der Reichweite von 40% anzunehmen. Bedenkt man nun, dass die Batterie bei 4°C entweder auch geheizt werden muss, oder deutlich weniger Speicherkapazität aufweisen kann, so sinkt die Reichweite des Fahrzeugs schnell unter 50%. Mögliche Gegenmaßnahmen zu dieser Problematik sind besser Dämmung der Fahrzeugkabine und aktive Wärmerückgewinnung &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> == Ressourcenbedarf ==<br /> <br /> Als Rohstoffe für die Produktion eines Elektromotors wird neben Eisen insbesondere Kupfer benötigt. Bei den permanenterregten Varianten der Synchron- und Gleichstrommaschinen wird zusätzlich noch Neodym als permanentmagnetischer Werkstoff benötigt. Neodym gehört den seltenen Erden an und wird für den Bau leistungsfähiger Magnete benötigt. Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchdonmaschinen. Diese Maschinen benötigen wie schon beschrieben seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen geringfügigeren Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen &lt;ref&gt; Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität (http://www.oeko.de/oekodoc/1334/2011-449-de.pdf &lt;/ref&gt;. Der Bedarf an seltenen Erden, insbesondere an Neodym, würde bei einer Umrüstung des Individualverkehrs auf Elektromobilität auf Grund des steigenden Produktionsaufkommens von permanenterregten Elektromotoren extrem anwachsen. Geht man von einer Wachstumsrate des Elektrofahrzeugmarktes von 26% pro Jahr aus und von einer verbauten Masse von 1kg Neodym (heutzutage üblich) pro Elektroauto, so würde der Anteil des für Elektromotoren benötigten Neodyms an der weltweiten Förderung von derzeit 4,11% auf 1452% im Jahr 2030 steigen (vgl. Abbildung 1). Um also alleine die permanenterregten Elektromotoren für Elektroautos herzustellen, würde man bis 2030 die Abbaumenge von Neodym um das 15 fache der heutigen Abbaumenge steigern müssen. <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Neodym.jpg]]<br /> ''Abbildung 1: Erwarteter Anstieg des Neodym Bedarfs''<br /> <br /> <br /> Der Kupferbedarf wird unabhängig vom dominanten Motorentyp wachsen, da alle Elektromotoren und deren Leistungselektronik Kupfer benötigen. Geht man wiederum von einer jährlichen Wachstumsrate der Elektromobilität von 26% aus und einer verbauten Kupfermenge von 30kg pro Fahrzeug, so würde der Anteil der Elektromotoren an der weltweiten Kupferproduktion von derzeit 0,06% bis in Jahr 2030 auf 21,13% steigen (vgl. Abbildung 2) &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Kupfer.jpg]]<br /> ''Abbildung 2: Erwarteter Anstieg des Kupferbedarfs''<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> == Zukunft ==<br /> <br /> Zur jetzigen Zeit lohnt sich ein normales Auto in der Golfklasse mit einer Fahrleistung von 12.000km pro Jahr sowohl als Plug-In-Hybrid als auch als reines Elektrofahrzeug erst ab 3€/l Benzinpreis. Dies wird durch die noch hohen Kosten für den Akku und den Antrieb (100€/kW, zum Vergleich durchschn. Verbrenner: 50€/kW) verschuldet &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Sollte sich in der Automobilindustrie jedoch ein Motorentyp durchsetzen, so ist davon auszugehen, dass durch die höhere Produktionszahl, als auch durch die weiterentwickelte Technik, der Preis für diese Antriebe deutlich sinken wird.<br /> Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Entwickler die Rohstoffsituation in ihre Konzepte mit integrieren und somit auf Motoren setzen, welche entweder vollkommen unabhängig (Reluktanzmotor) oder nur geringfügig abhängig (Asynchronmaschine) von seltenen Erden sind. Ingenieure haben bereits effiziente Reluktanzmotoren entwickelt, welche gänzliche ohne Dauermagnete auskommen und damit auch ohne seltene Erden. Anstatt der teuren Permanentmagnete werden hier Spulen eingesetzt, welche erst magnetisch werden, wenn Strom durch sie fließt. Somit ist dieser Motor sowohl billiger, als auch energieeffizienter &lt;ref&gt; http://www.zeit.de/auto/2013-02/elektromotor-technik &lt;/ref&gt;. Unausweichlich scheint jedoch ein rasanter Anstieg des Kupferbedarfs zu sein, dessen Bewältigung ebenfalls eine Herausforderung darstellen wird &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;, jedoch nicht ganz so kritisch zu betrachten ist, wie der Anstieg des Bedarfs an seltenen Erden.<br /> Ein weiteres Problem stellt das Einsatzgebiet des Fahrzeugs dar: bei normalen Temperaturen (um 20°C) hat ein Elektroauto ungefähr eine Gesamteffizienz von 40 % (von der Produktion des Stroms bis zum direkten Verbrauch im Fahrzeug). Der Verbrennungsmotor hat eine Effizienz von etwa 25 % (von der Förderung bis zum Verbrauch im Auto). Auf der Autobahn, an einem kalten Tag, ist es genau umgekehrt: der Wirkungsgrad des Elektrofahrzeuges liegt eher bei 30 % und der des Verbrenners bei 40 %. so dass das Elektrofahrzeug auf Langstrecken energetisch derzeit eigentlich keinen Sinn ergibt &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Dies liegt jedoch nicht an den Elektroantrieben sondern am jeweiligen Strommix (vgl. [[Strommix der Zukunft]]) und der Speichertechnologie (vgl. [[Energiespeicher]]).<br /> <br /> <br /> <br /> == Einzelnachweise ==<br /> <br /> &lt;references /&gt;<br /> <br /> <br /> == Weblinks ==<br /> <br /> Funktionsweise eines Asynchronmotors: http://www.youtube.com/watch?v=N8LUOTQKXlk<br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Antriebe_und_Zweitverbraucher&diff=644 2014-01-25T15:27:10Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> <br /> == Elektromotoren: Potential und Problematik ==<br /> <br /> Grundsätzlich lassen sich alle gängigen elektrischen Maschinenarten (vgl. [[Arten von Elektromotoren]]) in Elektrofahrzeugen verbauen. Entscheidend für die Wahl einer bestimmten E-Maschine ist das erwartete Fahrprofil, sowie folgende Kriterien: Kosten, Fertigbarkeit, Wartungsfähigkeit, Recyclebarkeit, Lebensdauer, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Materialauswahl &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. <br /> Fahrdynamisch gesehen haben Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren viele Vorteile. Der größte ist sicherlich das konstante Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich. Während beim Verbrennungsmotor das maximale Drehmoment nur in einem sehr kleinen, meist relativ hohem Drehzahlbereich vorherrscht, setzen Elektromotoren ihr maximales Drehmoment schon von Anfang an um (vgl. Abbildung 1). Dies bedeutet ein besseres Beschleunigungsverhalten und den Wegfall einer Anfahrkupplung, da Elektromotoren aus dem Stillstand beschleunigen können. Insgesamt kann bei einem Stadtfahrzeug komplett auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden, da der Elektromotor den benötigten Drehzahlbereich vollkommen abdeckt. Erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten (&gt;120 km/h) wird eine Übersetzung benötigt. Das dafür benötigte Zwei-Gang-Getriebe kann aber deutlich einfacher und kleiner ausfallen, als die heute üblichen 6-, 7- oder 8-Gang-Getriebe, welche benötigt werden um den Verbrennungsmotor im optimalen Betriebspunkt zu halten &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> Anders als Verbrennungskraftmaschinen können E-Motoren zudem im sogenannten 4-Quadranten-Betrieb arbeiten. Darunter wird verstanden, dass die E-Maschine in beide Drehrichtungen als Antrieb und Bremse betrieben werden kann. Gleichzeitig kann sie im Bremsbetrieb auch als Generator verwendet werden, wodurch die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht wird. Allerdings muss diese Energie dann geeignet gespeichert werden &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;<br /> Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchronmaschinen (vgl. Abbildung 2). Diese Maschinen benötigen allerdings Seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine Seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen . Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen niedrigen Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt; .<br /> <br /> <br /> == Optimales Spannungslevel des elektrischen Bordnetzes ==<br /> <br /> <br /> Die Wahl des Spannungslevels des elektrischen Systems ist ein zentrales Thema bei der Grundauslegung eines E-Fahrzeugs. Wählt man ein niedriges Spannungsniveau von z.B. 60V, so kann einfach sichergestellt werden, dass die Komponenten bei einem Unfall oder unsachgemäßer Handhabung Lebewesen keine schweren Verletzungen zuführen. Allerdings benötigt man dann nach dem Gesetz der Elektrischen Leistung (P = U*I) höhere Ströme, was zu höheren Verlusten in den elektrischen Maschinen und einen höheren Kupferaufwand für das Bordnetz führt. Wählt man jedoch ein höheres Spannungslevel, für welches die meisten Motoren und Halbleiter in der nötigen Leistungsklasse ausgelegt sind, so können die 900 – 1.200V Spannung zu schweren Verletzungen bis hin zum Tode führen. <br /> Die gängige heutige Lösung dieses Problems ist ein DC/DC-Wandler, welcher die von Wechselrichter (wird für Asynchronmaschinen benötigt), Bordnetz und Maschinen geforderte höhere Spannung dynamisch erzeugt. Zwar ist auch dieser mit Verlusten behaftete, jedoch sind diese bei Weitem nicht so hoch wie die Verluste durch hohe Ströme. Beim Abstellen des Fahrzeugs oder im Fehlerfall kann der Zwischenkreis schnell entladen werden, dann ist nur noch die niedrige Batteriespannung im System, welche nahezu ungefährlich ist &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. <br /> <br /> <br /> == Leistungselektronik ==<br /> <br /> <br /> Die Leistungselektronik wird benötigt, da die Antriebe und Zweitverbraucher (Bremskraftverstärker, Lenkhilfe, Heizung, …) eine hohe Leistung und damit eine hohe Spannung benötigen, die allerdings nicht von den Batterien geliefert werden kann. Akkumulatoren können Strom nur in einem geringen Spannungszustand speichern und abgeben, d.h. das sowohl die Energie für den Antrieb, als auch zurückgewonnene Energie durch Rekuperation umgewandelt werden muss. Gleichwohl wird elektrischer Strom als Gleichstrom in den Akkus gespeichert und muss daher beim Einsatz einer Asynchronmaschine als Antrieb zu Wechselstrom umgerichtet werden.<br /> In den letzten Jahren machte man sehr große Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik, wodurch mittlerweile Wirkungsgrade von 90% möglich sind. Eine geringere Wärmeabgabe führt allerdings auch dazu, dass eine zusätzliche fossile Heizung benötigt wird (siehe Kap.4). Die höhere Leistungsdichte der Bauteile und der Betrieb der Teile auf immer kleineren Raum führen allerdings zu einer kritischen elektromagnetischen Verträglichkeit. Vor allem andere elektrische Geräte können durch die hohe EMV-Belastung massiv gestört und beschädigt werden, aber auch die Folgen für den Menschen sind noch nicht gänzlich erforscht &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. Die Folgen von sogenannten Elektrosmog auf den Menschen sind derzeit ein wichtiges Streitthema in der Wissenschaft und sollten daher mit Vorsicht behandelt werden, insbesondere da sich Menschen heutzutage sehr lange in Fahrzeugen aufhalten. <br /> <br /> <br /> == Thermomanagement ==<br /> <br /> Da Elektromotoren einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen (bis zu 90%), produzieren sie nicht mehr genug Abwärme um den Innenraum des Fahrzeugs damit zu beheizen. Aus diesem Grund muss hierfür eine zusätzliche fossile oder elektrische Heizanlage vorgesehen werden. Energetisch gesehen wäre sogar eine fossile Heizanlage vorteilhafter, da elektrische Heizanlagen einen extrem schlechten Wirkungsgrad besitzen und die Reichweite des Fahrzeuges zu stark verringern würden. Für eine fossile Heizung würde man allerdings eine zusätzliche Infrastruktur inklusive Tank benötigen und ein abgeschirmtes Heizaggregat, in welchem das Öl oder das Gas verbrannt wird. Dies wird aus Kosten- und Komplexitätsgründen wahrscheinlich nicht möglich sein. Die Kühlung des Innenraums durch einen Klimakompressor ist hingegen unkritischer wenn auch ebenfalls sehr energieintensiv &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Neben dem Innenraum muss zudem auch die Batterie in einem möglichst engen Temperaturfeld gehalten werden um ihre volle Leistungsfähigkeit zu garantieren. Somit ergibt sich sowohl an besonders heißen, als auch an besonders kalten Tagen eine deutliche Reduzierung der Reichweite, da der Klimakompressor oder die Heizanlage dann einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch des Fahrzeugs aufweisen. So benötigt man z.B. bei einer Außentemperatur von 4°C eine Heizleistung von 3,6 kW um einen mittelgroßen PKW auf 20°C zu heizen. Um eine gefühlte Temperatur von 20°C zu erreichen muss auf Grund der kalten Teile im Fahrzeug sogar mit einer deutlich höheren Temperatur gerechnet werden. Bei einem Standartheizsystem mit elektrischer Direktheizung würde dies bei der heutigen Technik eine Reduzierung der Reichweite um 25-30% nach sich ziehen. Berücksichtigt man Wärmeverluste durch den Lufttransport in den Kanälen und den Energieverbrauch durch die Lüftung, so ist eine Reduzierung der Reichweite von 40% anzunehmen. Bedenkt man nun, dass die Batterie bei 4°C entweder auch geheizt werden muss, oder deutlich weniger Speicherkapazität aufweisen kann, so sinkt die Reichweite des Fahrzeugs schnell unter 50%. Mögliche Gegenmaßnahmen zu dieser Problematik sind besser Dämmung der Fahrzeugkabine und aktive Wärmerückgewinnung &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> == Ressourcenbedarf ==<br /> <br /> Als Rohstoffe für die Produktion eines Elektromotors wird neben Eisen insbesondere Kupfer benötigt. Bei den permanenterregten Varianten der Synchron- und Gleichstrommaschinen wird zusätzlich noch Neodym als permanentmagnetischer Werkstoff benötigt. Neodym gehört den seltenen Erden an und wird für den Bau leistungsfähiger Magnete benötigt. Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchdonmaschinen. Diese Maschinen benötigen wie schon beschrieben seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen geringfügigeren Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen &lt;ref&gt; Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität (http://www.oeko.de/oekodoc/1334/2011-449-de.pdf &lt;/ref&gt;. Der Bedarf an seltenen Erden, insbesondere an Neodym, würde bei einer Umrüstung des Individualverkehrs auf Elektromobilität auf Grund des steigenden Produktionsaufkommens von permanenterregten Elektromotoren extrem anwachsen. Geht man von einer Wachstumsrate des Elektrofahrzeugmarktes von 26% pro Jahr aus und von einer verbauten Masse von 1kg Neodym (heutzutage üblich) pro Elektroauto, so würde der Anteil des für Elektromotoren benötigten Neodyms an der weltweiten Förderung von derzeit 4,11% auf 1452% im Jahr 2030 steigen (vgl. Abbildung 1). Um also alleine die permanenterregten Elektromotoren für Elektroautos herzustellen, würde man bis 2030 die Abbaumenge von Neodym um das 15 fache der heutigen Abbaumenge steigern müssen. <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Neodym.jpg]]<br /> ''Abbildung 1: Erwarteter Anstieg des Neodym Bedarfs''<br /> <br /> <br /> Der Kupferbedarf wird unabhängig vom dominanten Motorentyp wachsen, da alle Elektromotoren und deren Leistungselektronik Kupfer benötigen. Geht man wiederum von einer jährlichen Wachstumsrate der Elektromobilität von 26% aus und einer verbauten Kupfermenge von 30kg pro Fahrzeug, so würde der Anteil der Elektromotoren an der weltweiten Kupferproduktion von derzeit 0,06% bis in Jahr 2030 auf 21,13% steigen (vgl. Abbildung 2) &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Kupfer.jpg]]<br /> ''Abbildung 2: Erwarteter Anstieg des Kupferbedarfs''<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> == Zukunft ==<br /> <br /> Zur jetzigen Zeit lohnt sich ein normales Auto in der Golfklasse mit einer Fahrleistung von 12.000km pro Jahr sowohl als Plug-In-Hybrid als auch als reines Elektrofahrzeug erst ab 3€/l Benzinpreis. Dies wird durch die noch hohen Kosten für den Akku und den Antrieb (100€/kW, zum Vergleich durchschn. Verbrenner: 50€/kW) verschuldet &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Sollte sich in der Automobilindustrie jedoch ein Motorentyp durchsetzen, so ist davon auszugehen, dass durch die höhere Produktionszahl, als auch durch die weiterentwickelte Technik, der Preis für diese Antriebe deutlich sinken wird.<br /> Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Entwickler die Rohstoffsituation in ihre Konzepte mit integrieren und somit auf Motoren setzen, welche entweder vollkommen unabhängig (Reluktanzmotor) oder nur geringfügig abhängig (Asynchronmaschine) von seltenen Erden sind. Ingenieure haben bereits effiziente Reluktanzmotoren entwickelt, welche gänzliche ohne Dauermagnete auskommen und damit auch ohne seltene Erden. Anstatt der teuren Permanentmagnete werden hier Spulen eingesetzt, welche erst magnetisch werden, wenn Strom durch sie fließt. Somit ist dieser Motor sowohl billiger, als auch energieeffizienter &lt;ref&gt; http://www.zeit.de/auto/2013-02/elektromotor-technik &lt;/ref&gt;. Unausweichlich scheint jedoch ein rasanter Anstieg des Kupferbedarfs zu sein, dessen Bewältigung ebenfalls eine Herausforderung darstellen wird &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;, jedoch nicht ganz so kritisch zu betrachten ist, wie der Anstieg des Bedarfs an seltenen Erden.<br /> Ein weiteres Problem stellt das Einsatzgebiet des Fahrzeugs dar: bei normalen Temperaturen (um 20°C) hat ein Elektroauto ungefähr eine Gesamteffizienz von 40 % (von der Produktion des Stroms bis zum direkten Verbrauch im Fahrzeug). Der Verbrennungsmotor hat eine Effizienz von etwa 25 % (von der Förderung bis zum Verbrauch im Auto). Auf der Autobahn, an einem kalten Tag, ist es genau umgekehrt: der Wirkungsgrad des Elektrofahrzeuges liegt eher bei 30 % und der des Verbrenners bei 40 %. so dass das Elektrofahrzeug auf Langstrecken energetisch derzeit eigentlich keinen Sinn ergibt &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Dies liegt jedoch nicht an den Elektroantrieben sondern am jeweiligen Strommix (vgl. [[Energiemix]]) und der Speichertechnologie (vgl. [[Energiespeicher]]).<br /> <br /> <br /> <br /> == Einzelnachweise ==<br /> <br /> &lt;references /&gt;<br /> <br /> <br /> == Weblinks ==<br /> <br /> Funktionsweise eines Asynchronmotors: http://www.youtube.com/watch?v=N8LUOTQKXlk<br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Antriebe_und_Zweitverbraucher&diff=643 2014-01-25T15:25:33Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> <br /> == Elektromotoren: Potential und Problematik ==<br /> <br /> Grundsätzlich lassen sich alle gängigen elektrischen Maschinenarten (vgl. [[Arten von Elektromotoren]]) in Elektrofahrzeugen verbauen. Entscheidend für die Wahl einer bestimmten E-Maschine ist das erwartete Fahrprofil, sowie folgende Kriterien: Kosten, Fertigbarkeit, Wartungsfähigkeit, Recyclebarkeit, Lebensdauer, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Materialauswahl &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. <br /> Fahrdynamisch gesehen haben Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren viele Vorteile. Der größte ist sicherlich das konstante Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich. Während beim Verbrennungsmotor das maximale Drehmoment nur in einem sehr kleinen, meist relativ hohem Drehzahlbereich vorherrscht, setzen Elektromotoren ihr maximales Drehmoment schon von Anfang an um (vgl. Abbildung 1). Dies bedeutet ein besseres Beschleunigungsverhalten und den Wegfall einer Anfahrkupplung, da Elektromotoren aus dem Stillstand beschleunigen können. Insgesamt kann bei einem Stadtfahrzeug komplett auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden, da der Elektromotor den benötigten Drehzahlbereich vollkommen abdeckt. Erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten (&gt;120 km/h) wird eine Übersetzung benötigt. Das dafür benötigte Zwei-Gang-Getriebe kann aber deutlich einfacher und kleiner ausfallen, als die heute üblichen 6-, 7- oder 8-Gang-Getriebe, welche benötigt werden um den Verbrennungsmotor im optimalen Betriebspunkt zu halten &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> Anders als Verbrennungskraftmaschinen können E-Motoren zudem im sogenannten 4-Quadranten-Betrieb arbeiten. Darunter wird verstanden, dass die E-Maschine in beide Drehrichtungen als Antrieb und Bremse betrieben werden kann. Gleichzeitig kann sie im Bremsbetrieb auch als Generator verwendet werden, wodurch die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht wird. Allerdings muss diese Energie dann geeignet gespeichert werden &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;<br /> Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchronmaschinen (vgl. Abbildung 2). Diese Maschinen benötigen allerdings Seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine Seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen . Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen niedrigen Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt; .<br /> <br /> <br /> == Optimales Spannungslevel des elektrischen Bordnetzes ==<br /> <br /> <br /> Die Wahl des Spannungslevels des elektrischen Systems ist ein zentrales Thema bei der Grundauslegung eines E-Fahrzeugs. Wählt man ein niedriges Spannungsniveau von z.B. 60V, so kann einfach sichergestellt werden, dass die Komponenten bei einem Unfall oder unsachgemäßer Handhabung Lebewesen keine schweren Verletzungen zuführen. Allerdings benötigt man dann nach dem Gesetz der Elektrischen Leistung (P = U*I) höhere Ströme, was zu höheren Verlusten in den elektrischen Maschinen und einen höheren Kupferaufwand für das Bordnetz führt. Wählt man jedoch ein höheres Spannungslevel, für welches die meisten Motoren und Halbleiter in der nötigen Leistungsklasse ausgelegt sind, so können die 900 – 1.200V Spannung zu schweren Verletzungen bis hin zum Tode führen. <br /> Die gängige heutige Lösung dieses Problems ist ein DC/DC-Wandler, welcher die von Wechselrichter (wird für Asynchronmaschinen benötigt), Bordnetz und Maschinen geforderte höhere Spannung dynamisch erzeugt. Zwar ist auch dieser mit Verlusten behaftete, jedoch sind diese bei Weitem nicht so hoch wie die Verluste durch hohe Ströme. Beim Abstellen des Fahrzeugs oder im Fehlerfall kann der Zwischenkreis schnell entladen werden, dann ist nur noch die niedrige Batteriespannung im System, welche nahezu ungefährlich ist &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. <br /> <br /> <br /> == Leistungselektronik ==<br /> <br /> <br /> Die Leistungselektronik wird benötigt, da die Antriebe und Zweitverbraucher (Bremskraftverstärker, Lenkhilfe, Heizung, …) eine hohe Leistung und damit eine hohe Spannung benötigen, die allerdings nicht von den Batterien geliefert werden kann. Akkumulatoren können Strom nur in einem geringen Spannungszustand speichern und abgeben, d.h. das sowohl die Energie für den Antrieb, als auch zurückgewonnene Energie durch Rekuperation umgewandelt werden muss. Gleichwohl wird elektrischer Strom als Gleichstrom in den Akkus gespeichert und muss daher beim Einsatz einer Asynchronmaschine als Antrieb zu Wechselstrom umgerichtet werden.<br /> In den letzten Jahren machte man sehr große Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik, wodurch mittlerweile Wirkungsgrade von 90% möglich sind. Eine geringere Wärmeabgabe führt allerdings auch dazu, dass eine zusätzliche fossile Heizung benötigt wird (siehe Kap.4). Die höhere Leistungsdichte der Bauteile und der Betrieb der Teile auf immer kleineren Raum führen allerdings zu einer kritischen elektromagnetischen Verträglichkeit. Vor allem andere elektrische Geräte können durch die hohe EMV-Belastung massiv gestört und beschädigt werden, aber auch die Folgen für den Menschen sind noch nicht gänzlich erforscht &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. Die Folgen von sogenannten Elektrosmog auf den Menschen sind derzeit ein wichtiges Streitthema in der Wissenschaft und sollten daher mit Vorsicht behandelt werden, insbesondere da sich Menschen heutzutage sehr lange in Fahrzeugen aufhalten. <br /> <br /> <br /> == Thermomanagement ==<br /> <br /> Da Elektromotoren einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen (bis zu 90%), produzieren sie nicht mehr genug Abwärme um den Innenraum des Fahrzeugs damit zu beheizen. Aus diesem Grund muss hierfür eine zusätzliche fossile oder elektrische Heizanlage vorgesehen werden. Energetisch gesehen wäre sogar eine fossile Heizanlage vorteilhafter, da elektrische Heizanlagen einen extrem schlechten Wirkungsgrad besitzen und die Reichweite des Fahrzeuges zu stark verringern würden. Für eine fossile Heizung würde man allerdings eine zusätzliche Infrastruktur inklusive Tank benötigen und ein abgeschirmtes Heizaggregat, in welchem das Öl oder das Gas verbrannt wird. Dies wird aus Kosten- und Komplexitätsgründen wahrscheinlich nicht möglich sein. Die Kühlung des Innenraums durch einen Klimakompressor ist hingegen unkritischer wenn auch ebenfalls sehr energieintensiv &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Neben dem Innenraum muss zudem auch die Batterie in einem möglichst engen Temperaturfeld gehalten werden um ihre volle Leistungsfähigkeit zu garantieren. Somit ergibt sich sowohl an besonders heißen, als auch an besonders kalten Tagen eine deutliche Reduzierung der Reichweite, da der Klimakompressor oder die Heizanlage dann einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch des Fahrzeugs aufweisen. So benötigt man z.B. bei einer Außentemperatur von 4°C eine Heizleistung von 3,6 kW um einen mittelgroßen PKW auf 20°C zu heizen. Um eine gefühlte Temperatur von 20°C zu erreichen muss auf Grund der kalten Teile im Fahrzeug sogar mit einer deutlich höheren Temperatur gerechnet werden. Bei einem Standartheizsystem mit elektrischer Direktheizung würde dies bei der heutigen Technik eine Reduzierung der Reichweite um 25-30% nach sich ziehen. Berücksichtigt man Wärmeverluste durch den Lufttransport in den Kanälen und den Energieverbrauch durch die Lüftung, so ist eine Reduzierung der Reichweite von 40% anzunehmen. Bedenkt man nun, dass die Batterie bei 4°C entweder auch geheizt werden muss, oder deutlich weniger Speicherkapazität aufweisen kann, so sinkt die Reichweite des Fahrzeugs schnell unter 50%. Mögliche Gegenmaßnahmen zu dieser Problematik sind besser Dämmung der Fahrzeugkabine und aktive Wärmerückgewinnung &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> == Ressourcenbedarf ==<br /> <br /> Als Rohstoffe für die Produktion eines Elektromotors wird neben Eisen insbesondere Kupfer benötigt. Bei den permanenterregten Varianten der Synchron- und Gleichstrommaschinen wird zusätzlich noch Neodym als permanentmagnetischer Werkstoff benötigt. Neodym gehört den seltenen Erden an und wird für den Bau leistungsfähiger Magnete benötigt. Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchdonmaschinen. Diese Maschinen benötigen wie schon beschrieben seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen geringfügigeren Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen &lt;ref&gt; Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität (http://www.oeko.de/oekodoc/1334/2011-449-de.pdf &lt;/ref&gt;. Der Bedarf an seltenen Erden, insbesondere an Neodym, würde bei einer Umrüstung des Individualverkehrs auf Elektromobilität auf Grund des steigenden Produktionsaufkommens von permanenterregten Elektromotoren extrem anwachsen. Geht man von einer Wachstumsrate des Elektrofahrzeugmarktes von 26% pro Jahr aus und von einer verbauten Masse von 1kg Neodym (heutzutage üblich) pro Elektroauto, so würde der Anteil des für Elektromotoren benötigten Neodyms an der weltweiten Förderung von derzeit 4,11% auf 1452% im Jahr 2030 steigen (vgl. Abbildung 1). Um also alleine die permanenterregten Elektromotoren für Elektroautos herzustellen, würde man bis 2030 die Abbaumenge von Neodym um das 15 fache der heutigen Abbaumenge steigern müssen. <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Neodym.jpg]]<br /> ''Abbildung 1: Erwarteter Anstieg des Neodym Bedarfs''<br /> <br /> <br /> Der Kupferbedarf wird unabhängig vom dominanten Motorentyp wachsen, da alle Elektromotoren und deren Leistungselektronik Kupfer benötigen. Geht man wiederum von einer jährlichen Wachstumsrate der Elektromobilität von 26% aus und einer verbauten Kupfermenge von 30kg pro Fahrzeug, so würde der Anteil der Elektromotoren an der weltweiten Kupferproduktion von derzeit 0,06% bis in Jahr 2030 auf 21,13% steigen (vgl. Abbildung 2) &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Kupfer.jpg]]<br /> ''Abbildung 2: Erwarteter Anstieg des Kupferbedarfs''<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> == Zukunft ==<br /> <br /> Zur jetzigen Zeit lohnt sich ein normales Auto in der Golfklasse mit einer Fahrleistung von 12.000km pro Jahr sowohl als Plug-In-Hybrid als auch als reines Elektrofahrzeug erst ab 3€/l Benzinpreis. Dies wird durch die noch hohen Kosten für den Akku und den Antrieb (100€/kW, zum Vergleich durchschn. Verbrenner: 50€/kW) verschuldet &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Sollte sich in der Automobilindustrie jedoch ein Motorentyp durchsetzen, so ist davon auszugehen, dass durch die höhere Produktionszahl, als auch durch die weiterentwickelte Technik, der Preis für diese Antriebe deutlich sinken wird.<br /> Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Entwickler die Rohstoffsituation in ihre Konzepte mit integrieren und somit auf Motoren setzen, welche entweder vollkommen unabhängig (Reluktanzmotor) oder nur geringfügig abhängig (Asynchronmaschine) von seltenen Erden sind. Ingenieure haben bereits effiziente Reluktanzmotoren entwickelt, welche gänzliche ohne Dauermagnete auskommen und damit auch ohne seltene Erden. Anstatt der teuren Permanentmagnete werden hier Spulen eingesetzt, welche erst magnetisch werden, wenn Strom durch sie fließt. Somit ist dieser Motor sowohl billiger, als auch energieeffizienter &lt;ref&gt; http://www.zeit.de/auto/2013-02/elektromotor-technik &lt;/ref&gt;. Unausweichlich scheint jedoch ein rasanter Anstieg des Kupferbedarfs zu sein, dessen Bewältigung ebenfalls eine Herausforderung darstellen wird &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;, jedoch nicht ganz so kritisch zu betrachten ist, wie der Anstieg des Bedarfs an seltenen Erden.<br /> Ein weiteres Problem stellt das Einsatzgebiet des Fahrzeugs dar: bei normalen Temperaturen (um 20°C) hat ein Elektroauto ungefähr eine Gesamteffizienz von 40 % (von der Produktion des Stroms bis zum direkten Verbrauch im Fahrzeug). Der Verbrennungsmotor hat eine Effizienz von etwa 25 % (von der Förderung bis zum Verbrauch im Auto). Auf der Autobahn, an einem kalten Tag, ist es genau umgekehrt: der Wirkungsgrad des Elektrofahrzeuges liegt eher bei 30 % und der des Verbrenners bei 40 %. so dass das Elektrofahrzeug auf Langstrecken energetisch derzeit eigentlich keinen Sinn ergibt &lt;ref&gt; M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012 &lt;/ref&gt;. Dies liegt jedoch nicht an den Elektroantrieben sondern am jeweiligen Strommix (Verknüpfung) und der Speichertechnologie (Verknüpfung)<br /> <br /> <br /> <br /> == Einzelnachweise ==<br /> <br /> &lt;references /&gt;<br /> <br /> [1] A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013<br /> <br /> [2] M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012<br /> <br /> [3] H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011<br /> <br /> [4] R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010<br /> <br /> [5] J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 <br /> <br /> [6] Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität (http://www.oeko.de/oekodoc/1334/2011-449-de.pdf<br /> <br /> [7] http://www.zeit.de/auto/2013-02/elektromotor-technik<br /> <br /> <br /> == Weblinks ==<br /> <br /> Funktionsweise eines Asynchronmotors: http://www.youtube.com/watch?v=N8LUOTQKXlk<br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Antriebe_und_Zweitverbraucher&diff=642 2014-01-25T15:17:00Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> <br /> == Elektromotoren: Potential und Problematik ==<br /> <br /> Grundsätzlich lassen sich alle gängigen elektrischen Maschinenarten (vgl. [[Arten von Elektromotoren]]) in Elektrofahrzeugen verbauen. Entscheidend für die Wahl einer bestimmten E-Maschine ist das erwartete Fahrprofil, sowie folgende Kriterien: Kosten, Fertigbarkeit, Wartungsfähigkeit, Recyclebarkeit, Lebensdauer, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Materialauswahl &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. <br /> Fahrdynamisch gesehen haben Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren viele Vorteile. Der größte ist sicherlich das konstante Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich. Während beim Verbrennungsmotor das maximale Drehmoment nur in einem sehr kleinen, meist relativ hohem Drehzahlbereich vorherrscht, setzen Elektromotoren ihr maximales Drehmoment schon von Anfang an um (vgl. Abbildung 1). Dies bedeutet ein besseres Beschleunigungsverhalten und den Wegfall einer Anfahrkupplung, da Elektromotoren aus dem Stillstand beschleunigen können. Insgesamt kann bei einem Stadtfahrzeug komplett auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden, da der Elektromotor den benötigten Drehzahlbereich vollkommen abdeckt. Erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten (&gt;120 km/h) wird eine Übersetzung benötigt. Das dafür benötigte Zwei-Gang-Getriebe kann aber deutlich einfacher und kleiner ausfallen, als die heute üblichen 6-, 7- oder 8-Gang-Getriebe, welche benötigt werden um den Verbrennungsmotor im optimalen Betriebspunkt zu halten &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> Anders als Verbrennungskraftmaschinen können E-Motoren zudem im sogenannten 4-Quadranten-Betrieb arbeiten. Darunter wird verstanden, dass die E-Maschine in beide Drehrichtungen als Antrieb und Bremse betrieben werden kann. Gleichzeitig kann sie im Bremsbetrieb auch als Generator verwendet werden, wodurch die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht wird. Allerdings muss diese Energie dann geeignet gespeichert werden &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;<br /> Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchronmaschinen (vgl. Abbildung 2). Diese Maschinen benötigen allerdings Seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine Seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen . Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen niedrigen Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt; .<br /> <br /> <br /> == Optimales Spannungslevel des elektrischen Bordnetzes ==<br /> <br /> <br /> Die Wahl des Spannungslevels des elektrischen Systems ist ein zentrales Thema bei der Grundauslegung eines E-Fahrzeugs. Wählt man ein niedriges Spannungsniveau von z.B. 60V, so kann einfach sichergestellt werden, dass die Komponenten bei einem Unfall oder unsachgemäßer Handhabung Lebewesen keine schweren Verletzungen zuführen. Allerdings benötigt man dann nach dem Gesetz der Elektrischen Leistung (P = U*I) höhere Ströme, was zu höheren Verlusten in den elektrischen Maschinen und einen höheren Kupferaufwand für das Bordnetz führt. Wählt man jedoch ein höheres Spannungslevel, für welches die meisten Motoren und Halbleiter in der nötigen Leistungsklasse ausgelegt sind, so können die 900 – 1.200V Spannung zu schweren Verletzungen bis hin zum Tode führen. <br /> Die gängige heutige Lösung dieses Problems ist ein DC/DC-Wandler, welcher die von Wechselrichter (wird für Asynchronmaschinen benötigt), Bordnetz und Maschinen geforderte höhere Spannung dynamisch erzeugt. Zwar ist auch dieser mit Verlusten behaftete, jedoch sind diese bei Weitem nicht so hoch wie die Verluste durch hohe Ströme. Beim Abstellen des Fahrzeugs oder im Fehlerfall kann der Zwischenkreis schnell entladen werden, dann ist nur noch die niedrige Batteriespannung im System, welche nahezu ungefährlich ist [1]. <br /> <br /> <br /> == Leistungselektronik ==<br /> <br /> <br /> Die Leistungselektronik wird benötigt, da die Antriebe und Zweitverbraucher (Bremskraftverstärker, Lenkhilfe, Heizung, …) eine hohe Leistung und damit eine hohe Spannung benötigen, die allerdings nicht von den Batterien geliefert werden kann. Akkumulatoren können Strom nur in einem geringen Spannungszustand speichern und abgeben, d.h. das sowohl die Energie für den Antrieb, als auch zurückgewonnene Energie durch Rekuperation umgewandelt werden muss. Gleichwohl wird elektrischer Strom als Gleichstrom in den Akkus gespeichert und muss daher beim Einsatz einer Asynchronmaschine als Antrieb zu Wechselstrom umgerichtet werden.<br /> In den letzten Jahren machte man sehr große Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik, wodurch mittlerweile Wirkungsgrade von 90% möglich sind. Eine geringere Wärmeabgabe führt allerdings auch dazu, dass eine zusätzliche fossile Heizung benötigt wird (siehe Kap.4). Die höhere Leistungsdichte der Bauteile und der Betrieb der Teile auf immer kleineren Raum führen allerdings zu einer kritischen elektromagnetischen Verträglichkeit. Vor allem andere elektrische Geräte können durch die hohe EMV-Belastung massiv gestört und beschädigt werden, aber auch die Folgen für den Menschen sind noch nicht gänzlich erforscht [1]. Die Folgen von sogenannten Elektrosmog auf den Menschen sind derzeit ein wichtiges Streitthema in der Wissenschaft und sollten daher mit Vorsicht behandelt werden, insbesondere da sich Menschen heutzutage sehr lange in Fahrzeugen aufhalten. <br /> <br /> <br /> == Thermomanagement ==<br /> <br /> Da Elektromotoren einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen (bis zu 90%), produzieren sie nicht mehr genug Abwärme um den Innenraum des Fahrzeugs damit zu beheizen. Aus diesem Grund muss hierfür eine zusätzliche fossile oder elektrische Heizanlage vorgesehen werden. Energetisch gesehen wäre sogar eine fossile Heizanlage vorteilhafter, da elektrische Heizanlagen einen extrem schlechten Wirkungsgrad besitzen und die Reichweite des Fahrzeuges zu stark verringern würden. Für eine fossile Heizung würde man allerdings eine zusätzliche Infrastruktur inklusive Tank benötigen und ein abgeschirmtes Heizaggregat, in welchem das Öl oder das Gas verbrannt wird. Dies wird aus Kosten- und Komplexitätsgründen wahrscheinlich nicht möglich sein. Die Kühlung des Innenraums durch einen Klimakompressor ist hingegen unkritischer wenn auch ebenfalls sehr energieintensiv [2]. Neben dem Innenraum muss zudem auch die Batterie in einem möglichst engen Temperaturfeld gehalten werden um ihre volle Leistungsfähigkeit zu garantieren. Somit ergibt sich sowohl an besonders heißen, als auch an besonders kalten Tagen eine deutliche Reduzierung der Reichweite, da der Klimakompressor oder die Heizanlage dann einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch des Fahrzeugs aufweisen. So benötigt man z.B. bei einer Außentemperatur von 4°C eine Heizleistung von 3,6 kW um einen mittelgroßen PKW auf 20°C zu heizen. Um eine gefühlte Temperatur von 20°C zu erreichen muss auf Grund der kalten Teile im Fahrzeug sogar mit einer deutlich höheren Temperatur gerechnet werden. Bei einem Standartheizsystem mit elektrischer Direktheizung würde dies bei der heutigen Technik eine Reduzierung der Reichweite um 25-30% nach sich ziehen. Berücksichtigt man Wärmeverluste durch den Lufttransport in den Kanälen und den Energieverbrauch durch die Lüftung, so ist eine Reduzierung der Reichweite von 40% anzunehmen. Bedenkt man nun, dass die Batterie bei 4°C entweder auch geheizt werden muss, oder deutlich weniger Speicherkapazität aufweisen kann, so sinkt die Reichweite des Fahrzeugs schnell unter 50%. Mögliche Gegenmaßnahmen zu dieser Problematik sind besser Dämmung der Fahrzeugkabine und aktive Wärmerückgewinnung [1].<br /> <br /> <br /> == Ressourcenbedarf ==<br /> <br /> Als Rohstoffe für die Produktion eines Elektromotors wird neben Eisen insbesondere Kupfer benötigt. Bei den permanenterregten Varianten der Synchron- und Gleichstrommaschinen wird zusätzlich noch Neodym als permanentmagnetischer Werkstoff benötigt. Neodym gehört den seltenen Erden an und wird für den Bau leistungsfähiger Magnete benötigt. Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchdonmaschinen. Diese Maschinen benötigen wie schon beschrieben seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen [2]. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen geringfügigeren Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen [6]. Der Bedarf an seltenen Erden, insbesondere an Neodym, würde bei einer Umrüstung des Individualverkehrs auf Elektromobilität auf Grund des steigenden Produktionsaufkommens von permanenterregten Elektromotoren extrem anwachsen. Geht man von einer Wachstumsrate des Elektrofahrzeugmarktes von 26% pro Jahr aus und von einer verbauten Masse von 1kg Neodym (heutzutage üblich) pro Elektroauto, so würde der Anteil des für Elektromotoren benötigten Neodyms an der weltweiten Förderung von derzeit 4,11% auf 1452% im Jahr 2030 steigen (vgl. Abbildung 8). Um also alleine die permanenterregten Elektromotoren für Elektroautos herzustellen, würde man bis 2030 die Abbaumenge von Neodym um das 15 fache der heutigen Abbaumenge steigern müssen. <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Neodym.jpg]]<br /> ''Abbildung 1: Erwarteter Anstieg des Neodym Bedarfs''<br /> <br /> <br /> Der Kupferbedarf wird unabhängig vom dominanten Motorentyp wachsen, da alle Elektromotoren und deren Leistungselektronik Kupfer benötigen. Geht man wiederum von einer jährlichen Wachstumsrate der Elektromobilität von 26% aus und einer verbauten Kupfermenge von 30kg pro Fahrzeug, so würde der Anteil der Elektromotoren an der weltweiten Kupferproduktion von derzeit 0,06% bis in Jahr 2030 auf 21,13% steigen (vgl. Abbildung 9)<br /> <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Kupfer.jpg]]<br /> ''Abbildung 2: Erwarteter Anstieg des Kupferbedarfs''<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> == Zukunft ==<br /> <br /> Zur jetzigen Zeit lohnt sich ein normales Auto in der Golfklasse mit einer Fahrleistung von 12.000km pro Jahr sowohl als Plug-In-Hybrid als auch als reines Elektrofahrzeug erst ab 3€/l Benzinpreis. Dies wird durch die noch hohen Kosten für den Akku und den Antrieb (100€/kW, zum Vergleich durchschn. Verbrenner: 50€/kW) verschuldet [2]. Sollte sich in der Automobilindustrie jedoch ein Motorentyp durchsetzen, so ist davon auszugehen, dass durch die höhere Produktionszahl, als auch durch die weiterentwickelte Technik, der Preis für diese Antriebe deutlich sinken wird.<br /> Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Entwickler die Rohstoffsituation in ihre Konzepte mit integrieren und somit auf Motoren setzen, welche entweder vollkommen unabhängig (Reluktanzmotor) oder nur geringfügig abhängig (Asynchronmaschine) von seltenen Erden sind. Ingenieure haben bereits effiziente Reluktanzmotoren entwickelt, welche gänzliche ohne Dauermagnete auskommen und damit auch ohne seltene Erden. Anstatt der teuren Permanentmagnete werden hier Spulen eingesetzt, welche erst magnetisch werden, wenn Strom durch sie fließt. Somit ist dieser Motor sowohl billiger, als auch energieeffizienter [7]. Unausweichlich scheint jedoch ein rasanter Anstieg des Kupferbedarfs zu sein, dessen Bewältigung ebenfalls eine Herausforderung darstellen wird [3], jedoch nicht ganz so kritisch zu betrachten ist, wie der Anstieg des Bedarfs an seltenen Erden.<br /> Ein weiteres Problem stellt das Einsatzgebiet des Fahrzeugs dar: bei normalen Temperaturen (um 20°C) hat ein Elektroauto ungefähr eine Gesamteffizienz von 40 % (von der Produktion des Stroms bis zum direkten Verbrauch im Fahrzeug). Der Verbrennungsmotor hat eine Effizienz von etwa 25 % (von der Förderung bis zum Verbrauch im Auto). Auf der Autobahn, an einem kalten Tag, ist es genau umgekehrt: der Wirkungsgrad des Elektrofahrzeuges liegt eher bei 30 % und der des Verbrenners bei 40 %. so dass das Elektrofahrzeug auf Langstrecken energetisch derzeit eigentlich keinen Sinn ergibt [2]. Dies liegt jedoch nicht an den Elektroantrieben sondern am jeweiligen Strommix (Verknüpfung) und der Speichertechnologie (Verknüpfung)<br /> <br /> <br /> <br /> == Einzelnachweise ==<br /> <br /> &lt;references /&gt;<br /> <br /> [1] A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013<br /> <br /> [2] M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012<br /> <br /> [3] H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011<br /> <br /> [4] R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010<br /> <br /> [5] J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 <br /> <br /> [6] Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität (http://www.oeko.de/oekodoc/1334/2011-449-de.pdf<br /> <br /> [7] http://www.zeit.de/auto/2013-02/elektromotor-technik<br /> <br /> <br /> == Weblinks ==<br /> <br /> Funktionsweise eines Asynchronmotors: http://www.youtube.com/watch?v=N8LUOTQKXlk<br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Arten_von_Elektromotoren&diff=641 2014-01-23T19:01:42Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> [[Category: Arten von Elektromotoren]]<br /> <br /> <br /> == Gleichstrommotoren ==<br /> <br /> Die am einfachsten zu beschreibende Funktionsweise von Elektromotoren ist diejenige der Gleichstrommotoren. Ein Rotor, auch als Anker bezeichnet, ist von einer Spule umwickelt, um die sich bei Anschluss einer Gleichstromquelle ein magnetisches Feld ausbildet. Der Rotor ist von einem Permanentmagneten umgeben, der dauerhaft ein magnetisches Feld erzeugt und auch als Stator bezeichnet wird. Die Drehung des Rotors in dem magnetischen Feld lässt sich durch das physikalische Gesetz erklären, dass sich gegennamige Ladungen anziehen, während sich gleichnamige Ladungen abstoßen. Wie in Abbildung 1 dargestellt ist, wird der Gleichstrom über sogenannte Bürsten in die Spule geleitet. Je nach Stellung bzw. Position des Rotors sind die beiden Seiten des Rotors unterschiedlich gepolt. Aufgrund der Anziehung gegensätzlicher Pole dreht sich der Rotor in Stellung 1 gegen den Uhrzeigersinn, so dass die Bürsten kurzzeitig über einen Bereich laufen, über den kein Strom in die Spule geleitet werden kann. Über den Kommutator erfolgt eine Ladungsumkehr, so dass die beiden Seiten des Rotors nun über den jeweils anderen Pol der Batterie mit Strom versorgt werden, wodurch sich das von der Spule erzeugte Magnetfeld umkehrt und sich der Rotor erneut im Magnetfeld des Permanentmagneten ausrichtet. Die Drehung wird also dadurch erzeugt, dass sich ein wechselndes Magnetfeld in einem konstanten Magnetfeld ausrichtet. Auf diese Wechselwirkung beruhen die Funktionsweisen aller Elektromotoren. [4]<br /> <br /> <br /> [[Datei:Funktionsweise_Gelichstrommotor.jpg]]<br /> Abbildung 1: Funktionsweise eines Gleichstrommotors<br /> <br /> <br /> Gleichstrommaschinen haben heute in der Elektromobilität nahezu keinen Einsatz mehr, zumindest nicht als Primärantrieb [1]. Grund hierfür ist vor allem die schlechte Wärmeabfuhr, da die gesamte Wärme im rotierenden Rotor entsteht und daher nur schwer abgeführt werden kann. In den darauffolgend beschriebenen Motoren entsteht der Wärmeverlust vor Allem im stillstehenden Stator, welcher einfach und günstig durch Luft oder Kühlmittel gekühlt werden kann [5].<br /> <br /> <br /> == Asynchronmaschine ==<br /> <br /> Für den Betrieb der Asynchronmaschine wird ein Dreiphasenwechselstrom benötigt. Dieser auch als Drehstrom bezeichnete Strom setzt sich aus drei Phasen zusammen, die jeweils um 120° zueinander verschoben sind. Die Spannung der einzelnen Phasen verläuft wie beim Wechselstrom sinusförmig. Da die im Kraftfahrzeug mitgeführten Stromquellen ausschließlich Gleichstrom zur Verfügung stellen können, muss der Drehstrom erst über eine entsprechende Leistungselektronik erzeugt werden. Die folgende Abbildung 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Asynchronmaschine.<br /> <br /> [[Datei:Aufbau_Asynchronmaschine.jpg]]<br /> Abbildung 2: Aufbau einer Asynchronmaschine<br /> <br /> Im Ständer einer Asynchronmaschine werden um 120° versetzte Wicklungen eingelassen, die über jeweils eine Phase des Drehstroms versorgt werden. Im Umfang des Läufers befinden sich kurzgeschlossene Wicklungen. Das über die Ständerwicklungen erzeugte, umlaufende Magnetfeld induziert in den Läuferwicklungen eine Spannung, woraus sich innerhalb der Läuferwicklungen ein Stromfluss ergibt. Die nun stromdurchflossenen Leiter im Läufer erfahren durch das magnetische Drehfeld eine Kraft, die den Läufer in Richtung des Drehfeldes in Bewegung versetzt. Zur Änderung der Drehrichtung des Motors muss die Umlaufrichtung des Ständermagnetfeldes angepasst werden. Aufgrund der fehlenden Kommutierung sind im Vergleich zum Gleichstrommotor deutlich höhere Drehzahlen realisierbar, so können Asynchronmotoren mit Drehzahlen bis zu 14.000 min–1 betrieben werden. <br /> Der Name des Asynchronmotors ist darauf zurückzuführen, dass die erreichte Umfangsgeschwindigkeit des Läufers niemals die vom Drehstrom erzeugte Umfangsgeschwindigkeit des Magnetfelds erreichen kann, sondern aufgrund von Schlupf immer kleiner ist. Besteht keine Relativgeschwindigkeit mehr zwischen Läufer und Drehfeld, wird in den kurzgeschlossenen Läuferwicklungen keine Spannung mehr induziert und der Stromfluss kommt zum Erliegen. Ohne den Stromfluss in den Läuferwicklungen kann kein Drehmoment erzeugt werden. Für diesen Motor ist auch die Bezeichnung Induktionsmotor üblich, da die in den Läuferwicklungen induzierte Spannung maßgeblich zur Funktion des Motors beiträgt [3].<br /> Da Asynchronmotoren in allen Bereichen der Industrie weit verbreitet sind, sind deren Anschaffungskosten auf Grund der hohen Produktionsmenge entsprechend gering und ihre Technik ist auch für den mobilen Bereich ausgereift [5]. Nachteilig ist der schlechtere Wirkungsgrad im Vergleich zum Gleichstrommotor und die geringere Leistungsdichte im niedrigeren Lastbereich. Diese Motoren sind daher nur bedingt als Direktantriebe geeignet. Zusätzlich benötigen leistungsstarke Asynchronmaschinen Magnete in ihrer Erregerwicklung mit einem gewissen Anteil an seltenen Erden um Gewicht zu sparen und die Leistung zu optimieren [1]. <br /> <br /> <br /> <br /> == Synchronmaschine ==<br /> <br /> [[Datei:Aufbau_Synchronmaschine.jpg|mini|Abbildung 3: Funktionsweise einer Synchronmaschine]]<br /> <br /> Bei der Synchronmaschine wird im Gegensatz zur Asynchronmaschine das Läuferfeld nicht durch Induktion erzeugt. Bei kleineren Antrieben wird der Läufer mit Permanentmagneten versehen, bei größeren Maschinen werden Erregerwicklungen, vergleichbar denen der oben beschriebenen Gleichstrommaschine eingesetzt. Der Läufer dreht sich bei dieser Motorvariante synchron mit dem Drehfeld, woraus sich der Name des Motortyps ableitet. Die Erregerwicklungen werden dabei über Schleifkontakte mit Strom versorgt, wodurch ein gewisser Verschleiß und damit Wartungsaufwand entsteht. Gleichzeitig wird hierdurch der Aufbau im Gegensatz zur Asynchronmaschine komplexer und aufwändiger. Aufgrund dieser Tatsache wird der Asynchronmotor im Bereich der Antriebstechnik bevorzugt eingesetzt. Der Wirkungsgrad der Synchronmaschine liegt aufgrund der synchronen Strom- und Spannungsphasen über dem der Asynchronmaschine [3].<br /> <br /> Vorteil der Synchronmaschine ist ihr sehr hoher Wirkungsgrad, die große Leistungsdichte und die hohen möglichen Drehzahlen, welche ein Getriebe überflüssig machen. Allerdings brauchen diese Maschinen Hochleistungsmagnete, welche verhältnismäßig viel seltene Erden benötigen. Denn trotz der zurzeit extrem hohen Werkstoffpreise für diese Magnete gibt es keine Alternative, wenn Leistungsdichte das Hauptkriterium ist. Falls doch aus Kostengründen vom Einsatz der NdFeB-Magneten abgesehen werden soll, können Kompromisse bei Leistungsdichte und Wirkungsgrad gemacht werden [1].<br /> <br /> <br /> == Reluktanzmaschine ==<br /> <br /> [[Datei:Funktion_Reluktanzmotor.jpg|mini|Abbildung 4: Funktionsweise des Reluktanzmotors]]<br /> <br /> Auch wenn Reluktanzmotoren erst in den letzten Jahrzehnten zum weitverbreiteten Einsatz kam, so ist seine Technik dennoch sehr simpel. Die grundsätzliche Funktionsweise zeigt Abbildung 5 [5]. Grundsätzlich lassen sich bei dieser Art von Motoren die Transversalflussmaschine und der geschaltete Reluktanzmotor unterscheiden, auf was hier allerdings nicht weiter eingegangen wird. Bei einem Reluktanzmotor besitzen Rotor und Stator ein zahnförmiges Profil. Die Statorzähne sind jeweils mit Spulen bestückt, die abwechselnd ein und ausgeschaltet werden. Der Rotor besteht aus einem weichmagnetischen Material, bei dieser Bauart werden also keine Permanentmagneten eingesetzt. Im Ständer werden mehrere, gegenüberliegende Wicklungen eingebracht, die der Erzeugung eines Magnetfelds dienen. Diese Wicklungen werden dabei paarweise zu Strängen zusammengefasst. Das Drehmoment wird bei der geschalteten Reluktanzmaschine durch das abwechselnde Beschalten der Stränge im Stator erzeugt. Das entstehende Feld wirkt auf die Zähne des Rotors, so dass sich dieser relativ zum Strang bewegt. Erreicht er die Strangposition, wird der nächste Strang beschaltet, was den Läufer ein weiteres Stück dreht [3].<br /> <br /> Der große Verteil der Reluktanzmaschine ist der robuste und einfache Aufbau ohne Rotorwicklung und Permanentmagneten. Aus diesem Grund benötigt diese Art von Elektromotor keine seltenen Erden und könnte daher ein wichtiger Bestandteil zukünftiger Elektromobilitätskonzepte werden. Die Motoren sind zudem relativ kompakt und lassen sich daher auch als Radnabenmotoren einsetzen. Nachteilig ist derzeit noch ihre hohe Geräuschentwicklung was bei hohen Drehzahlen durchaus unangenehm für den Fahren werden kann, als auch ihre niedrige Leistungsdichte [1]. <br /> <br /> <br /> == Zusammenfassung Elektromotoren ==<br /> <br /> Zusammenfassend lassen sich also folgende Eigenschaften der unterschiedlichen, für den automobilen Einsatz geeigneten, Elektromaschinen festhalten:<br /> <br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

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<p>Lutzweiss: H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011</p> <hr /> <div>H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011</div>

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Position des Rotors sind die beiden Seiten des Rotors unterschiedlich gepolt. Aufgrund der Anziehung gegensätzlicher Pole dreht sich der Rotor in Stellung 1 gegen den Uhrzeigersinn, so dass die Bürsten kurzzeitig über einen Bereich laufen, über den kein Strom in die Spule geleitet werden kann. Über den Kommutator erfolgt eine Ladungsumkehr, so dass die beiden Seiten des Rotors nun über den jeweils anderen Pol der Batterie mit Strom versorgt werden, wodurch sich das von der Spule erzeugte Magnetfeld umkehrt und sich der Rotor erneut im Magnetfeld des Permanentmagneten ausrichtet. Die Drehung wird also dadurch erzeugt, dass sich ein wechselndes Magnetfeld in einem konstanten Magnetfeld ausrichtet. Auf diese Wechselwirkung beruhen die Funktionsweisen aller Elektromotoren. [4]<br /> <br /> <br /> [[Datei:Funktionsweise_Gelichstrommotor.jpg]]<br /> Abbildung 1: Funktionsweise eines Gleichstrommotors<br /> <br /> <br /> Gleichstrommaschinen haben heute in der Elektromobilität nahezu keinen Einsatz mehr, zumindest nicht als Primärantrieb [1]. Grund hierfür ist vor allem die schlechte Wärmeabfuhr, da die gesamte Wärme im rotierenden Rotor entsteht und daher nur schwer abgeführt werden kann. In den darauffolgend beschriebenen Motoren entsteht der Wärmeverlust vor Allem im stillstehenden Stator, welcher einfach und günstig durch Luft oder Kühlmittel gekühlt werden kann [5].<br /> <br /> <br /> == Asynchronmaschine ==<br /> <br /> Für den Betrieb der Asynchronmaschine wird ein Dreiphasenwechselstrom benötigt. Dieser auch als Drehstrom bezeichnete Strom setzt sich aus drei Phasen zusammen, die jeweils um 120° zueinander verschoben sind. Die Spannung der einzelnen Phasen verläuft wie beim Wechselstrom sinusförmig. Da die im Kraftfahrzeug mitgeführten Stromquellen ausschließlich Gleichstrom zur Verfügung stellen können, muss der Drehstrom erst über eine entsprechende Leistungselektronik erzeugt werden. Die folgende Abbildung 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Asynchronmaschine.<br /> <br /> [[Datei:Aufbau_Asynchronmaschine.jpg]]<br /> Abbildung 2: Aufbau einer Asynchronmaschine<br /> <br /> Im Ständer einer Asynchronmaschine werden um 120° versetzte Wicklungen eingelassen, die über jeweils eine Phase des Drehstroms versorgt werden. Im Umfang des Läufers befinden sich kurzgeschlossene Wicklungen. Das über die Ständerwicklungen erzeugte, umlaufende Magnetfeld induziert in den Läuferwicklungen eine Spannung, woraus sich innerhalb der Läuferwicklungen ein Stromfluss ergibt. Die nun stromdurchflossenen Leiter im Läufer erfahren durch das magnetische Drehfeld eine Kraft, die den Läufer in Richtung des Drehfeldes in Bewegung versetzt. Zur Änderung der Drehrichtung des Motors muss die Umlaufrichtung des Ständermagnetfeldes angepasst werden. Aufgrund der fehlenden Kommutierung sind im Vergleich zum Gleichstrommotor deutlich höhere Drehzahlen realisierbar, so können Asynchronmotoren mit Drehzahlen bis zu 14.000 min–1 betrieben werden. <br /> Der Name des Asynchronmotors ist darauf zurückzuführen, dass die erreichte Umfangsgeschwindigkeit des Läufers niemals die vom Drehstrom erzeugte Umfangsgeschwindigkeit des Magnetfelds erreichen kann, sondern aufgrund von Schlupf immer kleiner ist. Besteht keine Relativgeschwindigkeit mehr zwischen Läufer und Drehfeld, wird in den kurzgeschlossenen Läuferwicklungen keine Spannung mehr induziert und der Stromfluss kommt zum Erliegen. Ohne den Stromfluss in den Läuferwicklungen kann kein Drehmoment erzeugt werden. Für diesen Motor ist auch die Bezeichnung Induktionsmotor üblich, da die in den Läuferwicklungen induzierte Spannung maßgeblich zur Funktion des Motors beiträgt [3].<br /> Da Asynchronmotoren in allen Bereichen der Industrie weit verbreitet sind, sind deren Anschaffungskosten auf Grund der hohen Produktionsmenge entsprechend gering und ihre Technik ist auch für den mobilen Bereich ausgereift [5]. Nachteilig ist der schlechtere Wirkungsgrad im Vergleich zum Gleichstrommotor und die geringere Leistungsdichte im niedrigeren Lastbereich. Diese Motoren sind daher nur bedingt als Direktantriebe geeignet. Zusätzlich benötigen leistungsstarke Asynchronmaschinen Magnete in ihrer Erregerwicklung mit einem gewissen Anteil an seltenen Erden um Gewicht zu sparen und die Leistung zu optimieren [1]. <br /> <br /> <br /> <br /> == Synchronmaschine ==<br /> <br /> <br /> Bei der Synchronmaschine wird im Gegensatz zur Asynchronmaschine das Läuferfeld nicht durch Induktion erzeugt. Bei kleineren Antrieben wird der Läufer mit Permanentmagneten versehen, bei größeren Maschinen werden Erregerwicklungen, vergleichbar denen der oben beschriebenen Gleichstrommaschine eingesetzt. Der Läufer dreht sich bei dieser Motorvariante synchron mit dem Drehfeld, woraus sich der Name des Motortyps ableitet. Die Erregerwicklungen werden dabei über Schleifkontakte mit Strom versorgt, wodurch ein gewisser Verschleiß und damit Wartungsaufwand entsteht. Gleichzeitig wird hierdurch der Aufbau im Gegensatz zur Asynchronmaschine komplexer und aufwändiger. Aufgrund dieser Tatsache wird der Asynchronmotor im Bereich der Antriebstechnik bevorzugt eingesetzt. Der Wirkungsgrad der Synchronmaschine liegt aufgrund der synchronen Strom- und Spannungsphasen über dem der Asynchronmaschine [3].<br /> <br /> [[Datei:Aufbau_Synchronmaschine.jpg|mini|Abbildung 3: Funktionsweise einer Synchronmaschine]]<br /> <br /> <br /> Vorteil der Synchronmaschine ist ihr sehr hoher Wirkungsgrad, die große Leistungsdichte und die hohen möglichen Drehzahlen, welche ein Getriebe überflüssig machen. Allerdings brauchen diese Maschinen Hochleistungsmagnete, welche verhältnismäßig viel seltene Erden benötigen. Denn trotz der zurzeit extrem hohen Werkstoffpreise für diese Magnete gibt es keine Alternative, wenn Leistungsdichte das Hauptkriterium ist. Falls doch aus Kostengründen vom Einsatz der NdFeB-Magneten abgesehen werden soll, können Kompromisse bei Leistungsdichte und Wirkungsgrad gemacht werden [1].<br /> <br /> <br /> == Reluktanzmaschine ==<br /> <br /> <br /> Auch wenn Reluktanzmotoren erst in den letzten Jahrzehnten zum weitverbreiteten Einsatz kam, so ist seine Technik dennoch sehr simpel. Die grundsätzliche Funktionsweise zeigt Abbildung 5 [5]. Grundsätzlich lassen sich bei dieser Art von Motoren die Transversalflussmaschine und der geschaltete Reluktanzmotor unterscheiden, auf was hier allerdings nicht weiter eingegangen wird. Bei einem Reluktanzmotor besitzen Rotor und Stator ein zahnförmiges Profil. Die Statorzähne sind jeweils mit Spulen bestückt, die abwechselnd ein und ausgeschaltet werden. Der Rotor besteht aus einem weichmagnetischen Material, bei dieser Bauart werden also keine Permanentmagneten eingesetzt. Im Ständer werden mehrere, gegenüberliegende Wicklungen eingebracht, die der Erzeugung eines Magnetfelds dienen. Diese Wicklungen werden dabei paarweise zu Strängen zusammengefasst. Das Drehmoment wird bei der geschalteten Reluktanzmaschine durch das abwechselnde Beschalten der Stränge im Stator erzeugt. Das entstehende Feld wirkt auf die Zähne des Rotors, so dass sich dieser relativ zum Strang bewegt. Erreicht er die Strangposition, wird der nächste Strang beschaltet, was den Läufer ein weiteres Stück dreht [3].<br /> <br /> <br /> [[Datei:Funktion_Reluktanzmotor.jpg]]<br /> Abbildung 4: Funktionsweise des Reluktanzmotors<br /> <br /> <br /> Der große Verteil der Reluktanzmaschine ist der robuste und einfache Aufbau ohne Rotorwicklung und Permanentmagneten. Aus diesem Grund benötigt diese Art von Elektromotor keine seltenen Erden und könnte daher ein wichtiger Bestandteil zukünftiger Elektromobilitätskonzepte werden. Die Motoren sind zudem relativ kompakt und lassen sich daher auch als Radnabenmotoren einsetzen. Nachteilig ist derzeit noch ihre hohe Geräuschentwicklung was bei hohen Drehzahlen durchaus unangenehm für den Fahren werden kann, als auch ihre niedrige Leistungsdichte [1]. <br /> <br /> <br /> == Zusammenfassung Elektromotoren ==<br /> <br /> Zusammenfassend lassen sich also folgende Eigenschaften der unterschiedlichen, für den automobilen Einsatz geeigneten, Elektromaschinen festhalten:<br /> <br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Datei:Aufbau_Synchronmaschine.jpg&diff=638 2014-01-23T18:52:02Z

<p>Lutzweiss: H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011</p> <hr /> <div>H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011</div>

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<p>Lutzweiss: H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011</p> <hr /> <div>H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011</div>

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Position des Rotors sind die beiden Seiten des Rotors unterschiedlich gepolt. Aufgrund der Anziehung gegensätzlicher Pole dreht sich der Rotor in Stellung 1 gegen den Uhrzeigersinn, so dass die Bürsten kurzzeitig über einen Bereich laufen, über den kein Strom in die Spule geleitet werden kann. Über den Kommutator erfolgt eine Ladungsumkehr, so dass die beiden Seiten des Rotors nun über den jeweils anderen Pol der Batterie mit Strom versorgt werden, wodurch sich das von der Spule erzeugte Magnetfeld umkehrt und sich der Rotor erneut im Magnetfeld des Permanentmagneten ausrichtet. Die Drehung wird also dadurch erzeugt, dass sich ein wechselndes Magnetfeld in einem konstanten Magnetfeld ausrichtet. Auf diese Wechselwirkung beruhen die Funktionsweisen aller Elektromotoren. [4]<br /> <br /> <br /> [[Datei:Funktionsweise_Gelichstrommotor.jpg]]<br /> ''Abbildung 1: Funktionsweise eines Gleichstrommotors''<br /> <br /> Gleichstrommaschinen haben heute in der Elektromobilität nahezu keinen Einsatz mehr, zumindest nicht als Primärantrieb [1]. Grund hierfür ist vor allem die schlechte Wärmeabfuhr, da die gesamte Wärme im rotierenden Rotor entsteht und daher nur schwer abgeführt werden kann. In den darauffolgend beschriebenen Motoren entsteht der Wärmeverlust vor Allem im stillstehenden Stator, welcher einfach und günstig durch Luft oder Kühlmittel gekühlt werden kann [5].<br /> <br /> <br /> == Asynchronmaschine ==<br /> <br /> Für den Betrieb der Asynchronmaschine wird ein Dreiphasenwechselstrom benötigt. Dieser auch als Drehstrom bezeichnete Strom setzt sich aus drei Phasen zusammen, die jeweils um 120° zueinander verschoben sind. Die Spannung der einzelnen Phasen verläuft wie beim Wechselstrom sinusförmig. Da die im Kraftfahrzeug mitgeführten Stromquellen ausschließlich Gleichstrom zur Verfügung stellen können, muss der Drehstrom erst über eine entsprechende Leistungselektronik erzeugt werden. Die folgende Abbildung 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Asynchronmaschine.<br /> <br /> [[Datei:Aufbau_Asynchronmaschine.jpg]]<br /> Abbildung 2: Aufbau einer Asynchronmaschine<br /> <br /> Im Ständer einer Asynchronmaschine werden um 120° versetzte Wicklungen eingelassen, die über jeweils eine Phase des Drehstroms versorgt werden. Im Umfang des Läufers befinden sich kurzgeschlossene Wicklungen. Das über die Ständerwicklungen erzeugte, umlaufende Magnetfeld induziert in den Läuferwicklungen eine Spannung, woraus sich innerhalb der Läuferwicklungen ein Stromfluss ergibt. Die nun stromdurchflossenen Leiter im Läufer erfahren durch das magnetische Drehfeld eine Kraft, die den Läufer in Richtung des Drehfeldes in Bewegung versetzt. Zur Änderung der Drehrichtung des Motors muss die Umlaufrichtung des Ständermagnetfeldes angepasst werden. Aufgrund der fehlenden Kommutierung sind im Vergleich zum Gleichstrommotor deutlich höhere Drehzahlen realisierbar, so können Asynchronmotoren mit Drehzahlen bis zu 14.000 min–1 betrieben werden. <br /> Der Name des Asynchronmotors ist darauf zurückzuführen, dass die erreichte Umfangsgeschwindigkeit des Läufers niemals die vom Drehstrom erzeugte Umfangsgeschwindigkeit des Magnetfelds erreichen kann, sondern aufgrund von Schlupf immer kleiner ist. Besteht keine Relativgeschwindigkeit mehr zwischen Läufer und Drehfeld, wird in den kurzgeschlossenen Läuferwicklungen keine Spannung mehr induziert und der Stromfluss kommt zum Erliegen. Ohne den Stromfluss in den Läuferwicklungen kann kein Drehmoment erzeugt werden. Für diesen Motor ist auch die Bezeichnung Induktionsmotor üblich, da die in den Läuferwicklungen induzierte Spannung maßgeblich zur Funktion des Motors beiträgt [3].<br /> Da Asynchronmotoren in allen Bereichen der Industrie weit verbreitet sind, sind deren Anschaffungskosten auf Grund der hohen Produktionsmenge entsprechend gering und ihre Technik ist auch für den mobilen Bereich ausgereift [5]. Nachteilig ist der schlechtere Wirkungsgrad im Vergleich zum Gleichstrommotor und die geringere Leistungsdichte im niedrigeren Lastbereich. Diese Motoren sind daher nur bedingt als Direktantriebe geeignet. Zusätzlich benötigen leistungsstarke Asynchronmaschinen Magnete in ihrer Erregerwicklung mit einem gewissen Anteil an seltenen Erden um Gewicht zu sparen und die Leistung zu optimieren [1]. <br /> <br /> <br /> <br /> == Synchronmaschine ==<br /> <br /> <br /> Bei der Synchronmaschine wird im Gegensatz zur Asynchronmaschine das Läuferfeld nicht durch Induktion erzeugt. Bei kleineren Antrieben wird der Läufer mit Permanentmagneten versehen, bei größeren Maschinen werden Erregerwicklungen, vergleichbar denen der oben beschriebenen Gleichstrommaschine eingesetzt. Der Läufer dreht sich bei dieser Motorvariante synchron mit dem Drehfeld, woraus sich der Name des Motortyps ableitet. Die Erregerwicklungen werden dabei über Schleifkontakte mit Strom versorgt, wodurch ein gewisser Verschleiß und damit Wartungsaufwand entsteht. Gleichzeitig wird hierdurch der Aufbau im Gegensatz zur Asynchronmaschine komplexer und aufwändiger. Aufgrund dieser Tatsache wird der Asynchronmotor im Bereich der Antriebstechnik bevorzugt eingesetzt. Der Wirkungsgrad der Synchronmaschine liegt aufgrund der synchronen Strom- und Spannungsphasen über dem der Asynchronmaschine [3].<br /> <br /> [[Datei:Aufbau_Synchronmaschine.jpg]]<br /> Abbildung 3: Funktionsweise einer Synchronmaschine<br /> <br /> <br /> Vorteil der Synchronmaschine ist ihr sehr hoher Wirkungsgrad, die große Leistungsdichte und die hohen möglichen Drehzahlen, welche ein Getriebe überflüssig machen. Allerdings brauchen diese Maschinen Hochleistungsmagnete, welche verhältnismäßig viel seltene Erden benötigen. Denn trotz der zurzeit extrem hohen Werkstoffpreise für diese Magnete gibt es keine Alternative, wenn Leistungsdichte das Hauptkriterium ist. Falls doch aus Kostengründen vom Einsatz der NdFeB-Magneten abgesehen werden soll, können Kompromisse bei Leistungsdichte und Wirkungsgrad gemacht werden [1].<br /> <br /> <br /> == Reluktanzmaschine ==<br /> <br /> <br /> Auch wenn Reluktanzmotoren erst in den letzten Jahrzehnten zum weitverbreiteten Einsatz kam, so ist seine Technik dennoch sehr simpel. Die grundsätzliche Funktionsweise zeigt Abbildung 5 [5]. Grundsätzlich lassen sich bei dieser Art von Motoren die Transversalflussmaschine und der geschaltete Reluktanzmotor unterscheiden, auf was hier allerdings nicht weiter eingegangen wird. Bei einem Reluktanzmotor besitzen Rotor und Stator ein zahnförmiges Profil. Die Statorzähne sind jeweils mit Spulen bestückt, die abwechselnd ein und ausgeschaltet werden. Der Rotor besteht aus einem weichmagnetischen Material, bei dieser Bauart werden also keine Permanentmagneten eingesetzt. Im Ständer werden mehrere, gegenüberliegende Wicklungen eingebracht, die der Erzeugung eines Magnetfelds dienen. Diese Wicklungen werden dabei paarweise zu Strängen zusammengefasst. Das Drehmoment wird bei der geschalteten Reluktanzmaschine durch das abwechselnde Beschalten der Stränge im Stator erzeugt. Das entstehende Feld wirkt auf die Zähne des Rotors, so dass sich dieser relativ zum Strang bewegt. Erreicht er die Strangposition, wird der nächste Strang beschaltet, was den Läufer ein weiteres Stück dreht [3].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Der große Verteil der Reluktanzmaschine ist der robuste und einfache Aufbau ohne Rotorwicklung und Permanentmagneten. Aus diesem Grund benötigt diese Art von Elektromotor keine seltenen Erden und könnte daher ein wichtiger Bestandteil zukünftiger Elektromobilitätskonzepte werden. Die Motoren sind zudem relativ kompakt und lassen sich daher auch als Radnabenmotoren einsetzen. Nachteilig ist derzeit noch ihre hohe Geräuschentwicklung was bei hohen Drehzahlen durchaus unangenehm für den Fahren werden kann, als auch ihre niedrige Leistungsdichte [1]. <br /> <br /> <br /> == Zusammenfassung Elektromotoren ==<br /> <br /> Zusammenfassend lassen sich also folgende Eigenschaften der unterschiedlichen, für den automobilen Einsatz geeigneten, Elektromaschinen festhalten:</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Datei:Funktionsweise_Gelichstrommotor.jpg&diff=635 2014-01-23T18:46:30Z

<p>Lutzweiss: H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011</p> <hr /> <div>H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Arten_von_Elektromotoren&diff=634 2014-01-23T18:45:29Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> [[Category: Arten von Elektromotoren]]<br /> <br /> <br /> == Gleichstrommotoren ==<br /> <br /> Die am einfachsten zu beschreibende Funktionsweise von Elektromotoren ist diejenige der Gleichstrommotoren. Ein Rotor, auch als Anker bezeichnet, ist von einer Spule umwickelt, um die sich bei Anschluss einer Gleichstromquelle ein magnetisches Feld ausbildet. Der Rotor ist von einem Permanentmagneten umgeben, der dauerhaft ein magnetisches Feld erzeugt und auch als Stator bezeichnet wird. Die Drehung des Rotors in dem magnetischen Feld lässt sich durch das physikalische Gesetz erklären, dass sich gegennamige Ladungen anziehen, während sich gleichnamige Ladungen abstoßen. Wie in Abbildung 2 dargestellt ist, wird der Gleichstrom über sogenannte Bürsten in die Spule geleitet. Je nach Stellung bzw. Position des Rotors sind die beiden Seiten des Rotors unterschiedlich gepolt. Aufgrund der Anziehung gegensätzlicher Pole dreht sich der Rotor in Stellung 1 gegen den Uhrzeigersinn, so dass die Bürsten kurzzeitig über einen Bereich laufen, über den kein Strom in die Spule geleitet werden kann. Über den Kommutator erfolgt eine Ladungsumkehr, so dass die beiden Seiten des Rotors nun über den jeweils anderen Pol der Batterie mit Strom versorgt werden, wodurch sich das von der Spule erzeugte Magnetfeld umkehrt und sich der Rotor erneut im Magnetfeld des Permanentmagneten ausrichtet. Die Drehung wird also dadurch erzeugt, dass sich ein wechselndes Magnetfeld in einem konstanten Magnetfeld ausrichtet. Auf diese Wechselwirkung beruhen die Funktionsweisen aller Elektromotoren. [4]<br /> <br /> <br /> [[Datei:Funktionsweise_Gelichstrommotor.jpg]]<br /> ''Abbildung 1: Funktionsweise eines Gleichstrommotors''<br /> <br /> Gleichstrommaschinen haben heute in der Elektromobilität nahezu keinen Einsatz mehr, zumindest nicht als Primärantrieb [1]. Grund hierfür ist vor allem die schlechte Wärmeabfuhr, da die gesamte Wärme im rotierenden Rotor entsteht und daher nur schwer abgeführt werden kann. In den darauffolgend beschriebenen Motoren entsteht der Wärmeverlust vor Allem im stillstehenden Stator, welcher einfach und günstig durch Luft oder Kühlmittel gekühlt werden kann [5].<br /> <br /> <br /> == Asynchronmaschine ==<br /> <br /> Für den Betrieb der Asynchronmaschine wird ein Dreiphasenwechselstrom benötigt. Dieser auch als Drehstrom bezeichnete Strom setzt sich aus drei Phasen zusammen, die jeweils um 120° zueinander verschoben sind. Die Spannung der einzelnen Phasen verläuft wie beim Wechselstrom sinusförmig. Da die im Kraftfahrzeug mitgeführten Stromquellen ausschließlich Gleichstrom zur Verfügung stellen können, muss der Drehstrom erst über eine entsprechende Leistungselektronik erzeugt werden. Die folgende Abbildung 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Asynchronmaschine.<br /> <br /> <br /> Abbildung 3: [3]<br /> <br /> Im Ständer einer Asynchronmaschine werden um 120° versetzte Wicklungen eingelassen, die über jeweils eine Phase des Drehstroms versorgt werden. Im Umfang des Läufers befinden sich kurzgeschlossene Wicklungen. Das über die Ständerwicklungen erzeugte, umlaufende Magnetfeld induziert in den Läuferwicklungen eine Spannung, woraus sich innerhalb der Läuferwicklungen ein Stromfluss ergibt. Die nun stromdurchflossenen Leiter im Läufer erfahren durch das magnetische Drehfeld eine Kraft, die den Läufer in Richtung des Drehfeldes in Bewegung versetzt. Zur Änderung der Drehrichtung des Motors muss die Umlaufrichtung des Ständermagnetfeldes angepasst werden. Aufgrund der fehlenden Kommutierung sind im Vergleich zum Gleichstrommotor deutlich höhere Drehzahlen realisierbar, so können Asynchronmotoren mit Drehzahlen bis zu 14.000 min–1 betrieben werden. <br /> Der Name des Asynchronmotors ist darauf zurückzuführen, dass die erreichte Umfangsgeschwindigkeit des Läufers niemals die vom Drehstrom erzeugte Umfangsgeschwindigkeit des Magnetfelds erreichen kann, sondern aufgrund von Schlupf immer kleiner ist. Besteht keine Relativgeschwindigkeit mehr zwischen Läufer und Drehfeld, wird in den kurzgeschlossenen Läuferwicklungen keine Spannung mehr induziert und der Stromfluss kommt zum Erliegen. Ohne den Stromfluss in den Läuferwicklungen kann kein Drehmoment erzeugt werden. Für diesen Motor ist auch die Bezeichnung Induktionsmotor üblich, da die in den Läuferwicklungen induzierte Spannung maßgeblich zur Funktion des Motors beiträgt [3].<br /> Da Asynchronmotoren in allen Bereichen der Industrie weit verbreitet sind, sind deren Anschaffungskosten auf Grund der hohen Produktionsmenge entsprechend gering und ihre Technik ist auch für den mobilen Bereich ausgereift [5]. Nachteilig ist der schlechtere Wirkungsgrad im Vergleich zum Gleichstrommotor und die geringere Leistungsdichte im niedrigeren Lastbereich. Diese Motoren sind daher nur bedingt als Direktantriebe geeignet. Zusätzlich benötigen leistungsstarke Asynchronmaschinen Magnete in ihrer Erregerwicklung mit einem gewissen Anteil an seltenen Erden um Gewicht zu sparen und die Leistung zu optimieren [1]. <br /> <br /> <br /> <br /> == Synchronmaschine ==<br /> <br /> <br /> Bei der Synchronmaschine wird im Gegensatz zur Asynchronmaschine das Läuferfeld nicht durch Induktion erzeugt. Bei kleineren Antrieben wird der Läufer mit Permanentmagneten versehen, bei größeren Maschinen werden Erregerwicklungen, vergleichbar denen der oben beschriebenen Gleichstrommaschine eingesetzt. Der Läufer dreht sich bei dieser Motorvariante synchron mit dem Drehfeld, woraus sich der Name des Motortyps ableitet. Die Erregerwicklungen werden dabei über Schleifkontakte mit Strom versorgt, wodurch ein gewisser Verschleiß und damit Wartungsaufwand entsteht. Gleichzeitig wird hierdurch der Aufbau im Gegensatz zur Asynchronmaschine komplexer und aufwändiger. Aufgrund dieser Tatsache wird der Asynchronmotor im Bereich der Antriebstechnik bevorzugt eingesetzt. Der Wirkungsgrad der Synchronmaschine liegt aufgrund der synchronen Strom- und Spannungsphasen über dem der Asynchronmaschine [3].<br /> <br /> Abbildung 4 [3]<br /> Vorteil der Synchronmaschine ist ihr sehr hoher Wirkungsgrad, die große Leistungsdichte und die hohen möglichen Drehzahlen, welche ein Getriebe überflüssig machen. Allerdings brauchen diese Maschinen Hochleistungsmagnete, welche verhältnismäßig viel seltene Erden benötigen. Denn trotz der zurzeit extrem hohen Werkstoffpreise für diese Magnete gibt es keine Alternative, wenn Leistungsdichte das Hauptkriterium ist. Falls doch aus Kostengründen vom Einsatz der NdFeB-Magneten abgesehen werden soll, können Kompromisse bei Leistungsdichte und Wirkungsgrad gemacht werden [1].<br /> <br /> <br /> == Reluktanzmaschine ==<br /> <br /> <br /> Auch wenn Reluktanzmotoren erst in den letzten Jahrzehnten zum weitverbreiteten Einsatz kam, so ist seine Technik dennoch sehr simpel. Die grundsätzliche Funktionsweise zeigt Abbildung 5 [5]. Grundsätzlich lassen sich bei dieser Art von Motoren die Transversalflussmaschine und der geschaltete Reluktanzmotor unterscheiden, auf was hier allerdings nicht weiter eingegangen wird. Bei einem Reluktanzmotor besitzen Rotor und Stator ein zahnförmiges Profil. Die Statorzähne sind jeweils mit Spulen bestückt, die abwechselnd ein und ausgeschaltet werden. Der Rotor besteht aus einem weichmagnetischen Material, bei dieser Bauart werden also keine Permanentmagneten eingesetzt. Im Ständer werden mehrere, gegenüberliegende Wicklungen eingebracht, die der Erzeugung eines Magnetfelds dienen. Diese Wicklungen werden dabei paarweise zu Strängen zusammengefasst. Das Drehmoment wird bei der geschalteten Reluktanzmaschine durch das abwechselnde Beschalten der Stränge im Stator erzeugt. Das entstehende Feld wirkt auf die Zähne des Rotors, so dass sich dieser relativ zum Strang bewegt. Erreicht er die Strangposition, wird der nächste Strang beschaltet, was den Läufer ein weiteres Stück dreht [3].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Der große Verteil der Reluktanzmaschine ist der robuste und einfache Aufbau ohne Rotorwicklung und Permanentmagneten. Aus diesem Grund benötigt diese Art von Elektromotor keine seltenen Erden und könnte daher ein wichtiger Bestandteil zukünftiger Elektromobilitätskonzepte werden. Die Motoren sind zudem relativ kompakt und lassen sich daher auch als Radnabenmotoren einsetzen. Nachteilig ist derzeit noch ihre hohe Geräuschentwicklung was bei hohen Drehzahlen durchaus unangenehm für den Fahren werden kann, als auch ihre niedrige Leistungsdichte [1]. <br /> <br /> <br /> == Zusammenfassung Elektromotoren ==<br /> <br /> Zusammenfassend lassen sich also folgende Eigenschaften der unterschiedlichen, für den automobilen Einsatz geeigneten, Elektromaschinen festhalten:</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Antriebe_und_Zweitverbraucher&diff=552 2014-01-23T10:27:22Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> <br /> == Elektromotoren: Potential und Problematik ==<br /> <br /> Grundsätzlich lassen sich alle gängigen elektrischen Maschinenarten (vgl. [[Arten von Elektromotoren]]) in Elektrofahrzeugen verbauen. Entscheidend für die Wahl einer bestimmten E-Maschine ist das erwartete Fahrprofil, sowie folgende Kriterien: Kosten, Fertigbarkeit, Wartungsfähigkeit, Recyclebarkeit, Lebensdauer, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Materialauswahl &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. <br /> Fahrdynamisch gesehen haben Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren viele Vorteile. Der größte ist sicherlich das konstante Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich. Während beim Verbrennungsmotor das maximale Drehmoment nur in einem sehr kleinen, meist relativ hohem Drehzahlbereich vorherrscht, setzen Elektromotoren ihr maximales Drehmoment schon von Anfang an um (vgl. Abbildung 1). Dies bedeutet ein besseres Beschleunigungsverhalten und den Wegfall einer Anfahrkupplung, da Elektromotoren aus dem Stillstand beschleunigen können. Insgesamt kann bei einem Stadtfahrzeug komplett auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden, da der Elektromotor den benötigten Drehzahlbereich vollkommen abdeckt. Erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten (&gt;120 km/h) wird eine Übersetzung benötigt. Das dafür benötigte Zwei-Gang-Getriebe kann aber deutlich einfacher und kleiner ausfallen, als die heute üblichen 6-, 7- oder 8-Gang-Getriebe, welche benötigt werden um den Verbrennungsmotor im optimalen Betriebspunkt zu halten &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> Anders als Verbrennungskraftmaschinen können E-Motoren zudem im sogenannten 4-Quadranten-Betrieb arbeiten. Darunter wird verstanden, dass die E-Maschine in beide Drehrichtungen als Antrieb und Bremse betrieben werden kann. Gleichzeitig kann sie im Bremsbetrieb auch als Generator verwendet werden, wodurch die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht wird. Allerdings muss diese Energie dann geeignet gespeichert werden &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;<br /> Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchronmaschinen (vgl. Abbildung 2). Diese Maschinen benötigen allerdings Seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine Seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen . Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen niedrigen Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt; .<br /> <br /> <br /> == Optimales Spannungslevel des elektrischen Bordnetzes ==<br /> <br /> <br /> Die Wahl des Spannungslevels des elektrischen Systems ist ein zentrales Thema bei der Grundauslegung eines E-Fahrzeugs. Wählt man ein niedriges Spannungsniveau von z.B. 60V, so kann einfach sichergestellt werden, dass die Komponenten bei einem Unfall oder unsachgemäßer Handhabung Lebewesen keine schweren Verletzungen zuführen. Allerdings benötigt man dann nach dem Gesetz der Elektrischen Leistung (P = U*I) höhere Ströme, was zu höheren Verlusten in den elektrischen Maschinen und einen höheren Kupferaufwand für das Bordnetz führt. Wählt man jedoch ein höheres Spannungslevel, für welches die meisten Motoren und Halbleiter in der nötigen Leistungsklasse ausgelegt sind, so können die 900 – 1.200V Spannung zu schweren Verletzungen bis hin zum Tode führen. <br /> Die gängige heutige Lösung dieses Problems ist ein DC/DC-Wandler, welcher die von Wechselrichter (wird für Asynchronmaschinen benötigt), Bordnetz und Maschinen geforderte höhere Spannung dynamisch erzeugt. Zwar ist auch dieser mit Verlusten behaftete, jedoch sind diese bei Weitem nicht so hoch wie die Verluste durch hohe Ströme. Beim Abstellen des Fahrzeugs oder im Fehlerfall kann der Zwischenkreis schnell entladen werden, dann ist nur noch die niedrige Batteriespannung im System, welche nahezu ungefährlich ist [1]. <br /> <br /> <br /> == Leistungselektronik ==<br /> <br /> <br /> Die Leistungselektronik wird benötigt, da die Antriebe und Zweitverbraucher (Bremskraftverstärker, Lenkhilfe, Heizung, …) eine hohe Leistung und damit eine hohe Spannung benötigen, die allerdings nicht von den Batterien geliefert werden kann. Akkumulatoren können Strom nur in einem geringen Spannungszustand speichern und abgeben, d.h. das sowohl die Energie für den Antrieb, als auch zurückgewonnene Energie durch Rekuperation umgewandelt werden muss. Gleichwohl wird elektrischer Strom als Gleichstrom in den Akkus gespeichert und muss daher beim Einsatz einer Asynchronmaschine als Antrieb zu Wechselstrom umgerichtet werden.<br /> In den letzten Jahren machte man sehr große Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik, wodurch mittlerweile Wirkungsgrade von 90% möglich sind. Eine geringere Wärmeabgabe führt allerdings auch dazu, dass eine zusätzliche fossile Heizung benötigt wird (siehe Kap.4). Die höhere Leistungsdichte der Bauteile und der Betrieb der Teile auf immer kleineren Raum führen allerdings zu einer kritischen elektromagnetischen Verträglichkeit. Vor allem andere elektrische Geräte können durch die hohe EMV-Belastung massiv gestört und beschädigt werden, aber auch die Folgen für den Menschen sind noch nicht gänzlich erforscht [1]. Die Folgen von sogenannten Elektrosmog auf den Menschen sind derzeit ein wichtiges Streitthema in der Wissenschaft und sollten daher mit Vorsicht behandelt werden, insbesondere da sich Menschen heutzutage sehr lange in Fahrzeugen aufhalten. <br /> <br /> <br /> == Thermomanagement ==<br /> <br /> Da Elektromotoren einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen (bis zu 90%), produzieren sie nicht mehr genug Abwärme um den Innenraum des Fahrzeugs damit zu beheizen. Aus diesem Grund muss hierfür eine zusätzliche fossile oder elektrische Heizanlage vorgesehen werden. Energetisch gesehen wäre sogar eine fossile Heizanlage vorteilhafter, da elektrische Heizanlagen einen extrem schlechten Wirkungsgrad besitzen und die Reichweite des Fahrzeuges zu stark verringern würden. Für eine fossile Heizung würde man allerdings eine zusätzliche Infrastruktur inklusive Tank benötigen und ein abgeschirmtes Heizaggregat, in welchem das Öl oder das Gas verbrannt wird. Dies wird aus Kosten- und Komplexitätsgründen wahrscheinlich nicht möglich sein. Die Kühlung des Innenraums durch einen Klimakompressor ist hingegen unkritischer wenn auch ebenfalls sehr energieintensiv [2]. Neben dem Innenraum muss zudem auch die Batterie in einem möglichst engen Temperaturfeld gehalten werden um ihre volle Leistungsfähigkeit zu garantieren. Somit ergibt sich sowohl an besonders heißen, als auch an besonders kalten Tagen eine deutliche Reduzierung der Reichweite, da der Klimakompressor oder die Heizanlage dann einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch des Fahrzeugs aufweisen. So benötigt man z.B. bei einer Außentemperatur von 4°C eine Heizleistung von 3,6 kW um einen mittelgroßen PKW auf 20°C zu heizen. Um eine gefühlte Temperatur von 20°C zu erreichen muss auf Grund der kalten Teile im Fahrzeug sogar mit einer deutlich höheren Temperatur gerechnet werden. Bei einem Standartheizsystem mit elektrischer Direktheizung würde dies bei der heutigen Technik eine Reduzierung der Reichweite um 25-30% nach sich ziehen. Berücksichtigt man Wärmeverluste durch den Lufttransport in den Kanälen und den Energieverbrauch durch die Lüftung, so ist eine Reduzierung der Reichweite von 40% anzunehmen. Bedenkt man nun, dass die Batterie bei 4°C entweder auch geheizt werden muss, oder deutlich weniger Speicherkapazität aufweisen kann, so sinkt die Reichweite des Fahrzeugs schnell unter 50%. Mögliche Gegenmaßnahmen zu dieser Problematik sind besser Dämmung der Fahrzeugkabine und aktive Wärmerückgewinnung [1].<br /> <br /> <br /> == Ressourcenbedarf ==<br /> <br /> Als Rohstoffe für die Produktion eines Elektromotors wird neben Eisen insbesondere Kupfer benötigt. Bei den permanenterregten Varianten der Synchron- und Gleichstrommaschinen wird zusätzlich noch Neodym als permanentmagnetischer Werkstoff benötigt. Neodym gehört den seltenen Erden an und wird für den Bau leistungsfähiger Magnete benötigt. Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchdonmaschinen. Diese Maschinen benötigen wie schon beschrieben seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen [2]. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen geringfügigeren Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen [6]. Der Bedarf an seltenen Erden, insbesondere an Neodym, würde bei einer Umrüstung des Individualverkehrs auf Elektromobilität auf Grund des steigenden Produktionsaufkommens von permanenterregten Elektromotoren extrem anwachsen. Geht man von einer Wachstumsrate des Elektrofahrzeugmarktes von 26% pro Jahr aus und von einer verbauten Masse von 1kg Neodym (heutzutage üblich) pro Elektroauto, so würde der Anteil des für Elektromotoren benötigten Neodyms an der weltweiten Förderung von derzeit 4,11% auf 1452% im Jahr 2030 steigen (vgl. Abbildung 8). Um also alleine die permanenterregten Elektromotoren für Elektroautos herzustellen, würde man bis 2030 die Abbaumenge von Neodym um das 15 fache der heutigen Abbaumenge steigern müssen. <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Neodym.jpg]]<br /> ''Abbildung 1: Erwarteter Anstieg des Neodym Bedarfs''<br /> <br /> <br /> Der Kupferbedarf wird unabhängig vom dominanten Motorentyp wachsen, da alle Elektromotoren und deren Leistungselektronik Kupfer benötigen. Geht man wiederum von einer jährlichen Wachstumsrate der Elektromobilität von 26% aus und einer verbauten Kupfermenge von 30kg pro Fahrzeug, so würde der Anteil der Elektromotoren an der weltweiten Kupferproduktion von derzeit 0,06% bis in Jahr 2030 auf 21,13% steigen (vgl. Abbildung 9)<br /> <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Kupfer.jpg]]<br /> ''Abbildung 2: Erwarteter Anstieg des Kupferbedarfs''<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> == Zukunft ==<br /> <br /> Zur jetzigen Zeit lohnt sich ein normales Auto in der Golfklasse mit einer Fahrleistung von 12.000km pro Jahr sowohl als Plug-In-Hybrid als auch als reines Elektrofahrzeug erst ab 3€/l Benzinpreis. Dies wird durch die noch hohen Kosten für den Akku und den Antrieb (100€/kW, zum Vergleich durchschn. Verbrenner: 50€/kW) verschuldet [2]. Sollte sich in der Automobilindustrie jedoch ein Motorentyp durchsetzen, so ist davon auszugehen, dass durch die höhere Produktionszahl, als auch durch die weiterentwickelte Technik, der Preis für diese Antriebe deutlich sinken wird.<br /> Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Entwickler die Rohstoffsituation in ihre Konzepte mit integrieren und somit auf Motoren setzen, welche entweder vollkommen unabhängig (Reluktanzmotor) oder nur geringfügig abhängig (Asynchronmaschine) von seltenen Erden sind. Ingenieure haben bereits effiziente Reluktanzmotoren entwickelt, welche gänzliche ohne Dauermagnete auskommen und damit auch ohne seltene Erden. Anstatt der teuren Permanentmagnete werden hier Spulen eingesetzt, welche erst magnetisch werden, wenn Strom durch sie fließt. Somit ist dieser Motor sowohl billiger, als auch energieeffizienter [7]. Unausweichlich scheint jedoch ein rasanter Anstieg des Kupferbedarfs zu sein, dessen Bewältigung ebenfalls eine Herausforderung darstellen wird [3], jedoch nicht ganz so kritisch zu betrachten ist, wie der Anstieg des Bedarfs an seltenen Erden.<br /> Ein weiteres Problem stellt das Einsatzgebiet des Fahrzeugs dar: bei normalen Temperaturen (um 20°C) hat ein Elektroauto ungefähr eine Gesamteffizienz von 40 % (von der Produktion des Stroms bis zum direkten Verbrauch im Fahrzeug). Der Verbrennungsmotor hat eine Effizienz von etwa 25 % (von der Förderung bis zum Verbrauch im Auto). Auf der Autobahn, an einem kalten Tag, ist es genau umgekehrt: der Wirkungsgrad des Elektrofahrzeuges liegt eher bei 30 % und der des Verbrenners bei 40 %. so dass das Elektrofahrzeug auf Langstrecken energetisch derzeit eigentlich keinen Sinn ergibt [2]. Dies liegt jedoch nicht an den Elektroantrieben sondern am jeweiligen Strommix (Verknüpfung) und der Speichertechnologie (Verknüpfung)<br /> <br /> <br /> <br /> == Einzelnachweise ==<br /> <br /> &lt;references /&gt;<br /> <br /> [1] A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013<br /> <br /> [2] M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012<br /> <br /> [3] H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011<br /> <br /> [4] R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010<br /> <br /> [5] J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 <br /> <br /> [6] Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität (http://www.oeko.de/oekodoc/1334/2011-449-de.pdf<br /> <br /> [7] http://www.zeit.de/auto/2013-02/elektromotor-technik<br /> <br /> <br /> == Weblinks ==<br /> <br /> <br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Antriebe_und_Zweitverbraucher&diff=551 2014-01-23T10:24:33Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> <br /> == Elektromotoren: Potential und Problematik ==<br /> <br /> Grundsätzlich lassen sich alle gängigen elektrischen Maschinenarten (vgl. [[Arten von Elektromotoren]]) in Elektrofahrzeugen verbauen. Entscheidend für die Wahl einer bestimmten E-Maschine ist das erwartete Fahrprofil, sowie folgende Kriterien: Kosten, Fertigbarkeit, Wartungsfähigkeit, Recyclebarkeit, Lebensdauer, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Materialauswahl &lt;ref&gt;A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013 &lt;/ref&gt;. <br /> Fahrdynamisch gesehen haben Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren viele Vorteile. Der größte ist sicherlich das konstante Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich. Während beim Verbrennungsmotor das maximale Drehmoment nur in einem sehr kleinen, meist relativ hohem Drehzahlbereich vorherrscht, setzen Elektromotoren ihr maximales Drehmoment schon von Anfang an um (vgl. Abbildung 1). Dies bedeutet ein besseres Beschleunigungsverhalten und den Wegfall einer Anfahrkupplung, da Elektromotoren aus dem Stillstand beschleunigen können. Insgesamt kann bei einem Stadtfahrzeug komplett auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden, da der Elektromotor den benötigten Drehzahlbereich vollkommen abdeckt. Erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten (&gt;120 km/h) wird eine Übersetzung benötigt. Das dafür benötigte Zwei-Gang-Getriebe kann aber deutlich einfacher und kleiner ausfallen, als die heute üblichen 6-, 7- oder 8-Gang-Getriebe, welche benötigt werden um den Verbrennungsmotor im optimalen Betriebspunkt zu halten &lt;ref&gt; H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011 &lt;/ref&gt;.<br /> Anders als Verbrennungskraftmaschinen können E-Motoren zudem im sogenannten 4-Quadranten-Betrieb arbeiten. Darunter wird verstanden, dass die E-Maschine in beide Drehrichtungen als Antrieb und Bremse betrieben werden kann. Gleichzeitig kann sie im Bremsbetrieb auch als Generator verwendet werden, wodurch die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht wird. Allerdings muss diese Energie dann geeignet gespeichert werden &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt;<br /> Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchronmaschinen (vgl. Abbildung 2). Diese Maschinen benötigen allerdings Seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine Seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen . Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen niedrigen Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen &lt;ref&gt; R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010 &lt;/ref&gt; .<br /> <br /> <br /> == Optimales Spannungslevel des elektrischen Bordnetzes ==<br /> <br /> <br /> Die Wahl des Spannungslevels des elektrischen Systems ist ein zentrales Thema bei der Grundauslegung eines E-Fahrzeugs. Wählt man ein niedriges Spannungsniveau von z.B. 60V, so kann einfach sichergestellt werden, dass die Komponenten bei einem Unfall oder unsachgemäßer Handhabung Lebewesen keine schweren Verletzungen zuführen. Allerdings benötigt man dann nach dem Gesetz der Elektrischen Leistung (P = U*I) höhere Ströme, was zu höheren Verlusten in den elektrischen Maschinen und einen höheren Kupferaufwand für das Bordnetz führt. Wählt man jedoch ein höheres Spannungslevel, für welches die meisten Motoren und Halbleiter in der nötigen Leistungsklasse ausgelegt sind, so können die 900 – 1.200V Spannung zu schweren Verletzungen bis hin zum Tode führen. <br /> Die gängige heutige Lösung dieses Problems ist ein DC/DC-Wandler, welcher die von Wechselrichter (wird für Asynchronmaschinen benötigt), Bordnetz und Maschinen geforderte höhere Spannung dynamisch erzeugt. Zwar ist auch dieser mit Verlusten behaftete, jedoch sind diese bei Weitem nicht so hoch wie die Verluste durch hohe Ströme. Beim Abstellen des Fahrzeugs oder im Fehlerfall kann der Zwischenkreis schnell entladen werden, dann ist nur noch die niedrige Batteriespannung im System, welche nahezu ungefährlich ist [1]. <br /> <br /> <br /> == Leistungselektronik ==<br /> <br /> <br /> Die Leistungselektronik wird benötigt, da die Antriebe und Zweitverbraucher (Bremskraftverstärker, Lenkhilfe, Heizung, …) eine hohe Leistung und damit eine hohe Spannung benötigen, die allerdings nicht von den Batterien geliefert werden kann. Akkumulatoren können Strom nur in einem geringen Spannungszustand speichern und abgeben, d.h. das sowohl die Energie für den Antrieb, als auch zurückgewonnene Energie durch Rekuperation umgewandelt werden muss. Gleichwohl wird elektrischer Strom als Gleichstrom in den Akkus gespeichert und muss daher beim Einsatz einer Asynchronmaschine als Antrieb zu Wechselstrom umgerichtet werden.<br /> In den letzten Jahren machte man sehr große Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik, wodurch mittlerweile Wirkungsgrade von 90% möglich sind. Eine geringere Wärmeabgabe führt allerdings auch dazu, dass eine zusätzliche fossile Heizung benötigt wird (siehe Kap.4). Die höhere Leistungsdichte der Bauteile und der Betrieb der Teile auf immer kleineren Raum führen allerdings zu einer kritischen elektromagnetischen Verträglichkeit. Vor allem andere elektrische Geräte können durch die hohe EMV-Belastung massiv gestört und beschädigt werden, aber auch die Folgen für den Menschen sind noch nicht gänzlich erforscht [1]. Die Folgen von sogenannten Elektrosmog auf den Menschen sind derzeit ein wichtiges Streitthema in der Wissenschaft und sollten daher mit Vorsicht behandelt werden, insbesondere da sich Menschen heutzutage sehr lange in Fahrzeugen aufhalten. <br /> <br /> <br /> == Thermomanagement ==<br /> <br /> Da Elektromotoren einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen (bis zu 90%), produzieren sie nicht mehr genug Abwärme um den Innenraum des Fahrzeugs damit zu beheizen. Aus diesem Grund muss hierfür eine zusätzliche fossile oder elektrische Heizanlage vorgesehen werden. Energetisch gesehen wäre sogar eine fossile Heizanlage vorteilhafter, da elektrische Heizanlagen einen extrem schlechten Wirkungsgrad besitzen und die Reichweite des Fahrzeuges zu stark verringern würden. Für eine fossile Heizung würde man allerdings eine zusätzliche Infrastruktur inklusive Tank benötigen und ein abgeschirmtes Heizaggregat, in welchem das Öl oder das Gas verbrannt wird. Dies wird aus Kosten- und Komplexitätsgründen wahrscheinlich nicht möglich sein. Die Kühlung des Innenraums durch einen Klimakompressor ist hingegen unkritischer wenn auch ebenfalls sehr energieintensiv [2]. Neben dem Innenraum muss zudem auch die Batterie in einem möglichst engen Temperaturfeld gehalten werden um ihre volle Leistungsfähigkeit zu garantieren. Somit ergibt sich sowohl an besonders heißen, als auch an besonders kalten Tagen eine deutliche Reduzierung der Reichweite, da der Klimakompressor oder die Heizanlage dann einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch des Fahrzeugs aufweisen. So benötigt man z.B. bei einer Außentemperatur von 4°C eine Heizleistung von 3,6 kW um einen mittelgroßen PKW auf 20°C zu heizen. Um eine gefühlte Temperatur von 20°C zu erreichen muss auf Grund der kalten Teile im Fahrzeug sogar mit einer deutlich höheren Temperatur gerechnet werden. Bei einem Standartheizsystem mit elektrischer Direktheizung würde dies bei der heutigen Technik eine Reduzierung der Reichweite um 25-30% nach sich ziehen. Berücksichtigt man Wärmeverluste durch den Lufttransport in den Kanälen und den Energieverbrauch durch die Lüftung, so ist eine Reduzierung der Reichweite von 40% anzunehmen. Bedenkt man nun, dass die Batterie bei 4°C entweder auch geheizt werden muss, oder deutlich weniger Speicherkapazität aufweisen kann, so sinkt die Reichweite des Fahrzeugs schnell unter 50%. Mögliche Gegenmaßnahmen zu dieser Problematik sind besser Dämmung der Fahrzeugkabine und aktive Wärmerückgewinnung [1].<br /> <br /> <br /> == Ressourcenbedarf ==<br /> <br /> Als Rohstoffe für die Produktion eines Elektromotors wird neben Eisen insbesondere Kupfer benötigt. Bei den permanenterregten Varianten der Synchron- und Gleichstrommaschinen wird zusätzlich noch Neodym als permanentmagnetischer Werkstoff benötigt. Neodym gehört den seltenen Erden an und wird für den Bau leistungsfähiger Magnete benötigt. Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchdonmaschinen. Diese Maschinen benötigen wie schon beschrieben seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen [2]. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen geringfügigeren Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen [6]. Der Bedarf an seltenen Erden, insbesondere an Neodym, würde bei einer Umrüstung des Individualverkehrs auf Elektromobilität auf Grund des steigenden Produktionsaufkommens von permanenterregten Elektromotoren extrem anwachsen. Geht man von einer Wachstumsrate des Elektrofahrzeugmarktes von 26% pro Jahr aus und von einer verbauten Masse von 1kg Neodym (heutzutage üblich) pro Elektroauto, so würde der Anteil des für Elektromotoren benötigten Neodyms an der weltweiten Förderung von derzeit 4,11% auf 1452% im Jahr 2030 steigen (vgl. Abbildung 8). Um also alleine die permanenterregten Elektromotoren für Elektroautos herzustellen, würde man bis 2030 die Abbaumenge von Neodym um das 15 fache der heutigen Abbaumenge steigern müssen. <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Neodym.jpg]]<br /> ''Abbildung 1: Erwarteter Anstieg des Neodym Bedarfs''<br /> <br /> <br /> Der Kupferbedarf wird unabhängig vom dominanten Motorentyp wachsen, da alle Elektromotoren und deren Leistungselektronik Kupfer benötigen. Geht man wiederum von einer jährlichen Wachstumsrate der Elektromobilität von 26% aus und einer verbauten Kupfermenge von 30kg pro Fahrzeug, so würde der Anteil der Elektromotoren an der weltweiten Kupferproduktion von derzeit 0,06% bis in Jahr 2030 auf 21,13% steigen (vgl. Abbildung 9)<br /> <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Kupfer.jpg]]<br /> ''Abbildung 2: Erwarteter Anstieg des Kupferbedarfs''<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> == Zukunft ==<br /> <br /> Zur jetzigen Zeit lohnt sich ein normales Auto in der Golfklasse mit einer Fahrleistung von 12.000km pro Jahr sowohl als Plug-In-Hybrid als auch als reines Elektrofahrzeug erst ab 3€/l Benzinpreis. Dies wird durch die noch hohen Kosten für den Akku und den Antrieb (100€/kW, zum Vergleich durchschn. Verbrenner: 50€/kW) verschuldet [2]. Sollte sich in der Automobilindustrie jedoch ein Motorentyp durchsetzen, so ist davon auszugehen, dass durch die höhere Produktionszahl, als auch durch die weiterentwickelte Technik, der Preis für diese Antriebe deutlich sinken wird.<br /> Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Entwickler die Rohstoffsituation in ihre Konzepte mit integrieren und somit auf Motoren setzen, welche entweder vollkommen unabhängig (Reluktanzmotor) oder nur geringfügig abhängig (Asynchronmaschine) von seltenen Erden sind. Ingenieure haben bereits effiziente Reluktanzmotoren entwickelt, welche gänzliche ohne Dauermagnete auskommen und damit auch ohne seltene Erden. Anstatt der teuren Permanentmagnete werden hier Spulen eingesetzt, welche erst magnetisch werden, wenn Strom durch sie fließt. Somit ist dieser Motor sowohl billiger, als auch energieeffizienter [7]. Unausweichlich scheint jedoch ein rasanter Anstieg des Kupferbedarfs zu sein, dessen Bewältigung ebenfalls eine Herausforderung darstellen wird [3], jedoch nicht ganz so kritisch zu betrachten ist, wie der Anstieg des Bedarfs an seltenen Erden.<br /> Ein weiteres Problem stellt das Einsatzgebiet des Fahrzeugs dar: bei normalen Temperaturen (um 20°C) hat ein Elektroauto ungefähr eine Gesamteffizienz von 40 % (von der Produktion des Stroms bis zum direkten Verbrauch im Fahrzeug). Der Verbrennungsmotor hat eine Effizienz von etwa 25 % (von der Förderung bis zum Verbrauch im Auto). Auf der Autobahn, an einem kalten Tag, ist es genau umgekehrt: der Wirkungsgrad des Elektrofahrzeuges liegt eher bei 30 % und der des Verbrenners bei 40 %. so dass das Elektrofahrzeug auf Langstrecken energetisch derzeit eigentlich keinen Sinn ergibt [2]. Dies liegt jedoch nicht an den Elektroantrieben sondern am jeweiligen Strommix (Verknüpfung) und der Speichertechnologie (Verknüpfung)<br /> <br /> <br /> <br /> == Einzelnachweise ==<br /> <br /> &lt;references /&gt;<br /> <br /> [1] A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013<br /> <br /> [2] M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012<br /> <br /> [3] H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011<br /> <br /> [4] R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010<br /> <br /> [5] J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 <br /> <br /> [6] Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität (http://www.oeko.de/oekodoc/1334/2011-449-de.pdf<br /> <br /> [7] http://www.zeit.de/auto/2013-02/elektromotor-technik<br /> <br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Antriebe_und_Zweitverbraucher&diff=550 2014-01-23T10:15:24Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> <br /> == Elektromotoren: Potential und Problematik ==<br /> <br /> Grundsätzlich lassen sich alle gängigen elektrischen Maschinenarten (vgl. [[Arten von Elektromotoren]]) in Elektrofahrzeugen verbauen. Entscheidend für die Wahl einer bestimmten E-Maschine ist das erwartete Fahrprofil, sowie folgende Kriterien: Kosten, Fertigbarkeit, Wartungsfähigkeit, Recyclebarkeit, Lebensdauer, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Materialauswahl [1]. <br /> Fahrdynamisch gesehen haben Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren viele Vorteile. Der größte ist sicherlich das konstante Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich. Während beim Verbrennungsmotor das maximale Drehmoment nur in einem sehr kleinen, meist relativ hohem Drehzahlbereich vorherrscht, setzen Elektromotoren ihr maximales Drehmoment schon von Anfang an um (vgl. Abbildung 1). Dies bedeutet ein besseres Beschleunigungsverhalten und den Wegfall einer Anfahrkupplung, da Elektromotoren aus dem Stillstand beschleunigen können. Insgesamt kann bei einem Stadtfahrzeug komplett auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden, da der Elektromotor den benötigten Drehzahlbereich vollkommen abdeckt. Erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten (&gt;120 km/h) wird eine Übersetzung benötigt. Das dafür benötigte Zwei-Gang-Getriebe kann aber deutlich einfacher und kleiner ausfallen, als die heute üblichen 6-, 7- oder 8-Gang-Getriebe, welche benötigt werden um den Verbrennungsmotor im optimalen Betriebspunkt zu halten. [3]<br /> Anders als Verbrennungskraftmaschinen können E-Motoren zudem im sogenannten 4-Quadranten-Betrieb arbeiten. Darunter wird verstanden, dass die E-Maschine in beide Drehrichtungen als Antrieb und Bremse betrieben werden kann. Gleichzeitig kann sie im Bremsbetrieb auch als Generator verwendet werden, wodurch die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht wird. Allerdings muss diese Energie dann geeignet gespeichert werden [4]<br /> Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchronmaschinen (vgl. Abbildung 2). Diese Maschinen benötigen allerdings Seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine Seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen [2]. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen niedrigen Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen [4].<br /> <br /> <br /> == Optimales Spannungslevel des elektrischen Bordnetzes ==<br /> <br /> <br /> Die Wahl des Spannungslevels des elektrischen Systems ist ein zentrales Thema bei der Grundauslegung eines E-Fahrzeugs. Wählt man ein niedriges Spannungsniveau von z.B. 60V, so kann einfach sichergestellt werden, dass die Komponenten bei einem Unfall oder unsachgemäßer Handhabung Lebewesen keine schweren Verletzungen zuführen. Allerdings benötigt man dann nach dem Gesetz der Elektrischen Leistung (P = U*I) höhere Ströme, was zu höheren Verlusten in den elektrischen Maschinen und einen höheren Kupferaufwand für das Bordnetz führt. Wählt man jedoch ein höheres Spannungslevel, für welches die meisten Motoren und Halbleiter in der nötigen Leistungsklasse ausgelegt sind, so können die 900 – 1.200V Spannung zu schweren Verletzungen bis hin zum Tode führen. <br /> Die gängige heutige Lösung dieses Problems ist ein DC/DC-Wandler, welcher die von Wechselrichter (wird für Asynchronmaschinen benötigt), Bordnetz und Maschinen geforderte höhere Spannung dynamisch erzeugt. Zwar ist auch dieser mit Verlusten behaftete, jedoch sind diese bei Weitem nicht so hoch wie die Verluste durch hohe Ströme. Beim Abstellen des Fahrzeugs oder im Fehlerfall kann der Zwischenkreis schnell entladen werden, dann ist nur noch die niedrige Batteriespannung im System, welche nahezu ungefährlich ist [1]. <br /> <br /> <br /> == Leistungselektronik ==<br /> <br /> <br /> Die Leistungselektronik wird benötigt, da die Antriebe und Zweitverbraucher (Bremskraftverstärker, Lenkhilfe, Heizung, …) eine hohe Leistung und damit eine hohe Spannung benötigen, die allerdings nicht von den Batterien geliefert werden kann. Akkumulatoren können Strom nur in einem geringen Spannungszustand speichern und abgeben, d.h. das sowohl die Energie für den Antrieb, als auch zurückgewonnene Energie durch Rekuperation umgewandelt werden muss. Gleichwohl wird elektrischer Strom als Gleichstrom in den Akkus gespeichert und muss daher beim Einsatz einer Asynchronmaschine als Antrieb zu Wechselstrom umgerichtet werden.<br /> In den letzten Jahren machte man sehr große Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik, wodurch mittlerweile Wirkungsgrade von 90% möglich sind. Eine geringere Wärmeabgabe führt allerdings auch dazu, dass eine zusätzliche fossile Heizung benötigt wird (siehe Kap.4). Die höhere Leistungsdichte der Bauteile und der Betrieb der Teile auf immer kleineren Raum führen allerdings zu einer kritischen elektromagnetischen Verträglichkeit. Vor allem andere elektrische Geräte können durch die hohe EMV-Belastung massiv gestört und beschädigt werden, aber auch die Folgen für den Menschen sind noch nicht gänzlich erforscht [1]. Die Folgen von sogenannten Elektrosmog auf den Menschen sind derzeit ein wichtiges Streitthema in der Wissenschaft und sollten daher mit Vorsicht behandelt werden, insbesondere da sich Menschen heutzutage sehr lange in Fahrzeugen aufhalten. <br /> <br /> <br /> == Thermomanagement ==<br /> <br /> Da Elektromotoren einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen (bis zu 90%), produzieren sie nicht mehr genug Abwärme um den Innenraum des Fahrzeugs damit zu beheizen. Aus diesem Grund muss hierfür eine zusätzliche fossile oder elektrische Heizanlage vorgesehen werden. Energetisch gesehen wäre sogar eine fossile Heizanlage vorteilhafter, da elektrische Heizanlagen einen extrem schlechten Wirkungsgrad besitzen und die Reichweite des Fahrzeuges zu stark verringern würden. Für eine fossile Heizung würde man allerdings eine zusätzliche Infrastruktur inklusive Tank benötigen und ein abgeschirmtes Heizaggregat, in welchem das Öl oder das Gas verbrannt wird. Dies wird aus Kosten- und Komplexitätsgründen wahrscheinlich nicht möglich sein. Die Kühlung des Innenraums durch einen Klimakompressor ist hingegen unkritischer wenn auch ebenfalls sehr energieintensiv [2]. Neben dem Innenraum muss zudem auch die Batterie in einem möglichst engen Temperaturfeld gehalten werden um ihre volle Leistungsfähigkeit zu garantieren. Somit ergibt sich sowohl an besonders heißen, als auch an besonders kalten Tagen eine deutliche Reduzierung der Reichweite, da der Klimakompressor oder die Heizanlage dann einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch des Fahrzeugs aufweisen. So benötigt man z.B. bei einer Außentemperatur von 4°C eine Heizleistung von 3,6 kW um einen mittelgroßen PKW auf 20°C zu heizen. Um eine gefühlte Temperatur von 20°C zu erreichen muss auf Grund der kalten Teile im Fahrzeug sogar mit einer deutlich höheren Temperatur gerechnet werden. Bei einem Standartheizsystem mit elektrischer Direktheizung würde dies bei der heutigen Technik eine Reduzierung der Reichweite um 25-30% nach sich ziehen. Berücksichtigt man Wärmeverluste durch den Lufttransport in den Kanälen und den Energieverbrauch durch die Lüftung, so ist eine Reduzierung der Reichweite von 40% anzunehmen. Bedenkt man nun, dass die Batterie bei 4°C entweder auch geheizt werden muss, oder deutlich weniger Speicherkapazität aufweisen kann, so sinkt die Reichweite des Fahrzeugs schnell unter 50%. Mögliche Gegenmaßnahmen zu dieser Problematik sind besser Dämmung der Fahrzeugkabine und aktive Wärmerückgewinnung [1].<br /> <br /> <br /> == Ressourcenbedarf ==<br /> <br /> Als Rohstoffe für die Produktion eines Elektromotors wird neben Eisen insbesondere Kupfer benötigt. Bei den permanenterregten Varianten der Synchron- und Gleichstrommaschinen wird zusätzlich noch Neodym als permanentmagnetischer Werkstoff benötigt. Neodym gehört den seltenen Erden an und wird für den Bau leistungsfähiger Magnete benötigt. Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchdonmaschinen. Diese Maschinen benötigen wie schon beschrieben seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen [2]. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen geringfügigeren Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen [6]. Der Bedarf an seltenen Erden, insbesondere an Neodym, würde bei einer Umrüstung des Individualverkehrs auf Elektromobilität auf Grund des steigenden Produktionsaufkommens von permanenterregten Elektromotoren extrem anwachsen. Geht man von einer Wachstumsrate des Elektrofahrzeugmarktes von 26% pro Jahr aus und von einer verbauten Masse von 1kg Neodym (heutzutage üblich) pro Elektroauto, so würde der Anteil des für Elektromotoren benötigten Neodyms an der weltweiten Förderung von derzeit 4,11% auf 1452% im Jahr 2030 steigen (vgl. Abbildung 8). Um also alleine die permanenterregten Elektromotoren für Elektroautos herzustellen, würde man bis 2030 die Abbaumenge von Neodym um das 15 fache der heutigen Abbaumenge steigern müssen. <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Neodym.jpg]]<br /> ''Abbildung 1: Erwarteter Anstieg des Neodym Bedarfs''<br /> <br /> <br /> Der Kupferbedarf wird unabhängig vom dominanten Motorentyp wachsen, da alle Elektromotoren und deren Leistungselektronik Kupfer benötigen. Geht man wiederum von einer jährlichen Wachstumsrate der Elektromobilität von 26% aus und einer verbauten Kupfermenge von 30kg pro Fahrzeug, so würde der Anteil der Elektromotoren an der weltweiten Kupferproduktion von derzeit 0,06% bis in Jahr 2030 auf 21,13% steigen (vgl. Abbildung 9)<br /> <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Kupfer.jpg]]<br /> ''Abbildung 2: Erwarteter Anstieg des Kupferbedarfs''<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> == Zukunft ==<br /> <br /> Zur jetzigen Zeit lohnt sich ein normales Auto in der Golfklasse mit einer Fahrleistung von 12.000km pro Jahr sowohl als Plug-In-Hybrid als auch als reines Elektrofahrzeug erst ab 3€/l Benzinpreis. Dies wird durch die noch hohen Kosten für den Akku und den Antrieb (100€/kW, zum Vergleich durchschn. Verbrenner: 50€/kW) verschuldet [2]. Sollte sich in der Automobilindustrie jedoch ein Motorentyp durchsetzen, so ist davon auszugehen, dass durch die höhere Produktionszahl, als auch durch die weiterentwickelte Technik, der Preis für diese Antriebe deutlich sinken wird.<br /> Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Entwickler die Rohstoffsituation in ihre Konzepte mit integrieren und somit auf Motoren setzen, welche entweder vollkommen unabhängig (Reluktanzmotor) oder nur geringfügig abhängig (Asynchronmaschine) von seltenen Erden sind. Ingenieure haben bereits effiziente Reluktanzmotoren entwickelt, welche gänzliche ohne Dauermagnete auskommen und damit auch ohne seltene Erden. Anstatt der teuren Permanentmagnete werden hier Spulen eingesetzt, welche erst magnetisch werden, wenn Strom durch sie fließt. Somit ist dieser Motor sowohl billiger, als auch energieeffizienter [7]. Unausweichlich scheint jedoch ein rasanter Anstieg des Kupferbedarfs zu sein, dessen Bewältigung ebenfalls eine Herausforderung darstellen wird [3], jedoch nicht ganz so kritisch zu betrachten ist, wie der Anstieg des Bedarfs an seltenen Erden.<br /> Ein weiteres Problem stellt das Einsatzgebiet des Fahrzeugs dar: bei normalen Temperaturen (um 20°C) hat ein Elektroauto ungefähr eine Gesamteffizienz von 40 % (von der Produktion des Stroms bis zum direkten Verbrauch im Fahrzeug). Der Verbrennungsmotor hat eine Effizienz von etwa 25 % (von der Förderung bis zum Verbrauch im Auto). Auf der Autobahn, an einem kalten Tag, ist es genau umgekehrt: der Wirkungsgrad des Elektrofahrzeuges liegt eher bei 30 % und der des Verbrenners bei 40 %. so dass das Elektrofahrzeug auf Langstrecken energetisch derzeit eigentlich keinen Sinn ergibt [2]. Dies liegt jedoch nicht an den Elektroantrieben sondern am jeweiligen Strommix (Verknüpfung) und der Speichertechnologie (Verknüpfung)<br /> <br /> <br /> <br /> == Einzelnachweise ==<br /> <br /> <br /> <br /> [1] A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013<br /> <br /> [2] M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012<br /> <br /> [3] H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011<br /> <br /> [4] R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010<br /> <br /> [5] J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 <br /> <br /> [6] Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität (http://www.oeko.de/oekodoc/1334/2011-449-de.pdf<br /> <br /> [7] http://www.zeit.de/auto/2013-02/elektromotor-technik<br /> <br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Potentiale_und_Herausforderungen_Elektromobilit%C3%A4t&diff=549 2014-01-23T10:14:48Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div><br /> == Begriffserklärung ==<br /> <br /> Die Elektromobilität beschränkt sich nicht nur auf das Elektrofahrzeug an sich, sondern muss als ein zusammenhängender Kreis mehrere wichtiger Teilbereiche gesehen werden (siehe Abbildung 1). Für einen funktionierenden Umstieg auf elektrischen Strom als Antriebsquelle unserer Fahrzeuge müssen neben dem eigentlichem Auto und dem Energiespeicher auch die bestehende Infrastruktur und die Stromnetze weiterentwickelt werden. Zudem muss über neuen Mobilitätskonzepte nachgedacht werden und der Ausbau der erneuerbaren Energien weiter vorangetrieben werden<br /> <br /> <br /> [[Datei:Kausalkreis_Elektrombilität.jpg |mini|hochkant=2.0|Abbildung 1: Kausalkreis der Elektromobiliät]]<br /> <br /> <br /> == Potential ==<br /> <br /> Die Elektromobilität bietet im Vergleich zu derzeit konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor viele entscheidende Vorteile, die sie zur Zukunft der individuellen Mobilität werden lassen könnten. Vor allem ist durch Elektroautos eine schnelle und bequeme Fortbewegung ohne den Ausstoß von CO2 oder Schadstoffen prinzipiell möglich. Da es auf Dauer und in naher Zukunft unerlässlich sein wird, den Ausstoß von CO2 in die Atmosphäre zu senken um das Klima auf unserem Planeten nicht katastrophal zu verändern, lässt sich das Potential dieser Technologie gut erahnen. <br /> Ein zweiter wichtiger Aspekt, der für die Elektromobilität spricht, ist die zunehmende Verknappung fossiler Brennstoffe wie Öl und Erdgas, welche zum Betrieb von Verbrennungsmotoren benötigt werden. Die Automobilität konkurriert zudem mit anderen Industriezweigen, wie etwa der Wärme- oder Kunststoffproduktion, sowie z.B. dem Flugverkehr um diese Rohstoffe, in welchen sich die Suche nach Alternativen als schwerer entpuppt als bei Automobilen. Da die fossilen Brennstoffe endlich sind, muss unabhängig von den Randbedingungen eine Alternative für die Zukunft gefunden werden. Warum also nicht schon jetzt damit beginnen?<br /> Durch die zunehmende Urbanisierung der Welt werden in Zukunft zudem immer mehr Menschen in sogenannten Megacities (Städte mit mehr als 10 Mio. Einwohnern) leben. Platz ist dort nur begrenzt vorhanden und die täglich zurückzulegende Strecke ist gering. Optimale Bedingungen also für kleine, leichte Elektrofahrzeuge. Da diese Autos zudem keine direkten Schadstoffe ausstoßen und quasi geräuschlos dahinrollen, bieten sie ein sehr großes Potential um in den Megacities der Zukunft dem Platzmangel, dem Smog und der hohen Lärmbelästigung entgegenzuwirken.<br /> Ein weiteres Potential von Elektroautos ist ihre Stromspeicherfähigkeit. Regenerative Energie, wie z.B. Wind- oder Solarenergie, lässt sich nicht oder nur schwer vorhersagen. Aus diesem Grund würde man bei einem steigendem Anteil unserer Stromerzeugung aus regenerativen Energien Speichermöglichkeiten benötigen, welche den bei guten Bedingungen (viel Wind, Sonne, Wellen, …) erzeugten Strom für Zeiten schlechter Bedingungen speichern kann. Elektroautos könnten in Zusammenarbeit mit intelligenten Stromnetzen, den sogenannten Smart Grids, diese Energie in ihren Batterien speichern und bei Verbrauchsspitzen, beispielsweise am Abend, wieder freigeben.<br /> <br /> <br /> == Herausforderungen ==<br /> <br /> Wie Abbildung 2 bereits andeutet, gibt es im Bereich der Elektromobilität noch viele Problempunkte, die in den nächsten Jahren gelöst werden sollten, wenn der Elektroantrieb den Verbrennungsmotor ohne Komforteinbußen für den Kunden ablösen soll. <br /> <br /> [[Datei:Beispiel_Betankzeit.jpg|mini|hochkant=2.0|Abbildung 2: Betankzeit bei versch. Fahrzeugtypen]]<br /> <br /> Doch neben den vielen noch bestehenden technischen Problemen interessieren wir uns in dieser Semesterarbeit vor allem für die ökologischen Folgen einer Umstellung des Individualverkehrs auf Elektroautos. Auf den Plakaten dieses Wissensspeichers werden dabei alle wichtigen Faktoren genannt, die dem Elektroauto seinen Ruf als ökologische Fortbewegungsvariante strittig machen. Das Finden von Lösungsstrategien für diese Problematiken stellt sich als zentrale Aufgabe heraus, damit das Elektroauto in Zukunft wirklich eine grüne Variante der Fortbewegung ist. Beispielsweise lassen sich dabei folgende Herausforderungen nennen, welche von Ingenieuren und Politikern noch gemeistert werden müssen:<br /> <br /> <br /> - Entwicklung neuer Antriebssysteme um kritische Ressourcen wie Kupfer und Seltene Erden zu umgehen<br /> <br /> <br /> - Entwicklung neuer Batteriesysteme um einen extremen Bedarfsanstieg von Lithium zu unterbinden<br /> <br /> <br /> - Ausbau der Regenerativen Energien weltweit. Derzeit würde ein Elektroauto in den meisten Ländern der Welt mehr CO2 produzieren als ein moderner Verbrennungsmotor<br /> <br /> <br /> - Umweltschonender Ausbau der für Elektromobilität benötigten Infrastruktur (Ladestationen, Energiespeicher,…)<br /> <br /> <br /> - Entwicklung veränderter Mobilitätsstrategien (Carsharing, Verbot von privaten Autos in Großstädten, Ausbau der öffentlichen Verkehrsmittel,…)<br /> <br /> <br /> - Internationale Zusammenarbeit stärken, um genormte Standards für Ladesysteme, Batterien, usw. zu entwickeln<br /> <br /> <br /> Dies sind nur Beispiele, im Rahmen dieses Wissensspeichers werden noch weitere Herausforderungen genannt.<br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Gr%C3%BCne_Elektroautos&diff=446 2014-01-20T20:27:56Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category: Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> <br /> Elektroautos werden heute von einer Mehrheit der Gesellschaft als die automobile Zukunft betrachtet. Mobilität ohne direkten Ausstoß von CO2 und Schadstoffen, leise Motoren und Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen unterstreichen diese These. Vergessen wird dabei allerdings oft, dass auch Elektroautos Probleme und Abhängigkeiten mit sich bringen, die hier näher erläutert werden sollen. <br /> <br /> Themenegebiete:<br /> <br /> <br /> 1) [[Potentiale und Herausforderungen Elektromobilität]]<br /> <br /> 2) [[Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> 3) [[Energiespeicher]]<br /> <br /> 4) [[benötigte Infrastruktur]]<br /> <br /> 5) [[Strommix der Zukunft]]<br /> <br /> 6) [[benötigte Ressoucen]]<br /> <br /> 7) [[Alternative Kraftstoffe]]<br /> <br /> 8) [[Zukunft ohne Auto?]]<br /> <br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Antriebe_und_Zweitverbraucher&diff=445 2014-01-20T20:21:17Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> <br /> == Elektromotoren: Potential und Problematik ==<br /> <br /> Grundsätzlich lassen sich alle gängigen elektrischen Maschinenarten (vgl. [[Arten von Elektromotoren]]) in Elektrofahrzeugen verbauen. Entscheidend für die Wahl einer bestimmten E-Maschine ist das erwartete Fahrprofil, sowie folgende Kriterien: Kosten, Fertigbarkeit, Wartungsfähigkeit, Recyclebarkeit, Lebensdauer, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Materialauswahl [1]. <br /> Fahrdynamisch gesehen haben Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren viele Vorteile. Der größte ist sicherlich das konstante Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich. Während beim Verbrennungsmotor das maximale Drehmoment nur in einem sehr kleinen, meist relativ hohem Drehzahlbereich vorherrscht, setzen Elektromotoren ihr maximales Drehmoment schon von Anfang an um (vgl. Abbildung 1). Dies bedeutet ein besseres Beschleunigungsverhalten und den Wegfall einer Anfahrkupplung, da Elektromotoren aus dem Stillstand beschleunigen können. Insgesamt kann bei einem Stadtfahrzeug komplett auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden, da der Elektromotor den benötigten Drehzahlbereich vollkommen abdeckt. Erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten (&gt;120 km/h) wird eine Übersetzung benötigt. Das dafür benötigte Zwei-Gang-Getriebe kann aber deutlich einfacher und kleiner ausfallen, als die heute üblichen 6-, 7- oder 8-Gang-Getriebe, welche benötigt werden um den Verbrennungsmotor im optimalen Betriebspunkt zu halten. [3]<br /> Anders als Verbrennungskraftmaschinen können E-Motoren zudem im sogenannten 4-Quadranten-Betrieb arbeiten. Darunter wird verstanden, dass die E-Maschine in beide Drehrichtungen als Antrieb und Bremse betrieben werden kann. Gleichzeitig kann sie im Bremsbetrieb auch als Generator verwendet werden, wodurch die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht wird. Allerdings muss diese Energie dann geeignet gespeichert werden [4]<br /> Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchronmaschinen (vgl. Abbildung 2). Diese Maschinen benötigen allerdings Seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine Seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen [2]. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen niedrigen Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen [4].<br /> <br /> <br /> == Optimales Spannungslevel des elektrischen Bordnetzes ==<br /> <br /> <br /> Die Wahl des Spannungslevels des elektrischen Systems ist ein zentrales Thema bei der Grundauslegung eines E-Fahrzeugs. Wählt man ein niedriges Spannungsniveau von z.B. 60V, so kann einfach sichergestellt werden, dass die Komponenten bei einem Unfall oder unsachgemäßer Handhabung Lebewesen keine schweren Verletzungen zuführen. Allerdings benötigt man dann nach dem Gesetz der Elektrischen Leistung (P = U*I) höhere Ströme, was zu höheren Verlusten in den elektrischen Maschinen und einen höheren Kupferaufwand für das Bordnetz führt. Wählt man jedoch ein höheres Spannungslevel, für welches die meisten Motoren und Halbleiter in der nötigen Leistungsklasse ausgelegt sind, so können die 900 – 1.200V Spannung zu schweren Verletzungen bis hin zum Tode führen. <br /> Die gängige heutige Lösung dieses Problems ist ein DC/DC-Wandler, welcher die von Wechselrichter (wird für Asynchronmaschinen benötigt), Bordnetz und Maschinen geforderte höhere Spannung dynamisch erzeugt. Zwar ist auch dieser mit Verlusten behaftete, jedoch sind diese bei Weitem nicht so hoch wie die Verluste durch hohe Ströme. Beim Abstellen des Fahrzeugs oder im Fehlerfall kann der Zwischenkreis schnell entladen werden, dann ist nur noch die niedrige Batteriespannung im System, welche nahezu ungefährlich ist [1]. <br /> <br /> <br /> == Leistungselektronik ==<br /> <br /> <br /> Die Leistungselektronik wird benötigt, da die Antriebe und Zweitverbraucher (Bremskraftverstärker, Lenkhilfe, Heizung, …) eine hohe Leistung und damit eine hohe Spannung benötigen, die allerdings nicht von den Batterien geliefert werden kann. Akkumulatoren können Strom nur in einem geringen Spannungszustand speichern und abgeben, d.h. das sowohl die Energie für den Antrieb, als auch zurückgewonnene Energie durch Rekuperation umgewandelt werden muss. Gleichwohl wird elektrischer Strom als Gleichstrom in den Akkus gespeichert und muss daher beim Einsatz einer Asynchronmaschine als Antrieb zu Wechselstrom umgerichtet werden.<br /> In den letzten Jahren machte man sehr große Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik, wodurch mittlerweile Wirkungsgrade von 90% möglich sind. Eine geringere Wärmeabgabe führt allerdings auch dazu, dass eine zusätzliche fossile Heizung benötigt wird (siehe Kap.4). Die höhere Leistungsdichte der Bauteile und der Betrieb der Teile auf immer kleineren Raum führen allerdings zu einer kritischen elektromagnetischen Verträglichkeit. Vor allem andere elektrische Geräte können durch die hohe EMV-Belastung massiv gestört und beschädigt werden, aber auch die Folgen für den Menschen sind noch nicht gänzlich erforscht [1]. Die Folgen von sogenannten Elektrosmog auf den Menschen sind derzeit ein wichtiges Streitthema in der Wissenschaft und sollten daher mit Vorsicht behandelt werden, insbesondere da sich Menschen heutzutage sehr lange in Fahrzeugen aufhalten. <br /> <br /> <br /> == Thermomanagement ==<br /> <br /> Da Elektromotoren einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen (bis zu 90%), produzieren sie nicht mehr genug Abwärme um den Innenraum des Fahrzeugs damit zu beheizen. Aus diesem Grund muss hierfür eine zusätzliche fossile oder elektrische Heizanlage vorgesehen werden. Energetisch gesehen wäre sogar eine fossile Heizanlage vorteilhafter, da elektrische Heizanlagen einen extrem schlechten Wirkungsgrad besitzen und die Reichweite des Fahrzeuges zu stark verringern würden. Für eine fossile Heizung würde man allerdings eine zusätzliche Infrastruktur inklusive Tank benötigen und ein abgeschirmtes Heizaggregat, in welchem das Öl oder das Gas verbrannt wird. Dies wird aus Kosten- und Komplexitätsgründen wahrscheinlich nicht möglich sein. Die Kühlung des Innenraums durch einen Klimakompressor ist hingegen unkritischer wenn auch ebenfalls sehr energieintensiv [2]. Neben dem Innenraum muss zudem auch die Batterie in einem möglichst engen Temperaturfeld gehalten werden um ihre volle Leistungsfähigkeit zu garantieren. Somit ergibt sich sowohl an besonders heißen, als auch an besonders kalten Tagen eine deutliche Reduzierung der Reichweite, da der Klimakompressor oder die Heizanlage dann einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch des Fahrzeugs aufweisen. So benötigt man z.B. bei einer Außentemperatur von 4°C eine Heizleistung von 3,6 kW um einen mittelgroßen PKW auf 20°C zu heizen. Um eine gefühlte Temperatur von 20°C zu erreichen muss auf Grund der kalten Teile im Fahrzeug sogar mit einer deutlich höheren Temperatur gerechnet werden. Bei einem Standartheizsystem mit elektrischer Direktheizung würde dies bei der heutigen Technik eine Reduzierung der Reichweite um 25-30% nach sich ziehen. Berücksichtigt man Wärmeverluste durch den Lufttransport in den Kanälen und den Energieverbrauch durch die Lüftung, so ist eine Reduzierung der Reichweite von 40% anzunehmen. Bedenkt man nun, dass die Batterie bei 4°C entweder auch geheizt werden muss, oder deutlich weniger Speicherkapazität aufweisen kann, so sinkt die Reichweite des Fahrzeugs schnell unter 50%. Mögliche Gegenmaßnahmen zu dieser Problematik sind besser Dämmung der Fahrzeugkabine und aktive Wärmerückgewinnung [1].<br /> <br /> <br /> == Ressourcenbedarf ==<br /> <br /> Als Rohstoffe für die Produktion eines Elektromotors wird neben Eisen insbesondere Kupfer benötigt. Bei den permanenterregten Varianten der Synchron- und Gleichstrommaschinen wird zusätzlich noch Neodym als permanentmagnetischer Werkstoff benötigt. Neodym gehört den seltenen Erden an und wird für den Bau leistungsfähiger Magnete benötigt. Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchdonmaschinen. Diese Maschinen benötigen wie schon beschrieben seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen [2]. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen geringfügigeren Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen [6]. Der Bedarf an seltenen Erden, insbesondere an Neodym, würde bei einer Umrüstung des Individualverkehrs auf Elektromobilität auf Grund des steigenden Produktionsaufkommens von permanenterregten Elektromotoren extrem anwachsen. Geht man von einer Wachstumsrate des Elektrofahrzeugmarktes von 26% pro Jahr aus und von einer verbauten Masse von 1kg Neodym (heutzutage üblich) pro Elektroauto, so würde der Anteil des für Elektromotoren benötigten Neodyms an der weltweiten Förderung von derzeit 4,11% auf 1452% im Jahr 2030 steigen (vgl. Abbildung 8). Um also alleine die permanenterregten Elektromotoren für Elektroautos herzustellen, würde man bis 2030 die Abbaumenge von Neodym um das 15 fache der heutigen Abbaumenge steigern müssen. <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Neodym.jpg]]<br /> ''Abbildung 1: Erwarteter Anstieg des Neodym Bedarfs''<br /> <br /> <br /> Der Kupferbedarf wird unabhängig vom dominanten Motorentyp wachsen, da alle Elektromotoren und deren Leistungselektronik Kupfer benötigen. Geht man wiederum von einer jährlichen Wachstumsrate der Elektromobilität von 26% aus und einer verbauten Kupfermenge von 30kg pro Fahrzeug, so würde der Anteil der Elektromotoren an der weltweiten Kupferproduktion von derzeit 0,06% bis in Jahr 2030 auf 21,13% steigen (vgl. Abbildung 9)<br /> <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Kupfer.jpg]]<br /> ''Abbildung 2: Erwarteter Anstieg des Kupferbedarfs''<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> == Zukunft ==<br /> <br /> Zur jetzigen Zeit lohnt sich ein normales Auto in der Golfklasse mit einer Fahrleistung von 12.000km pro Jahr sowohl als Plug-In-Hybrid als auch als reines Elektrofahrzeug erst ab 3€/l Benzinpreis. Dies wird durch die noch hohen Kosten für den Akku und den Antrieb (100€/kW, zum Vergleich durchschn. Verbrenner: 50€/kW) verschuldet [2]. Sollte sich in der Automobilindustrie jedoch ein Motorentyp durchsetzen, so ist davon auszugehen, dass durch die höhere Produktionszahl, als auch durch die weiterentwickelte Technik, der Preis für diese Antriebe deutlich sinken wird.<br /> Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Entwickler die Rohstoffsituation in ihre Konzepte mit integrieren und somit auf Motoren setzen, welche entweder vollkommen unabhängig (Reluktanzmotor) oder nur geringfügig abhängig (Asynchronmaschine) von seltenen Erden sind. Ingenieure haben bereits effiziente Reluktanzmotoren entwickelt, welche gänzliche ohne Dauermagnete auskommen und damit auch ohne seltene Erden. Anstatt der teuren Permanentmagnete werden hier Spulen eingesetzt, welche erst magnetisch werden, wenn Strom durch sie fließt. Somit ist dieser Motor sowohl billiger, als auch energieeffizienter [7]. Unausweichlich scheint jedoch ein rasanter Anstieg des Kupferbedarfs zu sein, dessen Bewältigung ebenfalls eine Herausforderung darstellen wird [3], jedoch nicht ganz so kritisch zu betrachten ist, wie der Anstieg des Bedarfs an seltenen Erden.<br /> Ein weiteres Problem stellt das Einsatzgebiet des Fahrzeugs dar: bei normalen Temperaturen (um 20°C) hat ein Elektroauto ungefähr eine Gesamteffizienz von 40 % (von der Produktion des Stroms bis zum direkten Verbrauch im Fahrzeug). Der Verbrennungsmotor hat eine Effizienz von etwa 25 % (von der Förderung bis zum Verbrauch im Auto). Auf der Autobahn, an einem kalten Tag, ist es genau umgekehrt: der Wirkungsgrad des Elektrofahrzeuges liegt eher bei 30 % und der des Verbrenners bei 40 %. so dass das Elektrofahrzeug auf Langstrecken energetisch derzeit eigentlich keinen Sinn ergibt [2]. Dies liegt jedoch nicht an den Elektroantrieben sondern am jeweiligen Strommix (Verknüpfung) und der Speichertechnologie (Verknüpfung)<br /> <br /> <br /> <br /> == Quellen ==<br /> <br /> <br /> <br /> [1] A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013<br /> <br /> [2] M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012<br /> <br /> [3] H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011<br /> <br /> [4] R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010<br /> <br /> [5] J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 <br /> <br /> [6] Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität (http://www.oeko.de/oekodoc/1334/2011-449-de.pdf<br /> <br /> [7] http://www.zeit.de/auto/2013-02/elektromotor-technik<br /> <br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Potentiale_und_Herausforderungen_Elektromobilit%C3%A4t&diff=444 2014-01-20T20:19:48Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div><br /> == Begriffserklärung ==<br /> <br /> Die Elektromobilität beschränkt sich nicht nur auf das Elektrofahrzeug an sich, sondern muss als ein zusammenhängender Kreis mehrere wichtiger Teilbereiche gesehen werden (siehe Abbildung 1). Für einen funktionierenden Umstieg auf elektrischen Strom als Antriebsquelle unserer Fahrzeuge müssen neben dem eigentlichem Auto und dem Energiespeicher auch die bestehende Infrastruktur und die Stromnetze weiterentwickelt werden. Zudem muss über neuen Mobilitätskonzepte nachgedacht werden und der Ausbau der erneuerbaren Energien weiter vorangetrieben werden<br /> <br /> <br /> [[Datei:Kausalkreis_Elektrombilität.jpg |mini|hochkant=2.0|Abbildung 1: Kausalkreis der Elektromobiliät]]<br /> <br /> <br /> == Potential ==<br /> <br /> Die Elektromobilität bietet im Vergleich zu derzeit konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor viele entscheidende Vorteile, die sie zur Zukunft der individuellen Mobilität werden lassen könnten. Vor allem ist durch Elektroautos eine schnelle und bequeme Fortbewegung ohne den Ausstoß von CO2 oder Schadstoffen prinzipiell möglich. Da es auf Dauer und in naher Zukunft unerlässlich sein wird, den Ausstoß von CO2 in die Atmosphäre zu senken um das Klima auf unserem Planeten nicht katastrophal zu verändern, lässt sich das Potential dieser Technologie gut erahnen. <br /> Ein zweiter wichtiger Aspekt, der für die Elektromobilität spricht, ist die zunehmende Verknappung fossiler Brennstoffe wie Öl und Erdgas, welche zum Betrieb von Verbrennungsmotoren benötigt werden. Die Automobilität konkurriert zudem mit anderen Industriezweigen, wie etwa der Wärme- oder Kunststoffproduktion, sowie z.B. dem Flugverkehr um diese Rohstoffe, in welchen sich die Suche nach Alternativen als schwerer entpuppt als bei Automobilen. Da die fossilen Brennstoffe endlich sind, muss unabhängig von den Randbedingungen eine Alternative für die Zukunft gefunden werden. Warum also nicht schon jetzt damit beginnen?<br /> Durch die zunehmende Urbanisierung der Welt werden in Zukunft zudem immer mehr Menschen in sogenannten Megacities (Städte mit mehr als 10 Mio. Einwohnern) leben. Platz ist dort nur begrenzt vorhanden und die täglich zurückzulegende Strecke ist gering. Optimale Bedingungen also für kleine, leichte Elektrofahrzeuge. Da diese Autos zudem keine direkten Schadstoffe ausstoßen und quasi geräuschlos dahinrollen, bieten sie ein sehr großes Potential um in den Megacities der Zukunft dem Platzmangel, dem Smog und der hohen Lärmbelästigung entgegenzuwirken.<br /> Ein weiteres Potential von Elektroautos ist ihre Stromspeicherfähigkeit. Regenerative Energie, wie z.B. Wind- oder Solarenergie, lässt sich nicht oder nur schwer vorhersagen. Aus diesem Grund würde man bei einem steigendem Anteil unserer Stromerzeugung aus regenerativen Energien Speichermöglichkeiten benötigen, welche den bei guten Bedingungen (viel Wind, Sonne, Wellen, …) erzeugten Strom für Zeiten schlechter Bedingungen speichern kann. Elektroautos könnten in Zusammenarbeit mit intelligenten Stromnetzen, den sogenannten Smart Grids, diese Energie in ihren Batterien speichern und bei Verbrauchsspitzen, beispielsweise am Abend, wieder freigeben.<br /> <br /> <br /> == Herausforderungen ==<br /> <br /> Wie Abbildung 2 bereits andeutet, gibt es im Bereich der Elektromobilität noch viele Problempunkte, die in den nächsten Jahren gelöst werden sollten, wenn der Elektroantrieb den Verbrennungsmotor ohne Komforteinbußen für den Kunden ablösen soll. <br /> <br /> [[Datei:Beispiel_Betankzeit.jpg|mini|hochkant=2.0|Abbildung 2: Betankzeit bei versch. Fahrzeugtypen]]<br /> <br /> Doch neben den vielen noch bestehenden technischen Problemen interessieren wir uns in dieser Semesterarbeit vor allem für die ökologischen Folgen einer Umstellung des Individualverkehrs auf Elektroautos. Auf den Plakaten dieses Wissensspeichers werden dabei alle wichtigen Faktoren genannt, die dem Elektroauto seinen Ruf als ökologische Fortbewegungsvariante strittig machen. Das Finden von Lösungsstrategien für diese Problematiken stellt sich als zentrale Aufgabe heraus, damit das Elektroauto in Zukunft wirklich eine grüne Variante der Fortbewegung ist. Beispielsweise lassen sich dabei folgende Herausforderungen nennen, welche von Ingenieuren und Politikern noch gemeistert werden müssen:<br /> <br /> - Entwicklung neuer Antriebssysteme um kritische Ressourcen wie Kupfer und Seltene Erden zu umgehen<br /> - Entwicklung neuer Batteriesysteme um einen extremen Bedarfsanstieg von Lithium zu unterbinden<br /> - Ausbau der Regenerativen Energien weltweit. Derzeit würde ein Elektroauto in den meisten Ländern der Welt mehr CO2 produzieren als ein moderner Verbrennungsmotor<br /> - Umweltschonender Ausbau der für Elektromobilität benötigten Infrastruktur (Ladestationen, Energiespeicher,…)<br /> - Entwicklung veränderter Mobilitätsstrategien (Carsharing, Verbot von privaten Autos in Großstädten, Ausbau der öffentlichen Verkehrsmittel,…)<br /> - Internationale Zusammenarbeit stärken, um genormte Standards für Ladesysteme, Batterien, usw. zu entwickeln<br /> <br /> Dies sind nur Beispiele, im Rahmen dieses Wissensspeichers werden noch weitere Herausforderungen genannt.<br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Potentiale_und_Herausforderungen_Elektromobilit%C3%A4t&diff=443 2014-01-20T20:18:08Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div><br /> == Begriffserklärung ==<br /> <br /> Die Elektromobilität beschränkt sich nicht nur auf das Elektrofahrzeug an sich, sondern muss als ein zusammenhängender Kreis mehrere wichtiger Teilbereiche gesehen werden (siehe Abbildung 1). Für einen funktionierenden Umstieg auf elektrischen Strom als Antriebsquelle unserer Fahrzeuge müssen neben dem eigentlichem Auto und dem Energiespeicher auch die bestehende Infrastruktur und die Stromnetze weiterentwickelt werden. Zudem muss über neuen Mobilitätskonzepte nachgedacht werden und der Ausbau der erneuerbaren Energien weiter vorangetrieben werden<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> [[Datei:Kausalkreis_Elektrombilität.jpg |mini|hochkant=2.0|Abbildung 1: Kausalkreis der Elektromobiliät|]]<br /> <br /> <br /> == Potential ==<br /> <br /> Die Elektromobilität bietet im Vergleich zu derzeit konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor viele entscheidende Vorteile, die sie zur Zukunft der individuellen Mobilität werden lassen könnten. Vor allem ist durch Elektroautos eine schnelle und bequeme Fortbewegung ohne den Ausstoß von CO2 oder Schadstoffen prinzipiell möglich. Da es auf Dauer und in naher Zukunft unerlässlich sein wird, den Ausstoß von CO2 in die Atmosphäre zu senken um das Klima auf unserem Planeten nicht katastrophal zu verändern, lässt sich das Potential dieser Technologie gut erahnen. <br /> Ein zweiter wichtiger Aspekt, der für die Elektromobilität spricht, ist die zunehmende Verknappung fossiler Brennstoffe wie Öl und Erdgas, welche zum Betrieb von Verbrennungsmotoren benötigt werden. Die Automobilität konkurriert zudem mit anderen Industriezweigen, wie etwa der Wärme- oder Kunststoffproduktion, sowie z.B. dem Flugverkehr um diese Rohstoffe, in welchen sich die Suche nach Alternativen als schwerer entpuppt als bei Automobilen. Da die fossilen Brennstoffe endlich sind, muss unabhängig von den Randbedingungen eine Alternative für die Zukunft gefunden werden. Warum also nicht schon jetzt damit beginnen?<br /> Durch die zunehmende Urbanisierung der Welt werden in Zukunft zudem immer mehr Menschen in sogenannten Megacities (Städte mit mehr als 10 Mio. Einwohnern) leben. Platz ist dort nur begrenzt vorhanden und die täglich zurückzulegende Strecke ist gering. Optimale Bedingungen also für kleine, leichte Elektrofahrzeuge. Da diese Autos zudem keine direkten Schadstoffe ausstoßen und quasi geräuschlos dahinrollen, bieten sie ein sehr großes Potential um in den Megacities der Zukunft dem Platzmangel, dem Smog und der hohen Lärmbelästigung entgegenzuwirken.<br /> Ein weiteres Potential von Elektroautos ist ihre Stromspeicherfähigkeit. Regenerative Energie, wie z.B. Wind- oder Solarenergie, lässt sich nicht oder nur schwer vorhersagen. Aus diesem Grund würde man bei einem steigendem Anteil unserer Stromerzeugung aus regenerativen Energien Speichermöglichkeiten benötigen, welche den bei guten Bedingungen (viel Wind, Sonne, Wellen, …) erzeugten Strom für Zeiten schlechter Bedingungen speichern kann. Elektroautos könnten in Zusammenarbeit mit intelligenten Stromnetzen, den sogenannten Smart Grids, diese Energie in ihren Batterien speichern und bei Verbrauchsspitzen, beispielsweise am Abend, wieder freigeben.<br /> <br /> <br /> == Herausforderungen ==<br /> <br /> Wie Abbildung 2 bereits andeutet, gibt es im Bereich der Elektromobilität noch viele Problempunkte, die in den nächsten Jahren gelöst werden sollten, wenn der Elektroantrieb den Verbrennungsmotor ohne Komforteinbußen für den Kunden ablösen soll. <br /> <br /> [[Datei:Beispiel_Betankzeit.jpg|mini|hochkant=2.0|Abbildung 2: Betankzeit bei versch. Fahrzeugtypen|]]<br /> <br /> Doch neben den vielen noch bestehenden technischen Problemen interessieren wir uns in dieser Semesterarbeit vor allem für die ökologischen Folgen einer Umstellung des Individualverkehrs auf Elektroautos. Auf den Plakaten dieses Wissensspeichers werden dabei alle wichtigen Faktoren genannt, die dem Elektroauto seinen Ruf als ökologische Fortbewegungsvariante strittig machen. Das Finden von Lösungsstrategien für diese Problematiken stellt sich als zentrale Aufgabe heraus, damit das Elektroauto in Zukunft wirklich eine grüne Variante der Fortbewegung ist. Beispielsweise lassen sich dabei folgende Herausforderungen nennen, welche von Ingenieuren und Politikern noch gemeistert werden müssen:<br /> <br /> - Entwicklung neuer Antriebssysteme um kritische Ressourcen wie Kupfer und Seltene Erden zu umgehen<br /> - Entwicklung neuer Batteriesysteme um einen extremen Bedarfsanstieg von Lithium zu unterbinden<br /> - Ausbau der Regenerativen Energien weltweit. Derzeit würde ein Elektroauto in den meisten Ländern der Welt mehr CO2 produzieren als ein moderner Verbrennungsmotor<br /> - Umweltschonender Ausbau der für Elektromobilität benötigten Infrastruktur (Ladestationen, Energiespeicher,…)<br /> - Entwicklung veränderter Mobilitätsstrategien (Carsharing, Verbot von privaten Autos in Großstädten, Ausbau der öffentlichen Verkehrsmittel,…)<br /> - Internationale Zusammenarbeit stärken, um genormte Standards für Ladesysteme, Batterien, usw. zu entwickeln<br /> <br /> Dies sind nur Beispiele, im Rahmen dieses Wissensspeichers werden noch weitere Herausforderungen genannt.<br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Potentiale_und_Herausforderungen_Elektromobilit%C3%A4t&diff=442 2014-01-20T20:17:04Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div><br /> == Begriffserklärung ==<br /> <br /> Die Elektromobilität beschränkt sich nicht nur auf das Elektrofahrzeug an sich, sondern muss als ein zusammenhängender Kreis mehrere wichtiger Teilbereiche gesehen werden (siehe Abbildung 1). Für einen funktionierenden Umstieg auf elektrischen Strom als Antriebsquelle unserer Fahrzeuge müssen neben dem eigentlichem Auto und dem Energiespeicher auch die bestehende Infrastruktur und die Stromnetze weiterentwickelt werden. Zudem muss über neuen Mobilitätskonzepte nachgedacht werden und der Ausbau der erneuerbaren Energien weiter vorangetrieben werden<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> [[Datei:Kausalkreis_Elektrombilität.jpg |mini|hochkant=2.0|]]<br /> <br /> <br /> == Potential ==<br /> <br /> Die Elektromobilität bietet im Vergleich zu derzeit konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor viele entscheidende Vorteile, die sie zur Zukunft der individuellen Mobilität werden lassen könnten. Vor allem ist durch Elektroautos eine schnelle und bequeme Fortbewegung ohne den Ausstoß von CO2 oder Schadstoffen prinzipiell möglich. Da es auf Dauer und in naher Zukunft unerlässlich sein wird, den Ausstoß von CO2 in die Atmosphäre zu senken um das Klima auf unserem Planeten nicht katastrophal zu verändern, lässt sich das Potential dieser Technologie gut erahnen. <br /> Ein zweiter wichtiger Aspekt, der für die Elektromobilität spricht, ist die zunehmende Verknappung fossiler Brennstoffe wie Öl und Erdgas, welche zum Betrieb von Verbrennungsmotoren benötigt werden. Die Automobilität konkurriert zudem mit anderen Industriezweigen, wie etwa der Wärme- oder Kunststoffproduktion, sowie z.B. dem Flugverkehr um diese Rohstoffe, in welchen sich die Suche nach Alternativen als schwerer entpuppt als bei Automobilen. Da die fossilen Brennstoffe endlich sind, muss unabhängig von den Randbedingungen eine Alternative für die Zukunft gefunden werden. Warum also nicht schon jetzt damit beginnen?<br /> Durch die zunehmende Urbanisierung der Welt werden in Zukunft zudem immer mehr Menschen in sogenannten Megacities (Städte mit mehr als 10 Mio. Einwohnern) leben. Platz ist dort nur begrenzt vorhanden und die täglich zurückzulegende Strecke ist gering. Optimale Bedingungen also für kleine, leichte Elektrofahrzeuge. Da diese Autos zudem keine direkten Schadstoffe ausstoßen und quasi geräuschlos dahinrollen, bieten sie ein sehr großes Potential um in den Megacities der Zukunft dem Platzmangel, dem Smog und der hohen Lärmbelästigung entgegenzuwirken.<br /> Ein weiteres Potential von Elektroautos ist ihre Stromspeicherfähigkeit. Regenerative Energie, wie z.B. Wind- oder Solarenergie, lässt sich nicht oder nur schwer vorhersagen. Aus diesem Grund würde man bei einem steigendem Anteil unserer Stromerzeugung aus regenerativen Energien Speichermöglichkeiten benötigen, welche den bei guten Bedingungen (viel Wind, Sonne, Wellen, …) erzeugten Strom für Zeiten schlechter Bedingungen speichern kann. Elektroautos könnten in Zusammenarbeit mit intelligenten Stromnetzen, den sogenannten Smart Grids, diese Energie in ihren Batterien speichern und bei Verbrauchsspitzen, beispielsweise am Abend, wieder freigeben.<br /> <br /> <br /> == Herausforderungen ==<br /> <br /> Wie Abbildung 2 bereits andeutet, gibt es im Bereich der Elektromobilität noch viele Problempunkte, die in den nächsten Jahren gelöst werden sollten, wenn der Elektroantrieb den Verbrennungsmotor ohne Komforteinbußen für den Kunden ablösen soll. <br /> <br /> [[Datei:Beispiel_Betankzeit.jpg]]<br /> <br /> Doch neben den vielen noch bestehenden technischen Problemen interessieren wir uns in dieser Semesterarbeit vor allem für die ökologischen Folgen einer Umstellung des Individualverkehrs auf Elektroautos. Auf den Plakaten dieses Wissensspeichers werden dabei alle wichtigen Faktoren genannt, die dem Elektroauto seinen Ruf als ökologische Fortbewegungsvariante strittig machen. Das Finden von Lösungsstrategien für diese Problematiken stellt sich als zentrale Aufgabe heraus, damit das Elektroauto in Zukunft wirklich eine grüne Variante der Fortbewegung ist. Beispielsweise lassen sich dabei folgende Herausforderungen nennen, welche von Ingenieuren und Politikern noch gemeistert werden müssen:<br /> <br /> - Entwicklung neuer Antriebssysteme um kritische Ressourcen wie Kupfer und Seltene Erden zu umgehen<br /> - Entwicklung neuer Batteriesysteme um einen extremen Bedarfsanstieg von Lithium zu unterbinden<br /> - Ausbau der Regenerativen Energien weltweit. Derzeit würde ein Elektroauto in den meisten Ländern der Welt mehr CO2 produzieren als ein moderner Verbrennungsmotor<br /> - Umweltschonender Ausbau der für Elektromobilität benötigten Infrastruktur (Ladestationen, Energiespeicher,…)<br /> - Entwicklung veränderter Mobilitätsstrategien (Carsharing, Verbot von privaten Autos in Großstädten, Ausbau der öffentlichen Verkehrsmittel,…)<br /> - Internationale Zusammenarbeit stärken, um genormte Standards für Ladesysteme, Batterien, usw. zu entwickeln<br /> <br /> Dies sind nur Beispiele, im Rahmen dieses Wissensspeichers werden noch weitere Herausforderungen genannt.<br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Datei:Beispiel_Betankzeit.jpg&diff=441 2014-01-20T20:11:38Z

<p>Lutzweiss: http://www.mobilitaetstalk.de/htm/de/pdf/herausforderungen_emobilitaet.pdf; 14.1.2014</p> <hr /> <div>http://www.mobilitaetstalk.de/htm/de/pdf/herausforderungen_emobilitaet.pdf; 14.1.2014</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Datei:Kausalkreis_Elektrombilit%C3%A4t.jpg&diff=440 2014-01-20T20:08:04Z

<p>Lutzweiss: http://www.mobilitaetstalk.de/htm/de/pdf/herausforderungen_emobilitaet.pdf; 14.1.2014</p> <hr /> <div>http://www.mobilitaetstalk.de/htm/de/pdf/herausforderungen_emobilitaet.pdf; 14.1.2014</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Potentiale_und_Herausforderungen_Elektromobilit%C3%A4t&diff=439 2014-01-20T20:04:34Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div><br /> == Begriffserklärung ==<br /> <br /> Die Elektromobilität beschränkt sich nicht nur auf das Elektrofahrzeug an sich, sondern muss als ein zusammenhängender Kreis mehrere wichtiger Teilbereiche gesehen werden (siehe Abbildung 1). Für einen funktionierenden Umstieg auf elektrischen Strom als Antriebsquelle unserer Fahrzeuge müssen neben dem eigentlichem Auto und dem Energiespeicher auch die bestehende Infrastruktur und die Stromnetze weiterentwickelt werden. Zudem muss über neuen Mobilitätskonzepte nachgedacht werden und der Ausbau der erneuerbaren Energien weiter vorangetrieben werden<br /> <br /> [[Datei:Kausalkreis_Elektrombilität.jpg]]<br /> <br /> <br /> == Potential ==<br /> <br /> Die Elektromobilität bietet im Vergleich zu derzeit konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor viele entscheidende Vorteile, die sie zur Zukunft der individuellen Mobilität werden lassen könnten. Vor allem ist durch Elektroautos eine schnelle und bequeme Fortbewegung ohne den Ausstoß von CO2 oder Schadstoffen prinzipiell möglich. Da es auf Dauer und in naher Zukunft unerlässlich sein wird, den Ausstoß von CO2 in die Atmosphäre zu senken um das Klima auf unserem Planeten nicht katastrophal zu verändern, lässt sich das Potential dieser Technologie gut erahnen. <br /> Ein zweiter wichtiger Aspekt, der für die Elektromobilität spricht, ist die zunehmende Verknappung fossiler Brennstoffe wie Öl und Erdgas, welche zum Betrieb von Verbrennungsmotoren benötigt werden. Die Automobilität konkurriert zudem mit anderen Industriezweigen, wie etwa der Wärme- oder Kunststoffproduktion, sowie z.B. dem Flugverkehr um diese Rohstoffe, in welchen sich die Suche nach Alternativen als schwerer entpuppt als bei Automobilen. Da die fossilen Brennstoffe endlich sind, muss unabhängig von den Randbedingungen eine Alternative für die Zukunft gefunden werden. Warum also nicht schon jetzt damit beginnen?<br /> Durch die zunehmende Urbanisierung der Welt werden in Zukunft zudem immer mehr Menschen in sogenannten Megacities (Städte mit mehr als 10 Mio. Einwohnern) leben. Platz ist dort nur begrenzt vorhanden und die täglich zurückzulegende Strecke ist gering. Optimale Bedingungen also für kleine, leichte Elektrofahrzeuge. Da diese Autos zudem keine direkten Schadstoffe ausstoßen und quasi geräuschlos dahinrollen, bieten sie ein sehr großes Potential um in den Megacities der Zukunft dem Platzmangel, dem Smog und der hohen Lärmbelästigung entgegenzuwirken.<br /> Ein weiteres Potential von Elektroautos ist ihre Stromspeicherfähigkeit. Regenerative Energie, wie z.B. Wind- oder Solarenergie, lässt sich nicht oder nur schwer vorhersagen. Aus diesem Grund würde man bei einem steigendem Anteil unserer Stromerzeugung aus regenerativen Energien Speichermöglichkeiten benötigen, welche den bei guten Bedingungen (viel Wind, Sonne, Wellen, …) erzeugten Strom für Zeiten schlechter Bedingungen speichern kann. Elektroautos könnten in Zusammenarbeit mit intelligenten Stromnetzen, den sogenannten Smart Grids, diese Energie in ihren Batterien speichern und bei Verbrauchsspitzen, beispielsweise am Abend, wieder freigeben.<br /> <br /> <br /> == Herausforderungen ==<br /> <br /> Wie Abbildung 2 bereits andeutet, gibt es im Bereich der Elektromobilität noch viele Problempunkte, die in den nächsten Jahren gelöst werden sollten, wenn der Elektroantrieb den Verbrennungsmotor ohne Komforteinbußen für den Kunden ablösen soll. <br /> <br /> [[Datei:Beispiel_Betankzeit.jpg]]<br /> <br /> Doch neben den vielen noch bestehenden technischen Problemen interessieren wir uns in dieser Semesterarbeit vor allem für die ökologischen Folgen einer Umstellung des Individualverkehrs auf Elektroautos. Auf den Plakaten dieses Wissensspeichers werden dabei alle wichtigen Faktoren genannt, die dem Elektroauto seinen Ruf als ökologische Fortbewegungsvariante strittig machen. Das Finden von Lösungsstrategien für diese Problematiken stellt sich als zentrale Aufgabe heraus, damit das Elektroauto in Zukunft wirklich eine grüne Variante der Fortbewegung ist. Beispielsweise lassen sich dabei folgende Herausforderungen nennen, welche von Ingenieuren und Politikern noch gemeistert werden müssen:<br /> <br /> - Entwicklung neuer Antriebssysteme um kritische Ressourcen wie Kupfer und Seltene Erden zu umgehen<br /> - Entwicklung neuer Batteriesysteme um einen extremen Bedarfsanstieg von Lithium zu unterbinden<br /> - Ausbau der Regenerativen Energien weltweit. Derzeit würde ein Elektroauto in den meisten Ländern der Welt mehr CO2 produzieren als ein moderner Verbrennungsmotor<br /> - Umweltschonender Ausbau der für Elektromobilität benötigten Infrastruktur (Ladestationen, Energiespeicher,…)<br /> - Entwicklung veränderter Mobilitätsstrategien (Carsharing, Verbot von privaten Autos in Großstädten, Ausbau der öffentlichen Verkehrsmittel,…)<br /> - Internationale Zusammenarbeit stärken, um genormte Standards für Ladesysteme, Batterien, usw. zu entwickeln<br /> <br /> Dies sind nur Beispiele, im Rahmen dieses Wissensspeichers werden noch weitere Herausforderungen genannt.<br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Gr%C3%BCne_Elektroautos&diff=438 2014-01-20T20:04:16Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category: Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> <br /> Elektroautos werden heute von einer Mehrheit der Gesellschaft als die automobile Zukunft betrachtet. Mobilität ohne direkten Ausstoß von CO2 und Schadstoffen, leise Motoren und Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen unterstreichen diese These. Vergessen wird dabei allerdings oft, dass auch Elektroautos Probleme und Abhängigkeiten mit sich bringen, die hier näher erläutert werden sollen. <br /> <br /> Themenegebiete:<br /> <br /> <br /> 1) [[Potentiale und Herausforderungen Elektromobilität]]<br /> <br /> 2) [[Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> 3) [[Energiespeicher]]<br /> <br /> 4) [[benötigte Infrastruktur]]<br /> <br /> 5) [[benötigte Ressoucen]]<br /> <br /> 6) [[Strommix der Zukunft]]<br /> <br /> 7) [[Alternative Kraftstoffe]]<br /> <br /> 8) [[Zukunft ohne Auto?]]<br /> <br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Gr%C3%BCne_Elektroautos&diff=437 2014-01-20T20:03:36Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div><br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> <br /> Elektroautos werden heute von einer Mehrheit der Gesellschaft als die automobile Zukunft betrachtet. Mobilität ohne direkten Ausstoß von CO2 und Schadstoffen, leise Motoren und Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen unterstreichen diese These. Vergessen wird dabei allerdings oft, dass auch Elektroautos Probleme und Abhängigkeiten mit sich bringen, die hier näher erläutert werden sollen. <br /> <br /> Themenegebiete:<br /> <br /> <br /> 1) [[Potentiale und Herausforderungen Elektromobilität]]<br /> <br /> 2) [[Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> 3) [[Energiespeicher]]<br /> <br /> 4) [[benötigte Infrastruktur]]<br /> <br /> 5) [[benötigte Ressoucen]]<br /> <br /> 6) [[Strommix der Zukunft]]<br /> <br /> 7) [[Alternative Kraftstoffe]]<br /> <br /> 8) [[Zukunft ohne Auto?]]<br /> <br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Potentiale_und_Herausforderungen_Elektromobilit%C3%A4t&diff=436 2014-01-20T20:02:13Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div><br /> == Begriffserklärung ==<br /> <br /> Die Elektromobilität beschränkt sich nicht nur auf das Elektrofahrzeug an sich, sondern muss als ein zusammenhängender Kreis mehrere wichtiger Teilbereiche gesehen werden (siehe Abbildung 1). Für einen funktionierenden Umstieg auf elektrischen Strom als Antriebsquelle unserer Fahrzeuge müssen neben dem eigentlichem Auto und dem Energiespeicher auch die bestehende Infrastruktur und die Stromnetze weiterentwickelt werden. Zudem muss über neuen Mobilitätskonzepte nachgedacht werden und der Ausbau der erneuerbaren Energien weiter vorangetrieben werden<br /> <br /> [[Datei:Kausalkreis_Elektrombilität.jpg]]<br /> <br /> <br /> == Potential ==<br /> <br /> Die Elektromobilität bietet im Vergleich zu derzeit konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor viele entscheidende Vorteile, die sie zur Zukunft der individuellen Mobilität werden lassen könnten. Vor allem ist durch Elektroautos eine schnelle und bequeme Fortbewegung ohne den Ausstoß von CO2 oder Schadstoffen prinzipiell möglich. Da es auf Dauer und in naher Zukunft unerlässlich sein wird, den Ausstoß von CO2 in die Atmosphäre zu senken um das Klima auf unserem Planeten nicht katastrophal zu verändern, lässt sich das Potential dieser Technologie gut erahnen. <br /> Ein zweiter wichtiger Aspekt, der für die Elektromobilität spricht, ist die zunehmende Verknappung fossiler Brennstoffe wie Öl und Erdgas, welche zum Betrieb von Verbrennungsmotoren benötigt werden. Die Automobilität konkurriert zudem mit anderen Industriezweigen, wie etwa der Wärme- oder Kunststoffproduktion, sowie z.B. dem Flugverkehr um diese Rohstoffe, in welchen sich die Suche nach Alternativen als schwerer entpuppt als bei Automobilen. Da die fossilen Brennstoffe endlich sind, muss unabhängig von den Randbedingungen eine Alternative für die Zukunft gefunden werden. Warum also nicht schon jetzt damit beginnen?<br /> Durch die zunehmende Urbanisierung der Welt werden in Zukunft zudem immer mehr Menschen in sogenannten Megacities (Städte mit mehr als 10 Mio. Einwohnern) leben. Platz ist dort nur begrenzt vorhanden und die täglich zurückzulegende Strecke ist gering. Optimale Bedingungen also für kleine, leichte Elektrofahrzeuge. Da diese Autos zudem keine direkten Schadstoffe ausstoßen und quasi geräuschlos dahinrollen, bieten sie ein sehr großes Potential um in den Megacities der Zukunft dem Platzmangel, dem Smog und der hohen Lärmbelästigung entgegenzuwirken.<br /> Ein weiteres Potential von Elektroautos ist ihre Stromspeicherfähigkeit. Regenerative Energie, wie z.B. Wind- oder Solarenergie, lässt sich nicht oder nur schwer vorhersagen. Aus diesem Grund würde man bei einem steigendem Anteil unserer Stromerzeugung aus regenerativen Energien Speichermöglichkeiten benötigen, welche den bei guten Bedingungen (viel Wind, Sonne, Wellen, …) erzeugten Strom für Zeiten schlechter Bedingungen speichern kann. Elektroautos könnten in Zusammenarbeit mit intelligenten Stromnetzen, den sogenannten Smart Grids, diese Energie in ihren Batterien speichern und bei Verbrauchsspitzen, beispielsweise am Abend, wieder freigeben.<br /> <br /> <br /> == Herausforderungen ==<br /> <br /> Wie Abbildung 2 bereits andeutet, gibt es im Bereich der Elektromobilität noch viele Problempunkte, die in den nächsten Jahren gelöst werden sollten, wenn der Elektroantrieb den Verbrennungsmotor ohne Komforteinbußen für den Kunden ablösen soll. <br /> <br /> [[Datei:Beispiel_Betankzeit.jpg]]<br /> <br /> Doch neben den vielen noch bestehenden technischen Problemen interessieren wir uns in dieser Semesterarbeit vor allem für die ökologischen Folgen einer Umstellung des Individualverkehrs auf Elektroautos. Auf den Plakaten dieses Wissensspeichers werden dabei alle wichtigen Faktoren genannt, die dem Elektroauto seinen Ruf als ökologische Fortbewegungsvariante strittig machen. Das Finden von Lösungsstrategien für diese Problematiken stellt sich als zentrale Aufgabe heraus, damit das Elektroauto in Zukunft wirklich eine grüne Variante der Fortbewegung ist. Beispielsweise lassen sich dabei folgende Herausforderungen nennen, welche von Ingenieuren und Politikern noch gemeistert werden müssen:<br /> <br /> - Entwicklung neuer Antriebssysteme um kritische Ressourcen wie Kupfer und Seltene Erden zu umgehen<br /> - Entwicklung neuer Batteriesysteme um einen extremen Bedarfsanstieg von Lithium zu unterbinden<br /> - Ausbau der Regenerativen Energien weltweit. Derzeit würde ein Elektroauto in den meisten Ländern der Welt mehr CO2 produzieren als ein moderner Verbrennungsmotor<br /> - Umweltschonender Ausbau der für Elektromobilität benötigten Infrastruktur (Ladestationen, Energiespeicher,…)<br /> - Entwicklung veränderter Mobilitätsstrategien (Carsharing, Verbot von privaten Autos in Großstädten, Ausbau der öffentlichen Verkehrsmittel,…)<br /> - Internationale Zusammenarbeit stärken, um genormte Standards für Ladesysteme, Batterien, usw. zu entwickeln<br /> <br /> Dies sind nur Beispiele, im Rahmen dieses Wissensspeichers werden noch weitere Herausforderungen genannt.<br /> <br /> [[Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Potentiale_und_Herausforderungen_Elektromobilit%C3%A4t&diff=435 2014-01-20T20:01:20Z

<p>Lutzweiss: Die Seite wurde neu angelegt: „ == Begriffserklärung == Die Elektromobilität beschränkt sich nicht nur auf das Elektrofahrzeug an sich, sondern muss als ein zusammenhängender Kreis mehr…“</p> <hr /> <div><br /> == Begriffserklärung ==<br /> <br /> Die Elektromobilität beschränkt sich nicht nur auf das Elektrofahrzeug an sich, sondern muss als ein zusammenhängender Kreis mehrere wichtiger Teilbereiche gesehen werden (siehe Abbildung 1). Für einen funktionierenden Umstieg auf elektrischen Strom als Antriebsquelle unserer Fahrzeuge müssen neben dem eigentlichem Auto und dem Energiespeicher auch die bestehende Infrastruktur und die Stromnetze weiterentwickelt werden. Zudem muss über neuen Mobilitätskonzepte nachgedacht werden und der Ausbau der erneuerbaren Energien weiter vorangetrieben werden<br /> <br /> [[Datei:Kausalkreis_Elektrombilität.jpg]]<br /> <br /> <br /> == Potential ==<br /> <br /> Die Elektromobilität bietet im Vergleich zu derzeit konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor viele entscheidende Vorteile, die sie zur Zukunft der individuellen Mobilität werden lassen könnten. Vor allem ist durch Elektroautos eine schnelle und bequeme Fortbewegung ohne den Ausstoß von CO2 oder Schadstoffen prinzipiell möglich. Da es auf Dauer und in naher Zukunft unerlässlich sein wird, den Ausstoß von CO2 in die Atmosphäre zu senken um das Klima auf unserem Planeten nicht katastrophal zu verändern, lässt sich das Potential dieser Technologie gut erahnen. <br /> Ein zweiter wichtiger Aspekt, der für die Elektromobilität spricht, ist die zunehmende Verknappung fossiler Brennstoffe wie Öl und Erdgas, welche zum Betrieb von Verbrennungsmotoren benötigt werden. Die Automobilität konkurriert zudem mit anderen Industriezweigen, wie etwa der Wärme- oder Kunststoffproduktion, sowie z.B. dem Flugverkehr um diese Rohstoffe, in welchen sich die Suche nach Alternativen als schwerer entpuppt als bei Automobilen. Da die fossilen Brennstoffe endlich sind, muss unabhängig von den Randbedingungen eine Alternative für die Zukunft gefunden werden. Warum also nicht schon jetzt damit beginnen?<br /> Durch die zunehmende Urbanisierung der Welt werden in Zukunft zudem immer mehr Menschen in sogenannten Megacities (Städte mit mehr als 10 Mio. Einwohnern) leben. Platz ist dort nur begrenzt vorhanden und die täglich zurückzulegende Strecke ist gering. Optimale Bedingungen also für kleine, leichte Elektrofahrzeuge. Da diese Autos zudem keine direkten Schadstoffe ausstoßen und quasi geräuschlos dahinrollen, bieten sie ein sehr großes Potential um in den Megacities der Zukunft dem Platzmangel, dem Smog und der hohen Lärmbelästigung entgegenzuwirken.<br /> Ein weiteres Potential von Elektroautos ist ihre Stromspeicherfähigkeit. Regenerative Energie, wie z.B. Wind- oder Solarenergie, lässt sich nicht oder nur schwer vorhersagen. Aus diesem Grund würde man bei einem steigendem Anteil unserer Stromerzeugung aus regenerativen Energien Speichermöglichkeiten benötigen, welche den bei guten Bedingungen (viel Wind, Sonne, Wellen, …) erzeugten Strom für Zeiten schlechter Bedingungen speichern kann. Elektroautos könnten in Zusammenarbeit mit intelligenten Stromnetzen, den sogenannten Smart Grids, diese Energie in ihren Batterien speichern und bei Verbrauchsspitzen, beispielsweise am Abend, wieder freigeben.<br /> <br /> <br /> == Herausforderungen ==<br /> <br /> Wie Abbildung 2 bereits andeutet, gibt es im Bereich der Elektromobilität noch viele Problempunkte, die in den nächsten Jahren gelöst werden sollten, wenn der Elektroantrieb den Verbrennungsmotor ohne Komforteinbußen für den Kunden ablösen soll. <br /> <br /> [[Datei:Beispiel_Betankzeit.jpg]]<br /> <br /> Doch neben den vielen noch bestehenden technischen Problemen interessieren wir uns in dieser Semesterarbeit vor allem für die ökologischen Folgen einer Umstellung des Individualverkehrs auf Elektroautos. Auf den Plakaten dieses Wissensspeichers werden dabei alle wichtigen Faktoren genannt, die dem Elektroauto seinen Ruf als ökologische Fortbewegungsvariante strittig machen. Das Finden von Lösungsstrategien für diese Problematiken stellt sich als zentrale Aufgabe heraus, damit das Elektroauto in Zukunft wirklich eine grüne Variante der Fortbewegung ist. Beispielsweise lassen sich dabei folgende Herausforderungen nennen, welche von Ingenieuren und Politikern noch gemeistert werden müssen:<br /> <br /> - Entwicklung neuer Antriebssysteme um kritische Ressourcen wie Kupfer und Seltene Erden zu umgehen<br /> - Entwicklung neuer Batteriesysteme um einen extremen Bedarfsanstieg von Lithium zu unterbinden<br /> - Ausbau der Regenerativen Energien weltweit. Derzeit würde ein Elektroauto in den meisten Ländern der Welt mehr CO2 produzieren als ein moderner Verbrennungsmotor<br /> - Umweltschonender Ausbau der für Elektromobilität benötigten Infrastruktur (Ladestationen, Energiespeicher,…)<br /> - Entwicklung veränderter Mobilitätsstrategien (Carsharing, Verbot von privaten Autos in Großstädten, Ausbau der öffentlichen Verkehrsmittel,…)<br /> - Internationale Zusammenarbeit stärken, um genormte Standards für Ladesysteme, Batterien, usw. zu entwickeln<br /> <br /> Dies sind nur Beispiele, im Rahmen dieses Wissensspeichers werden noch weitere Herausforderungen genannt.</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Arten_von_Elektromotoren&diff=124 2014-01-15T15:16:54Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> [[Category: Arten von Elektromotoren]]<br /> <br /> <br /> == Gleichstrommotoren ==<br /> <br /> Die am einfachsten zu beschreibende Funktionsweise von Elektromotoren ist diejenige der Gleichstrommotoren. Ein Rotor, auch als Anker bezeichnet, ist von einer Spule umwickelt, um die sich bei Anschluss einer Gleichstromquelle ein magnetisches Feld ausbildet. Der Rotor ist von einem Permanentmagneten umgeben, der dauerhaft ein magnetisches Feld erzeugt und auch als Stator bezeichnet wird. Die Drehung des Rotors in dem magnetischen Feld lässt sich durch das physikalische Gesetz erklären, dass sich gegennamige Ladungen anziehen, während sich gleichnamige Ladungen abstoßen. Wie in Abbildung 2 dargestellt ist, wird der Gleichstrom über sogenannte Bürsten in die Spule geleitet. Je nach Stellung bzw. Position des Rotors sind die beiden Seiten des Rotors unterschiedlich gepolt. Aufgrund der Anziehung gegensätzlicher Pole dreht sich der Rotor in Stellung 1 gegen den Uhrzeigersinn, so dass die Bürsten kurzzeitig über einen Bereich laufen, über den kein Strom in die Spule geleitet werden kann. Über den Kommutator erfolgt eine Ladungsumkehr, so dass die beiden Seiten des Rotors nun über den jeweils anderen Pol der Batterie mit Strom versorgt werden, wodurch sich das von der Spule erzeugte Magnetfeld umkehrt und sich der Rotor erneut im Magnetfeld des Permanentmagneten ausrichtet. Die Drehung wird also dadurch erzeugt, dass sich ein wechselndes Magnetfeld in einem konstanten Magnetfeld ausrichtet. Auf diese Wechselwirkung beruhen die Funktionsweisen aller Elektromotoren. [4]<br /> <br /> <br /> <br /> ''Abbildung 1: Funktionsweise eines Gleichstrommotors''<br /> <br /> Gleichstrommaschinen haben heute in der Elektromobilität nahezu keinen Einsatz mehr, zumindest nicht als Primärantrieb [1]. Grund hierfür ist vor allem die schlechte Wärmeabfuhr, da die gesamte Wärme im rotierenden Rotor entsteht und daher nur schwer abgeführt werden kann. In den darauffolgend beschriebenen Motoren entsteht der Wärmeverlust vor Allem im stillstehenden Stator, welcher einfach und günstig durch Luft oder Kühlmittel gekühlt werden kann [5].<br /> <br /> <br /> == Asynchronmaschine ==<br /> <br /> Für den Betrieb der Asynchronmaschine wird ein Dreiphasenwechselstrom benötigt. Dieser auch als Drehstrom bezeichnete Strom setzt sich aus drei Phasen zusammen, die jeweils um 120° zueinander verschoben sind. Die Spannung der einzelnen Phasen verläuft wie beim Wechselstrom sinusförmig. Da die im Kraftfahrzeug mitgeführten Stromquellen ausschließlich Gleichstrom zur Verfügung stellen können, muss der Drehstrom erst über eine entsprechende Leistungselektronik erzeugt werden. Die folgende Abbildung 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Asynchronmaschine.<br /> <br /> <br /> Abbildung 3: [3]<br /> <br /> Im Ständer einer Asynchronmaschine werden um 120° versetzte Wicklungen eingelassen, die über jeweils eine Phase des Drehstroms versorgt werden. Im Umfang des Läufers befinden sich kurzgeschlossene Wicklungen. Das über die Ständerwicklungen erzeugte, umlaufende Magnetfeld induziert in den Läuferwicklungen eine Spannung, woraus sich innerhalb der Läuferwicklungen ein Stromfluss ergibt. Die nun stromdurchflossenen Leiter im Läufer erfahren durch das magnetische Drehfeld eine Kraft, die den Läufer in Richtung des Drehfeldes in Bewegung versetzt. Zur Änderung der Drehrichtung des Motors muss die Umlaufrichtung des Ständermagnetfeldes angepasst werden. Aufgrund der fehlenden Kommutierung sind im Vergleich zum Gleichstrommotor deutlich höhere Drehzahlen realisierbar, so können Asynchronmotoren mit Drehzahlen bis zu 14.000 min–1 betrieben werden. <br /> Der Name des Asynchronmotors ist darauf zurückzuführen, dass die erreichte Umfangsgeschwindigkeit des Läufers niemals die vom Drehstrom erzeugte Umfangsgeschwindigkeit des Magnetfelds erreichen kann, sondern aufgrund von Schlupf immer kleiner ist. Besteht keine Relativgeschwindigkeit mehr zwischen Läufer und Drehfeld, wird in den kurzgeschlossenen Läuferwicklungen keine Spannung mehr induziert und der Stromfluss kommt zum Erliegen. Ohne den Stromfluss in den Läuferwicklungen kann kein Drehmoment erzeugt werden. Für diesen Motor ist auch die Bezeichnung Induktionsmotor üblich, da die in den Läuferwicklungen induzierte Spannung maßgeblich zur Funktion des Motors beiträgt [3].<br /> Da Asynchronmotoren in allen Bereichen der Industrie weit verbreitet sind, sind deren Anschaffungskosten auf Grund der hohen Produktionsmenge entsprechend gering und ihre Technik ist auch für den mobilen Bereich ausgereift [5]. Nachteilig ist der schlechtere Wirkungsgrad im Vergleich zum Gleichstrommotor und die geringere Leistungsdichte im niedrigeren Lastbereich. Diese Motoren sind daher nur bedingt als Direktantriebe geeignet. Zusätzlich benötigen leistungsstarke Asynchronmaschinen Magnete in ihrer Erregerwicklung mit einem gewissen Anteil an seltenen Erden um Gewicht zu sparen und die Leistung zu optimieren [1]. <br /> <br /> <br /> <br /> == Synchronmaschine ==<br /> <br /> <br /> Bei der Synchronmaschine wird im Gegensatz zur Asynchronmaschine das Läuferfeld nicht durch Induktion erzeugt. Bei kleineren Antrieben wird der Läufer mit Permanentmagneten versehen, bei größeren Maschinen werden Erregerwicklungen, vergleichbar denen der oben beschriebenen Gleichstrommaschine eingesetzt. Der Läufer dreht sich bei dieser Motorvariante synchron mit dem Drehfeld, woraus sich der Name des Motortyps ableitet. Die Erregerwicklungen werden dabei über Schleifkontakte mit Strom versorgt, wodurch ein gewisser Verschleiß und damit Wartungsaufwand entsteht. Gleichzeitig wird hierdurch der Aufbau im Gegensatz zur Asynchronmaschine komplexer und aufwändiger. Aufgrund dieser Tatsache wird der Asynchronmotor im Bereich der Antriebstechnik bevorzugt eingesetzt. Der Wirkungsgrad der Synchronmaschine liegt aufgrund der synchronen Strom- und Spannungsphasen über dem der Asynchronmaschine [3].<br /> <br /> Abbildung 4 [3]<br /> Vorteil der Synchronmaschine ist ihr sehr hoher Wirkungsgrad, die große Leistungsdichte und die hohen möglichen Drehzahlen, welche ein Getriebe überflüssig machen. Allerdings brauchen diese Maschinen Hochleistungsmagnete, welche verhältnismäßig viel seltene Erden benötigen. Denn trotz der zurzeit extrem hohen Werkstoffpreise für diese Magnete gibt es keine Alternative, wenn Leistungsdichte das Hauptkriterium ist. Falls doch aus Kostengründen vom Einsatz der NdFeB-Magneten abgesehen werden soll, können Kompromisse bei Leistungsdichte und Wirkungsgrad gemacht werden [1].<br /> <br /> <br /> == Reluktanzmaschine ==<br /> <br /> <br /> Auch wenn Reluktanzmotoren erst in den letzten Jahrzehnten zum weitverbreiteten Einsatz kam, so ist seine Technik dennoch sehr simpel. Die grundsätzliche Funktionsweise zeigt Abbildung 5 [5]. Grundsätzlich lassen sich bei dieser Art von Motoren die Transversalflussmaschine und der geschaltete Reluktanzmotor unterscheiden, auf was hier allerdings nicht weiter eingegangen wird. Bei einem Reluktanzmotor besitzen Rotor und Stator ein zahnförmiges Profil. Die Statorzähne sind jeweils mit Spulen bestückt, die abwechselnd ein und ausgeschaltet werden. Der Rotor besteht aus einem weichmagnetischen Material, bei dieser Bauart werden also keine Permanentmagneten eingesetzt. Im Ständer werden mehrere, gegenüberliegende Wicklungen eingebracht, die der Erzeugung eines Magnetfelds dienen. Diese Wicklungen werden dabei paarweise zu Strängen zusammengefasst. Das Drehmoment wird bei der geschalteten Reluktanzmaschine durch das abwechselnde Beschalten der Stränge im Stator erzeugt. Das entstehende Feld wirkt auf die Zähne des Rotors, so dass sich dieser relativ zum Strang bewegt. Erreicht er die Strangposition, wird der nächste Strang beschaltet, was den Läufer ein weiteres Stück dreht [3].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Der große Verteil der Reluktanzmaschine ist der robuste und einfache Aufbau ohne Rotorwicklung und Permanentmagneten. Aus diesem Grund benötigt diese Art von Elektromotor keine seltenen Erden und könnte daher ein wichtiger Bestandteil zukünftiger Elektromobilitätskonzepte werden. Die Motoren sind zudem relativ kompakt und lassen sich daher auch als Radnabenmotoren einsetzen. Nachteilig ist derzeit noch ihre hohe Geräuschentwicklung was bei hohen Drehzahlen durchaus unangenehm für den Fahren werden kann, als auch ihre niedrige Leistungsdichte [1]. <br /> <br /> <br /> == Zusammenfassung Elektromotoren ==<br /> <br /> Zusammenfassend lassen sich also folgende Eigenschaften der unterschiedlichen, für den automobilen Einsatz geeigneten, Elektromaschinen festhalten:</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Antriebe_und_Zweitverbraucher&diff=123 2014-01-15T15:10:40Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> <br /> == Elektromotoren: Potential und Problematik ==<br /> <br /> Grundsätzlich lassen sich alle gängigen elektrischen Maschinenarten (vgl. [[Arten von Elektromotoren]]) in Elektrofahrzeugen verbauen. Entscheidend für die Wahl einer bestimmten E-Maschine ist das erwartete Fahrprofil, sowie folgende Kriterien: Kosten, Fertigbarkeit, Wartungsfähigkeit, Recyclebarkeit, Lebensdauer, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Materialauswahl [1]. <br /> Fahrdynamisch gesehen haben Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren viele Vorteile. Der größte ist sicherlich das konstante Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich. Während beim Verbrennungsmotor das maximale Drehmoment nur in einem sehr kleinen, meist relativ hohem Drehzahlbereich vorherrscht, setzen Elektromotoren ihr maximales Drehmoment schon von Anfang an um (vgl. Abbildung 1). Dies bedeutet ein besseres Beschleunigungsverhalten und den Wegfall einer Anfahrkupplung, da Elektromotoren aus dem Stillstand beschleunigen können. Insgesamt kann bei einem Stadtfahrzeug komplett auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden, da der Elektromotor den benötigten Drehzahlbereich vollkommen abdeckt. Erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten (&gt;120 km/h) wird eine Übersetzung benötigt. Das dafür benötigte Zwei-Gang-Getriebe kann aber deutlich einfacher und kleiner ausfallen, als die heute üblichen 6-, 7- oder 8-Gang-Getriebe, welche benötigt werden um den Verbrennungsmotor im optimalen Betriebspunkt zu halten. [3]<br /> Anders als Verbrennungskraftmaschinen können E-Motoren zudem im sogenannten 4-Quadranten-Betrieb arbeiten. Darunter wird verstanden, dass die E-Maschine in beide Drehrichtungen als Antrieb und Bremse betrieben werden kann. Gleichzeitig kann sie im Bremsbetrieb auch als Generator verwendet werden, wodurch die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht wird. Allerdings muss diese Energie dann geeignet gespeichert werden [4]<br /> Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchronmaschinen (vgl. Abbildung 2). Diese Maschinen benötigen allerdings Seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine Seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen [2]. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen niedrigen Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen [4].<br /> <br /> <br /> == Optimales Spannungslevel des elektrischen Bordnetzes ==<br /> <br /> <br /> Die Wahl des Spannungslevels des elektrischen Systems ist ein zentrales Thema bei der Grundauslegung eines E-Fahrzeugs. Wählt man ein niedriges Spannungsniveau von z.B. 60V, so kann einfach sichergestellt werden, dass die Komponenten bei einem Unfall oder unsachgemäßer Handhabung Lebewesen keine schweren Verletzungen zuführen. Allerdings benötigt man dann nach dem Gesetz der Elektrischen Leistung (P = U*I) höhere Ströme, was zu höheren Verlusten in den elektrischen Maschinen und einen höheren Kupferaufwand für das Bordnetz führt. Wählt man jedoch ein höheres Spannungslevel, für welches die meisten Motoren und Halbleiter in der nötigen Leistungsklasse ausgelegt sind, so können die 900 – 1.200V Spannung zu schweren Verletzungen bis hin zum Tode führen. <br /> Die gängige heutige Lösung dieses Problems ist ein DC/DC-Wandler, welcher die von Wechselrichter (wird für Asynchronmaschinen benötigt), Bordnetz und Maschinen geforderte höhere Spannung dynamisch erzeugt. Zwar ist auch dieser mit Verlusten behaftete, jedoch sind diese bei Weitem nicht so hoch wie die Verluste durch hohe Ströme. Beim Abstellen des Fahrzeugs oder im Fehlerfall kann der Zwischenkreis schnell entladen werden, dann ist nur noch die niedrige Batteriespannung im System, welche nahezu ungefährlich ist [1]. <br /> <br /> <br /> == Leistungselektronik ==<br /> <br /> <br /> Die Leistungselektronik wird benötigt, da die Antriebe und Zweitverbraucher (Bremskraftverstärker, Lenkhilfe, Heizung, …) eine hohe Leistung und damit eine hohe Spannung benötigen, die allerdings nicht von den Batterien geliefert werden kann. Akkumulatoren können Strom nur in einem geringen Spannungszustand speichern und abgeben, d.h. das sowohl die Energie für den Antrieb, als auch zurückgewonnene Energie durch Rekuperation umgewandelt werden muss. Gleichwohl wird elektrischer Strom als Gleichstrom in den Akkus gespeichert und muss daher beim Einsatz einer Asynchronmaschine als Antrieb zu Wechselstrom umgerichtet werden.<br /> In den letzten Jahren machte man sehr große Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik, wodurch mittlerweile Wirkungsgrade von 90% möglich sind. Eine geringere Wärmeabgabe führt allerdings auch dazu, dass eine zusätzliche fossile Heizung benötigt wird (siehe Kap.4). Die höhere Leistungsdichte der Bauteile und der Betrieb der Teile auf immer kleineren Raum führen allerdings zu einer kritischen elektromagnetischen Verträglichkeit. Vor allem andere elektrische Geräte können durch die hohe EMV-Belastung massiv gestört und beschädigt werden, aber auch die Folgen für den Menschen sind noch nicht gänzlich erforscht [1]. Die Folgen von sogenannten Elektrosmog auf den Menschen sind derzeit ein wichtiges Streitthema in der Wissenschaft und sollten daher mit Vorsicht behandelt werden, insbesondere da sich Menschen heutzutage sehr lange in Fahrzeugen aufhalten. <br /> <br /> <br /> == Thermomanagement ==<br /> <br /> Da Elektromotoren einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen (bis zu 90%), produzieren sie nicht mehr genug Abwärme um den Innenraum des Fahrzeugs damit zu beheizen. Aus diesem Grund muss hierfür eine zusätzliche fossile oder elektrische Heizanlage vorgesehen werden. Energetisch gesehen wäre sogar eine fossile Heizanlage vorteilhafter, da elektrische Heizanlagen einen extrem schlechten Wirkungsgrad besitzen und die Reichweite des Fahrzeuges zu stark verringern würden. Für eine fossile Heizung würde man allerdings eine zusätzliche Infrastruktur inklusive Tank benötigen und ein abgeschirmtes Heizaggregat, in welchem das Öl oder das Gas verbrannt wird. Dies wird aus Kosten- und Komplexitätsgründen wahrscheinlich nicht möglich sein. Die Kühlung des Innenraums durch einen Klimakompressor ist hingegen unkritischer wenn auch ebenfalls sehr energieintensiv [2]. Neben dem Innenraum muss zudem auch die Batterie in einem möglichst engen Temperaturfeld gehalten werden um ihre volle Leistungsfähigkeit zu garantieren. Somit ergibt sich sowohl an besonders heißen, als auch an besonders kalten Tagen eine deutliche Reduzierung der Reichweite, da der Klimakompressor oder die Heizanlage dann einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch des Fahrzeugs aufweisen. So benötigt man z.B. bei einer Außentemperatur von 4°C eine Heizleistung von 3,6 kW um einen mittelgroßen PKW auf 20°C zu heizen. Um eine gefühlte Temperatur von 20°C zu erreichen muss auf Grund der kalten Teile im Fahrzeug sogar mit einer deutlich höheren Temperatur gerechnet werden. Bei einem Standartheizsystem mit elektrischer Direktheizung würde dies bei der heutigen Technik eine Reduzierung der Reichweite um 25-30% nach sich ziehen. Berücksichtigt man Wärmeverluste durch den Lufttransport in den Kanälen und den Energieverbrauch durch die Lüftung, so ist eine Reduzierung der Reichweite von 40% anzunehmen. Bedenkt man nun, dass die Batterie bei 4°C entweder auch geheizt werden muss, oder deutlich weniger Speicherkapazität aufweisen kann, so sinkt die Reichweite des Fahrzeugs schnell unter 50%. Mögliche Gegenmaßnahmen zu dieser Problematik sind besser Dämmung der Fahrzeugkabine und aktive Wärmerückgewinnung [1].<br /> <br /> <br /> == Ressourcenbedarf ==<br /> <br /> Als Rohstoffe für die Produktion eines Elektromotors wird neben Eisen insbesondere Kupfer benötigt. Bei den permanenterregten Varianten der Synchron- und Gleichstrommaschinen wird zusätzlich noch Neodym als permanentmagnetischer Werkstoff benötigt. Neodym gehört den seltenen Erden an und wird für den Bau leistungsfähiger Magnete benötigt. Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchdonmaschinen. Diese Maschinen benötigen wie schon beschrieben seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen [2]. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen geringfügigeren Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen [6]. Der Bedarf an seltenen Erden, insbesondere an Neodym, würde bei einer Umrüstung des Individualverkehrs auf Elektromobilität auf Grund des steigenden Produktionsaufkommens von permanenterregten Elektromotoren extrem anwachsen. Geht man von einer Wachstumsrate des Elektrofahrzeugmarktes von 26% pro Jahr aus und von einer verbauten Masse von 1kg Neodym (heutzutage üblich) pro Elektroauto, so würde der Anteil des für Elektromotoren benötigten Neodyms an der weltweiten Förderung von derzeit 4,11% auf 1452% im Jahr 2030 steigen (vgl. Abbildung 8). Um also alleine die permanenterregten Elektromotoren für Elektroautos herzustellen, würde man bis 2030 die Abbaumenge von Neodym um das 15 fache der heutigen Abbaumenge steigern müssen. <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Neodym.jpg]]<br /> ''Abbildung 1: Erwarteter Anstieg des Neodym Bedarfs''<br /> <br /> <br /> Der Kupferbedarf wird unabhängig vom dominanten Motorentyp wachsen, da alle Elektromotoren und deren Leistungselektronik Kupfer benötigen. Geht man wiederum von einer jährlichen Wachstumsrate der Elektromobilität von 26% aus und einer verbauten Kupfermenge von 30kg pro Fahrzeug, so würde der Anteil der Elektromotoren an der weltweiten Kupferproduktion von derzeit 0,06% bis in Jahr 2030 auf 21,13% steigen (vgl. Abbildung 9)<br /> <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Kupfer.jpg]]<br /> ''Abbildung 2: Erwarteter Anstieg des Kupferbedarfs''<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> == Zukunft ==<br /> <br /> Zur jetzigen Zeit lohnt sich ein normales Auto in der Golfklasse mit einer Fahrleistung von 12.000km pro Jahr sowohl als Plug-In-Hybrid als auch als reines Elektrofahrzeug erst ab 3€/l Benzinpreis. Dies wird durch die noch hohen Kosten für den Akku und den Antrieb (100€/kW, zum Vergleich durchschn. Verbrenner: 50€/kW) verschuldet [2]. Sollte sich in der Automobilindustrie jedoch ein Motorentyp durchsetzen, so ist davon auszugehen, dass durch die höhere Produktionszahl, als auch durch die weiterentwickelte Technik, der Preis für diese Antriebe deutlich sinken wird.<br /> Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Entwickler die Rohstoffsituation in ihre Konzepte mit integrieren und somit auf Motoren setzen, welche entweder vollkommen unabhängig (Reluktanzmotor) oder nur geringfügig abhängig (Asynchronmaschine) von seltenen Erden sind. Ingenieure haben bereits effiziente Reluktanzmotoren entwickelt, welche gänzliche ohne Dauermagnete auskommen und damit auch ohne seltene Erden. Anstatt der teuren Permanentmagnete werden hier Spulen eingesetzt, welche erst magnetisch werden, wenn Strom durch sie fließt. Somit ist dieser Motor sowohl billiger, als auch energieeffizienter [7]. Unausweichlich scheint jedoch ein rasanter Anstieg des Kupferbedarfs zu sein, dessen Bewältigung ebenfalls eine Herausforderung darstellen wird [3], jedoch nicht ganz so kritisch zu betrachten ist, wie der Anstieg des Bedarfs an seltenen Erden.<br /> Ein weiteres Problem stellt das Einsatzgebiet des Fahrzeugs dar: bei normalen Temperaturen (um 20°C) hat ein Elektroauto ungefähr eine Gesamteffizienz von 40 % (von der Produktion des Stroms bis zum direkten Verbrauch im Fahrzeug). Der Verbrennungsmotor hat eine Effizienz von etwa 25 % (von der Förderung bis zum Verbrauch im Auto). Auf der Autobahn, an einem kalten Tag, ist es genau umgekehrt: der Wirkungsgrad des Elektrofahrzeuges liegt eher bei 30 % und der des Verbrenners bei 40 %. so dass das Elektrofahrzeug auf Langstrecken energetisch derzeit eigentlich keinen Sinn ergibt [2]. Dies liegt jedoch nicht an den Elektroantrieben sondern am jeweiligen Strommix (Verknüpfung) und der Speichertechnologie (Verknüpfung)<br /> <br /> <br /> Quellen:<br /> <br /> <br /> [1] A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013<br /> <br /> [2] M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012<br /> <br /> [3] H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011<br /> <br /> [4] R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010<br /> <br /> [5] J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 <br /> <br /> [6] Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität (http://www.oeko.de/oekodoc/1334/2011-449-de.pdf<br /> <br /> [7] http://www.zeit.de/auto/2013-02/elektromotor-technik<br /> <br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Antriebe_und_Zweitverbraucher&diff=122 2014-01-15T15:10:07Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> <br /> == Elektromotoren: Potential und Problematik ==<br /> <br /> Grundsätzlich lassen sich alle gängigen elektrischen Maschinenarten (vgl. [[Arten von Elektromotoren]]) in Elektrofahrzeugen verbauen. Entscheidend für die Wahl einer bestimmten E-Maschine ist das erwartete Fahrprofil, sowie folgende Kriterien: Kosten, Fertigbarkeit, Wartungsfähigkeit, Recyclebarkeit, Lebensdauer, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Materialauswahl [1]. <br /> Fahrdynamisch gesehen haben Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren viele Vorteile. Der größte ist sicherlich das konstante Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich. Während beim Verbrennungsmotor das maximale Drehmoment nur in einem sehr kleinen, meist relativ hohem Drehzahlbereich vorherrscht, setzen Elektromotoren ihr maximales Drehmoment schon von Anfang an um (vgl. Abbildung 1). Dies bedeutet ein besseres Beschleunigungsverhalten und den Wegfall einer Anfahrkupplung, da Elektromotoren aus dem Stillstand beschleunigen können. Insgesamt kann bei einem Stadtfahrzeug komplett auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden, da der Elektromotor den benötigten Drehzahlbereich vollkommen abdeckt. Erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten (&gt;120 km/h) wird eine Übersetzung benötigt. Das dafür benötigte Zwei-Gang-Getriebe kann aber deutlich einfacher und kleiner ausfallen, als die heute üblichen 6-, 7- oder 8-Gang-Getriebe, welche benötigt werden um den Verbrennungsmotor im optimalen Betriebspunkt zu halten. [3]<br /> Anders als Verbrennungskraftmaschinen können E-Motoren zudem im sogenannten 4-Quadranten-Betrieb arbeiten. Darunter wird verstanden, dass die E-Maschine in beide Drehrichtungen als Antrieb und Bremse betrieben werden kann. Gleichzeitig kann sie im Bremsbetrieb auch als Generator verwendet werden, wodurch die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht wird. Allerdings muss diese Energie dann geeignet gespeichert werden [4]<br /> Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchronmaschinen (vgl. Abbildung 2). Diese Maschinen benötigen allerdings Seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine Seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen [2]. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen niedrigen Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen [4].<br /> <br /> <br /> == Optimales Spannungslevel des elektrischen Bordnetzes ==<br /> <br /> <br /> Die Wahl des Spannungslevels des elektrischen Systems ist ein zentrales Thema bei der Grundauslegung eines E-Fahrzeugs. Wählt man ein niedriges Spannungsniveau von z.B. 60V, so kann einfach sichergestellt werden, dass die Komponenten bei einem Unfall oder unsachgemäßer Handhabung Lebewesen keine schweren Verletzungen zuführen. Allerdings benötigt man dann nach dem Gesetz der Elektrischen Leistung (P = U*I) höhere Ströme, was zu höheren Verlusten in den elektrischen Maschinen und einen höheren Kupferaufwand für das Bordnetz führt. Wählt man jedoch ein höheres Spannungslevel, für welches die meisten Motoren und Halbleiter in der nötigen Leistungsklasse ausgelegt sind, so können die 900 – 1.200V Spannung zu schweren Verletzungen bis hin zum Tode führen. <br /> Die gängige heutige Lösung dieses Problems ist ein DC/DC-Wandler, welcher die von Wechselrichter (wird für Asynchronmaschinen benötigt), Bordnetz und Maschinen geforderte höhere Spannung dynamisch erzeugt. Zwar ist auch dieser mit Verlusten behaftete, jedoch sind diese bei Weitem nicht so hoch wie die Verluste durch hohe Ströme. Beim Abstellen des Fahrzeugs oder im Fehlerfall kann der Zwischenkreis schnell entladen werden, dann ist nur noch die niedrige Batteriespannung im System, welche nahezu ungefährlich ist [1]. <br /> <br /> <br /> == Leistungselektronik ==<br /> <br /> <br /> Die Leistungselektronik wird benötigt, da die Antriebe und Zweitverbraucher (Bremskraftverstärker, Lenkhilfe, Heizung, …) eine hohe Leistung und damit eine hohe Spannung benötigen, die allerdings nicht von den Batterien geliefert werden kann. Akkumulatoren können Strom nur in einem geringen Spannungszustand speichern und abgeben, d.h. das sowohl die Energie für den Antrieb, als auch zurückgewonnene Energie durch Rekuperation umgewandelt werden muss. Gleichwohl wird elektrischer Strom als Gleichstrom in den Akkus gespeichert und muss daher beim Einsatz einer Asynchronmaschine als Antrieb zu Wechselstrom umgerichtet werden.<br /> In den letzten Jahren machte man sehr große Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik, wodurch mittlerweile Wirkungsgrade von 90% möglich sind. Eine geringere Wärmeabgabe führt allerdings auch dazu, dass eine zusätzliche fossile Heizung benötigt wird (siehe Kap.4). Die höhere Leistungsdichte der Bauteile und der Betrieb der Teile auf immer kleineren Raum führen allerdings zu einer kritischen elektromagnetischen Verträglichkeit. Vor allem andere elektrische Geräte können durch die hohe EMV-Belastung massiv gestört und beschädigt werden, aber auch die Folgen für den Menschen sind noch nicht gänzlich erforscht [1]. Die Folgen von sogenannten Elektrosmog auf den Menschen sind derzeit ein wichtiges Streitthema in der Wissenschaft und sollten daher mit Vorsicht behandelt werden, insbesondere da sich Menschen heutzutage sehr lange in Fahrzeugen aufhalten. <br /> <br /> <br /> == Thermomanagement ==<br /> <br /> Da Elektromotoren einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen (bis zu 90%), produzieren sie nicht mehr genug Abwärme um den Innenraum des Fahrzeugs damit zu beheizen. Aus diesem Grund muss hierfür eine zusätzliche fossile oder elektrische Heizanlage vorgesehen werden. Energetisch gesehen wäre sogar eine fossile Heizanlage vorteilhafter, da elektrische Heizanlagen einen extrem schlechten Wirkungsgrad besitzen und die Reichweite des Fahrzeuges zu stark verringern würden. Für eine fossile Heizung würde man allerdings eine zusätzliche Infrastruktur inklusive Tank benötigen und ein abgeschirmtes Heizaggregat, in welchem das Öl oder das Gas verbrannt wird. Dies wird aus Kosten- und Komplexitätsgründen wahrscheinlich nicht möglich sein. Die Kühlung des Innenraums durch einen Klimakompressor ist hingegen unkritischer wenn auch ebenfalls sehr energieintensiv [2]. Neben dem Innenraum muss zudem auch die Batterie in einem möglichst engen Temperaturfeld gehalten werden um ihre volle Leistungsfähigkeit zu garantieren. Somit ergibt sich sowohl an besonders heißen, als auch an besonders kalten Tagen eine deutliche Reduzierung der Reichweite, da der Klimakompressor oder die Heizanlage dann einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch des Fahrzeugs aufweisen. So benötigt man z.B. bei einer Außentemperatur von 4°C eine Heizleistung von 3,6 kW um einen mittelgroßen PKW auf 20°C zu heizen. Um eine gefühlte Temperatur von 20°C zu erreichen muss auf Grund der kalten Teile im Fahrzeug sogar mit einer deutlich höheren Temperatur gerechnet werden. Bei einem Standartheizsystem mit elektrischer Direktheizung würde dies bei der heutigen Technik eine Reduzierung der Reichweite um 25-30% nach sich ziehen. Berücksichtigt man Wärmeverluste durch den Lufttransport in den Kanälen und den Energieverbrauch durch die Lüftung, so ist eine Reduzierung der Reichweite von 40% anzunehmen. Bedenkt man nun, dass die Batterie bei 4°C entweder auch geheizt werden muss, oder deutlich weniger Speicherkapazität aufweisen kann, so sinkt die Reichweite des Fahrzeugs schnell unter 50%. Mögliche Gegenmaßnahmen zu dieser Problematik sind besser Dämmung der Fahrzeugkabine und aktive Wärmerückgewinnung [1].<br /> <br /> <br /> == Ressourcenbedarf ==<br /> <br /> Als Rohstoffe für die Produktion eines Elektromotors wird neben Eisen insbesondere Kupfer benötigt. Bei den permanenterregten Varianten der Synchron- und Gleichstrommaschinen wird zusätzlich noch Neodym als permanentmagnetischer Werkstoff benötigt. Neodym gehört den seltenen Erden an und wird für den Bau leistungsfähiger Magnete benötigt. Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchdonmaschinen. Diese Maschinen benötigen wie schon beschrieben seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen [2]. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen geringfügigeren Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen [6]. Der Bedarf an seltenen Erden, insbesondere an Neodym, würde bei einer Umrüstung des Individualverkehrs auf Elektromobilität auf Grund des steigenden Produktionsaufkommens von permanenterregten Elektromotoren extrem anwachsen. Geht man von einer Wachstumsrate des Elektrofahrzeugmarktes von 26% pro Jahr aus und von einer verbauten Masse von 1kg Neodym (heutzutage üblich) pro Elektroauto, so würde der Anteil des für Elektromotoren benötigten Neodyms an der weltweiten Förderung von derzeit 4,11% auf 1452% im Jahr 2030 steigen (vgl. Abbildung 8). Um also alleine die permanenterregten Elektromotoren für Elektroautos herzustellen, würde man bis 2030 die Abbaumenge von Neodym um das 15 fache der heutigen Abbaumenge steigern müssen. <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Neodym.jpg]]<br /> ''Abbildung 1: Erwarteter Anstieg des Neodym Bedarfs''<br /> <br /> <br /> Der Kupferbedarf wird unabhängig vom dominanten Motorentyp wachsen, da alle Elektromotoren und deren Leistungselektronik Kupfer benötigen. Geht man wiederum von einer jährlichen Wachstumsrate der Elektromobilität von 26% aus und einer verbauten Kupfermenge von 30kg pro Fahrzeug, so würde der Anteil der Elektromotoren an der weltweiten Kupferproduktion von derzeit 0,06% bis in Jahr 2030 auf 21,13% steigen (vgl. Abbildung 9)<br /> <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Kupfer.jpg]]<br /> ''Abbildung 2: Erwarteter Anstieg des Kupferbedarfs''<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> == Zukunft ==<br /> <br /> Zur jetzigen Zeit lohnt sich ein normales Auto in der Golfklasse mit einer Fahrleistung von 12.000km pro Jahr sowohl als Plug-In-Hybrid als auch als reines Elektrofahrzeug erst ab 3€/l Benzinpreis. Dies wird durch die noch hohen Kosten für den Akku und den Antrieb (100€/kW, zum Vergleich durchschn. Verbrenner: 50€/kW) verschuldet [2]. Sollte sich in der Automobilindustrie jedoch ein Motorentyp durchsetzen, so ist davon auszugehen, dass durch die höhere Produktionszahl, als auch durch die weiterentwickelte Technik, der Preis für diese Antriebe deutlich sinken wird.<br /> Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Entwickler die Rohstoffsituation in ihre Konzepte mit integrieren und somit auf Motoren setzen, welche entweder vollkommen unabhängig (Reluktanzmotor) oder nur geringfügig abhängig (Asynchronmaschine) von seltenen Erden sind. Ingenieure haben bereits effiziente Reluktanzmotoren entwickelt, welche gänzliche ohne Dauermagnete auskommen und damit auch ohne seltene Erden. Anstatt der teuren Permanentmagnete werden hier Spulen eingesetzt, welche erst magnetisch werden, wenn Strom durch sie fließt. Somit ist dieser Motor sowohl billiger, als auch energieeffizienter [7]. Unausweichlich scheint jedoch ein rasanter Anstieg des Kupferbedarfs zu sein, dessen Bewältigung ebenfalls eine Herausforderung darstellen wird [3], jedoch nicht ganz so kritisch zu betrachten ist, wie der Anstieg des Bedarfs an seltenen Erden.<br /> Ein weiteres Problem stellt das Einsatzgebiet des Fahrzeugs dar: bei normalen Temperaturen (um 20°C) hat ein Elektroauto ungefähr eine Gesamteffizienz von 40 % (von der Produktion des Stroms bis zum direkten Verbrauch im Fahrzeug). Der Verbrennungsmotor hat eine Effizienz von etwa 25 % (von der Förderung bis zum Verbrauch im Auto). Auf der Autobahn, an einem kalten Tag, ist es genau umgekehrt: der Wirkungsgrad des Elektrofahrzeuges liegt eher bei 30 % und der des Verbrenners bei 40 %. so dass das Elektrofahrzeug auf Langstrecken energetisch derzeit eigentlich keinen Sinn ergibt [2]. Dies liegt jedoch nicht an den Elektroantrieben sondern am jeweiligen Strommix (Verknüpfung) und der Speichertechnologie (Verknüpfung)<br /> <br /> <br /> Quellen:<br /> <br /> <br /> [1] A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013<br /> [2] M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012<br /> [3] H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011<br /> [4] R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010<br /> [5] J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 <br /> [6] Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität (http://www.oeko.de/oekodoc/1334/2011-449-de.pdf<br /> [7] http://www.zeit.de/auto/2013-02/elektromotor-technik<br /> <br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Datei:Bedarf_an_Kupfer.jpg&diff=121 2014-01-15T15:09:03Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div></div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Antriebe_und_Zweitverbraucher&diff=120 2014-01-15T15:08:25Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> <br /> == Elektromotoren: Potential und Problematik ==<br /> <br /> Grundsätzlich lassen sich alle gängigen elektrischen Maschinenarten (vgl. [[Arten von Elektromotoren]]) in Elektrofahrzeugen verbauen. Entscheidend für die Wahl einer bestimmten E-Maschine ist das erwartete Fahrprofil, sowie folgende Kriterien: Kosten, Fertigbarkeit, Wartungsfähigkeit, Recyclebarkeit, Lebensdauer, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Materialauswahl [1]. <br /> Fahrdynamisch gesehen haben Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren viele Vorteile. Der größte ist sicherlich das konstante Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich. Während beim Verbrennungsmotor das maximale Drehmoment nur in einem sehr kleinen, meist relativ hohem Drehzahlbereich vorherrscht, setzen Elektromotoren ihr maximales Drehmoment schon von Anfang an um (vgl. Abbildung 1). Dies bedeutet ein besseres Beschleunigungsverhalten und den Wegfall einer Anfahrkupplung, da Elektromotoren aus dem Stillstand beschleunigen können. Insgesamt kann bei einem Stadtfahrzeug komplett auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden, da der Elektromotor den benötigten Drehzahlbereich vollkommen abdeckt. Erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten (&gt;120 km/h) wird eine Übersetzung benötigt. Das dafür benötigte Zwei-Gang-Getriebe kann aber deutlich einfacher und kleiner ausfallen, als die heute üblichen 6-, 7- oder 8-Gang-Getriebe, welche benötigt werden um den Verbrennungsmotor im optimalen Betriebspunkt zu halten. [3]<br /> Anders als Verbrennungskraftmaschinen können E-Motoren zudem im sogenannten 4-Quadranten-Betrieb arbeiten. Darunter wird verstanden, dass die E-Maschine in beide Drehrichtungen als Antrieb und Bremse betrieben werden kann. Gleichzeitig kann sie im Bremsbetrieb auch als Generator verwendet werden, wodurch die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht wird. Allerdings muss diese Energie dann geeignet gespeichert werden [4]<br /> Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchronmaschinen (vgl. Abbildung 2). Diese Maschinen benötigen allerdings Seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine Seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen [2]. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen niedrigen Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen [4].<br /> <br /> <br /> == Optimales Spannungslevel des elektrischen Bordnetzes ==<br /> <br /> <br /> Die Wahl des Spannungslevels des elektrischen Systems ist ein zentrales Thema bei der Grundauslegung eines E-Fahrzeugs. Wählt man ein niedriges Spannungsniveau von z.B. 60V, so kann einfach sichergestellt werden, dass die Komponenten bei einem Unfall oder unsachgemäßer Handhabung Lebewesen keine schweren Verletzungen zuführen. Allerdings benötigt man dann nach dem Gesetz der Elektrischen Leistung (P = U*I) höhere Ströme, was zu höheren Verlusten in den elektrischen Maschinen und einen höheren Kupferaufwand für das Bordnetz führt. Wählt man jedoch ein höheres Spannungslevel, für welches die meisten Motoren und Halbleiter in der nötigen Leistungsklasse ausgelegt sind, so können die 900 – 1.200V Spannung zu schweren Verletzungen bis hin zum Tode führen. <br /> Die gängige heutige Lösung dieses Problems ist ein DC/DC-Wandler, welcher die von Wechselrichter (wird für Asynchronmaschinen benötigt), Bordnetz und Maschinen geforderte höhere Spannung dynamisch erzeugt. Zwar ist auch dieser mit Verlusten behaftete, jedoch sind diese bei Weitem nicht so hoch wie die Verluste durch hohe Ströme. Beim Abstellen des Fahrzeugs oder im Fehlerfall kann der Zwischenkreis schnell entladen werden, dann ist nur noch die niedrige Batteriespannung im System, welche nahezu ungefährlich ist [1]. <br /> <br /> <br /> == Leistungselektronik ==<br /> <br /> <br /> Die Leistungselektronik wird benötigt, da die Antriebe und Zweitverbraucher (Bremskraftverstärker, Lenkhilfe, Heizung, …) eine hohe Leistung und damit eine hohe Spannung benötigen, die allerdings nicht von den Batterien geliefert werden kann. Akkumulatoren können Strom nur in einem geringen Spannungszustand speichern und abgeben, d.h. das sowohl die Energie für den Antrieb, als auch zurückgewonnene Energie durch Rekuperation umgewandelt werden muss. Gleichwohl wird elektrischer Strom als Gleichstrom in den Akkus gespeichert und muss daher beim Einsatz einer Asynchronmaschine als Antrieb zu Wechselstrom umgerichtet werden.<br /> In den letzten Jahren machte man sehr große Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik, wodurch mittlerweile Wirkungsgrade von 90% möglich sind. Eine geringere Wärmeabgabe führt allerdings auch dazu, dass eine zusätzliche fossile Heizung benötigt wird (siehe Kap.4). Die höhere Leistungsdichte der Bauteile und der Betrieb der Teile auf immer kleineren Raum führen allerdings zu einer kritischen elektromagnetischen Verträglichkeit. Vor allem andere elektrische Geräte können durch die hohe EMV-Belastung massiv gestört und beschädigt werden, aber auch die Folgen für den Menschen sind noch nicht gänzlich erforscht [1]. Die Folgen von sogenannten Elektrosmog auf den Menschen sind derzeit ein wichtiges Streitthema in der Wissenschaft und sollten daher mit Vorsicht behandelt werden, insbesondere da sich Menschen heutzutage sehr lange in Fahrzeugen aufhalten. <br /> <br /> <br /> == Thermomanagement ==<br /> <br /> Da Elektromotoren einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen (bis zu 90%), produzieren sie nicht mehr genug Abwärme um den Innenraum des Fahrzeugs damit zu beheizen. Aus diesem Grund muss hierfür eine zusätzliche fossile oder elektrische Heizanlage vorgesehen werden. Energetisch gesehen wäre sogar eine fossile Heizanlage vorteilhafter, da elektrische Heizanlagen einen extrem schlechten Wirkungsgrad besitzen und die Reichweite des Fahrzeuges zu stark verringern würden. Für eine fossile Heizung würde man allerdings eine zusätzliche Infrastruktur inklusive Tank benötigen und ein abgeschirmtes Heizaggregat, in welchem das Öl oder das Gas verbrannt wird. Dies wird aus Kosten- und Komplexitätsgründen wahrscheinlich nicht möglich sein. Die Kühlung des Innenraums durch einen Klimakompressor ist hingegen unkritischer wenn auch ebenfalls sehr energieintensiv [2]. Neben dem Innenraum muss zudem auch die Batterie in einem möglichst engen Temperaturfeld gehalten werden um ihre volle Leistungsfähigkeit zu garantieren. Somit ergibt sich sowohl an besonders heißen, als auch an besonders kalten Tagen eine deutliche Reduzierung der Reichweite, da der Klimakompressor oder die Heizanlage dann einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch des Fahrzeugs aufweisen. So benötigt man z.B. bei einer Außentemperatur von 4°C eine Heizleistung von 3,6 kW um einen mittelgroßen PKW auf 20°C zu heizen. Um eine gefühlte Temperatur von 20°C zu erreichen muss auf Grund der kalten Teile im Fahrzeug sogar mit einer deutlich höheren Temperatur gerechnet werden. Bei einem Standartheizsystem mit elektrischer Direktheizung würde dies bei der heutigen Technik eine Reduzierung der Reichweite um 25-30% nach sich ziehen. Berücksichtigt man Wärmeverluste durch den Lufttransport in den Kanälen und den Energieverbrauch durch die Lüftung, so ist eine Reduzierung der Reichweite von 40% anzunehmen. Bedenkt man nun, dass die Batterie bei 4°C entweder auch geheizt werden muss, oder deutlich weniger Speicherkapazität aufweisen kann, so sinkt die Reichweite des Fahrzeugs schnell unter 50%. Mögliche Gegenmaßnahmen zu dieser Problematik sind besser Dämmung der Fahrzeugkabine und aktive Wärmerückgewinnung [1].<br /> <br /> <br /> == Ressourcenbedarf ==<br /> <br /> Als Rohstoffe für die Produktion eines Elektromotors wird neben Eisen insbesondere Kupfer benötigt. Bei den permanenterregten Varianten der Synchron- und Gleichstrommaschinen wird zusätzlich noch Neodym als permanentmagnetischer Werkstoff benötigt. Neodym gehört den seltenen Erden an und wird für den Bau leistungsfähiger Magnete benötigt. Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchdonmaschinen. Diese Maschinen benötigen wie schon beschrieben seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen [2]. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen geringfügigeren Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen [6]. Der Bedarf an seltenen Erden, insbesondere an Neodym, würde bei einer Umrüstung des Individualverkehrs auf Elektromobilität auf Grund des steigenden Produktionsaufkommens von permanenterregten Elektromotoren extrem anwachsen. Geht man von einer Wachstumsrate des Elektrofahrzeugmarktes von 26% pro Jahr aus und von einer verbauten Masse von 1kg Neodym (heutzutage üblich) pro Elektroauto, so würde der Anteil des für Elektromotoren benötigten Neodyms an der weltweiten Förderung von derzeit 4,11% auf 1452% im Jahr 2030 steigen (vgl. Abbildung 8). Um also alleine die permanenterregten Elektromotoren für Elektroautos herzustellen, würde man bis 2030 die Abbaumenge von Neodym um das 15 fache der heutigen Abbaumenge steigern müssen. <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Neodym.jpg]]<br /> ''Abbildung 1: Erwarteter Anstieg des Neodym Bedarfs''<br /> <br /> <br /> Der Kupferbedarf wird unabhängig vom dominanten Motorentyp wachsen, da alle Elektromotoren und deren Leistungselektronik Kupfer benötigen. Geht man wiederum von einer jährlichen Wachstumsrate der Elektromobilität von 26% aus und einer verbauten Kupfermenge von 30kg pro Fahrzeug, so würde der Anteil der Elektromotoren an der weltweiten Kupferproduktion von derzeit 0,06% bis in Jahr 2030 auf 21,13% steigen (vgl. Abbildung 9)<br /> <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Kupfer.jpg]]<br /> ''Abbildung 2: Erwarteter Anstieg des Kupferbedarfs''<br /> <br /> == Zukunft ==<br /> <br /> Zur jetzigen Zeit lohnt sich ein normales Auto in der Golfklasse mit einer Fahrleistung von 12.000km pro Jahr sowohl als Plug-In-Hybrid als auch als reines Elektrofahrzeug erst ab 3€/l Benzinpreis. Dies wird durch die noch hohen Kosten für den Akku und den Antrieb (100€/kW, zum Vergleich durchschn. Verbrenner: 50€/kW) verschuldet [2]. Sollte sich in der Automobilindustrie jedoch ein Motorentyp durchsetzen, so ist davon auszugehen, dass durch die höhere Produktionszahl, als auch durch die weiterentwickelte Technik, der Preis für diese Antriebe deutlich sinken wird.<br /> Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Entwickler die Rohstoffsituation in ihre Konzepte mit integrieren und somit auf Motoren setzen, welche entweder vollkommen unabhängig (Reluktanzmotor) oder nur geringfügig abhängig (Asynchronmaschine) von seltenen Erden sind. Ingenieure haben bereits effiziente Reluktanzmotoren entwickelt, welche gänzliche ohne Dauermagnete auskommen und damit auch ohne seltene Erden. Anstatt der teuren Permanentmagnete werden hier Spulen eingesetzt, welche erst magnetisch werden, wenn Strom durch sie fließt. Somit ist dieser Motor sowohl billiger, als auch energieeffizienter [7]. Unausweichlich scheint jedoch ein rasanter Anstieg des Kupferbedarfs zu sein, dessen Bewältigung ebenfalls eine Herausforderung darstellen wird [3], jedoch nicht ganz so kritisch zu betrachten ist, wie der Anstieg des Bedarfs an seltenen Erden.<br /> Ein weiteres Problem stellt das Einsatzgebiet des Fahrzeugs dar: bei normalen Temperaturen (um 20°C) hat ein Elektroauto ungefähr eine Gesamteffizienz von 40 % (von der Produktion des Stroms bis zum direkten Verbrauch im Fahrzeug). Der Verbrennungsmotor hat eine Effizienz von etwa 25 % (von der Förderung bis zum Verbrauch im Auto). Auf der Autobahn, an einem kalten Tag, ist es genau umgekehrt: der Wirkungsgrad des Elektrofahrzeuges liegt eher bei 30 % und der des Verbrenners bei 40 %. so dass das Elektrofahrzeug auf Langstrecken energetisch derzeit eigentlich keinen Sinn ergibt [2]. Dies liegt jedoch nicht an den Elektroantrieben sondern am jeweiligen Strommix (Verknüpfung) und der Speichertechnologie (Verknüpfung)<br /> <br /> Quellen:<br /> [1] A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013<br /> [2] M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012<br /> [3] H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011<br /> [4] R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010<br /> [5] J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 <br /> [6] Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität (http://www.oeko.de/oekodoc/1334/2011-449-de.pdf<br /> [7] http://www.zeit.de/auto/2013-02/elektromotor-technik<br /> <br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Antriebe_und_Zweitverbraucher&diff=119 2014-01-15T15:04:28Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> <br /> == Elektromotoren: Potential und Problematik ==<br /> <br /> Grundsätzlich lassen sich alle gängigen elektrischen Maschinenarten (vgl. [[Arten von Elektromotoren]]) in Elektrofahrzeugen verbauen. Entscheidend für die Wahl einer bestimmten E-Maschine ist das erwartete Fahrprofil, sowie folgende Kriterien: Kosten, Fertigbarkeit, Wartungsfähigkeit, Recyclebarkeit, Lebensdauer, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Materialauswahl [1]. <br /> Fahrdynamisch gesehen haben Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren viele Vorteile. Der größte ist sicherlich das konstante Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich. Während beim Verbrennungsmotor das maximale Drehmoment nur in einem sehr kleinen, meist relativ hohem Drehzahlbereich vorherrscht, setzen Elektromotoren ihr maximales Drehmoment schon von Anfang an um (vgl. Abbildung 1). Dies bedeutet ein besseres Beschleunigungsverhalten und den Wegfall einer Anfahrkupplung, da Elektromotoren aus dem Stillstand beschleunigen können. Insgesamt kann bei einem Stadtfahrzeug komplett auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden, da der Elektromotor den benötigten Drehzahlbereich vollkommen abdeckt. Erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten (&gt;120 km/h) wird eine Übersetzung benötigt. Das dafür benötigte Zwei-Gang-Getriebe kann aber deutlich einfacher und kleiner ausfallen, als die heute üblichen 6-, 7- oder 8-Gang-Getriebe, welche benötigt werden um den Verbrennungsmotor im optimalen Betriebspunkt zu halten. [3]<br /> Anders als Verbrennungskraftmaschinen können E-Motoren zudem im sogenannten 4-Quadranten-Betrieb arbeiten. Darunter wird verstanden, dass die E-Maschine in beide Drehrichtungen als Antrieb und Bremse betrieben werden kann. Gleichzeitig kann sie im Bremsbetrieb auch als Generator verwendet werden, wodurch die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht wird. Allerdings muss diese Energie dann geeignet gespeichert werden [4]<br /> Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchronmaschinen (vgl. Abbildung 2). Diese Maschinen benötigen allerdings Seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine Seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen [2]. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen niedrigen Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen [4].<br /> <br /> <br /> == Optimales Spannungslevel des elektrischen Bordnetzes ==<br /> <br /> <br /> Die Wahl des Spannungslevels des elektrischen Systems ist ein zentrales Thema bei der Grundauslegung eines E-Fahrzeugs. Wählt man ein niedriges Spannungsniveau von z.B. 60V, so kann einfach sichergestellt werden, dass die Komponenten bei einem Unfall oder unsachgemäßer Handhabung Lebewesen keine schweren Verletzungen zuführen. Allerdings benötigt man dann nach dem Gesetz der Elektrischen Leistung (P = U*I) höhere Ströme, was zu höheren Verlusten in den elektrischen Maschinen und einen höheren Kupferaufwand für das Bordnetz führt. Wählt man jedoch ein höheres Spannungslevel, für welches die meisten Motoren und Halbleiter in der nötigen Leistungsklasse ausgelegt sind, so können die 900 – 1.200V Spannung zu schweren Verletzungen bis hin zum Tode führen. <br /> Die gängige heutige Lösung dieses Problems ist ein DC/DC-Wandler, welcher die von Wechselrichter (wird für Asynchronmaschinen benötigt), Bordnetz und Maschinen geforderte höhere Spannung dynamisch erzeugt. Zwar ist auch dieser mit Verlusten behaftete, jedoch sind diese bei Weitem nicht so hoch wie die Verluste durch hohe Ströme. Beim Abstellen des Fahrzeugs oder im Fehlerfall kann der Zwischenkreis schnell entladen werden, dann ist nur noch die niedrige Batteriespannung im System, welche nahezu ungefährlich ist [1]. <br /> <br /> <br /> == Leistungselektronik ==<br /> <br /> <br /> Die Leistungselektronik wird benötigt, da die Antriebe und Zweitverbraucher (Bremskraftverstärker, Lenkhilfe, Heizung, …) eine hohe Leistung und damit eine hohe Spannung benötigen, die allerdings nicht von den Batterien geliefert werden kann. Akkumulatoren können Strom nur in einem geringen Spannungszustand speichern und abgeben, d.h. das sowohl die Energie für den Antrieb, als auch zurückgewonnene Energie durch Rekuperation umgewandelt werden muss. Gleichwohl wird elektrischer Strom als Gleichstrom in den Akkus gespeichert und muss daher beim Einsatz einer Asynchronmaschine als Antrieb zu Wechselstrom umgerichtet werden.<br /> In den letzten Jahren machte man sehr große Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik, wodurch mittlerweile Wirkungsgrade von 90% möglich sind. Eine geringere Wärmeabgabe führt allerdings auch dazu, dass eine zusätzliche fossile Heizung benötigt wird (siehe Kap.4). Die höhere Leistungsdichte der Bauteile und der Betrieb der Teile auf immer kleineren Raum führen allerdings zu einer kritischen elektromagnetischen Verträglichkeit. Vor allem andere elektrische Geräte können durch die hohe EMV-Belastung massiv gestört und beschädigt werden, aber auch die Folgen für den Menschen sind noch nicht gänzlich erforscht [1]. Die Folgen von sogenannten Elektrosmog auf den Menschen sind derzeit ein wichtiges Streitthema in der Wissenschaft und sollten daher mit Vorsicht behandelt werden, insbesondere da sich Menschen heutzutage sehr lange in Fahrzeugen aufhalten. <br /> <br /> <br /> == Thermomanagement ==<br /> <br /> Da Elektromotoren einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen (bis zu 90%), produzieren sie nicht mehr genug Abwärme um den Innenraum des Fahrzeugs damit zu beheizen. Aus diesem Grund muss hierfür eine zusätzliche fossile oder elektrische Heizanlage vorgesehen werden. Energetisch gesehen wäre sogar eine fossile Heizanlage vorteilhafter, da elektrische Heizanlagen einen extrem schlechten Wirkungsgrad besitzen und die Reichweite des Fahrzeuges zu stark verringern würden. Für eine fossile Heizung würde man allerdings eine zusätzliche Infrastruktur inklusive Tank benötigen und ein abgeschirmtes Heizaggregat, in welchem das Öl oder das Gas verbrannt wird. Dies wird aus Kosten- und Komplexitätsgründen wahrscheinlich nicht möglich sein. Die Kühlung des Innenraums durch einen Klimakompressor ist hingegen unkritischer wenn auch ebenfalls sehr energieintensiv [2]. Neben dem Innenraum muss zudem auch die Batterie in einem möglichst engen Temperaturfeld gehalten werden um ihre volle Leistungsfähigkeit zu garantieren. Somit ergibt sich sowohl an besonders heißen, als auch an besonders kalten Tagen eine deutliche Reduzierung der Reichweite, da der Klimakompressor oder die Heizanlage dann einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch des Fahrzeugs aufweisen. So benötigt man z.B. bei einer Außentemperatur von 4°C eine Heizleistung von 3,6 kW um einen mittelgroßen PKW auf 20°C zu heizen. Um eine gefühlte Temperatur von 20°C zu erreichen muss auf Grund der kalten Teile im Fahrzeug sogar mit einer deutlich höheren Temperatur gerechnet werden. Bei einem Standartheizsystem mit elektrischer Direktheizung würde dies bei der heutigen Technik eine Reduzierung der Reichweite um 25-30% nach sich ziehen. Berücksichtigt man Wärmeverluste durch den Lufttransport in den Kanälen und den Energieverbrauch durch die Lüftung, so ist eine Reduzierung der Reichweite von 40% anzunehmen. Bedenkt man nun, dass die Batterie bei 4°C entweder auch geheizt werden muss, oder deutlich weniger Speicherkapazität aufweisen kann, so sinkt die Reichweite des Fahrzeugs schnell unter 50%. Mögliche Gegenmaßnahmen zu dieser Problematik sind besser Dämmung der Fahrzeugkabine und aktive Wärmerückgewinnung [1].<br /> <br /> <br /> == Ressourcenbedarf ==<br /> <br /> Als Rohstoffe für die Produktion eines Elektromotors wird neben Eisen insbesondere Kupfer benötigt. Bei den permanenterregten Varianten der Synchron- und Gleichstrommaschinen wird zusätzlich noch Neodym als permanentmagnetischer Werkstoff benötigt. Neodym gehört den seltenen Erden an und wird für den Bau leistungsfähiger Magnete benötigt. Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchdonmaschinen. Diese Maschinen benötigen wie schon beschrieben seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen [2]. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen geringfügigeren Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen [6]. Der Bedarf an seltenen Erden, insbesondere an Neodym, würde bei einer Umrüstung des Individualverkehrs auf Elektromobilität auf Grund des steigenden Produktionsaufkommens von permanenterregten Elektromotoren extrem anwachsen. Geht man von einer Wachstumsrate des Elektrofahrzeugmarktes von 26% pro Jahr aus und von einer verbauten Masse von 1kg Neodym (heutzutage üblich) pro Elektroauto, so würde der Anteil des für Elektromotoren benötigten Neodyms an der weltweiten Förderung von derzeit 4,11% auf 1452% im Jahr 2030 steigen (vgl. Abbildung 8). Um also alleine die permanenterregten Elektromotoren für Elektroautos herzustellen, würde man bis 2030 die Abbaumenge von Neodym um das 15 fache der heutigen Abbaumenge steigern müssen. <br /> <br /> [[Datei:Bedarf_an_Neodym.jpg]]<br /> <br /> <br /> <br /> Der Kupferbedarf wird unabhängig vom dominanten Motorentyp wachsen, da alle Elektromotoren und deren Leistungselektronik Kupfer benötigen. Geht man wiederum von einer jährlichen Wachstumsrate der Elektromobilität von 26% aus und einer verbauten Kupfermenge von 30kg pro Fahrzeug, so würde der Anteil der Elektromotoren an der weltweiten Kupferproduktion von derzeit 0,06% bis in Jahr 2030 auf 21,13% steigen (vgl. Abbildung 9)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> == Zukunft ==<br /> <br /> Zur jetzigen Zeit lohnt sich ein normales Auto in der Golfklasse mit einer Fahrleistung von 12.000km pro Jahr sowohl als Plug-In-Hybrid als auch als reines Elektrofahrzeug erst ab 3€/l Benzinpreis. Dies wird durch die noch hohen Kosten für den Akku und den Antrieb (100€/kW, zum Vergleich durchschn. Verbrenner: 50€/kW) verschuldet [2]. Sollte sich in der Automobilindustrie jedoch ein Motorentyp durchsetzen, so ist davon auszugehen, dass durch die höhere Produktionszahl, als auch durch die weiterentwickelte Technik, der Preis für diese Antriebe deutlich sinken wird.<br /> Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Entwickler die Rohstoffsituation in ihre Konzepte mit integrieren und somit auf Motoren setzen, welche entweder vollkommen unabhängig (Reluktanzmotor) oder nur geringfügig abhängig (Asynchronmaschine) von seltenen Erden sind. Ingenieure haben bereits effiziente Reluktanzmotoren entwickelt, welche gänzliche ohne Dauermagnete auskommen und damit auch ohne seltene Erden. Anstatt der teuren Permanentmagnete werden hier Spulen eingesetzt, welche erst magnetisch werden, wenn Strom durch sie fließt. Somit ist dieser Motor sowohl billiger, als auch energieeffizienter [7]. Unausweichlich scheint jedoch ein rasanter Anstieg des Kupferbedarfs zu sein, dessen Bewältigung ebenfalls eine Herausforderung darstellen wird [3], jedoch nicht ganz so kritisch zu betrachten ist, wie der Anstieg des Bedarfs an seltenen Erden.<br /> Ein weiteres Problem stellt das Einsatzgebiet des Fahrzeugs dar: bei normalen Temperaturen (um 20°C) hat ein Elektroauto ungefähr eine Gesamteffizienz von 40 % (von der Produktion des Stroms bis zum direkten Verbrauch im Fahrzeug). Der Verbrennungsmotor hat eine Effizienz von etwa 25 % (von der Förderung bis zum Verbrauch im Auto). Auf der Autobahn, an einem kalten Tag, ist es genau umgekehrt: der Wirkungsgrad des Elektrofahrzeuges liegt eher bei 30 % und der des Verbrenners bei 40 %. so dass das Elektrofahrzeug auf Langstrecken energetisch derzeit eigentlich keinen Sinn ergibt [2]. Dies liegt jedoch nicht an den Elektroantrieben sondern am jeweiligen Strommix (Verknüpfung) und der Speichertechnologie (Verknüpfung)<br /> <br /> Quellen:<br /> [1] A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013<br /> [2] M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012<br /> [3] H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011<br /> [4] R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010<br /> [5] J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 <br /> [6] Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität (http://www.oeko.de/oekodoc/1334/2011-449-de.pdf<br /> [7] http://www.zeit.de/auto/2013-02/elektromotor-technik<br /> <br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Datei:Bedarf_an_Neodym.jpg&diff=118 2014-01-15T15:03:14Z

<p>Lutzweiss: Lutzweiss lud eine neue Version von „Datei:Bedarf an Neodym.jpg“ hoch</p> <hr /> <div>H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Datei:Bedarf_an_Neodym.jpg&diff=117 2014-01-15T15:02:47Z

<p>Lutzweiss: H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011</p> <hr /> <div>H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Antriebe_und_Zweitverbraucher&diff=113 2014-01-15T10:11:20Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> <br /> == Elektromotoren: Potential und Problematik ==<br /> <br /> Grundsätzlich lassen sich alle gängigen elektrischen Maschinenarten (vgl. [[Arten von Elektromotoren]]) in Elektrofahrzeugen verbauen. Entscheidend für die Wahl einer bestimmten E-Maschine ist das erwartete Fahrprofil, sowie folgende Kriterien: Kosten, Fertigbarkeit, Wartungsfähigkeit, Recyclebarkeit, Lebensdauer, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Materialauswahl [1]. <br /> Fahrdynamisch gesehen haben Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren viele Vorteile. Der größte ist sicherlich das konstante Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich. Während beim Verbrennungsmotor das maximale Drehmoment nur in einem sehr kleinen, meist relativ hohem Drehzahlbereich vorherrscht, setzen Elektromotoren ihr maximales Drehmoment schon von Anfang an um (vgl. Abbildung 1). Dies bedeutet ein besseres Beschleunigungsverhalten und den Wegfall einer Anfahrkupplung, da Elektromotoren aus dem Stillstand beschleunigen können. Insgesamt kann bei einem Stadtfahrzeug komplett auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden, da der Elektromotor den benötigten Drehzahlbereich vollkommen abdeckt. Erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten (&gt;120 km/h) wird eine Übersetzung benötigt. Das dafür benötigte Zwei-Gang-Getriebe kann aber deutlich einfacher und kleiner ausfallen, als die heute üblichen 6-, 7- oder 8-Gang-Getriebe, welche benötigt werden um den Verbrennungsmotor im optimalen Betriebspunkt zu halten. [3]<br /> Anders als Verbrennungskraftmaschinen können E-Motoren zudem im sogenannten 4-Quadranten-Betrieb arbeiten. Darunter wird verstanden, dass die E-Maschine in beide Drehrichtungen als Antrieb und Bremse betrieben werden kann. Gleichzeitig kann sie im Bremsbetrieb auch als Generator verwendet werden, wodurch die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht wird. Allerdings muss diese Energie dann geeignet gespeichert werden [4]<br /> Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchronmaschinen (vgl. Abbildung 2). Diese Maschinen benötigen allerdings Seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine Seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen [2]. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen niedrigen Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen [4].<br /> <br /> <br /> == Optimales Spannungslevel des elektrischen Bordnetzes ==<br /> <br /> <br /> Die Wahl des Spannungslevels des elektrischen Systems ist ein zentrales Thema bei der Grundauslegung eines E-Fahrzeugs. Wählt man ein niedriges Spannungsniveau von z.B. 60V, so kann einfach sichergestellt werden, dass die Komponenten bei einem Unfall oder unsachgemäßer Handhabung Lebewesen keine schweren Verletzungen zuführen. Allerdings benötigt man dann nach dem Gesetz der Elektrischen Leistung (P = U*I) höhere Ströme, was zu höheren Verlusten in den elektrischen Maschinen und einen höheren Kupferaufwand für das Bordnetz führt. Wählt man jedoch ein höheres Spannungslevel, für welches die meisten Motoren und Halbleiter in der nötigen Leistungsklasse ausgelegt sind, so können die 900 – 1.200V Spannung zu schweren Verletzungen bis hin zum Tode führen. <br /> Die gängige heutige Lösung dieses Problems ist ein DC/DC-Wandler, welcher die von Wechselrichter (wird für Asynchronmaschinen benötigt), Bordnetz und Maschinen geforderte höhere Spannung dynamisch erzeugt. Zwar ist auch dieser mit Verlusten behaftete, jedoch sind diese bei Weitem nicht so hoch wie die Verluste durch hohe Ströme. Beim Abstellen des Fahrzeugs oder im Fehlerfall kann der Zwischenkreis schnell entladen werden, dann ist nur noch die niedrige Batteriespannung im System, welche nahezu ungefährlich ist [1]. <br /> <br /> <br /> == Leistungselektronik ==<br /> <br /> <br /> Die Leistungselektronik wird benötigt, da die Antriebe und Zweitverbraucher (Bremskraftverstärker, Lenkhilfe, Heizung, …) eine hohe Leistung und damit eine hohe Spannung benötigen, die allerdings nicht von den Batterien geliefert werden kann. Akkumulatoren können Strom nur in einem geringen Spannungszustand speichern und abgeben, d.h. das sowohl die Energie für den Antrieb, als auch zurückgewonnene Energie durch Rekuperation umgewandelt werden muss. Gleichwohl wird elektrischer Strom als Gleichstrom in den Akkus gespeichert und muss daher beim Einsatz einer Asynchronmaschine als Antrieb zu Wechselstrom umgerichtet werden.<br /> In den letzten Jahren machte man sehr große Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik, wodurch mittlerweile Wirkungsgrade von 90% möglich sind. Eine geringere Wärmeabgabe führt allerdings auch dazu, dass eine zusätzliche fossile Heizung benötigt wird (siehe Kap.4). Die höhere Leistungsdichte der Bauteile und der Betrieb der Teile auf immer kleineren Raum führen allerdings zu einer kritischen elektromagnetischen Verträglichkeit. Vor allem andere elektrische Geräte können durch die hohe EMV-Belastung massiv gestört und beschädigt werden, aber auch die Folgen für den Menschen sind noch nicht gänzlich erforscht [1]. Die Folgen von sogenannten Elektrosmog auf den Menschen sind derzeit ein wichtiges Streitthema in der Wissenschaft und sollten daher mit Vorsicht behandelt werden, insbesondere da sich Menschen heutzutage sehr lange in Fahrzeugen aufhalten. <br /> <br /> <br /> == Thermomanagement ==<br /> <br /> Da Elektromotoren einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen (bis zu 90%), produzieren sie nicht mehr genug Abwärme um den Innenraum des Fahrzeugs damit zu beheizen. Aus diesem Grund muss hierfür eine zusätzliche fossile oder elektrische Heizanlage vorgesehen werden. Energetisch gesehen wäre sogar eine fossile Heizanlage vorteilhafter, da elektrische Heizanlagen einen extrem schlechten Wirkungsgrad besitzen und die Reichweite des Fahrzeuges zu stark verringern würden. Für eine fossile Heizung würde man allerdings eine zusätzliche Infrastruktur inklusive Tank benötigen und ein abgeschirmtes Heizaggregat, in welchem das Öl oder das Gas verbrannt wird. Dies wird aus Kosten- und Komplexitätsgründen wahrscheinlich nicht möglich sein. Die Kühlung des Innenraums durch einen Klimakompressor ist hingegen unkritischer wenn auch ebenfalls sehr energieintensiv [2]. Neben dem Innenraum muss zudem auch die Batterie in einem möglichst engen Temperaturfeld gehalten werden um ihre volle Leistungsfähigkeit zu garantieren. Somit ergibt sich sowohl an besonders heißen, als auch an besonders kalten Tagen eine deutliche Reduzierung der Reichweite, da der Klimakompressor oder die Heizanlage dann einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch des Fahrzeugs aufweisen. So benötigt man z.B. bei einer Außentemperatur von 4°C eine Heizleistung von 3,6 kW um einen mittelgroßen PKW auf 20°C zu heizen. Um eine gefühlte Temperatur von 20°C zu erreichen muss auf Grund der kalten Teile im Fahrzeug sogar mit einer deutlich höheren Temperatur gerechnet werden. Bei einem Standartheizsystem mit elektrischer Direktheizung würde dies bei der heutigen Technik eine Reduzierung der Reichweite um 25-30% nach sich ziehen. Berücksichtigt man Wärmeverluste durch den Lufttransport in den Kanälen und den Energieverbrauch durch die Lüftung, so ist eine Reduzierung der Reichweite von 40% anzunehmen. Bedenkt man nun, dass die Batterie bei 4°C entweder auch geheizt werden muss, oder deutlich weniger Speicherkapazität aufweisen kann, so sinkt die Reichweite des Fahrzeugs schnell unter 50%. Mögliche Gegenmaßnahmen zu dieser Problematik sind besser Dämmung der Fahrzeugkabine und aktive Wärmerückgewinnung [1].<br /> <br /> <br /> == Ressourcenbedarf ==<br /> <br /> Als Rohstoffe für die Produktion eines Elektromotors wird neben Eisen insbesondere Kupfer benötigt. Bei den permanenterregten Varianten der Synchron- und Gleichstrommaschinen wird zusätzlich noch Neodym als permanentmagnetischer Werkstoff benötigt. Neodym gehört den seltenen Erden an und wird für den Bau leistungsfähiger Magnete benötigt. Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchdonmaschinen. Diese Maschinen benötigen wie schon beschrieben seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen [2]. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen geringfügigeren Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen [6]. Der Bedarf an seltenen Erden, insbesondere an Neodym, würde bei einer Umrüstung des Individualverkehrs auf Elektromobilität auf Grund des steigenden Produktionsaufkommens von permanenterregten Elektromotoren extrem anwachsen. Geht man von einer Wachstumsrate des Elektrofahrzeugmarktes von 26% pro Jahr aus und von einer verbauten Masse von 1kg Neodym (heutzutage üblich) pro Elektroauto, so würde der Anteil des für Elektromotoren benötigten Neodyms an der weltweiten Förderung von derzeit 4,11% auf 1452% im Jahr 2030 steigen (vgl. Abbildung 8). Um also alleine die permanenterregten Elektromotoren für Elektroautos herzustellen, würde man bis 2030 die Abbaumenge von Neodym um das 15 fache der heutigen Abbaumenge steigern müssen. <br /> <br /> [[Datei:Beispiel.jpg]]<br /> <br /> <br /> <br /> Der Kupferbedarf wird unabhängig vom dominanten Motorentyp wachsen, da alle Elektromotoren und deren Leistungselektronik Kupfer benötigen. Geht man wiederum von einer jährlichen Wachstumsrate der Elektromobilität von 26% aus und einer verbauten Kupfermenge von 30kg pro Fahrzeug, so würde der Anteil der Elektromotoren an der weltweiten Kupferproduktion von derzeit 0,06% bis in Jahr 2030 auf 21,13% steigen (vgl. Abbildung 9)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> == Zukunft ==<br /> <br /> Zur jetzigen Zeit lohnt sich ein normales Auto in der Golfklasse mit einer Fahrleistung von 12.000km pro Jahr sowohl als Plug-In-Hybrid als auch als reines Elektrofahrzeug erst ab 3€/l Benzinpreis. Dies wird durch die noch hohen Kosten für den Akku und den Antrieb (100€/kW, zum Vergleich durchschn. Verbrenner: 50€/kW) verschuldet [2]. Sollte sich in der Automobilindustrie jedoch ein Motorentyp durchsetzen, so ist davon auszugehen, dass durch die höhere Produktionszahl, als auch durch die weiterentwickelte Technik, der Preis für diese Antriebe deutlich sinken wird.<br /> Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Entwickler die Rohstoffsituation in ihre Konzepte mit integrieren und somit auf Motoren setzen, welche entweder vollkommen unabhängig (Reluktanzmotor) oder nur geringfügig abhängig (Asynchronmaschine) von seltenen Erden sind. Ingenieure haben bereits effiziente Reluktanzmotoren entwickelt, welche gänzliche ohne Dauermagnete auskommen und damit auch ohne seltene Erden. Anstatt der teuren Permanentmagnete werden hier Spulen eingesetzt, welche erst magnetisch werden, wenn Strom durch sie fließt. Somit ist dieser Motor sowohl billiger, als auch energieeffizienter [7]. Unausweichlich scheint jedoch ein rasanter Anstieg des Kupferbedarfs zu sein, dessen Bewältigung ebenfalls eine Herausforderung darstellen wird [3], jedoch nicht ganz so kritisch zu betrachten ist, wie der Anstieg des Bedarfs an seltenen Erden.<br /> Ein weiteres Problem stellt das Einsatzgebiet des Fahrzeugs dar: bei normalen Temperaturen (um 20°C) hat ein Elektroauto ungefähr eine Gesamteffizienz von 40 % (von der Produktion des Stroms bis zum direkten Verbrauch im Fahrzeug). Der Verbrennungsmotor hat eine Effizienz von etwa 25 % (von der Förderung bis zum Verbrauch im Auto). Auf der Autobahn, an einem kalten Tag, ist es genau umgekehrt: der Wirkungsgrad des Elektrofahrzeuges liegt eher bei 30 % und der des Verbrenners bei 40 %. so dass das Elektrofahrzeug auf Langstrecken energetisch derzeit eigentlich keinen Sinn ergibt [2]. Dies liegt jedoch nicht an den Elektroantrieben sondern am jeweiligen Strommix (Verknüpfung) und der Speichertechnologie (Verknüpfung)<br /> <br /> Quellen:<br /> [1] A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013<br /> [2] M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012<br /> [3] H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011<br /> [4] R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010<br /> [5] J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 <br /> [6] Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität (http://www.oeko.de/oekodoc/1334/2011-449-de.pdf<br /> [7] http://www.zeit.de/auto/2013-02/elektromotor-technik<br /> <br /> <br /> [[Category: Grüne Elektroautos]]</div>

Lutzweiss http://www.blue-engineering.org/index.php?title=Antriebe_und_Zweitverbraucher&diff=112 2014-01-15T10:10:57Z

<p>Lutzweiss: </p> <hr /> <div>[[Category:Wissensspeicher]]<br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]<br /> <br /> <br /> == Elektromotoren: Potential und Problematik ==<br /> <br /> Grundsätzlich lassen sich alle gängigen elektrischen Maschinenarten (vgl. [[Arten von Elektromotoren]]) in Elektrofahrzeugen verbauen. Entscheidend für die Wahl einer bestimmten E-Maschine ist das erwartete Fahrprofil, sowie folgende Kriterien: Kosten, Fertigbarkeit, Wartungsfähigkeit, Recyclebarkeit, Lebensdauer, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Materialauswahl [1]. <br /> Fahrdynamisch gesehen haben Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren viele Vorteile. Der größte ist sicherlich das konstante Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich. Während beim Verbrennungsmotor das maximale Drehmoment nur in einem sehr kleinen, meist relativ hohem Drehzahlbereich vorherrscht, setzen Elektromotoren ihr maximales Drehmoment schon von Anfang an um (vgl. Abbildung 1). Dies bedeutet ein besseres Beschleunigungsverhalten und den Wegfall einer Anfahrkupplung, da Elektromotoren aus dem Stillstand beschleunigen können. Insgesamt kann bei einem Stadtfahrzeug komplett auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden, da der Elektromotor den benötigten Drehzahlbereich vollkommen abdeckt. Erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten (&gt;120 km/h) wird eine Übersetzung benötigt. Das dafür benötigte Zwei-Gang-Getriebe kann aber deutlich einfacher und kleiner ausfallen, als die heute üblichen 6-, 7- oder 8-Gang-Getriebe, welche benötigt werden um den Verbrennungsmotor im optimalen Betriebspunkt zu halten. [3]<br /> Anders als Verbrennungskraftmaschinen können E-Motoren zudem im sogenannten 4-Quadranten-Betrieb arbeiten. Darunter wird verstanden, dass die E-Maschine in beide Drehrichtungen als Antrieb und Bremse betrieben werden kann. Gleichzeitig kann sie im Bremsbetrieb auch als Generator verwendet werden, wodurch die Rekuperation der Bremsenergie ermöglicht wird. Allerdings muss diese Energie dann geeignet gespeichert werden [4]<br /> Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchronmaschinen (vgl. Abbildung 2). Diese Maschinen benötigen allerdings Seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine Seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen [2]. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen niedrigen Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen [4].<br /> <br /> <br /> == Optimales Spannungslevel des elektrischen Bordnetzes ==<br /> <br /> <br /> Die Wahl des Spannungslevels des elektrischen Systems ist ein zentrales Thema bei der Grundauslegung eines E-Fahrzeugs. Wählt man ein niedriges Spannungsniveau von z.B. 60V, so kann einfach sichergestellt werden, dass die Komponenten bei einem Unfall oder unsachgemäßer Handhabung Lebewesen keine schweren Verletzungen zuführen. Allerdings benötigt man dann nach dem Gesetz der Elektrischen Leistung (P = U*I) höhere Ströme, was zu höheren Verlusten in den elektrischen Maschinen und einen höheren Kupferaufwand für das Bordnetz führt. Wählt man jedoch ein höheres Spannungslevel, für welches die meisten Motoren und Halbleiter in der nötigen Leistungsklasse ausgelegt sind, so können die 900 – 1.200V Spannung zu schweren Verletzungen bis hin zum Tode führen. <br /> Die gängige heutige Lösung dieses Problems ist ein DC/DC-Wandler, welcher die von Wechselrichter (wird für Asynchronmaschinen benötigt), Bordnetz und Maschinen geforderte höhere Spannung dynamisch erzeugt. Zwar ist auch dieser mit Verlusten behaftete, jedoch sind diese bei Weitem nicht so hoch wie die Verluste durch hohe Ströme. Beim Abstellen des Fahrzeugs oder im Fehlerfall kann der Zwischenkreis schnell entladen werden, dann ist nur noch die niedrige Batteriespannung im System, welche nahezu ungefährlich ist [1]. <br /> <br /> <br /> == Leistungselektronik ==<br /> <br /> <br /> Die Leistungselektronik wird benötigt, da die Antriebe und Zweitverbraucher (Bremskraftverstärker, Lenkhilfe, Heizung, …) eine hohe Leistung und damit eine hohe Spannung benötigen, die allerdings nicht von den Batterien geliefert werden kann. Akkumulatoren können Strom nur in einem geringen Spannungszustand speichern und abgeben, d.h. das sowohl die Energie für den Antrieb, als auch zurückgewonnene Energie durch Rekuperation umgewandelt werden muss. Gleichwohl wird elektrischer Strom als Gleichstrom in den Akkus gespeichert und muss daher beim Einsatz einer Asynchronmaschine als Antrieb zu Wechselstrom umgerichtet werden.<br /> In den letzten Jahren machte man sehr große Fortschritte im Bereich der Leistungselektronik, wodurch mittlerweile Wirkungsgrade von 90% möglich sind. Eine geringere Wärmeabgabe führt allerdings auch dazu, dass eine zusätzliche fossile Heizung benötigt wird (siehe Kap.4). Die höhere Leistungsdichte der Bauteile und der Betrieb der Teile auf immer kleineren Raum führen allerdings zu einer kritischen elektromagnetischen Verträglichkeit. Vor allem andere elektrische Geräte können durch die hohe EMV-Belastung massiv gestört und beschädigt werden, aber auch die Folgen für den Menschen sind noch nicht gänzlich erforscht [1]. Die Folgen von sogenannten Elektrosmog auf den Menschen sind derzeit ein wichtiges Streitthema in der Wissenschaft und sollten daher mit Vorsicht behandelt werden, insbesondere da sich Menschen heutzutage sehr lange in Fahrzeugen aufhalten. <br /> <br /> <br /> == Thermomanagement ==<br /> <br /> Da Elektromotoren einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen (bis zu 90%), produzieren sie nicht mehr genug Abwärme um den Innenraum des Fahrzeugs damit zu beheizen. Aus diesem Grund muss hierfür eine zusätzliche fossile oder elektrische Heizanlage vorgesehen werden. Energetisch gesehen wäre sogar eine fossile Heizanlage vorteilhafter, da elektrische Heizanlagen einen extrem schlechten Wirkungsgrad besitzen und die Reichweite des Fahrzeuges zu stark verringern würden. Für eine fossile Heizung würde man allerdings eine zusätzliche Infrastruktur inklusive Tank benötigen und ein abgeschirmtes Heizaggregat, in welchem das Öl oder das Gas verbrannt wird. Dies wird aus Kosten- und Komplexitätsgründen wahrscheinlich nicht möglich sein. Die Kühlung des Innenraums durch einen Klimakompressor ist hingegen unkritischer wenn auch ebenfalls sehr energieintensiv [2]. Neben dem Innenraum muss zudem auch die Batterie in einem möglichst engen Temperaturfeld gehalten werden um ihre volle Leistungsfähigkeit zu garantieren. Somit ergibt sich sowohl an besonders heißen, als auch an besonders kalten Tagen eine deutliche Reduzierung der Reichweite, da der Klimakompressor oder die Heizanlage dann einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch des Fahrzeugs aufweisen. So benötigt man z.B. bei einer Außentemperatur von 4°C eine Heizleistung von 3,6 kW um einen mittelgroßen PKW auf 20°C zu heizen. Um eine gefühlte Temperatur von 20°C zu erreichen muss auf Grund der kalten Teile im Fahrzeug sogar mit einer deutlich höheren Temperatur gerechnet werden. Bei einem Standartheizsystem mit elektrischer Direktheizung würde dies bei der heutigen Technik eine Reduzierung der Reichweite um 25-30% nach sich ziehen. Berücksichtigt man Wärmeverluste durch den Lufttransport in den Kanälen und den Energieverbrauch durch die Lüftung, so ist eine Reduzierung der Reichweite von 40% anzunehmen. Bedenkt man nun, dass die Batterie bei 4°C entweder auch geheizt werden muss, oder deutlich weniger Speicherkapazität aufweisen kann, so sinkt die Reichweite des Fahrzeugs schnell unter 50%. Mögliche Gegenmaßnahmen zu dieser Problematik sind besser Dämmung der Fahrzeugkabine und aktive Wärmerückgewinnung [1].<br /> <br /> <br /> == Ressourcenbedarf ==<br /> <br /> Als Rohstoffe für die Produktion eines Elektromotors wird neben Eisen insbesondere Kupfer benötigt. Bei den permanenterregten Varianten der Synchron- und Gleichstrommaschinen wird zusätzlich noch Neodym als permanentmagnetischer Werkstoff benötigt. Neodym gehört den seltenen Erden an und wird für den Bau leistungsfähiger Magnete benötigt. Derzeit nutzen die meisten Hersteller wegen des sportlichen Anfahrverhaltens und der hohen Leistungsdichte permanenterregte Synchron- oder Asynchdonmaschinen. Diese Maschinen benötigen wie schon beschrieben seltene Erden für ihre Permanentmagneten, welche zu über 90% aus China stammen. Da es in China bereits Überlegungen gibt, keine seltenen Erden mehr zu exportieren, sondern ausschließlich fertige Produkte, also komplette Elektromotoren oder LEDs, werden wohl in Zukunft auch andere Abbaugebiete erschlossen [2]. Seltene Erden kommen zwar in nahezu allen Bodenarten der Welt vor, aber in diesen immer nur in sehr kleinen Mengen, weshalb für eine gewinnbringende Summe dieser wichtigen Metalle riesige Mengen an Erde durchsiebt werden müssen. Diese Abbaugebiete werden auf Grund der dort vorherrschenden niedrigeren Umweltbestimmungen und den damit verbundenen geringfügigeren Kosten wohl größtenteils in der dritten Welt entstehen [6]. Der Bedarf an seltenen Erden, insbesondere an Neodym, würde bei einer Umrüstung des Individualverkehrs auf Elektromobilität auf Grund des steigenden Produktionsaufkommens von permanenterregten Elektromotoren extrem anwachsen. Geht man von einer Wachstumsrate des Elektrofahrzeugmarktes von 26% pro Jahr aus und von einer verbauten Masse von 1kg Neodym (heutzutage üblich) pro Elektroauto, so würde der Anteil des für Elektromotoren benötigten Neodyms an der weltweiten Förderung von derzeit 4,11% auf 1452% im Jahr 2030 steigen (vgl. Abbildung 8). Um also alleine die permanenterregten Elektromotoren für Elektroautos herzustellen, würde man bis 2030 die Abbaumenge von Neodym um das 15 fache der heutigen Abbaumenge steigern müssen. <br /> <br /> [[Datei:Beispiel.jpg]]<br /> <br /> <br /> <br /> Der Kupferbedarf wird unabhängig vom dominanten Motorentyp wachsen, da alle Elektromotoren und deren Leistungselektronik Kupfer benötigen. Geht man wiederum von einer jährlichen Wachstumsrate der Elektromobilität von 26% aus und einer verbauten Kupfermenge von 30kg pro Fahrzeug, so würde der Anteil der Elektromotoren an der weltweiten Kupferproduktion von derzeit 0,06% bis in Jahr 2030 auf 21,13% steigen (vgl. Abbildung 9)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> == Zukunft ==<br /> <br /> Zur jetzigen Zeit lohnt sich ein normales Auto in der Golfklasse mit einer Fahrleistung von 12.000km pro Jahr sowohl als Plug-In-Hybrid als auch als reines Elektrofahrzeug erst ab 3€/l Benzinpreis. Dies wird durch die noch hohen Kosten für den Akku und den Antrieb (100€/kW, zum Vergleich durchschn. Verbrenner: 50€/kW) verschuldet [2]. Sollte sich in der Automobilindustrie jedoch ein Motorentyp durchsetzen, so ist davon auszugehen, dass durch die höhere Produktionszahl, als auch durch die weiterentwickelte Technik, der Preis für diese Antriebe deutlich sinken wird.<br /> Gleichzeitig ist es wichtig, dass die Entwickler die Rohstoffsituation in ihre Konzepte mit integrieren und somit auf Motoren setzen, welche entweder vollkommen unabhängig (Reluktanzmotor) oder nur geringfügig abhängig (Asynchronmaschine) von seltenen Erden sind. Ingenieure haben bereits effiziente Reluktanzmotoren entwickelt, welche gänzliche ohne Dauermagnete auskommen und damit auch ohne seltene Erden. Anstatt der teuren Permanentmagnete werden hier Spulen eingesetzt, welche erst magnetisch werden, wenn Strom durch sie fließt. Somit ist dieser Motor sowohl billiger, als auch energieeffizienter [7]. Unausweichlich scheint jedoch ein rasanter Anstieg des Kupferbedarfs zu sein, dessen Bewältigung ebenfalls eine Herausforderung darstellen wird [3], jedoch nicht ganz so kritisch zu betrachten ist, wie der Anstieg des Bedarfs an seltenen Erden.<br /> Ein weiteres Problem stellt das Einsatzgebiet des Fahrzeugs dar: bei normalen Temperaturen (um 20°C) hat ein Elektroauto ungefähr eine Gesamteffizienz von 40 % (von der Produktion des Stroms bis zum direkten Verbrauch im Fahrzeug). Der Verbrennungsmotor hat eine Effizienz von etwa 25 % (von der Förderung bis zum Verbrauch im Auto). Auf der Autobahn, an einem kalten Tag, ist es genau umgekehrt: der Wirkungsgrad des Elektrofahrzeuges liegt eher bei 30 % und der des Verbrenners bei 40 %. so dass das Elektrofahrzeug auf Langstrecken energetisch derzeit eigentlich keinen Sinn ergibt [2]. Dies liegt jedoch nicht an den Elektroantrieben sondern am jeweiligen Strommix (Verknüpfung) und der Speichertechnologie (Verknüpfung)<br /> <br /> Quellen:<br /> [1] A. Kapmker et.al. [Hrsg.], „Eletromobilität: Grunlagen einer Zukunftstechnologie“, Springer Verlag, Berlin 2013<br /> [2] M. Lienkamp, „Elektromobilität – Hype oder Revolution?“, Springer Verlag, Berlin, 2012<br /> [3] H. Wallentowitz, „Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges“, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011<br /> [4] R.F. Hüttl et.al., „Elektromobilität – Potenziale und Wirtschaftlich-Technische Herausforderungen“, Springer Verlag, Berlin, 2010<br /> [5] J. Larminie und J. Lowry, „Electric Vehicle Technology Explained”, John Wiley &amp; Sons Ltd. , Chichester (UK), 2012 <br /> [6] Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität (http://www.oeko.de/oekodoc/1334/2011-449-de.pdf<br /> [7] http://www.zeit.de/auto/2013-02/elektromotor-technik<br /> <br /> <br /> [[Category:Grüne Elektroautos]]<br /> [[Category: Antriebe und Zweitverbraucher]]</div>

Lutzweiss