Elektromobilität II

Einsatz des Transparents

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Auch dieses Transparent dient dem Einsatz in der 10. Klasse in Elektrophysik. Für den ersten Teil wird als Voraussetzung die Kenntnis von Reihen- und Parallelschaltung benötigt. Es wird hierzu ein interessantes Anwendungsbeispiel aus der Praxis vorgestellt. Hierzu bietet sich Aufgabe 1 auf Kopiervorlage 13 an. Diese Aufgabe wiederholt ähnlich wie die Aufgaben von Kopiervorlage 12 neben den Gesetzen der unmittelbaren Unterrichtsreihe "Reihen und Parallelschaltung" zusätzlich Kenntnisse über früheren Stoff, das heißt hier: einfache geometrische Probleme (Volumenberechnungen von Quadern) sowie allgemein strategische Lösung von Sachaufgaben.

Inhalt des Transparents

Hochvolt(HV)-Batterien sind die Energiespeicher im Hybridfahrzeug. Man spricht immer dann von Hochvolt-Systemen, sobald eine Gleichspannung von 60 Volt oder eine Wechselspannung von 25 Volt oder höher vorliegt. Für serienmäßig hergestellte Hybridfahrzeuge werden heute Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) verwendet. NiMH-Batterien haben Zellspannungen von ca. 1,2 V. Die in älteren Hybridfahrzeugen eingesetzten Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd) werden nicht mehr eingesetzt, da die Leistungsdichte unzureichend war. NiMH-Batterien sind zudem bezüglich der Ladezyklen haltbarer als NiCd-Batterien. Bei NiMH-Batterien hat der Betrieb im teilgeladenen Zustand keinen negativen Einfluss auf die Lebensdauer. In weiten Ladezustandsbereichen sind hohe Wirkungsgrade bei hohen Lade- und Entladeströmen erreichbar. Überhitzung, Überladung und Tiefentladung wirken sich negativ auf die Lebensdauer von NiMH-Batterien aus. Nachteilig sind auch die hohe Selbstentladung und der starke Leistungsabfall bei tiefen Temperaturen. Für NiMH-Batterie-Systeme ist daher eine intelligente Steuerelektronik (Batterie-ECU – Elektronik Control Unit) von besonderer Bedeutung. Durch die Batterie-ECU wird die Tiefentladung bzw. Überladung verhindert, was vorteilhaft für die Lebensdauer der NiMH-Batterie ist.

Oben links:
Lithium(Li)-Ionen-Batterien haben gegenüber NiMH-Batterien eine nochmals höhere Energiedichte bei Zellspannungen von ca. 3,6 V. Li-Ionen-Batterien werden heute vorwiegend in tragbaren Elektronikgeräten wie z. B. Mobiltelefonen, Notebooks, Notepads und Spielekonsolen eingesetzt. Die Automobilindustrie hat Li-Ionen-Batterien entwickelt, die auch in Hochvolt-Fahrzeugen einge-setzt werden können. Die Li-Ionen-Batterie ist thermisch stabil, hat eine geringe Selbstentladung, liefert über den Entladezeitraum eine konstante Spannung und kennt keinen Memory-Effekt. Allerdings verkürzen hohe Lager- und Betriebstemperaturen, hohe Lade- und Entladeströme und häufige Tiefentladungen ihre Lebensdauer. Für die Zukunft werden im Kraftfahrzeug Lithium-Ionen-Batterien benötigt, die eine Lebensdauer von 15 Jahren besitzen, was ca. 300.000 Batteriezyklen entspricht. Die in der Automobil-industrie einzusetzenden Lithium-Ionen-Batterien benötigen außerdem eine Leistung von mehr als 100 kW. Bei herkömmlichen Li-Ionen-Batterien können mechanische Beschädigungen zu inneren Kurzschlüssen führen. Durch die hierbei auftretenden hohen Stromstärken entstünden hohe Temperaturen. Das Batteriegehäuse muss deshalb so aufgebaut sein, dass es selbst bei hohen Temperaturen nicht in Flammen aufgehen kann. Abhängig davon, welche Spannung bei dem jeweiligen Fahrzeugkonzept benötigt wird, werden die einzelnen Zellen in Reihe geschaltet. Die Abbildung zeigt zudem den zur Kühlung nötigen Luftstrom. Eine eigens für die Hochvolt-Batterie eingebaute Luftkühlung sorgt für eine optimale Ableitung der entstehenden Wärme.

Oben rechts:
In der abgebildeten Prinzipdarstellung wurden 6 Zellen zu je 1,2 V zu einem Modul zusammengefasst. Insgesamt 32 Module wurden zu einem Batteriepack in Reihe geschaltet. Da sich die Spannungen bei einer Reihenschaltung addieren, ergibt sich für das Batteriepack eine Gesamtspannung von 6 Zellen à 1,2 V: 6 x 1,2 V = 7,2 V (pro Modul) 32 Module à 7,2 V: 32 x 7,2 V = 230,4 V (Gesamtspannung des Batteriepack). In dem abgebildeten Beispiel sind die einzelnen Zellen als Quader dargestellt. Es sind aber auch andere Formen (z. B. Zylinder) im Einsatz.

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Mitte links:
Das im Automobilbau in der Regel als Inverter bezeichnete Bauteil wird auch als Wechselrichter, Resonanzwandler, Phasenwandler oder Umformer bezeichnet. Der Inverter ist neben dem Motor-Generator ein wesentliches Bauteil des Drehstromantriebs. Im Inverter wird die Gleichspannung der HV-Batterie so auf die Phasenanschlüsse des Antriebsmotors verteilt, dass ein dreiphasiges Spannungssystem entsteht. Sofern der Motor-Generator als Generator genutzt wird, wird die von der Maschine erzeugte dreiphasige Wechselspannung in die zum Aufladen der HV-Batterie benötigte Gleichspannung umgewandelt. Des Weiteren benötigt man den Inverter zur Drehzahlsteuerung der elektrischen Antriebsmotoren. Inverter mit Spannungszwischenkreis sind heute im Kraftfahrzeug die gebräuchlichste Umrichterform, an ihnen ist auch die Hochvolt-Batterie angeschlossen. Der Inverter erzeugt mit Hilfe von Pulsweitenmodulation die Spannung für den Motor. Die Abbildung zeigt eine sehr vereinfachte Form eines Inverters. Mit dieser Schaltung kann aus einer positiven Spannung eine negative erzeugt werden. Die Schaltung zeigt auf der linken Seite einen Spannungsteiler. Es sind zwei 2,2 kOhm Widerstände in Reihe geschaltet. Wird eine Gesamtspannung von 12 Volt an die Schaltung angelegt, stehen am Mittelpunkt des Spannungsteilers 6 Volt an. Um die Schaltung weiter zu vereinfachen, gehen Sie davon aus, dass die Kondensatoren C1 und C2 unendlich viel Energie haben. Durch den Spannungsteiler ergeben sich zwei Teilsysteme in der Schaltung: der obere Bereich mit Schalter S1 und der untere Bereich mit Schalter S2. Über dem Widerstand R3 kann jetzt die Wechselspannung gemessen werden. Wird der Schalter S1 geschlossen, so fließt der Strom vom Kondensator C1 über den Schalter S1 und von rechts nach links durch den Verbraucher R3 zurück zum Kondensator (gepunktete Pfeile). Wird der Schalter S2 geschlossen, so fließt der Strom vom Kondensator C2 über den Schalter S2 und dieses Mal von links nach rechts durch den Verbraucher R3 zurück zum Kondensator (gestrichelte Pfeile).

Mitte rechts:
Bei den meisten in Pkw verbauten Antriebsmotoren handelt es sich um Synchronmaschinen mit Permanentmagnetrotor. Im Gegensatz zur Asynchronmaschine kann man mit der Synchronmaschine Bremsenergie in elektrische Energie umwandeln und somit die Hochvolt-Batterie laden. Während sich bei der Asynchronmaschine der Rotor asynchron zum Magnetfeld bewegt, dreht sich der Rotor der Synchronmaschine mit der gleichen Drehzahl und synchron zum umlaufenden Feld. Bei Belastung bleibt die Drehzahl konstant, bis die Maschine außer Tritt fällt und stehen bleibt. Eine maximale Differenz von 90° darf nicht überschritten werden. Auf dem Foto sind deutlich die Statorwicklungen zu erkennen. In ihnen wird das Magnetfeld aufgebaut. Der permanenterregte Rotor folgt nun diesem Magnetfeld und dreht somit die Antriebswelle.

Unten links:
Je nach Antriebskonfiguration können Hybridfahrzeuge rein elektrisch oder aber auch herkömmlich mit dem Verbrennungsmotor fahren. Beide Aggregate sollen jedoch die gleiche Antriebsachse antreiben. Zudem soll der Verbrennungsmotor auch durch den Elektromotor gestartet werden. Die Kraftverteilung kann dabei durch ein Planetensatzgetriebe realisiert werden. Die Abbildung zeigt die bereits bekannte Zeichnung des Hybridfahrzeuges aus dem Kapitel "der Generator". Allerdings soll hier das Augenmerk auf die Kraftverteilung gelegt werden. Diese kann neben Kupplungen auch mit einem Planetensatzgetriebe realisiert werden.

Unten rechts:
Die Abbildung zeigt ein einfaches Planetensatzgetriebe, um die Kraftflussverteilung zu verdeutlichen. Es besteht aus folgenden Komponenten:

  • Sonnenrad (rot)
  • Hohlrad (blau)
  • Planetenräder (grün)
  • Planetenradträger (gelb)

Ein Planetensatzgetriebe enthält in der Standardversion ein Sonnenrad, das sich in der Mitte des Getriebes befindet und sich bewegen oder arretieren lässt. Weiterhin besteht es aus drei Planetenrädern, die kleiner als das Sonnenrad und um dieses herum angeordnet sind. Sie sind an Planetenradträgern befestigt und lassen sich frei drehen. Sie können aber auch, wie der Planetenradträger, blockiert werden. Der äußere Abschnitt des Getriebeinneren ist das Hohlrad, das sich ebenfalls bewegen oder arretieren lässt. Dreht sich das Hohlrad im Uhrzeigersinn, so wird die Kraft auf die Planetenräder übertragen. Diese drehen sich ebenfalls im Uhrzeigersinn. Die Kraft wird weiter auf das Sonnenrad übertragen, welches sich gegen den Uhrzeigersinn dreht. Je nachdem welches Rad, bzw. welche Räder arretiert werden, wird die Kraft zum einen umgelenkt und zum anderen die Drehrichtung beeinflusst. Der Elektromotor und der Verbrennungsmotor greifen auf unterschiedliche Räder zu. Ebenso ist der Abgang auf einem separaten Rad geregelt. Eine mögliche Variante wäre z. B.:

  • Sonnenrad und Getriebe
  • Planetenräder und Verbrennungsmotor
  • Hohlrad und Antriebsachse

Ventile übernehmen dabei die Aufgabe, gezielt die einzelnen Komponenten im Planetensatzgetriebe zu blockieren, um die gewünschten Kraftflüsse zu realisieren.

Die Kopiervorlage 13 nimmt unmittelbar Bezug auf das Transparent 13. Sie erhält Aufgabenstellungen aus der Elektrotechnik, aber auch Bezüge zur Wärmelehre und Mechanik.

    Lernziele: Die Schülerinnen und Schüler sollen

  • die Fortschritte in der Batterietechnik nennen und beschreiben können.
  • das auf der Folie vorgestellte Antriebskonzept beschreiben können.
  • die Hauptteile eines Planetengetriebes nennen und eine grobe Funktionsbeschreibung liefern können.
  • Reihen- und Parallelschaltungen von Zellen in Batteriepacks erkennen und beschreiben sowie Aufgaben hierzu lösen können. Dabei sollen sie elektrische Schaltungen "lesen" und einfache Aufgaben in diesem Zusammenhang erfolgreich bearbeiten können.