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Länger fahren mit dem Superakku

26.04.2018 -  

Das ist er also, der Beginn einer besseren Zukunft der Elektromobilität: ein silberner, in die Jahre gekommener VW Passat oder zumindest das, was davon übrig geblieben ist. Der Innenraum wurde im wahrsten Sinn des Wortes ausgeschlachtet, geblieben sind, neben dem Lenkrad, einem Radio und dem Fahrersitz nur unzählige Kabel, die teilweise lose herumhängen, teilweise in Styropor gebettet sind. „Das Fahrzeug muss nur die Eigenschaften erfüllen, die für die Elektronik von Bedeutung sind”, erklärt Professor Dr.-Ing. Ralf Vick, der seit 2008 den Lehrstuhl Elektromagnetische Verträglichkeit der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg innehat. Der Komfort spielt freilich keine Rolle, entscheidend für die Fortbewegung ist nur, was unter der Haube steckt. Und da erlaubt dieser VW Passat als sogenannter Demonstrator mit seinem völlig neu konstruierten und rot lackierten Elektromotor sowie einem Superkondensator bereits einen recht konkreten Blick auf eine mögliche Zukunft des Autos.

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Prof. Ralf Vick mit den wissenschaftlichen Mitarbeitern Jörg Petzold und Moustafa Raya (v.l.n.r.) bei der Beobachtung der Messkurven auf einem Netzwerkanalysator. (Foto: Harald Krieg)

Forscher wollen die Reichweite von Elektrofahrzeugen verbessern

Ralf Vick ist Forschungsleiter des interdisziplinären Projekts GENIAL, was so viel heißt wie „Ganzheitliche Optimierung energieeffizienter Antriebslösungen für Elektrofahrzeuge“ und eben jenen zum großen Durchbruch verhelfen soll. „Was wir hier machen, könnte in fünf Jahren auf der Straße massentauglich eingesetzt werden“, sagt der Wissenschaftler. Das wäre tatsächlich ein Schritt hin zum umweltfreundlichen Fahren – vorausgesetzt der elektrische Strom wird nicht mit konventionellen Kraftwerken, sondern etwa über Windkrafträder, Solaranlagen oder andere regenerative Quellen produziert. Neben dem Forschungsleiter sind von der Universität auch Professor Dr.-Ing. Andreas Lindemann vom Lehrstuhl für Leistungselektronik und Prof. Dr.-Ing. Roberto Leidhold vom Lehrstuhl für elektrische Antriebssysteme maßgeblich beteiligt. Der Vorteil dieser fachübergreifenden Zusammenarbeit: „Komplexe Fragestellungen können aus unterschiedlichen Blickwinkeln betrachtet und damit auch in kurzer Zeit gelöst werden”, erklärt der Forschungsleiter.

Auch wenn Elektrofahrzeuge langfristig Autos mit Verbrennungsmotor ersetzen sollen; von einer breiten gesellschaftliche Akzeptanz sind die Fahrzeuge aktuell noch weit entfernt, weshalb die Bundesregierung trotz Milliardensubventionen und weiteren Förderungen über das Elektromobilitätsgesetz zuletzt vom Ziel abrückte, bis 2020 rund eine Million Elektrofahrzeuge auf deutsche Straßen zu bekommen. Wie ambitioniert das Ziel war, macht eine aktuelle Zahl des Kraftfahrtbundesamtes deutlich: Bei über 62 Millionen in Deutschland zugelassenen Fahrzeugen war Anfang des Jahres nur etwa ein halbes Prozent mit einem Elektro- oder Hybridantrieb unterwegs. Nicht aber, weil emissionsfreies Fahren nicht im Trend liegt. Vielmehr lohnt sich der Umstieg in den meisten Fällen einfach wirtschaftlich nicht, wie Untersuchungen des ADAC ergeben haben.

Neben dem höheren Anschaffungspreis haben die aktuellen Modelle laut den Magdeburger Wissenschaftlern durchschnittliche Reichweiten von rund 300 Kilometern und die Akkus eine Lebensdauer von nur ein paar Jahren. Ein wesentlicher Grund: Die in einem Auto begrenzt verfügbare Energie wird noch nicht effizient genug zurückgewonnen. „Dabei ist ein hoher Wirkungsgrad bei der mehrfachen Energieumwandlung entscheidend“, erklärt der gebürtige Ludwigsluster Vick. An dieser Stelle setzt nun das bereits seit fast zwei Jahren laufende Forschungsprojekt an, das vom Bundesministerium für Forschung und Bildung unterstützt wird und ein Volumen von 2,15 Millionen Euro hat.

Mehr Effizienz durch den Superkondensator

Die bisher begrenzte Lebensdauer der Lithium-Ionen-Akkus soll der Einsatz eines Superkondensators deutlich erhöhen, der zwar bereits in einigen Bussen und Bahnen sowie in der Formel 1 eingesetzt wird, sonst aber nur eine untergeordnete Rolle bei der Elektromobilität spielt. Künftig soll lediglich die Energie für die Grundlast, also das Halten der Geschwindigkeit, aus dem Akku kommen, erklärt Professor Andreas Lindemann. Die Energie zum Beschleunigen soll der über Leistungselektronik zum Akku parallel geschaltete Superkondensator freigeben, die zuvor beim Bremsen von mechanischer in elektrische umgewandelt wurde. Der Kondensator dient damit als Zwischenspeicher, der zwar eine kleinere Energiedichte, allerdings eine weitaus größere Leistungsdichte besitzt. Der Vorteil: „Sie können bis zu eine halbe Million Mal aufgeladen werden, ohne, dass die Lebensdauer leidet“, sagt der gebürtige Freiburger Lindemann, der seit 2004 in Magdeburg lehrt und forscht. Das Prinzip ist ähnlich wie bei Kondensatoren, die man auch in Computern findet und die dort als Energiespeicher dienen. Im Auto sind sie jedoch wesentlich größer.

Außerdem betrachtet wird in dem Projekt ein öffentlich weniger bekanntes Problem: die elektromagnetischen Störungen, die einzelne Bordkomponenten verursachen und die die Hersteller derzeit noch über schwere Schirmungen in den Griff zu bekommen versuchen. Neben der Universität forschen im Rahmen des Projekts auch die Volkswagen AG in Wolfsburg, die Indukmas GmbH aus Dessau und die Anhaltische Elektromotorenwerk Dessau GmbH. Letztere lieferte im Sommer die elektrische Maschine, wenn man so will, das Herzstück des Fahrzeugs, das man zwar als Motor bezeichnen kann, technisch gesehen aber nichts mehr damit zu tun hat, wie der Antriebsexperte Professor Leidhold erklärt.

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Hochsensible Messtechnik im Testauto (Foto: Harald Krieg)

Denn die Maschine ist, anders als ein Verbrennungsmotor, je nach Situation sowohl Antrieb als auch Generator. Die sogenannte umrichtergeführte permanentmagneterregte Synchronmaschine produziert also einerseits die Energie, die beim Ausrollen oder Bremsen des Fahrzeugs über die sogenannte Rekuperation gewonnen werden kann, und leitet sie an den Superkondensator weiter, wo sie zwischengespeichert und bei der Beschleunigung über einen Gleichspannungswandler wieder abgegeben wird. Die Herausforderung besteht laut Professor Leidhold darin, die Maschine, die im Vergleich zu anderen Konstruktionen einen höheren Wirkungsgrad besitzt, so leicht wie möglich, so effektiv wie möglich und so günstig wie möglich zu konstruieren. Deshalb werde auch die Produktion bei der Forschung berücksichtigt, so der Wissenschaftler, der in Honduras geboren wurde, in Argentinien studierte und seit 2011 in Magdeburg forscht. Die Energieaufnahme und -abgabe regelt wiederum Professor Lindemann über hochleistungsfähige Leistungshalbleiter-Bauelemente. „Sie werden hochfrequent getaktet und erlauben, mit hohem Wirkungsgrad die Leistung einzustellen, mit der der Kondensator ge- oder entladen wird.” Die Schaltzeiten sind dabei von enormer Bedeutung: Je länger die Schaltzeit, desto höher die Verluste. Andererseits seien bei den kurzen Schaltzeiten die Störungen größer.

Dafür, dass elektrische Maschinen dennoch reibungslos im Auto funktionieren, sorgt wiederum Professor Vick mit seinen Untersuchungen der elektromagnetischen Verträglichkeit auf der sogenannten Systemebene. Denn der gesamte Antriebsstrang wirkt wie eine Antenne, die die Störungen des elektrischen Antriebs abstrahlt - mit dem Ergebnis, dass etwa der Radioempfang oder das ABS-System gestört werden können. Die zu unterdrücken beziehungsweise abzuschirmen, ohne das Fahrzeug wesentlich schwerer zu machen, ist die Herausforderung. Denn die bisher in Elektrofahrzeugen eingesetzte Technik beeinträchtigt aufgrund ihres zusätzlichen Gewichts die Leistung des Fahrzeugs, in der Konsequenz sinkt wieder die Reichweite.

Praktische Detailarbeit unter idealen Bedingungen

Bei den Untersuchungen kommt auch der Demonstrator in der elektromagnetischen Absorberhalle zum Einsatz, die an deutschen Hochschulen ihresgleichen sucht. Dort untersuchen die Wissenschaftler gemeinsam unter idealen Bedingungen, wie sich die theoretischen Ansätze tatsächlich umsetzen lassen. Dabei ist auch praktische Detailarbeit gefragt, denn „ein kurzes Kabel hat einen anderen Einfluss auf das System als ein langes”, nennt der Forscher ein vergleichsweise simples Beispiel. Entwickelt werden muss dafür auch spezielle Mess- und Simulationstechnik, die deutlich macht, ob die Wissenschaftler auch auf dem richtigen Weg sind.

Läuft tatsächlich alles wie geplant in den nächsten Monaten, steht der alte VW Passat sozusagen vor einem unverhofften Neustart – dann nämlich, wenn er Anfang 2018 surrend leise zur ersten Probefahrt über den Universitätscampus aufbrechen darf und damit möglicherweise den Weg für eine effizientere Elektromobilität ebnet.

Wussten Sie schon, dass...

Grafik_Supperakku ... ein anderthalb Tonnen schweres Elektrofahrzeug beim Beschleunigen im Stadtverkehr etwa so viel Energie verbraucht, dass man damit eine handelsübliche 60-Watt-Glühbirne mehr als eine halbe Stunde leuchten lassen könnte? Diese Energie kann beim Bremsen mit Hilfe des Elektromotors auch wieder zurückgewonnen werden, muss dann aber schnell wieder gespeichert werden können. Deshalb sind Energiespeicher notwendig, die im Rahmen des Forschungsprojekts entwickelt und erprobt werden.
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... eine Hochvolt-Batterie eine Gleichspannung liefert, die elektrische Maschine in einem Elektrofahrzeug aber mit Wechselspannung funktioniert? Deshalb ist ein Stromrichter notwendig, der Gleich- und Wechselstrom jeweils ineinander umwandeln kann. Dieser Stromrichter funktioniert mit sehr schnellen Schaltern, die den Strom mehrere Tausend Mal pro Sekunde an- und ausschalten. Diese Schaltvorgänge erzeugen elektromagnetische Störungen, die im Rahmen des Forschungsprojekts minimiert werden sollen.

Grafik_Superakku1 ... man mit einer Hochvolt-Batterie eines Elektrofahrzeugs einen Mehrpersonenhaushalt mehrere Tage mit Strom versorgen könnte? Deshalb reicht eine normale Steckdose auch nicht aus, um das Elektrofahrzeug in kurzer Zeit wieder voll aufzuladen. Stattdessen benötigt man leistungsfähige Ladestationen, über die man einen kurzzeitigen Versorgungsengpass im Stromnetz, aber auch aus den Hochvolt-Batterien überbrücken könnte.
Grafik_Superakku2 ... der Wirkungsgrad des Elektromotors bei über 90 Prozent liegt? Das heißt, fast die gesamte elektrische Energie kann tatsächlich in mechanische Energie umgewandelt und zur Fortbewegung genutzt werden, während beim Verbrennungsmotor ein Großteil als Wärme verloren geht, weshalb wiederum ein zusätzliches Kühlungssystem notwendig ist. Moderne Otto- oder Dieselmotoren erreichen theoretisch Wirkungsgrade von 30 bis 40 Prozent, im Alltag liegt die Zahl deutlich niedriger.
Grafik_Superakku3 ... Autos mit Elektroantrieb vor über 120 Jahren bereits auf den Straßen der Welt unterwegs waren. 1881 baute der französische Elektroingenieur Gustav Trouvé zunächst einen Elektromotor in ein dreirädriges Fahrrad. 1888 beförderte erstmals ein vierrädriges Elektroauto zwei Passagiere über eine kurze Distanz, gebaut von der Firma „Coburger Maschinenfabrik A. Flocken“. Obwohl danach die Zahl der Fahrzeuge stieg, konnte sich der Antrieb aufgrund der begrenzten Reichweite nicht durchsetzen. Vielmehr wurde der Ottomotor auch dank billigen Öls ein Erfolgsmodell.

 

von Marko Jeschor

Letzte Änderung: 26.04.2018 - Ansprechpartner:

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