sammeln & vermitteln Wissen um Alternative Antriebe.

wäre da noch einiges an Informationsarbeit zu leisten.

Eigenschaften der Batterie

Beim Laden einer Li-Ionen-Batterie sind einige Punkte zu beachten. Durch die chemische Funktion der Batterie ruft jeder Ladevorgang einen gewissen «Verschleiss» hervor. Dieser ist natürlich nicht mechanischer Art, aber er begrenzt die Lebensdauer. Wird die Batterie schnellgeladen, schadet das der Batterie mehr, als wenn sie langsam geladen wird. Wird die Batterie vollgeladen und dann abgestellt, schätzt sie das fast so wenig, wie wenn sie bis gegen null Prozent entladen wird. Diese batterietechnischen Eigenschaften müssen beim Laden oder auch schon bei der Installation einer Ladeeinrichtung berücksichtigt werden. Somit wird es selten Sinn machen, zu Hause eine 250-kW-Ladestation einzurichten.

Dies wäre installationsmässig sehr teuer und würde sich wohl kaum rechnen. Schnellladestationen sind auf Autobahnrastplätzen vernünftig. Dort können Reisende innerhalb nützlicher Zeit den Energiespeicher wieder auf ein hohes Ladeniveau aufladen und dann rasch weiterfahren.

Im Normalgebrauch kann sich jeder selbst überlegen, wie häufig eine Schnellladestation zur Ladung seines Fahrzeuges sinnvoll sein könnte. Wichtiger wäre wohl, dass überall Ladestationen aufgebaut würden –so dass beim Einkaufen, während der Arbeit usw. das Auto immer am Netz hängen kann. Nur so wird auch das bereits heute vielgepriesene bidirektionale Laden einmal seine Vorteile ausspielen können.

Wallbox

Die privat installierten Ladestationen werden in der Regel Wallboxen genannt. Diese verfügen über einen Ladecontroller, welcher mit dem Lademanagement des On-BoardChargers im Fahrzeug kommuniziert und so die Ladespannung und den Ladestrom bestimmt. Normalerweise sind Wallboxen dreiphasig mit dem Hausnetz verbunden. Einphasig bedeutet, dass ein Aussenleiter (Phase) mit dem Neutralleiter verbunden ist (Sternschaltung). So kann dem Netz eine Spannung von 230 Volt (effektiv) entnommen werden. Sind bei einer Sternschaltung jedoch zwei Aussenleiter miteinander verbunden, ergibt sich eine Spannung von 400 Volt. Demzufolge liegt die Wallbox an 400 Volt und speist so den Ladekonverter des E-Fahrzeuges.

Bei Wallboxen werden statische und dynamische Lademanagements und zudem noch ein Lastmanagement unterschieden. Ein statisches Lademanagement steuert immer gleichviel Strom zum Ladekonverter oder On-Board-Charger des Fahrzeuges. Der On-Board-Charger hat die Aufgabe, den Wechselstrom von der Wallbox in Gleichstrom umzuwandeln und die Spannungslage für die zu ladende Batterie richtigzustellen. Das dynamische Lademanagement der Wallbox kann auch verschiedene elektrische Leis- tungen verarbeiten. Liefert die Photovoltaikanlage gerade etwas weniger Energie, so kann mit dem dynamischen Lademanagement dem Fahrzeug auch etwas weniger Strom zugeführt werden. Dies wird dem On-Board-Charger über die BusLeitung mitgeteilt und der Charger kann dann die ankommende Energie korrekt transformieren und zu den Batteriemodulen weiterleiten.

Lastmanagement

Das Lastmanagement verteilt die elektrische Energie, wenn mehrere Ladepunkte zur Verfügung stehen. Am Beispiel einer gemeinsamen Quartiergarage mit 27 Parkplätzen kann dies erläutert werden. Da jeder Garagenbesitzer eigenständig ist, muss die Anlage von allen gewünscht sein. Da nur wenige der Eigentümer über E-Fahrzeuge oder Plug-in-Hybrid-Fahrzeuge verfügen, wird die Problematik noch etwas heikler. Der Einbau der Wallboxen wird von den Eigentümern bei Bedarf selbst in Auftrag gegeben. Interessant war es natürlich, die Wallbox sofort montieren zu lassen, da der Kanton zu dieser Zeit den Einbau noch subventionierte. Aber was bringt es, eine Wallbox zu montieren, wenn man kein E-Fahrzeug hat? Für die Gemeinschaft war es auch schwierig, zu entscheiden, wie viel Energie in die gemeinsame Tiefgarage geleitet werden soll.

Wenn dereinst 27 Fahrzeuge mit je 32 Ampere geladen werden sollten, heisst dies eine totale Stromzufuhr von fast 900 A. Das bedingt sehr massive Kabel aus Kupfer und das bedeutet vor allem auch sehr hohe Gebühren beim Energielieferanten. Die Gebühren fallen auch an, wenn der Strom (noch) nicht geliefert wird. Der Energielieferant muss darauf gefasst und vorbereitet sein, dass er den Strom plötzlich liefern muss. So hat sich die Gemeinschaft für eine Installation von dreimal 160 Ampere entschieden. Freigegeben werden aber vorerst «nur» dreimal 100 Ampere. Dies machte für die Besitzer Sinn, da vorerst nur mit wenigen E-Fahrzeugen gerechnet wird.

Das Lastmanagement ermittelt, wie viel Strom bezogen wird. Kann der Bedarf gedeckt werden, ist alles kein Problem. Wird aber mehr Strom angefordert, als geliefert werden kann, muss das Lastmanagement regulierend eingreifen. Die Algorithmen dazu können geschrieben werden, die Fahrzeugbesitzer müssen sich aber darüber einig sein, was programmiert werden soll!

Zulieferung

Damit in einem funktionierenden Quartier plötzlich einer Gemeinschaft von 27 Garagenbesitzern eine Stromzusage von 160 A gemacht werden kann, muss auch genügend Strom vorhanden sein. Im Bild 3 ist oben links ein «Stromsee» gezeichnet. Dieser wird von verschiedenen Ländern mit Strom aus unterschiedlichsten Quellen wie Wasserkraft, Windkraft, Kohlekraft, Atomkraft und auch Photovoltaik gefüllt. Unter Höchstspannung von bis zu 380’000 Volt wird der Strom vom Stromsee in die verschiedensten Regionen verteilt. Da der Spannungsverlust in den Leitungen stromabhängig ist und sich die Leistung als Produkt aus Spannung mal Strom definiert, wird die Spannung möglichst hoch gelegt, so dass für eine bestimmte elektrische Leistung ein möglichst geringer Stromfluss und damit eine möglichst kleine Erwärmung und ein kleiner Verlust entstehen. Zur feineren Verteilung wird die Spannung in einem Umspannwerk auf das Niveau für das Hochspannungsnetz (50 bis 110 kV) transformiert. In einem zweiten Umspannwerk werden Spannungen von 16’000 V (Mittelspannungsnetz) erzeugt. Industriebetriebe können mit diesen Spannungen versorgt werden. Auch die Trafostationen erhalten 16 kV und transformieren diese dann in dreiphasigen Wechselstrom mit 400 V, welcher zu den einzelnen Immobilien verteilt wird. Die Energielieferanten müssen je länger je mehr mit Anfragen nach grösseren Energiemengen rechnen. Ob sie dazu in allen Regionen vorbereitet sind, bleibt bei der rasanten Verbreitung von E-Fahrzeugen zumindest zu hoffen.

Bidirektionales Laden

Das bidirektionale Laden ist schon bald in aller Munde – nur auf dem Markt ist diese Rückspeisung der elektrischen Energie von der Fahrzeugbatterie ins Stromnetz noch kaum angekommen. Damit es dann einmal so weit kommen kann und die Stromschwankungen im Netz durch Autobatterien getilgt werden können, müssen ständig viele Tausend Autos über das Ladekabel mit dem Netz verbunden sein. Dazu wird es dann wichtig sein, dass die E-Fahrzeuge entweder fahren oder am Ladegerät hängen. Sie müssen gar nicht unbedingt gerade geladen werden. Sie können auch geladen sein. Wenn das entsprechende Protokoll im On-Board-Charger abgelegt ist und der Vertrag vom Besitzer unterschrieben ist, könnte bei Bedarf der Energielieferant auf die Autobatterie zurückgreifen und eine vertraglich abgemachte Strommenge ins Netz rückführen. Dieser Strom müsste dann zur weiteren Verteilung hochtransformiert und transportiert werden. Das wird heute mit der Energie von Photovoltaikanlagen zum Teil bereits gemacht.

Verschiedene Arten

Die einfachsten Arten von bidirektionalem Laden sind die Möglichkeiten Vehicle-to-Load (V2L) oder Vehicleto-Device (V2D). Die Einrichtung beinhaltet einen fahrzeuginternen Wechselrichter, welcher an einer Haushaltssteckdose im Fahrzeug einphasigen Wechselstrom mit einer Spannung von 230 Volt anbietet. Damit kann unterwegs ein Laptop aufgeladen werden – oder sogar ein Kühlschrank oder eine Kaffeemaschine betrieben werden.

Bereits interessanter ist die Variante Vehicle-to-Home (V2H). Lädt tagsüber die Photovoltaikanlage die Batterie auf, kann nachts der Strom der Batterie wieder für die Hausbeleuchtung und andere lokale Verbraucher herangezogen werden. Technisch wird diese Variante bereits um einiges aufwendiger als die erste, da der Wechselstrom exakt sinusförmig sein und phasensynchron zum Netz verlaufen muss. Damit wird die Effizienz der Photovoltaikanlage bedeutend erhöht. Bei Vehicle-to-Building (V2B) geht es nicht mehr um ein Einfamilienhaus, sondern um ein Geschäftshaus oder eine gemeinsame Garage bzw. Überbauung wie im erwähnten Beispiel. Hier wird erschwerend dazukommen, dass jede Kilowattstunde protokolliert werden muss. Es wird dabei exakt ausgewiesen, wer zu welchem Zeitpunkt wie viel Energie ins Netz eingespeist bzw. verbraucht hat. Nur so ergibt sich eine konfliktfreie Nutzung der gespeicherten Energie in den Fahrzeugen. Vehicle-to-Grid (V2G) wäre dann die Königsdisziplin (mindestens für die Energielieferanten). Zur Netzstabilisierung könnten sie den Strom, welchen sie nachtsüber in die Batterien geladen haben, ohne zu fragen teilweise wieder beziehen, um ihn anderweitig verkaufen zu können. Die Batterien der E-Fahrzeuge würden so die Aufgabe unterstützen, welche die Stauseen heute erfüllen. Experten der Netzbetreiber rechnen aber noch mit drei bis fünf Jahren, bis diese Technologie eingeführt werden kann. Im Moment sind nur einige Fahrzeuge ausgerüstet und auch die Wallboxen, welche das bidirektionale Laden unterstützen, sind noch selten.

Dann müssen sicher noch weitere Erfahrungen mit den Batterien gesammelt werden. Da die Batterien nicht unendlich oft geladen und entladen werden können, wird sich der Fahrzeughersteller wohl überlegen, ob er die Batterien für das bidirektionale Laden zur Verfügung stellen will. Sonst sieht er sich plötzlich mit einem Garantieantrag konfrontiert, dass die Batterie ersetzt werden müsste, obwohl das Fahrzeug erst wenige Jahre alt ist und damit fast keine Kilometer gefahren worden sind. Die Batterie hat aber die Zyklenzahl erreicht und einen entsprechenden Kapazitätsverlust. Darüber werden sich Netzbetreiber und

Fragen

1. Welche Stecker sind in europäischen E-Fahrzeugen häufig montiert?

2. Was bedeutet das Wort Combo beim Typ-2-Stecker?

3. In welcher Leitung entsteht der grössere Spannungsabfall? Wenn 250 kW bei 380 kV transportiert werden oder wenn 250 kW bei 400 V transportiert werden?

LÖSUNG ZUR AUSGABE 4/2023

1. Aus Felge, Radschüssel und Reifen.

2. AlSi7Mg

3. Bei kleinerer Einpresstiefe wandert das Rad aus dem Radkasten. Damit wird die Spurweite grösser. Weil die Einpresstiefe bei beiden Rädern um je 10 mm kleiner ist, wird die Spurweite um 20 mm vergrössert auf 1806 mm. Die Spurweite wächst somit relativ um 1.11 % im erlaubten Rahmen.

Kreislaufgerechter Open-Source-Baukasten

Viele Fahrzeugleben Lang

Ein neuer kreislaufgerechter Open-Source-Baukasten für leichte E-Nutzfahrzeuge enthält besonders langlebige und wiederverwendbare Module. So können Komponenten wie beispielsweise neuartige Crash-Absorber aus CFK, die über eine lange Lebensdauer verfügen, über mehrere Fahrzeuglebenszyklen hinweg verwendet werden.

Automobilhersteller bauen ihre Modelle aus modularen Baukästen, um einerseits den Standar disierungsgrad zu erhöhen und an dererseits vor allem die Flexibilität in

Umweltfreundliches Konzept für die Zukunft

Wertschöpfungskette aufgebaut werden, die Einzelbauteile nach dem den sie aber bei richtigem Einsatz über die geringe Masse und nicht zuletzt die hohe Dauerfestigkeit bei langer Nutzung ausgleichen.»

Nossol entwickelte das Konzept eines neuartigen Schwellers, der für den Schrägaufprall geeignet ist und auf einem bestimmten CrashWirkprinzip beruht: der Umstülpung von CFK-Crash-Rohren, deren speziellen Orientierung innerhalb des Schwellers und der Krafteinleitung über auxetische Strukturen. «Die auxetische Struktur hat die ungewöhnliche Eigenschaft, sich bei einer Stauchung quer zur Stauchrichtung zusammenzuziehen», erklärt Nossol. «Im Crash-Fall wirken die einzelnen Elemente zusammen. Der Schweller nimmt die Last auf und leitet sie in eine auxetische Struktur aus Polyurethan weiter. Diese erzeugt bei Kompression eine Stauchung orthogonal, also quer zur Belastungsrichtung, so dass die Kraft allmählich in die Crash-Rohre eingeleitet und die gewünschte Abbremsung des Fahrzeugs über ein kontrolliertes Versagen des Verbundwerkstoffs erzielt wird. Dabei werden möglichst viele kleine Faserbrüche angestrebt, die jeweils eine hohe Energie erfordern, was schlussendlich die Abbremsung des Fahrzeugs bewirkt», erläutert

Volkswagen-Hinterachselektroantrieb APP550

DARF’S EIN BISSCHEN MEHR SEIN?

Mit dem neuen Hinterachsantrieb APP550, zu dem Volkswagen nun erste Details bekanntgegeben hat, erhält die elektrische Modellfamilie von VW ein vollständig neu entwickeltes Antriebsaggregat, von dem die ID-Modelle sowohl in puncto Fahrleistungen als auch durch erhöhte Reichweiten profitieren sollen. Bilder: Volkswagen

Volkswagen hat einen neu entwickelten Hinterachsantrieb für batterieelektrische Fahrzeuge vorgestellt, der künftig in den ID-Modellen der Wolfsburger eine höhere Perfor- und der Group Components. Das Ergebnis zeigt, dass wir neben einer erheblich gestiegenen Fahrzeugeffizienz auch den Einsatz von Rohstoffen reduzieren konnten.» bildet das steuernde «Gehirn» des Antriebs, dessen Funktionssoftware für effiziente Abläufe im System sorgt. Das betrifft beispielsweise Taktfrequenzen und Modulationsverfahren bei der Erzeugung des energiesparende Kühlung, die ohne elektrisch angetriebene Ölpumpe arbeitet. Das System kann sich über die Zahnräder des Getriebes sowie speziell geformte Bauteile zur Weiterleitung und Verteilung des Öls selbstständig kühlen. Das erwärmte Öl wiederum wird vom Kühlkreislauf des Fahrzeugs abgekühlt, was den Antrieb auf Betriebstemperatur hält. Hinzu kommt, dass der Stator von einem Wasserkühlmantel umgeben ist.

Standort Kassel als Zentrum für den elektrischen Antriebsstrang

Der Antrieb mit Getriebe, Rotor und Stator wird am Volkswagen-GroupComponents-Standort in Kassel gefertigt, der über entsprechende Erfahrung verfügt, wie Alexander Krick, verantwortlich für die Entwicklung E-Antrieb, Leistungselektronik und Getriebe in der Group Components, hervorhebt: «Wir entwickeln mittlerweile seit 15 Jahren E-Maschinen und deren Getriebe und produzieren diese seit über 10 Jahren hier am Standort.» Dabei würden Produkt- und Prozessinnovationen in E-Maschine und Getriebe eine deutliche Steigerung der Effizienz und Performance bringen, so Krick: «Wir haben mit

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