Elektromobilität als Alternative zu Verbrennungsmotoren. Eine Marktanalyse mit anschließender Beurteilung der Vor- und Nachteile

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Geschichte
2. Aufbau und Funktion des Elektromotors
2.1 Rotor
2.1.1 Kurzschlussläufer
2.1.2 Aufgewickelter Rotor
2.1.3 Hervorstehender Pol-Rotor
2.2 Stator
2.3 Wicklungen
2.4 Kommutator
2.5 Bürste
2.6 Bürstenloser Gleichstrommotor Aufbau und Funktion
2.7 Wechselstrommotor Aufbau und Funktion

3. Ladestationen und Ladetechnologien
3.1 Ladetechnologien
3.2 Überblick der Ladetechnologien
3.3 Konduktives Laden
3.4 Induktives Laden
3.5 Batteriewechselstation
3.6 Zwischenfazit Ladestationen

4. Einsatzgebiete des Elektromotors
4.1 Elektromobilität auf der Schiene
4.2 Elektromobilität auf der Straße
4.2.1 Elektro-Pkw
4.2.2 Elektrobusse
4.2.3 Elektro-Nutzfahrzeuge
4.2.4 Elektrofahrräder
4.2.5 Segway
4.2.6. Elektro-Motorräder
4.3 Elektroantrieb in der Luft und im Wasser
4.3.1 Elektroantrieb in Schiffen
4.3.2 Elektroantrieb in Flugzeugen
4.4 Elektromobilität in der Industrie

5. Vergleich Elektromotor vs Verbrennungsmotor

6. Einführung in die Marktanalyse
6.1 Aktuelle Situation der Elektromobilität
6.1.1 Elektromobilität in Deutschland
6.1.2 Elektromobilität weltweit
6.2 Absatzentwicklung in der Elektromobilität
6.2.1 Absatzentwicklung in Deutschland
6.2.2 Absatzentwicklung weltweit
6.3 Argumente gegen den Kauf von Elektrofahrzeugen
6.3.1 Anreize für den Kauf von Elektroautos in Deutschland
6.4 Marktpotenziale der Automobilbranche
6.5 Fazit des Marktpotenzials

7. Vor- und Nachteile Elektromobilität
7.1 Vorteile
7.2 Nachteile

8. Bedenken und Kritikpunkte

9. Fazit

Literaturverzeichnis:

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Der erste Elektromotor von Jacobi im Jahre 1834

Abbildung 2: Elektrisches Auto aus dem Jahre 1881

Abbildung 3: Ladestation der früheren Generation

Abbildung 4: Kraftaufteilung in einem Elektromotor

Abbildung 5: Ausgebauter Käfigläufer

Abbildung 6: Funktion des Kommutators

Abbildung 7: Funktion des Gleichstrommotors

Abbildung 8: Eine dreiphasige Stromversorgung liefert ein rotierendes Magnetfeld in einem Induktionsmotor

Abbildung 9: Verschiedene Systemansätze und deren Untervarianten sowie deren Zuordnung zu den lademodi und Steckvarianten

Abbildung 10: Fahrzeugseitige Steckervorrichtungen für das Normal- und Schnellladen an öffentlich zugänglichen Ladepunkten

Abbildung 11: Ein System zum AC- und DC-Laden (CCS)

Abbildung 12: Lademodi 1-4 des kabelgebundenen Ladens gemäß IEC

Abbildung 13: AC-Ladeleistung bei 230 oder 400 V

Abbildung 14: Wallbox (links) und Ladesäule (rechts) des Herstellers MENNEKES (jeweils 400 V, max. 22 kW)

Abbildung 15: DC-Ladestationen der Hersteller EGB-COMPLEO, TESLA und PORSCHE

Abbildung 16: Ladezeiten bei einer Batteriekapazität von 35,8 kWh eines e-Golfs

Abbildung 17: Ladekurve eines Elektrofahrzeugs des Hersteller TESLA

Abbildung 18: E-Bus Lademöglichkeiten: Offboard Topdown-Pantograph (links), Onboard Bottom-up-Pantograph (rechts)

Abbildung 19: Varianten der Induktionsladung

Abbildung 20: Exemplarische Darstellung einer Batteriewechselstation

Abbildung 21: E-Mobiltät in Deutschland auf der Schiene

Abbildung 22: Range Extender im Audi A1 e-tron

Abbildung 23: Elektrobusse vom Typ Solaris Urbino 12 electric in Berlin

Abbildung 24: Beschleunigen und Verzögern mit einem Segway

Abbildung 25: Die erste elektrische Fähre "Ampere" der Fa. Siemens

Abbildung 26: Geplanter Aufbau des E-Fan X

Abbildung 27: Vergleich Elektromotor vs Verbrennungsmotor

Abbildung 28: Anzahl der Neuzulassungen von Elektroautos in Deutschland

Abbildung 29: Weltweite Bestandsentwicklung von Elektroautos

Abbildung 30: Absatz von Batterieelektro- und Plug-in-Hybrid-Automobilen in Deutschland bis 2018

Abbildung 31: Absatz von Batterieelektro- und Plug-in-Hybrid-Automobilen in ausgewählten Ländern weltweit bis 2018

Abbildung 32: Argumente gegen ein Elektrofahrzeug

Abbildung 33: Anzahl der beantragten Kaufprämien

Abbildung 34: Anzahl der Ladestationen für Elektrofahrzeuge in Deutschland

Abbildung 35: Anzahl der Ladestationen für Elektrofahrzeuge in Deutschland - bis 2020 (Prognose)

Abbildung 36: Jährlicher weltweiter Absatz von PKW und leichten NFZ bis 2050, aufgeschlüsselt nach Antriebsarten

Abbildung 37: Kaufinteresse an Elektrofahrzeugen

1. Einleitung

Ziel der Ausarbeitung ist es, dem Leser einen Einblick in das Thema „Elektromobilität“ zu verschaffen. Die Motivation hinter dieser Arbeit findet sich in der Aktualität wieder. Auf der einen Seite gibt es den Dieselskandal und das Fahrverbot für Dieselfahrzeuge in vielen Städten der Bundesrepublik Deutschlands. Zum anderen werden die Preise für Benzin und Diesel immer teurer. Die Unzufriedenheit in dem Land wächst vom Tag zu Tag mehr an und somit wächst auch der Wunsch nach Alternativen zu Verbrennungsmotoren.

In dieser Wissenschaftlichen Arbeit wird eine Alternative ganz ausführlich beschrieben und bewertet.

In Kapitel 2. wird sich zunächst über die Geschichte des Elektromotors berichtet.

In Kapitel 3. Wird auf den Aufbau und die Funktion eingegangen. Im nächsten Kapitel wird das Themengebiet Ladestation ausführlich beschrieben. Der Vergleich mit Verbrennungsmotoren wird Kapitel. 5 aufgezeigt. Dann folgende die Einsatzgebiete des Motors. Ein weiterer wichtiger Punkt ist das Marktpotenzial und die Marktanalyse folgt in Kapitel. 7. Im Kapitel. 8. Werden dann noch die Vor- und Nachteile des Elektromotors aufgezeigt. Im Letzen Kapitel werden dann noch die Bedenken und Kritikpunkte analysiert und zum Schluss wird ein Fazit gezogen.

2. Geschichte

Durch die Erfindung der Batterie durch Allessandro Volta 1800 und der Freistellung im Jahre 1820 von Hans Christian Oersted hat der elektrische Strom eine magnetische Wirkung. Dies war der Grundstein für den späteren Elektromotor. Es stand zum damaligen Zeitpunkt noch nicht fest ob der Motor rotieren soll oder ein ähnliches Prinzip wie eine Dampfmaschine verkörpern soll.¹

Das erste durch Elektromagnetismus angetriebene Gerät baute Peter Barlow im Jahre 1822. Nach vielen Jahren und erfolgloser Versuche wurde 1834 der erste rotierende Elektromotor von Moritz Jacobi gefertigt.

Dieser gab eine bemerkenswerte mechanische Leistung zudem damaligen Zeitpunkt ab. Im Jahre 1838 verbesserte er sein Werk nochmal. Sein neuer Motor war stark genug, ein von 14 Personen besetztes Boot über einen breiten Fluss zu fahren.²

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Der erste Elektromotor von Jacobi im Jahre 1834³

„1835 bauten die beiden Holländer Sibrandus Stratingh und Christopher Becker einen Elektromotor, der ein kleines Modellfahrzeug antrieb. Dies ist die erste nachweisbare Nutzanwendung eines Elektromotors. Im Februar 1837 wurde in den USA das erste Patent auf einen Elektromotor erteilt (Thomas Davenport).“⁴

Alle Entwicklungen von Jacobi, Davenport und viele anderen führten jedoch nicht zum Ziel, denn der Gleichstrommotor ist aus dem Stromgenerator der Dynamomaschine entstanden. „Die Grundsteine dazu legten William Ritchie 1832 mit dem Stromwender und Werner Siemens 1856 mit dem Doppel-T-Anker und dem daraus 1872 von Friedrich Hefner- Alteneck weiterentwickelten Trommelanker. Gleichstrommotoren haben im kleinen Leistungsbereich (bis rund 1 kW) und im Kleinspannungsbereich (bis rund 60 V) auch heute noch eine marktbeherrschende Stellung.

Im Jahre 1885 bis 1889 wurde mit der Erfindung des dreiphasigen Drehstroms der Grundstein für moderne elektrische Energieübertragung und der Bau moderne Elektromotoren geschaffen. Diese Erfindung geht auf Bradley, Dolivo-Dobrowoslky, Ferraris, Haselwander, Tesla und Wenström zurück. Die für den Antrieb von Elektroautos beliebte Synchronmaschine geht auf den erste dreiphasigen Synchrongenerator zurück, der damals von Friedrich August Haselwander gebaut wurde.⁵

Jedoch waren es Ayrton Perry, Jeantaud, Volk und Andrew L. Riker die Individualfahrzeuge entwickelten welche elektrisch angetrieben wurden. Im Jahre 1880 fuhren die ersten elektrischen PKW`S über deutsche Straßen. Sie wurden von der Firma „A.Flocken“. In den USA wurden elektrische PKW’s von der Firma Morrison hergestellt. Zwischen 1887 und 1896 wurden zwölf elektrische Automobile entworfen. Diese führen maximal 12 Km/h. Das zweite Modell war 4 PS stärker, es wurde vorallem versucht die Batterie zu optimieren. Morris und Salom, ebenfalls aus den USA glaubten an einen größeren Verkaufsstart der Elektroautos und gründenten Ihre eigene Produktion. Die Sie nach dreizehn gebauten Fahrzeugen wieder verkauften.⁶

„ Dobrovolsky erkennt als erster, dass ein Dreiphasensystem in geeigneter Schaltung (Dreieck- oder Stern) mit nur drei Leitern auskommt und damit sogar weniger aufwändig ist als ein Zweiphasensystem (vier Leiter). Im August 1889 erhält er das Patent auf die Erfindung des dreischenkeligen Drehstrom-Transformators. Damit beginnt der Siegeszug des dreiphasigen Wechselstroms.“⁷

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Elektrisches Auto aus dem Jahre 1881⁸

Im Jahre 1897 wurde für die Zukunft im Rahmen der Gründungsversammlung des „Mitteleuropäische Motorwagen-Verein“ von drei Antriebformen prognostiziert. Diese waren Antrieb durch Dampf, Antrieb durch Strom und Antrieb mittels Ölmotoren. Bis 1939 galten Elektrofahrzeuge bis dahin noch als am meisten verkauft. In den USA waren 34.000 Stück auf den Straßen unterwegs und es gab 565 verschieden Marken von Elektroautos. Die Aufladung mittels Stroms wurde jedoch als zu aufwendig empfunden. Man versucht aktiv Servicestationen zu errichten und ein Projekt mit Taxifahrten sollte errichtet werden, was allerdings an finanziellen sowie technischen Schwierigkeiten scheiterte. Mittlerweile fuhren die Autos auch um die 60 bis 105 Km/h.⁹

Im Jahre 1990 war die Aufteilung auf den Straßen in den USA wie folgt:

- 40% Dampfautos
- 38% Elektroautos
- 22% Benziner

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Ladestation der früheren Generation¹⁰

Diese Entwicklung ist zurückzuführen, dass Elektroautos mit einer Kurbel betätigt werden mussten, was ein Kraft- und Zeitaufwand für die Nutzer bedeutete. Hinzu kam die geringe Reichweite. Zudem waren die Ölpreise vergleichsweise billig. Damit war der stetige Rückgang der Elektroautos besiegelt.¹¹

Selbst die Ölkrise 1970 könnten kein Umdenken in der Bevölkerung bewirken. In den 1970er und 1980er Jahren wurde in England und Dänemark elektrische Autos gebaut. Diese schafften es jedoch nie in Serienfertigung.¹²

Erst die Folgen der Ölkrise in den 1990er Jahren sorgten für das Erkennen von Vorteilen der Elektromobilität. 1990 gab es in Kalifornien eine gesetzliche Reglung das ein gewisser Anteil der Produktion emissionsfrei ausgestattet werden muss. Dadurch begannen technische Entwicklungen und Innovationen, was es erleichterte die Batterie zu optimieren und somit entsteht ein neuer Eingang in eine neue elektrische Autogeneration.¹³

2. Aufbau und Funktion des Elektromotors

Ein Elektromotor ist eine elektrische Maschine, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Die meisten Elektromotoren arbeiten durch die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld des Motors und den Wicklungsströmen, um Kraft in Form einer Drehung zu erzeugen. Elektromotoren können durch Gleichstromquellen, wie beispielsweise aus Batterien, Kraftfahrzeugen oder Gleichrichtern, oder durch Wechselstromquellen, wie beispielsweise ein Stromnetz, Wechselrichter oder elektrische Generatoren, betrieben werden. Ein elektrischer Generator ist mechanisch identisch mit einem Elektromotor, arbeitet aber in umgekehrter Richtung, nimmt mechanische Energie (z.B. aus fließendem Wasser) auf und wandelt diese mechanische Energie in elektrische Energie um.

Elektromotoren können nach Gesichtspunkten wie Energiequellentyp, Innenaufbau, Anwendung und Art der Bewegungsausgabe klassifiziert werden. Zusätzlich zu den Wechselstrommotor- und Gleichstrommotor-Typen können die Motoren bürstenbehaftet oder bürstenlos sein, verschiedene Phasen aufweisen (siehe einphasig, zweiphasig oder dreiphasig) und entweder luft- oder wassergekühlt sein. Universalmotoren mit Standardabmessungen und -eigenschaften bieten eine komfortable mechanische Leistung für den industriellen Einsatz. Die größten Elektromotoren werden für Schiffsantriebe, Pipelineverdichtungen und Pumpspeicheranwendungen mit Leistungen bis zu 100 Megawatt eingesetzt. Elektromotoren finden sich in Industrieventilatoren, Gebläsen und Pumpen, Werkzeugmaschinen, Haushaltsgeräten, Elektrowerkzeugen und Festplatten. Kleine Motoren finden sich in elektrischen Uhren wieder.¹⁴

In bestimmten Anwendungen, wie beispielsweise beim regenerativen Bremsen mit Traktionsmotoren, können Elektromotoren rückwärts als Generatoren eingesetzt werden, um Energie zurückzugewinnen, die sonst durch Wärme und Reibung verloren gehen könnte.

Elektromotoren erzeugen lineare oder rotierende Kräfte (Drehmomente) und können von Geräten wie Magnetmagneten und Lautsprechern unterschieden werden, die Strom in Bewegung umwandeln, aber keine nutzbare mechanische Kraft erzeugen, die jeweils als Stellglieder und Wandler bezeichnet werden. Zwischen den Polen der beiden permanenten Statormagnete und den Magnetpolen der stromführenden Spule des Rotors werden Kräfte ausgeübt.

Die resultierende Kraft wirkt in Richtung der orangefarbenen Pfeile. Dieser Kraftvektor kann in zwei Komponenten unterteilt werden: Eine dieser Komponenten zeigt tangential auf den Bogen (blauer Pfeil) des rotierenden Rotors, die andere senkrecht dazu (magentafarbener Pfeil). Da der Motor symmetrisch aufgebaut ist, sind die Kräfte entlang der Achse der Rotorspule (Magentapfeile) gleich, aber umgekehrt, so dass die Summe dieser Kräfte Null ist. Die tangentiale Kraftkomponente (blau) bleibt erhalten, die versucht, den Rotor an beiden Enden der Spule gegen den Uhrzeigersinn zu drehen.¹⁵

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Kraftaufteilung in einem Elektromotor¹⁶

2.1 Rotor

In einem Elektromotor ist das bewegliche Teil der Rotor, der die Welle dreht, um die mechanische Leistung zu liefern. In den Rotor sind in der Regel Leiter eingelegt, die Ströme führen, die mit dem Magnetfeld des Stators zusammenwirken, um die Kräfte zu erzeugen, die die Welle drehen. Alternativ tragen einige Rotoren Permanentmagnete, und der Stator hält die Leiter.

Induktionsmotoren (asynchron), Generatoren (synchron) haben ein elektromagnetisches System, das aus einem Stator und einem Rotor besteht. Es gibt zwei Ausführungen für den Rotor eines Asynchronmotors: Kurzschlussläufer und aufgewickelter Rotor. Bei Generatoren sind die Rotorausführungen konisch oder zylindrisch.

2.1.1 Kurzschlussläufer

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Ausgebauter Käfigläufer¹⁷

Der Käfigläufer besteht aus laminiertem Stahl im Kern mit gleichmäßig beanstandeten Stangen aus Kupfer oder Aluminium, die axial um den Umfang herum angeordnet sind und an den Enden durch die Endringe dauerhaft kurzgeschlossen sind. Diese einfache und robuste Konstruktion macht ihn für die meisten Anwendungen zum Favoriten. Die Baugruppe hat eine Wendung: Die Stäbe sind geneigt oder verzerrt, um magnetische Brumm- und Schlitzoberschwingungen zu reduzieren und die Tendenz zur Verriegelung zu reduzieren. Im Stator untergebracht, können sich Rotor- und Statorzähne bei gleicher Anzahl verriegeln und die Magnete positionieren sich gleich weit voneinander entfernt und entgegengesetzt in beide Richtungen. Bei einigen Motoren gibt es auf der nicht antreibenden Seite eine Erweiterung für Drehzahlsensoren oder andere elektronische Steuerungen. Das erzeugte Drehmoment zwingt die Bewegung durch den Rotor zur Last.

2.1.2 Aufgewickelter Rotor

Der Rotor ist ein zylindrischer Kern aus Stahllaminat mit Schlitzen zur Aufnahme der Drähte für seine dreiphasigen Wicklungen, die im Abstand von 120 Grad gleichmäßig angeordnet und in einer Y-Konfiguration verbunden sind.¹⁸ Die Rotorwicklungsanschlüsse werden herausgezogen und mit Bürsten an der Welle des Rotors an den drei Schleifringen befestigt. Bürsten an den Schleifringen ermöglichen es, externe Drehstromwiderstände zur Drehzahlregelung in Reihe mit den Rotorwicklungen zu schalten. Die Außenwiderstände werden Teil der Rotorkreise, um beim Starten des Motors ein großes Drehmoment zu erzeugen. Mit zunehmender Drehzahl des Motors können die Widerstände auf Null reduziert werden.

2.1.3 Hervorstehender Pol-Rotor

Der Rotor ist ein großer Magnet mit Polen aus Stahlkaschierung, die aus dem Rotorkern herausragen. Die Pole werden mit Gleichstrom versorgt oder mit Permanentmagneten magnetisiert. Der Anker mit Dreiphasenwicklung ist an drei Schleifringen mit darauf fahrenden Bürsten befestigt und auf der Welle montiert. Die Feldwicklung ist auf den Rotor gewickelt, der das Magnetfeld erzeugt und die Ankerwicklung auf dem Stator, wo die Spannung induziert wird. Gleichstrom, von einem externen Erreger oder von einer auf der Rotorwelle montierten Diodenbrücke, erzeugt ein Magnetfeld und versorgt die Drehfeldwicklungen und Wechselstrom die Ankerwicklungen gleichzeitig.

2.2 Stator

Der Stator ist der stationäre Teil des elektromagnetischen Kreises des Motors und besteht in der Regel entweder aus Wicklungen oder Permanentmagneten. Der Statorkern besteht aus vielen dünnen Blechen, den sogenannten Laminierungen. Laminierungen werden verwendet, um Energieverluste zu reduzieren, die bei Verwendung eines festen Kerns entstehen würden.

Abhängig von der Konfiguration einer rotierenden elektromotorischen Vorrichtung kann der Stator als Feldmagnet wirken, der mit dem Anker zusammenwirkt, um eine Bewegung zu erzeugen, oder er kann als Anker fungieren, der seinen Einfluss von beweglichen Feldspulen auf den Rotor erhält. Die ersten Gleichstromgeneratoren (sogenannte Dynamos) und Gleichstrommotoren legen die Feldspulen auf den Stator und die Stromerzeugungs- oder Antriebsreaktionsspulen auf den Rotor. Dies ist notwendig, da ein kontinuierlich beweglicher Leistungsschalter, der so genannte Kommutator, benötigt wird, um das Feld korrekt über den Spinnrotor auszurichten. Der Kommutator muss mit steigendem Strom größer und robuster werden. Der Stator dieser Vorrichtungen kann entweder ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein. Wenn der Stator ein Elektromagnet ist, wird die Spule, die ihn mit Strom versorgt, als Feldspule oder Feldwicklung bezeichnet.

Die Spule kann entweder aus Eisenkern oder Aluminium bestehen. Um die Lastverluste in Motoren zu reduzieren, verwenden die Hersteller immer Kupfer als leitfähiges Material in Wicklungen. Aluminium kann aufgrund seiner geringeren elektrischen Leitfähigkeit ein alternatives Material in Bruchleistungs-Motoren sein, insbesondere wenn die Motoren für sehr kurze Zeiträume eingesetzt werden.

Ein Wechselstromgenerator ist in der Lage, Strom über mehrere parallel geschaltete Hochstromspulen zu erzeugen, wodurch der Kommutator überflüssig wird. Die Platzierung der Feldspulen auf dem Rotor ermöglicht einen kostengünstigen Schleifringmechanismus zur Übertragung von Hochspannungs- und Niederstromleistung auf die Drehfeldspule.

Es besteht aus einem Stahlrahmen, der einen hohlzylindrischen Kern umschließt (bestehend aus Siliziumstahllamellen). Die Laminierungen sollen Hysterese- und Wirbelstromverluste reduzieren.

2.3 Wicklungen

Wicklungen sind Drähte, die in Spulen gelegt werden, die normalerweise um einen laminierten Weicheisen-Magnetkern gewickelt sind, um Magnetpole zu bilden, wenn sie mit Strom versorgt werden.

Elektrische Maschinen gibt es in zwei grundlegenden Magnetfeldpolkonfigurationen: schenkel- und nicht-schnekelpolige Konfigurationen. In der Schenkel-Pol-Maschine wird das Magnetfeld des Pols durch eine Wicklung erzeugt, die um den Pol unterhalb der Polfläche gewickelt ist. In der nicht polaren, oder verteilten Feld, oder Rundläufer, Maschine ist die Wicklung in Polflächenschlitzen verteilt. Ein Spaltpolmotor hat eine Wicklung um einen Teil des Pols, die die Phase des Magnetfeldes für diesen Pol verzögert.¹⁹

Einige Motoren haben Leiter, die aus dickerem Metall bestehen, wie z.B. Stäbe oder Bleche aus Metall, meist Kupfer, alternativ Aluminium. Diese werden in der Regel durch elektromagnetische Induktion angetrieben.²⁰

2.4 Kommutator

Ein Kommutator besteht aus einem Satz von Kontaktschienen, die an der rotierenden Welle einer Maschine befestigt und mit den Ankerwicklungen verbunden sind. Während sich die Welle dreht, kehrt der Kommutator den Stromfluss in einer Wicklung um. Bei einer einzelnen Ankerwicklung, wenn die Welle eine halbe Umdrehung vollzogen hat, wird die Wicklung nun so angeschlossen, dass entgegen der Anfangsrichtung Strom durch sie fließt. In einem Motor bewirkt der Ankerstrom, dass das feste Magnetfeld eine Rotationskraft oder ein Drehmoment auf die Wicklung ausübt, damit sie sich dreht. In einem Generator hält das auf die Welle ausgeübte mechanische Drehmoment die Bewegung der Ankerwicklung durch das stationäre Magnetfeld aufrecht und erzeugt einen Strom in der Wicklung. Sowohl im Motor- als auch im Generatorgehäuse kehrt der Kommutator periodisch die Richtung des Stromflusses durch die Wicklung um, so dass der Stromfluss in dem maschinenexternen Stromkreis nur in eine Richtung weitergeht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Funktion des Kommutators²¹

Ein Kommutator besteht aus einem Satz von Kupfersegmenten, die um den Teil des Umfangs der rotierenden Maschine oder des Rotors herum befestigt sind, und einem Satz von federbelasteten Bürsten, die am stationären Rahmen der Maschine befestigt sind. Zwei oder mehr feste Bürsten verbinden sich mit dem externen Stromkreis, entweder eine Stromquelle für einen Motor oder eine Last für einen Generator.

Kommutatorsegmente sind mit den Spulen des Ankers verbunden, wobei die Anzahl der Spulen (und Kommutatorsegmente) von der Geschwindigkeit und Spannung der Maschine abhängt. Große Motoren können Hunderte von Segmenten aufweisen. Jedes leitende Segment des Kommutators ist von benachbarten Segmenten isoliert. Glimmer wurde auf frühen Maschinen verwendet und wird immer noch auf großen Maschinen verwendet. Viele andere Isoliermaterialien werden zur Isolierung kleinerer Maschinen verwendet.²²

Kunststoffe ermöglichen z.B. die schnelle Herstellung eines Isolators. Die Segmente werden mit einer Schwalbenschwanzform an den Kanten oder der Unterseite jedes Segments auf der Welle gehalten. Isolierkeile um den Umfang jedes Segments herum werden so gepresst, dass der Kommutator seine mechanische Stabilität über den normalen Betriebsbereich beibehält.

Der Hebelarm für das am Anker erzeugte Drehmoment variiert mit dem Winkel der Spule (cos α). Wenn die Spule senkrecht (vertikal) zum Magnetfeld des Stators steht, wird daher kein Drehmoment erzeugt. Deshalb haben Gleichstrommotoren mehrere Spulen; der Ankermechanismus erfährt also weiterhin eine Kraft, auch wenn eine Spule senkrecht zum Magnetfeld steht.

Der grundlegende Zweck der Kommutierung besteht darin, sicherzustellen, dass das auf den Anker wirkende Drehmoment immer in die gleiche Richtung geht. Die im Anker erzeugte Spannung ist wechselnder Natur, und der Kommutator wandelt sie in Gleichstrom um. Einfach ausgedrückt, schaltet der Kommutator die Spulen ein und aus, um zu steuern, in welche Richtung die elektromagnetischen Felder zeigen. Auf der einen Seite der Spule sollte der Strom immer "wegfließen", und auf der anderen Seite sollte der Strom immer "hinfließen". Dadurch wird sichergestellt, dass das Drehmoment immer in die gleiche Richtung erzeugt wird. Andernfalls würde sich die Spule um 180 Grad in eine Richtung drehen und dann die Richtung wechseln.

Der Kommutator selbst ist ein geteilter Ring, typischerweise aus Kupfer, wobei jedes Segment des Rings an jedem Ende der Ankerspule befestigt ist. Wenn der Anker mehrere Spulen hat, hat der Kommutator ebenfalls mehrere Segmente - eines für jedes Ende jeder Spule. Federnde Bürsten sitzen auf jeder Seite des Kommutators und kontaktieren den Kommutator beim Drehen und versorgen die Kommutatorsegmente und die entsprechenden Ankerspulen mit Spannung.

Während die Bürsten über die Spalten im Kommutator laufen, schaltet die mitgelieferte elektrische Ladung die Kommutatorsegmente, die die elektrische Polarität der Ankerspulen wechseln. Dieses Umschalten der Polarität in den Spulen hält die Drehung des Ankers in eine Richtung aufrecht. Die Spannung zwischen den Bürsten schwankt in der Amplitude zwischen Null und einem Maximalwert, behält aber immer die gleiche Polarität.

Wie bereits erwähnt, ist der Kommutator in Segmenten aufgebaut, die gegeneinander isoliert sind. Wenn die Bürsten von einem Segment zum anderen wechseln, gibt es einen Moment, in dem die Bürsten beide Segmente gleichzeitig berühren. Dies wird als neutrale Ebene bezeichnet, und an dieser Stelle ist die induzierte Spannung Null. Andernfalls würden die Bürsten die Enden der Spule kurzschließen und aufgrund von Hochspannung Funkenbildung verursachen.

2.5 Bürste

Die Kohlebürste (oder kurze Bürste, auch Kohlebürste, Kohlebürste, Kohlebürste, Kohlemotor genannt) ist ein Gleitkontakt in Motoren und Generatoren und stellt einen elektrischen Kontakt mit dem Kommutator oder den Gleitringen des rotierenden Teils der Maschine (Rotor oder Rotor) her.

Kohlebürsten werden in der Regel aus Graphit hergestellt. Je nach Anwendung werden sie teilweise mit Metallkomponenten (Kupfer, Silber, Molybdän) oder vollständig aus Metall angereichert.²³

Die Gleitkontakte von Potentiometern, Drehschaltern und Stromsensoren bestehen aus den gleichen Materialien, werden aber als Gleitstreifen für Stromsensoren und als Cursor für Potentiometer bezeichnet.

Bereits vor mehr als hundert Jahren ist diese heutige Übertragungstechnik bis heute weit verbreitet. Kohlebürsten sind in vielen Elektromotoren noch immer zu finden. Von Kleinmotoren über Spielzeug, Haushaltsgeräte, elektrische Fensterheber, Rasierer, Waschmaschinen, Haartrockner, Staubsauger oder Elektrowerkzeuge (Bohrer, Winkelschleifer, Heckenscheren, Kreissägen usw.) reicht das Spektrum bis hin zu Großmaschinen an Elektrolokomotiven, U-Booten, Kraftwerken und Windkraftanlagen. Die geometrischen und elektrischen Abmessungen der Kohlebürsten sind daher unterschiedlich. Während die kleineren Varianten von Spielzeug nur wenige Gramm wiegen.

2.6 Bürstenloser Gleichstrommotor Aufbau und Funktion

Ein bürstenloser Gleichstrommotor ist ein permanentmagnetischer Synchron-Elektromotor, der durch Gleichstrom angetrieben wird und ein elektronisch gesteuertes Kommutierungssystem (Kommutierung ist der Prozess der Erzeugung eines Drehmoments im Motor durch Änderung der Phasenströme durch ihn zu geeigneten Zeiten) anstelle eines mechanischen Kommutierungssystems erreicht. Bürstenlose-Gleichstrommotoren werden auch als trapezförmige Permanentmagnetmotoren bezeichnet.²⁴

Im Gegensatz zu einem herkömmlichen bürstenbehafteten Gleichstrommotor, bei dem die Bürsten den mechanischen Kontakt mit dem Kommutator auf dem Rotor herstellen, um einen elektrischen Weg zwischen einer elektrischen Gleichstromquelle und Rotorankerwicklungen zu bilden, verwendet der bürstenlose Gleichstrommotor eine elektrische Kommutierung mit Permanentmagnetrotor und einem Stator mit einer Folge von Spulen. In diesem Motor dreht sich der Permanentmagnet (oder Feldpol) und es werden stromführende Leiter befestigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Funktion des Gleichstrommotors²⁵

Die Ankerspulen werden elektronisch durch Transistoren oder siliziumbetriebene Gleichrichter in der richtigen Rotorposition so geschaltet, dass sich das Ankerfeld im Raum mit den Rotorfeldpolen befindet. Durch die auf den Rotor wirkende Kraft dreht er sich also. Hallsensoren oder Drehgeber werden am häufigsten verwendet, um die Position des Rotors zu erfassen und um den Stator herum positioniert. Die Rotorlagerückmeldung des Sensors hilft zu bestimmen, wann der Ankerstrom geschaltet werden muss.

Diese elektronische Kommutierungsanordnung eliminiert die Kommutatoranordnung und die Bürsten in einem Gleichstrommotor und ermöglicht so einen zuverlässigeren und leiseren Betrieb. Durch das Fehlen von Bürsten sind bürstenlose Gleichstrommotoren in der Lage, mit hohen Drehzahlen zu arbeiten. Der Wirkungsgrad von bürstenlose Gleichstrommotoren liegt typischerweise bei 85 bis 90 Prozent, während bürstenbehaftete Gleichstrommotoren einen Wirkungsgrad von 75 bis 80 Prozent aufweisen.²⁶ Es gibt eine große Auswahl an bürstenlose Gleichstrommotoren, die vom kleinen Leistungsbereich bis hin zu großen Leistungsbereichen reichen.

Bürstenlose Gleichstrommotoren können in verschiedenen physikalischen Konfigurationen ausgeführt werden. Je nach Statorwicklung können diese als Einphasen-, Zweiphasen- oder Drehstrommotoren ausgeführt werden. Die Konstruktion dieses Motors weist viele Gemeinsamkeiten von Drehstrom-Asynchronmotor und konventionellem Gleichstrommotor auf. Dieser Motor hat Stator- und Rotorteile wie alle anderen Motoren.

Der bürstenlose Gleichstrommotoren arbeitet nach dem Prinzip eines konventionellen Gleichstrommotors, d.h. dem Lorentz-Kraftgesetz, das besagt, dass immer dann, wenn ein stromführender Leiter in einem Magnetfeld eine Kraft erfährt. Als Folge der Reaktionskraft erfährt der Magnet eine gleiche und entgegengesetzte Kraft. Im Falle eines bürstenlosen Gleichstrommotor ist der stromführende Leiter stationär, während sich der Permanentmagnet bewegt. Wenn die Statorspulen durch eine Versorgungsquelle elektrisch geschaltet werden, wird sie zum Elektromagneten und beginnt, das gleichmäßige Feld im Luftspalt zu erzeugen. Obwohl die Versorgungsquelle Gleichstrom ist, erzeugt das Schalten eine Wechselspannungswellenform mit trapezförmiger Form. Durch die Wechselwirkungskraft zwischen Elektromagnetstator und Permanentmagnetrotor dreht sich der Rotor weiter.

Der Motor wird aufgrund der Entwicklung von Anziehungskräften (bei Nord-Süd- oder Süd-Nord-Ausrichtung) und Abstoßungskräften (bei Nord-Nord- oder Süd-Süd-Ausrichtung) Drehmoment erzeugt. Auf diese Weise bewegt sich der Motor im Uhrzeigersinn. Dies liegt daran, dass die kontinuierliche Drehung des Motors von der Schaltfolge um die Spulen abhängt. Wie bereits erwähnt, geben Hallsensoren eine Rückmeldung der Wellenposition an die elektronische Steuereinheit.

Basierend auf diesem Signal des Sensors entscheidet die Steuerung, welche Spulen mit Strom versorgt werden sollen. Halleffekt-Sensoren erzeugen Low- und High-Pegel-Signale, wenn Rotorpole in der Nähe vorbeiziehen. Diese Signale bestimmen die Position der Welle.

2.7 Wechselstrommotor Aufbau und Funktion

Sowohl bei Induktions- als auch bei Synchronmotoren erzeugt die dem Stator des Motors zugeführte Wechselstromleistung ein Magnetfeld, das sich synchron zu den Wechselstromschwingungen dreht. Während sich der Rotor eines Synchronmotors mit der gleichen Geschwindigkeit, wie das Statorfeld dreht, dreht sich der Rotor eines Induktionsmotors mit einer etwas langsameren Geschwindigkeit als das Statorfeld. Das Magnetfeld des Stators und des Induktionsmotors ändert oder dreht sich daher relativ zum Rotor. Dadurch wird ein Gegenstrom im Rotor des Induktionsmotors, d.h. in der Sekundärwicklung des Motors, induziert, wenn diese durch eine externe Impedanz kurzgeschlossen oder geschlossen wird. Der rotierende Magnetfluss induziert Ströme in den Wicklungen des Rotors, ähnlich wie Ströme in der Sekundärwicklung eines Transformators.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Eine dreiphasige Stromversorgung liefert ein rotierendes Magnetfeld in einem Induktionsmotor²⁷

Die induzierten Ströme in den Rotorwicklungen erzeugen wiederum Magnetfelder im Rotor, die auf das Statorfeld reagieren. Nach dem Lenz-Gesetz ist die Richtung des erzeugten Magnetfeldes so gewählt, dass es der Stromänderung durch die Rotorwicklungen entgegenwirkt.²⁸ Die Ursache für den induzierten Strom in den Rotorwicklungen ist das rotierende Stator-Magnetfeld, so dass der Rotor, um der Änderung der Rotorwicklungsströme entgegenzuwirken, in Richtung des rotierenden Stator-Magnetfeldes zu drehen beginnt. Der Rotor beschleunigt, bis die Größe des induzierten Rotorstroms und -drehmoments die aufgebrachte mechanische Last auf die Drehung des Rotors ausgleicht. Da die Drehung bei synchroner Drehzahl zu keinem induzierten Rotorstrom führen würde, arbeitet ein Asynchronmotor immer etwas langsamer als die Synchrongeschwindigkeit. Die Differenz zwischen tatsächlicher und synchroner Drehzahl variiert bei Induktionsmotoren der Standardausführung von etwa 0,5 % bis 5,0 %.²⁹ Der wesentliche Charakter des Induktionsmotors besteht darin, dass er ausschließlich durch Induktion erzeugt wird, anstatt wie bei Synchron- oder Gleichstrommaschinen separat angeregt zu werden oder selbstmagnetisiert zu werden, wie bei Permanentmagnetmotoren.

Damit Rotorströme induziert werden können, muss die Drehzahl des physikalischen Rotors niedriger sein als die des rotierenden Magnetfeldes des Stator, denn sonst würde sich das Magnetfeld in Bezug auf die Rotorleiter nicht bewegen und es würden keine Ströme induziert. Wenn die Drehzahl des Rotors unter die Synchrongeschwindigkeit sinkt, steigt die Drehzahl des Magnetfeldes im Rotor, wodurch mehr Strom in den Wicklungen induziert und mehr Drehmoment erzeugt wird. Das Verhältnis zwischen der Drehrate des im Rotor induzierten Magnetfeldes und der Drehrate des Drehfeldes des Stators wird als "Schlupf" bezeichnet. Unter Last sinkt die Drehzahl und der Schlupf nimmt so weit zu, dass genügend Drehmoment zum Drehen der Last erzeugt wird. Aus diesem Grund werden Asynchronmotoren manchmal auch als "Asynchronmotoren" bezeichnet.³⁰

Ein Induktionsmotor kann als Induktionsgenerator verwendet werden, oder er kann zu einem linearen Induktionsmotor abgewickelt werden, der direkt lineare Bewegungen erzeugen kann. Der Erzeugungsmodus für Asynchronmotoren geht mit der Schwierigkeit einher, dass nicht immer im Rotor der Maschine (der aus magnetischem Material (mit geringer Koerzitivkraft) besteht) die Restmagnetisierung ausreicht, um den Motor unter Last selbst zu erregen. Daher ist es notwendig, den Motor entweder zu schnappen und kurzzeitig an ein Stromnetz anzuschließen oder Kondensatoren hinzuzufügen, die zunächst durch Restmagnetismus geladen werden und während des Betriebs die erforderliche Blindleistung bereitstellen. Ähnlich ist der Betrieb des Induktionsmotors parallel zu einem Synchronmotor, der als Leistungsfaktor-Kompensator dient. Ein Merkmal im Generatorbetrieb parallel zum Netz ist, dass die Rotordrehzahl höher ist als im Fahrbetrieb. Ein weiterer Nachteil des Induktionsmotor-Generators besteht darin, dass er einen erheblichen Magnetisierungsstrom verbraucht.

3. Ladestationen und Ladetechnologien

3.1 Ladetechnologien

Die deutsche Bundesregierung hat sich zum Ziel gesetzt, dass im Jahr 2020 eine Millionen BEVs auf deutschen Straßen fahren. Aufgrund dieses Ziels nimmt die Bedeutung von Lademöglichkeiten zu, um ein komfortables Laden und somit die Akzeptanz der BEVs seitens der Nutzer zu ermöglichen. Derzeit stehen für BEVs unterschiedliche Ladekonzepte zur Verfügung, die sich zum Teil noch in der Entwicklungsphase befinden.³¹ gegenwärtig ist das konduktive Ladesystem die meist verbreitete Ladetechnologie und wird mittelfristig, bis 2020 und darüber hinaus, der Standard für BEVs sein.³²,³³

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Batterie des BEVs ohne Kabel aufzuladen, also per Induktion. Dieses Verfahren ist zwar noch in der Entwicklung, könnte das Stromkabel Aber nach und nach ablösen. Bei BMW soll das Aufladen per Kabel von BEVs schon in naher Zukunft der Vergangenheit angehören. Der Autobauer kündigte an, ab 2018 die E-Mobilität durch kabelloses Aufladen deutlich attraktiver und einfacher gestalten zu wollen.³⁴

Eine dritte Lösung ist die Batteriewechselstation, die das problemlose Weiterfahren nach vollständiger Entladung der Batterie der BEVs ermöglicht, indem ein einfacher und schneller Austausch der vorhandenen Batterie stattfinden soll. In den folgenden Kapiteln werden Aufbau und Funktionsweise dieser drei Ladetechnologien erläutert.

3.2 Überblick der Ladetechnologien

Abbildung 1 zeigt verschiedene Systemansätze zum Laden. Wir unterscheiden zwischen konduktives Laden, induktives Laden und Batteriewechselstationen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Verschiedene Systemansätze und deren Untervarianten sowie deren Zuordnung zu den lademodi und Steckvarianten³⁵

3.3 Konduktives Laden

Beim konduktiven Laden erfolgt das Laden der Fahrzeuge mittels einer Kabel- und Steckvorrichtung zum Stromnetz, die der Nutzer beim Laden selbständig betätigt. Bei richtiger Dimensionierung der Steckvorrichtung erfolgt das Übertragen der Energie bei einem Wirkungsgrad von nahezu 100 %.³⁶ Die Fahrzeuge können mit Wechselstrom (AC) oder auch mit Gleichstrom (DC) geladen werden. Beim AC-Laden übernimmt ein Ladegerät im Fahrzeug die Gleichrichtung. Zusätzlich ist das Ladegerät für die Steuerung des Ladevorgangs der Batterie zuständig. Anders erfolgt das DC-Laden, dort übernimmt ein in der Ladestation integriertes Ladegerät diese Aufgaben.³⁷

Beim Aufladen eines Fahrzeugs wird zwischen Normal- und Schnellladen unterschieden. Beide Begriffe sind in der EU-Richtlinie 2014/94/EU „Aufbau der Infrastruktur für alternative Kraftstoffe“ klar definiert. Sie ergeben sich aus den Ladeleistungen, die beim Ladevorgang angewendet werden. Abbildung 1 dient zur Verdeutlichung der klassifizierten Leistungen. Erbrachte Ladeleistungen, die beim Wechselstromladen und Gleichstromladen unter oder gleich 22 kW betragen, werden als Normalladen eingestuft. Leistungen, die mit Wechselstrom über 22 kW betragen, werden als Schnellladen definiert. Analog gilt letzteres auch für Gleichstromladen.³⁸

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Fahrzeugseitige Steckervorrichtungen für das Normal- und Schnellladen an öffentlich zugänglichen Ladepunkten³⁹

Die Ladeanschlüsse für Elektrofahrzeuge sind durch die Normungsorganisation „IN-TERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION“ (IEC) in der weltweit gültigen Norm IEC 62196 geregelt. In dieser Norm werden für das konduktive Laden fünf verschiedene Steckertypen und vier verschiedene Lademodi unterschieden.⁴⁰ In Europa hat sich der Typ-2-Stecker inklusive seiner Combined Charging-System (CCS) Erweiterung, auch bezeichnet als Combo 2, an Ladestationen und in europäischen Fahrzeugen als Standard für die Elektrofahrzeuge etablieren können. Der Typ-2-Stecker dient zum Laden mit Wechselstrom und der Combo-2-Stecker zum Aufladen mit Gleichstrom.⁴¹ Verfügt ein BEV über eine Combo-2-Ladedose, so ist das Laden sowohl mit einem Typ-2- als auch mit einem Combo-2-Stecker möglich.⁴² Abbildung 2 zeigt im Überblick die fahrzeugseitigen Steckvorrichtungen des Systems.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Ein System zum AC- und DC-Laden (CCS)⁴³

Die Lademodi unterscheiden sich in der Art des Stroms (AC oder DC) und in den Stromstärken [A]. Zusätzlich definieren sie, mit welchen Steuer- bzw. Schutz- und Kommunikationseinrichtungen das Laden erfolgen soll.⁴⁴ Im Folgenden werden die vier Lademodi mit ihren Steckertypen genauer erläutert. Abbildung 12 dient zur Veranschaulichung der vier Lademodi.

Mode 1 (AC)

Mode 1 beschreibt das Laden mit Ein- oder Dreiphasen-Wechselstrom. Bei Einphasen-Wechselstrom können nationale Haussteckdosen (z.B. Schutzkontaktsteckdosen) verwendet werden und beim Dreiphasen-Wechselstrom können sogenannte CEE-Stecker (Industrie-Drehstromstecker) zum Einsatz kommen.

Diese Ladebetriebsart wird allerdings von den meisten Fahrzeugherstellern nicht unterstützt, da in der Infrastruktur eine Fehlerstrom-Schutz-Einrichtung (FI-Schutzschalter, RCD (Residual Current Device)) unabdingbar ist.

Eine Gewährleistung dieser Schutzeinrichtung ist bei Bestandsinstallationen (z.B. in Häusern) nicht immer vorhanden.⁴⁵

Mode 2 (AC)

Bei der Ladebetriebsart 2 wird das Fahrzeug ebenfalls mit Ein- oder Dreiphasen-Wechselstrom geladen. Hierbei können wie bei Mode 1 Haussteckdosen und Industriestecker verwendet werden. Der Unterschied zu Mode 1 ist, dass bei dieser Betriebsart in der Ladeleitung des BEVs eine Schutz- und Steuereinrichtung („In Cable Control and Protection Device“ IC-CPD) vorhanden ist. Die Schutzeinrichtung schützt bei Isolationsfehlern vor elektrischen Schlägen und wird benötigt, falls ein Fahrzeug von einem Bediener an eine Steckdose angeschlossen wird, die bei der Installation nicht für BEVs vorgesehen war.⁴⁶

Mode 3 (AC)

Anders als im Mode 1 und 2 ermöglicht Betriebsart 3 das Laden über eine fest installierte Wallbox oder Ladestation.⁴⁷ Hierbei wird ebenfalls mit Ein- oder Dreiphasen Wechselstrom geladen. Zum Laden müssen die im Standard festgelegten Ladestecker verwendet werden. Im europäischen Raum gilt der Typ-2-Stecker als Standard.⁴⁸ Bei der Schnellladung ist es erforderlich, dass das Kabel und die Ladestation fest miteinander verbunden sind. Außerdem ist eine Ladekontrolle seitens des Fahrzeuges und der Ladestation erforderlich. Die Ladekontrolle kontrolliert kontinuierlich die Erdverbindung und den richtigen Sitz des Steckers. Des Weiteren dient sie zum Aktivieren und Deaktivieren des Stromflusses. Optional identifiziert die Ladekontrolle die maximale Strombelastbarkeit der Ladesäule. Zudem verriegelt sie den Stecker und steuert den Stromfluss in beide Richtungen.⁴⁹

Mode 4 (DC)

Mode 4 ist für Schnellladung mit Gleichstrom definiert. Das Laden erfolgt über eine fest installierte Ladesäule. Als europäischer und amerikanischer DC-Ladestandard gilt das Combined-Charging-System (CCS).⁵⁰ Analog zum Mode 3 Wechselstrom-Schnellladen muss das Kabel mit der Ladestation fest verbunden sein. Bei dieser Betriebsart ist das Ladegerät in die Ladestation integriert und die Sicherheitsfunktionalitäten werden ebenfalls von der Ladestation umfasst. Die Kommunikation findet über die Ladeleitung zwischen Fahrzeug und Ladestation statt.⁵¹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: Lademodi 1-4 des kabelgebundenen Ladens gemäß IEC⁵²

Wechselstromladestationen können sowohl als einphasige Ladestationen (Wechselstrom) als auch als dreiphasige Ladestationen (Drehstrom) ausgelegt werden. Obwohl die Leistungsfähigkeit bei einer Drehstromladestation bei gleicher Stromstärke dreimal so hoch ist, ist der Mehraufwand bei einer dreiphasigen Ladestation nur minimal.⁵³ Die maximalen Ladeleistungen der jeweiligen Lademodi, die beim AC-Laden mit 230 V (einphasig) oder 400 V (dreiphasig) erreicht werden können, werden in Abbildung 13 veranschaulicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 13:AC-Ladeleistung bei 230 oder 400 V⁵⁴

Die Ladesäulenverordnung (LSV) fordert bei öffentlichen Ladestationen mindestens die Verwendung von Lademode 3 oder 4. Diese soll es in den zwei folgenden Ausführungen geben: für das Wechselstromladen mit der Steckdose Typ 2 und für das Gleichstromladen mit der Combo-2-Kupplung (siehe Abbildung 11). Diese beiden Betriebsarten basieren auf einer Infrastruktur, die eigens für Elektrofahrzeuge errichteten wurde. Sie bieten Brandschutz, indem die Installation vor Überlastung geschützt wird und ein hohes Maß an Schutz und elektrischer Sicherheit vorhanden ist. Des Weiteren können Manipulationen durch die Verriegelung der Ladesteckverbinder ausgeschlossen werden.⁵⁵ Aufgrund dieser Forderung der LSV wird im Folgenden nur auf Ladestationen eingegangen, die mit Mode 3 und 4 betrieben werden.

Die im Mode 3 betriebenen AC-Wallboxen und -Ladesäulen liefern in der Regel eine Ladeleistung von 10 bis 22 kW. Allerdings werden wie vom Hersteller ABL auch AC-Ladestationen angeboten, die eine Leistung bis zu ca. 44 kW erreichen können.⁵⁶ Zur Veranschaulichung der Ladestationen wird in Abbildung 14 eine Wallbox mit einem Ladepunkt und eine Ladesäule des Herstellers Mennekes mit zwei Ladepunkten (links und rechts) dargestellt.

[...]

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¹ Vgl. Doppelbauer 2014

² Vgl. Doppelbauer 2014

³ https://www.eti.kit.edu/1376.php Zugriff am 03.01.2019

⁴ Doppelbauer 2014

⁵ Vgl. Doppelbauer 2014

⁶ Vgl. Elektroauto-News.net o. J

⁷ Doppelbauer 2014

⁸ https://www.autobild.de/klassik/bilder/e-autos-gestern-und-heute-eine-kleine-geschichte-der-stromer-1041036.html#bild7 Zugriff am 03.01.2019

⁹ Vgl. Elektroauto-News.net o. J

¹⁰ https://www.autobild.de/klassik/bilder/e-autos-gestern-und-heute-eine-kleine-geschichte-der-stromer-1041036.html#bild7 Zugriff am 03.01.2019

¹¹ Vgl. Elektroauto-News.net o. J

¹² Vgl. Elektroauto-News.net o. J

¹³ Vgl. Elektroauto-News.net o. J

¹⁴ http://whittingtonvillage.org.uk/html_pages/william_sturgeon/william_sturgeon.html, . Zugriff am 12.12.2018

¹⁵ https://www.homofaciens.de/technics-electric-motors-torque-curve_ge.htm, Zugriff am 12.12.2018

¹⁶ https://www.homofaciens.de/technics-electric-motors-torque-curve_ge.htm, Zugriff am 12.12.2018

¹⁷ https://de.wikipedia.org/wiki/Kurzschlussläufer#/media/File:Wirnik_by_Zureks.jpg Zugriff am 10.12.2018

¹⁸ Vgl. Ali Farschtschi, S. 160

¹⁹ http://elektronik-kurs.net/elektrotechnik/transformatoren/, Zugriff am 14.12.2018

²⁰ http://elektronik-kurs.net/elektrotechnik/transformatoren/, Zugriff am 14.12.2018

²¹ https://www.lenhart.limacity.de/tutorial%20%20Kopie/tutorial_motoren_gleichstrommotor.shtml, Zugriff am 14.12.2018

²² http://energie-und-umwelt.at/energie-infos/wie-funktioniert-ein-elektromotor-575, Zugriff am 14.12.2018

²³ Vgl. Ali Farschtschi, S. 145

²⁴ Vgl Rainer Hagl, S. 94

²⁵ https://www.electricaltechnology.org/, Zugriff am 14.12.2018

²⁶ Vgl Rainer Hagl, S. 94

²⁷ https://en.wikipedia.org/wiki/Induction_motor#/media/File:Rotatingfield.png, Zugriff am 14.12.2018

²⁸ Vgl Rainer Hagl, S. 56

²⁹ Vgl Otger Neufang, S. 455

³⁰ http://www.energie.ch/asynchronmaschine, Rolf Gloor, Zugriff am 09.12.2018

³¹ Vgl. Bay und Megazzini 2014

³² Vgl. o.V. „Ladetechnik“ o. S.

³³ Vgl. Schatzinger und Rose, S. 17

³⁴ Vgl. Opfermann, Zugriff am 13.11.2018

³⁵ http://nationale-plattform-elektromobilitaet.de/fileadmin/user_upload/Redaktion/Normungs-Roadmap_barr_final.pdf, Zugriff am 13.11.2018

³⁶ Vgl. http://www.all-electronics.de/komfortables-einfaches-laden-von-elektrofahrzeugen/, Zugriff am 13.11.2018

³⁷ Vgl. Gayko, S. 8

³⁸ Vgl. Gayko, S. 8

³⁹ Eigene Darstellung in Anlehnung an https://www.vde.com/resource/blob/988408/750e290498bf9f75f50bb86d520caba7/leitfaden-elektromobilitaet-2016--data.pdf, Zugriff am 13.11.2018

⁴⁰ Vgl. Luthmann, S. 44

⁴¹ Vgl. https://www.e-stations.de/wissen/stecker, Zugriff am 14.11.2018

⁴² Vgl. Gayko, S. 11

⁴³ https://www.vde.com/resource/blob/988408/750e290498bf9f75f50bb86d520caba7/leitfaden-elektromobilitaet-2016--data.pdf, Zugriff am 14.11.2018

⁴⁴ Vgl. Luthmann, S. 44

⁴⁵ Vgl. Gayko, S. 9

⁴⁶ Vgl. Gayko, S. 9

⁴⁷ Vgl. https://www.panasonic-electric-works.com/cps/rde/xbcr/pew_eu_en/fb_x61_de_elektronik_201405.pdf, Zugriff am 14.11.2018

⁴⁸ Vgl. https://www.e-stations.de/wissen/stecker, Zugriff am 14.11.2018

⁴⁹ Vgl. Spath, Rößler und Rose, S. 15

⁵⁰ Vgl. https://www.panasonic-electric-works.com/cps/rde/xbcr/pew_eu_en/fb_x61_de_elektronik_201405.pdf, Zugriff am 14.11.2018

⁵¹ Vgl. Gayko , S. 9f

⁵² Eigene Darstellung in Anlehnung an GAYKO, S.9

⁵³ Vgl. o.V. „Die Deutsche Normung-Roadmap Elektromobilität“ 2014, S. 66

⁵⁴ Eigene Darstellung in Anlehnung an Praxisleitfaden Elektromobilität, S.15

⁵⁵ Vgl. Gayko, S. 10

⁵⁶ Vgl. https://4electric.de/shop/abl-emh3.html, Zugriff am 15.11.2018