HRS Ergebnisbericht Studie

Österreichisches Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie
„Analytischer Vergleich von hybriden
Antriebssystemen mittels Real-world validierter
Simulationsmodelle - HRS“
Studie
FFG Projektnummer 820728
Prof. Dr. E. Pucher, DI L. Cachón, Mag. V. Vana
TU Wien, Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik
Prof. Dr. T. Wolbank, DI R. Stumberger
TU Wien, Institut für Elektrische Antriebe und Maschinen
Dr. M. Kapfer
denkstatt Gmbh
Wien, 2010
„Analytischer Vergleich von hybriden Antriebssystemen mittels
Real-world validierter Simulationsmodelle - HRS“
Projekt im Rahmen des
Österreichischen A3plus Forschungsprogramms des BMVIT
Kurzfassung
Personenkraftwagen sind für den Einsatz der Hybridantriebstechnologie auf Grund der
großen Leistungsspreitzung besonders geeignet. Darüber hinaus ist auch eine deutliche
Reduzierung
des
Treibstoffverbrauchs
wünschenswert.
Zudem
ist
mit
der
Pkw-
Hybridtechnologie ein besonders niedriger Schadstoffausstoß von Feinpartikel und
Stickstoffdioxiden erreichbar.
Das Projekt HRS befasste sich mit einem umfassenden analytischen Vergleich hybrider
Antriebssystemen von Personenkraftwagen mittels durch Real-world Messungen validierter
Simulationsmodelle. Hierzu wurde eine einleitende Marktstudie durchgeführt, in deren
Rahmen die bereits angewandten und in Entwicklung befindlichen Hybridtechnologien
beziehungsweise
Fahrzeuge
mit
elektrischem
Antriebstrang
erhoben
sowie
ihr
Marktpotenzial ermittelt wurden. Anschließend erfolgte die Parametrisierung existierender,
detaillierter Matlab Simulink Modelle für die wichtigsten Varianten des hybriden
Antriebstrangs unter besonderer Beachtung der elektromotorischen Komponenten. In den
Betrachtung wurden Hybrid-Antriebsvarianten mit Benzin- und Dieselmotoren, Plug-in
Konzepte
und
ein
Brennstoffzellenfahrzeug
mit
einem
statistisch
mittleres
Vergleichsfahrzeug mit konventionellem Antrieb verglichen.
Der berechnungstechnische Teil der Studie ermittelte den Kraftstoff- bzw. Energieverbrauch
als auch die CO2-Emissionen der genannten Antriebstechnologien in den unterschiedlichen
Kombinationen mittels hoch zeitaufgelöster Matlab Simulink Modelle. Die Simulationen
konnten sowohl für den standardisierten europäischen Fahrzyklus, als auch für wichtige
reale Fahrstrecken wie Innenstadtverkehr und Autobahn durchgeführt werden. Da für
praktisch sämtliche in Frage kommenden modernen Antriebstechnologien Vergleichsdaten
aus Real-world Abgas- und Verbrauchsuntersuchungen bereitstanden, konnten gute
Genauigkeiten erzielt werden.
i
Der Energieverbrauch, bezogen auf den österreichischen Einsatz von Primärenergie, ist
beim Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeug tendenziell besser als beim konventionellen
Referenzfahrzeug. Plug-in Hybridfahrzeuge weisen aufgrund verschiedener Übertragungsund
Lade/Entladeverluste
und
des
der
Studie
höheren
Fahrzeuggewichts
einen
höheren
Energieverbrauch auf.
Abschließend
wurden
in
die
Auswirkungen
der
unterschiedlichen
Antriebstechnologie-Kombinationen einzelner Fahrzeughersteller, bzw. Hybrid-Typen auf
den Technologiestandort Österreich untersucht. Ein abschließender Business Case für die
Teilumstellung einer durchschnittlichen Taxiflotte auf die in der Studie behandelten
Antriebsvarianten zeigt, dass die hohen Anschaffungskosten von Hybridfahrzeugen durch
die Ersparnis von Treibstoffkosten zum momentanen Zeitpunkt nicht amortisiert werden
können.
Dauer des Projekts: 12 Monate, April 2009 bis März 2010
Projektleitung:
TU Wien - Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik, Prof. Ernst Pucher
Projektpartner:
Denkstatt GmbH
TU Wien - Institut für Elektrische Antriebe und Maschinen, Prof. Thomas Wolbank
Kontakt:
Prof. Dr. Ernst PUCHER
Technische Universität Wien
Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik
Gusshausstraße 27-29
A-1040 Wien
Tel.: +43 1 58801 31520
E-Mail:[email protected]
ii
Inhalt
1
Präambel ..........................................................................................................................1
2
Marktstudie Hybridtechnologie .........................................................................................4
2.1
Darstellung der Hybridtechnologie ...........................................................................4
2.1.1
Hybridarchitekturen: seriell und parallel............................................................5
2.1.2
Funktionsweisen: Otto-, Diesel- und Plug-in Hybrid .........................................6
2.1.3
Vorhandene Technologien: Micro-, Mild- und Vollhybrid ..................................6
2.1.4
Unterschiedliche Entwicklungen in den Märkten ..............................................8
2.2
Technologie aktuell und kurz vor der Markteinführung.............................................9
2.2.1
Entwicklungsrichtung der Hybridtechnologie ..................................................11
2.2.2
Wirtschaftlichkeit.............................................................................................12
2.2.3
Umweltauswirkungen der Hybridtechnologie..................................................12
3
Parametrisierung der Simulationsmodelle......................................................................16
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
4
Konventionelles Referenzfahrzeug – Diesel...........................................................16
Powersplit Hybrid - Benzin .....................................................................................17
Plug-in Powersplit Hybrid - Benzin .........................................................................19
Electric Vehicle with Range-extender - Diesel........................................................21
Brennstoffzellenelektrisches Fahrzeug - Wasserstoff.............................................22
Simulation der Antriebsvarianten in verschiedenen Fahrzyklen.....................................23
4.1
Elektroantriebe für mobile Anwendungen...............................................................23
4.1.1
Energiespeicher..............................................................................................24
4.1.2
Leistungselektronik .........................................................................................28
4.1.3
Frequenzumrichter..........................................................................................31
4.1.4
Elektromotor ...................................................................................................33
4.2
Real-world Vergleichsdaten....................................................................................40
4.3
Referenzstrecken ...................................................................................................41
4.4
Ergebnisse der Untersuchungen ............................................................................44
4.4.1
„Tank-to-Wheel“ Energieverbrauch im Real-world Szenario ..........................45
4.4.2
Bewertung der Potenziale der Antriebsvarianten ...........................................47
5
Auswirkung auf den Technologiestandort Österreich.....................................................49
5.1
Rahmenbedingungen .............................................................................................49
5.1.1
Fahrzeughersteller / Automobilzulieferer in Österreich...................................49
5.1.2
Beispiele aktueller Initiativen ..........................................................................51
5.2
Prognosen für die Marktentwicklung ......................................................................53
5.2.1
Allgemeiner Marktausblick der IEA.................................................................53
5.2.2
Prognosen anderer Quellen............................................................................56
5.2.3
Markt für (teil-)elektrische Fahrzeuge in Österreich........................................57
5.3
Empfehlungen für die Umsetzung ..........................................................................59
5.3.1
Mögliche Produkte der Zukunft.......................................................................59
5.3.2
Herausforderungen an Forschung und Entwicklung.......................................59
5.3.3
Politik ..............................................................................................................59
5.4
Business Case........................................................................................................60
6
Zusammenfassung und Ausblick....................................................................................62
iii
Abkürzungen und Formelzeichen
Abkürzung
Beschreibung
DC
Direct Current
GPS
Global Positioning System
NEDC
New European Driving Cycle
UDC
Urban Driving Cycle
EUDC
Extra Urban Driving Cycle
NEFZ
Neuer Europäischer Fahrzyklus
SUV
Sport Utility Vehicle
THG
Treibhausgas
VKM
Verbrennungskraftmaschine
Ni-MH
Nickel-Metall-Hydrid
Ni
Nickel
Li
Lithium
Na/NiCL2
Natrium-Nickelchlorid
PEM
Proton Exchange Membrane
CHG
Compressed Hydrogen Gas
LHG
Liquid Hydrogen Gas
FET
Feldeffekttransistor
IGBT
Isolated Gate Bipolar Transistor
FWD
Freilaufdioden
PWM
Nichtsynchronisierte Sinus-Dreieck-Modulation
ASM
Asynchronmaschine
PSM
Permanenterregte Synchronmaschine
SRM
Geschaltete Reluktanzmaschine
HEV
Hybrid Electric Vehicle
PHEV
Plug-in Hybrid Electric Vehicle
EV
Electric Vehicle
Kurzzeichen
Einheit
Beschreibung
A
m²
Fahrzeug-Stirnfläche
ALeit,x
-
konstante Größe
a
m/s²
Beschleunigung
BLeit,x
-
konstante Größe
cw
-
Luftwiderstandsbeiwert
d
-
Realanteil der Zeiger
fr
-
Rollwiderstandsbeiwert
iv
fS
Hz
Schaltfrequenz
g
9.81 m/s²
ILast,x
mA
ILast,x(t)
mA
Erdbeschleunigung
Gemittelter Strom während einer
Abtastperiode
Laststrom
iS
-
Raumzeiger der Statorstromes
J
kg·m²
Massenträgheitsmoment
Lσ
mH
Streuinduktivität der Drehfeldmaschine
lS
-
Maschinenparameter
m
kg
Fahrzeugmasse
m
-
Modulationsindex
M
Nm
Drehmoment
mi
Nm
Drehmoment der PSM
-1
Drehzahl
n
min
P
kW
Leistung
p
kW
Leistung der PSM
PLeit
kW
Leitverluste
q
-
Imaginäranteil der Zeiger
rdyn
m
dynamischer Rollradius
rS
-
Maschinenparameter
t
s
Zeit
-1
TPWM
s
Periodendauer der Pulsweitenmodulation
ULeit,x(t)
V
Durchlassspannung des Halbleiterventils
U0,x
V
konstanter Offsetspannungsabfall
UZK
V
Zwischenkreisspannung
v
km/h
Fahrgeschwindigkeit
vS
V
Raumzeiger der Statorspannung
x
-
Halbleiterventil
η
-
Wirkungsgrad
λ
-
Drehmassenzuschlagfaktor
λM
-
Magnetflussverkettung
λR
-
Rotorflussverkettung
λS
-
gesamte Statorflussverkettung
ρL
kg/m³
Luftdichte
σ
-
Streuung
ωR
Rd/s
Winkelgeschwindigkeit des Rotors
v
1
Präambel
Im Jahr 2010 sind in Österreich zirka 4,5 Mio. Pkw und weitere 400.000 Nutzfahrzeuge
registriert. Der Straßenverkehr trägt mit insgesamt gut 16 Mio. t CO2-Ausstoß einen Anteil
von 18% an den gesamten CO2-Äquivalent Emissionen in Österreich. Teilt man die
Emissionen der Straßenfahrzeuge weiter auf, so zeigt sich, dass diese zu etwa 60% von den
Pkw verursacht werden. Starke Verschiebungen sind vor allem bei den Pkw-Emissionen zu
sehen, die 1980 fast ausschließlich von Benzinantrieben verursacht wurden und heute
überwiegend von Dieselfahrzeugen bestimmt werden.
CO2 - Emissionen aus Diesel- und Benzinverbrauch
Berechnet aus Emissionen der Einzelfahrzeuge
(in Millionen Tonnen = 106t)
25
20
15
Diesel
10
5
Benzin
0
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
2015
Abbildung 1 – Kohlendioxidemissionen nach Kraftstoffart
Die hauptsächlichen Motivationen für den Einsatz neuer, abgasfreier, elektrischer
Antriebstechnologien liegen somit in der nachhaltigen Reduktion des CO2 Ausstoßes, der
Partikel und NO2 Emissionen sowie der Gewährleistung der Versorgungssicherheit mit
Energie.
Die deshalb stetig wachsenden Anforderungen an Kraftfahrzeuge betreffen einerseits
Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen als auch andererseits die Sicherheit. Mit dem
Trend zur Elektrifizierung mechanischer Aggregate im Fahrzeug und intelligenter Vernetzung
dieser Komponenten kann die Automobilindustrie, insbesondere die Ansprüche in den
Bereichen Energieeffizienz, Sicherheit und Komfort nach und nach erfolgreich erfüllen. In
Form des Hybridantriebs rückt der elektrische Antriebsmotor heutzutage wieder in den
Mittelpunkt
des
Interesses.
In
Zusammenarbeit
mit
ihren
Zulieferern
arbeiten
Automobilhersteller weltweit an Fahrzeugen mit elektrischen Antriebsmotoren. Die
1
kalifornischen
Null-Emissions-Vorschriften
liefern
zudem
einen
wichtigen
Entscheidungsfaktor für die Intensivierung von Bemühungen in Forschung und Entwicklung.
Die Antriebsvariante mit Elektromotoren hatte bislang den grundsätzlichen Nachteil der
unzureichenden Absicherung der Elektroenergie an Bord mittels Batterien. Sogar die
neuesten Entwicklungen versprechen keinen dahingehenden Durchbruch, die Reichweite
eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor bei vertretbarer Batteriemasse, -abmessungen,
und –preis auch nur ansatzweise für den Elektroantrieb zu realisieren. Vom technischen
Standpunkt
aus
erfüllen
Brennstoffzellen
zur
On-board
Stromerzeugung
die
Reichenweitenanforderung im Vergleich zu den Batterieautos sehr gut. Aufgrund der
technischen Komplexität, welche auch den hohen Preis mitbestimmt, können sie jedoch
derzeit in der breiten Serienanwendung noch nicht als Alternative gesehen werden.
Insbesondere aus diesem Grund erlangen detaillierte Simulationen und Berechnungen in
praktisch allen Bereichen der Kraftfahrzeugtechnik mehr und mehr Bedeutung, da teure und
aufwändige Versuche zu ersetzen beziehungsweise ergänzt werden können.
Die Effizienz eines Fahrzeuges kann durch ein komplexes Verfahren beurteilt werden. In der
Regel wird dazu der Normverbrauch herangezogen, ermittelt aus einem genau definierten
Fahrzyklus– z. B. dem NEFZ, der unter streng kontrollierten Rahmenbedingungen auf einem
Rollenprüfstand gefahren wird. Die Typprüfung kann jedoch kaum unter realen Betriebs- und
Fahrbedingungen abgenommen werden. Der Einfluss von Nebenverbrauchern, wie
Klimatisierung und Heizung wird dabei sogar gänzlich ausgeklammert.
Einen Lösungsansatz dieser Problematik bieten hier insbesondere Real-world Verbrauchsund Abgasmessungen von Vergleichsfahrzeuge. Die Vermessung des Fahrzeuges im realen
Straßenverkehr
mit
Wetterverhältnissen
Ampeln,
ermöglicht
Staus,
die
Steigungen
Erhebung
und
wertvoller
bei
unterschiedlichen
Vergleichsdaten,
die
zur
Parametrierung von Simulationsmodellen unter Berücksichtigung realer Fahrbedingungen
und Einbeziehung der fahrzeugbezogenen Nebenverbraucher herangezogen werden
können. Die Simulation verschiedener Szenarien und daraus resultierend die Analyse
unterschiedlicher Anforderungen an die Antriebstechnologien, bietet den Vorteil eines
detaillierten
Überblicks
hinsichtlich
der
gesamten
Fahrzeugeffizienz
und
des
Energieverbrauchs.
Die
vorliegende
Untersuchung
befasste
sich
mit
rechnerischen
Vergleichen
des
Energieverbrauchs von Personenkraftwagen mit elektrischen Antriebssystemen unter
Anwendung neuer, durch Real-world Messungen validierter Simulationsmodelle1. Unter
1
Paces, M.: "Simulation der streckenbezogenen CO2-Emissionen eines Hybridfahrzeugs auf Basis von Real-World
Messungen"; Diplomarbeit an der TU Wien. Betreuer: E. Pucher, A. Sekanina; 2007.
2
Berücksichtigung realer Einflussfaktoren, wie Stadtverkehr, Überland und Autobahn sowie
unter
Einbeziehung
der
insbesondere
im
innerstädtischen
Bereich
wichtigen
Nebenverbraucher wurde eine vergleichende „Tank to Wheel“ Simulation und Bewertung
durchgeführt. Zudem wurden die Energieverbräuche der untersuchten Fahrzeugkonzepte
basierend auf dem österreichischen Primärenergieverbrauch ermittelt.
Mittels dieser selbst entwickelten Simulationsmodelle konnte der streckenbezogene
Energieverbrauch eines typischen Pkw mit unterschiedlichen elektrischen Antrieben ermittelt
werden. So konnte der Kraftstoffverbrauch eines Brennstoffzellen- und Hybridfahrzeugs
sowie der elektrische Energieverbrauch der Plug-in Hybridfahrzeuge im rein elektrischen
Betriebsmodus in einem beliebigen Fahrzyklus hoch zeitaufgelöst berechnet werden.
Die für die Simulationen relevanten Real-world Messungen der Vergleichsfahrzeuge sowie
komplette
Antriebsstrangdaten
aus
vorangegangenen
Forschungsarbeiten
wurden
weitergehend analysiert. Die Messungen erfolgten mittels eines in der Forschungsgruppe
selbst entwickelten On-board Messsystems. Die hierbei gewonnenen Daten erlaubten
zunächst eine genaue Auswertung der Referenzstrecken. Die hohe zeitliche Auflösung des
Materials, mit einem kompletten Datensatz pro Sekunde in Kombination mit GPS-Tracking
für eine klare örtliche Zuordnung, erlaubt bei Bedarf auch im Nachhinein eine detaillierte
Analyse der Referenzstrecken. Jedes der Vergleichsfahrzeuge wurde als Gesamtsystem
betrachtet und somit das Zusammenspiel des Antriebs als auch der und fahrzeugbezogenen
Nebenverbraucher im realen Straßenverkehr untersucht, was auf einem Motorenprüfstand
gar nicht und auch am Rollenprüfstand nur beschränkt möglich wäre.
Danach erfolgte eine aufwändige Auswertung und Analyse der erhobenen Messdaten um
den Energieverbrauch über die Geschwindigkeit und Zugkraft der Vergleichsfahrzeuge
darzustellen. Die aus diesen Berechnungen abgeleiteten analytischen Funktionen des
Energieverbrauchs
sowie
die
technischen
Daten
der
Vergleichsfahrzeuge
wie
Abmessungen, Gewichte, Widerstandsbeiwerte, Wirkungsgrade und die Umgebungsdaten
wurden als Parametern in das Simulationsmodell eingegeben. Somit konnten sowohl für den
standardisierten europäischen Fahrzyklus, als auch für beliebige reale Fahrstrecken
Simulationen durchgeführt werden.
Der schematische Ablauf der Berechnungsmethodik ist in der nachfolgenden Abbildung 2
dargestellt. Besondere Beachtung wurde dem Einfluss der elektrotechnischen Komponenten
der neuen Antriebe geschenkt, um korrekte Ergebnisse zu erzielen.
3
Kraftstoffverbrauch
[g/s]
Zugkraft
[N]
Geschwindigkeit [km/h]
KSV = f(KSVNebenverbr., v, F)
Analytische Funktion
Real-world On-board
Messungen
POWER CONTROL
UNIT
FAHRER
Bremse
FAHR
WIDERSTÄNDE
BREMSEN
CO2, be
FAHRZYKLUS
DIFFERENTIAL
E - GAS
Bremse
REIFEN
VERBRAUCH
EMISSION
n
n
n_Differential
n_Reifen
Kraftstoffverbrauch
[liter/100km]
Simulation
FG Prof. Pucher
Abbildung 2 - Simulationsmethodik
Im Vorfeld zu den technischen Analysen wurde eine umfassende Marktstudie durchgeführt,
in
deren
Rahmen
die
bereits
angewandten
sowie
in
Entwicklung
befindlichen
Hybridtechnologien, beziehungsweise Fahrzeuge mit elektrischem Antriebstrang, erhoben
und ihr Marktpotential ermittelt wurden. Anschließend erfolgte die Untersuchung der
Auswirkungen der neuen Hybridantriebstechnologie auf den Technologiestandort Österreich.
Abschließend wurde ein Business Case für die Teilumstellung einer Flotte in einem
Taxiunternehmen erstellt.
2
Marktstudie Hybridtechnologie
2.1
Darstellung der Hybridtechnologie
Ein „Hybridfahrzeug“ ist ein Fahrzeug, in dem zumindest zwei Energieumwandler und zwei
im Fahrzeug eingebaute Energiespeichersysteme vorhanden sind, um das Fahrzeug
anzutreiben. Energiewandler sind beispielsweise Elektro-, Otto- und Dieselmotoren,
Energiespeicher sind Batterie oder Kraftstofftank.
4
2.1.1 Hybridarchitekturen: seriell und parallel
Die einzelnen Motoren im Hybridantrieb können unterschiedlich zusammenarbeiten. In der
Parallelbauweise wirken die Antriebe gleichzeitig auf den zu bewegenden Teil während bei
der seriellen Architektur nur ein Antrieb unmittelbar auf den zu bewegenden Teil wirkt und
der andere nur Leistung bereitstellt, die umgewandelt dem direkt wirkenden Antrieb
zugeführt wird. Die nachfolgende Abbildung 3 stellt die verschiedenen Hybridarchitekturen
dar.
Man unterscheidet generell drei verschiedene Hybridarchitekturen: den parallelen, den
seriellen und den leistungsverzweigten Hybridantrieb. Im Fall des parallelen Hybridantriebs
werden der Antrieb des Verbrennungsmotors und des Elektromotors parallel geschaltet
(siehe Abbildung unten). Beim Parallelhybrid existiert nur ein Elektromotor, der als Mikro-,
Mild- und Vollhybrid ausgestattet sein kann.
Im Gegensatz dazu gibt es beim seriellen Hybridantrieb keine mechanische Verbindung
zwischen dem Verbrennungsmotor und den Rädern. Der Verbrennungsmotor dient in
Verbindung mit einem Generator ausschließlich zur Stromerzeugung. Vom Generator fließt
die Antriebsleistung über eine oder mehrere elektrische Maschinen zu den Antriebswellen
der Räder. Damit läuft der Verbrennungsmotor immer im optimalen Betriebszustand, auch
wenn hohe Drehzahlen benötigt werden. Verbrennungsmotor und Generator können auch
durch eine Brennstoffzelle ersetzt werden.
Verschiedene Formen eines Parallelhybrids
Verschiedene Varianten
eines seriellen Hybrids
Abbildung 3 - Aufbau verschiedener Hybridformen [1]
5
Leistungsverzweigter
Hybrid
Beim leistungsverzweigten Hybridantrieb (Powersplit, Mischhybrid) werden zwei elektrische
Maschinen eingesetzt. Ein Teil der Antriebsleistung des Verbrennungsmotors wird, analog
zum seriellen Hybridantrieb, über diese Maschine gewandelt und zur Antriebswelle geführt,
der zweite Teil wird mechanisch übertragen. In einem elektrischen Fahrmotor werden sie
wieder zusammengeführt. Der Anteil der Leistungen der beiden Pfade hängt vom jeweiligen
Betriebszustand ab. Als Weiche zur Verteilung von mechanischer und elektrischer Leistung
dient ein Planetengetriebe. Der Verbrennungsmotor kann in diesem System in günstigen
Betriebspunkten fahren, die elektrischen Maschinen können im Vergleich zum seriellen
Hybrid kleiner ausfallen.
2.1.2 Funktionsweisen: Otto-, Diesel- und Plug-in Hybrid
Neben der Differenzierung in verschiedene Hybridarchitekturen und Funktionen kann je nach
Funktionsweise in Otto-, Diesel- und Plug-in Hybrid unterschieden werden. Plug-In-Hybride
versuchen den Kraftstoffverbrauch weiter zu senken. Dafür können die Batterien nicht mehr
nur durch den Verbrennungsmotor aufgeladen werden – auch ein Aufladen am Stromnetz ist
möglich. Ziel ist hierbei, die Batteriekapazität zu erhöhen, um weitere Strecken emissionsfrei
zurücklegen zu können. Die Bezeichnungen Otto-Hybrid und Diesel-Hybrid verweisen auf
die Form des Treibstoffes, der in dem Verbrennungsmotor verbrannt wird. Mit der
Vergrößerung der Batterie und einer Netzanbindung geht die Möglichkeit einher, über das
externe Stromnetz (z.B. nachts in der Garage) zu laden und größere Strecken rein elektrisch
zurückzulegen.
Solche
Fahrzeuge
werden
unter
dem
Begriff
"Plug-In-Hybrid"
zusammengefasst [2].
Bei einem solchen Antriebskonzept kann ein Teil der jährlichen Fahrleistung rein elektrisch
mit "Strom aus der Steckdose" erbracht werden. Dadurch ergeben sich die Eigenschaften
eines rein elektrischen Antriebs und ein im Vergleich zum hybridelektrischen Antrieb
geänderter Energiemix und Möglichkeiten für neue Fahrzeugkonzepte (z.B.: höhere
Batteriekapazitäten und kleinere Verbrennungskraftmotoren), wobei die notwendige höhere
Batteriekapazität zusätzliche Kosten verursacht. Für die Anzahl der Fahrten, die über die
Reichweite der Batteriekapazität hinausgehen, ist ein Verbrennungskraftmotor in geringfügig
kleinerer oder gleicher Ausführung wie beim hybridelektrischen Antrieb vorhanden.
2.1.3 Vorhandene Technologien: Micro-, Mild- und Vollhybrid
Aktuell wird in drei unterschiedliche Technologie-Gruppen unterschieden. Die folgende
Tabelle veranschaulicht die verschiedenen Hybridisierungsstufen und ihre Funktionen.
6
Tabelle 1 - Übersicht der Hybridisierungsstufen und ihre Funktionen [2]
Der Mikrohybrid verfügt über eine Auto-Start-Stopp-Funktion. Der Mikrohybrid kann die
kleine Starter-Batterie durch Bremsenergierückgewinnung wieder aufladen und bildet die
erste Stufe der Hybridisierung. Mikrohybride können jederzeit und stufenlos bis hin zum
Vollhybrid ausgebaut werden. Im Stadtverkehr sind allerdings nicht mehr als zehn Prozent
Energieersparnis zu erwarten. Aktuelle Konzepte kommen dabei von Audi und BMW, die
lediglich modifizierte Serienkomponenten verwenden, um diese Hybridisierung zu realisieren.
Bestehende Fahrzeuge sind von Citroën (C2 Start/Stopp-Hybrid) und Ford (Fiesta
Start/Stopp-Hybrid) erhältlich.
Der Elektroantriebteil des Mildhybrid ist im Vergleich zum Mikrohybrid groß genug, um den
Verbrennungsmotor zu unterstützen, womit eine Leistungssteigerung erreicht werden kann.
Er
kann
annähernd
stufenlos
zum
Vollhybriden
entwickelt
werden,
wenn
der
Verbrennungsmotor ausgeschaltet bleibt. Bei Beschleunigung kann die elektrische Maschine
dem Verbrennungsmotor zugeschaltet werden und so eine Mehrbeschleunigung bewirken.
Andererseits ist so auch der Einbau eines kleineren und energiesparenderen Motors
möglich. Der Honda Civic ist ein in Serie gefertigter Mild-Hybrid, der im Stadtbetrieb einen
Verbrauch von 5,2 l/100 km aufweist. Er verbraucht damit, verglichen mit dem schwächer
motorisierten Basismodell, das 7,6 l/100 km verbraucht, ca. 31% weniger Kraftstoff.
Nachteilig ist, dass als Energiespeicher keine günstige Bleibatterie mehr eingesetzt werden
kann, sondern dass auf eine teurere NiMH-Batterie zurückgegriffen werden muss.
Vollhybriden zeichnen sich dadurch aus, dass das Anfahren und Fahren auch vollständig
ohne
gestarteten
Verbrennungsmotor
möglich
ist.
Beide
Motoren,
Elektro-
und
Verbrennungsmotor, sind in ihrer Leistung vergleichbar. Vollhybriden haben zudem eine
wesentlich stärkere Batterie. Der wohl bekannteste Vertreter dieser Ausbaustufe ist der
Toyota Prius. Vergleicht man den Honda Civic mit diesem Fahrzeug, so zeigt sich, dass bei
gleichem Fahrzeuggewicht der Verbrauch nur unwesentlich geringer ausfällt.
Da die Patente für den leistungsverzweigten Hybrid bei japanischen Firmen liegen, wird in
Europa verstärkt an der Entwicklung von parallelen Vollhybriden gearbeitet. Beispiele dafür
sind der Diesel-Hybrid von PSA, der mit einer 288V Batterie und einem 16-kW-Elektromotor
7
aufwartet. Aber auch Porsche entwickelt zusammen mit VW und Audi einen Parallel-Hybrid
für den Porsche Cayenne.
Zwischen Mikrohybrid und Vollhybrid liegen unzählige Mischformen, die durch den
stufenlosen
Ausbau
entstehen.
Das
Umschalten
zwischen
Elektromotor
und
Verbrennungsmotor erfolgt auf zweierlei Weise: Einerseits ist eine permanente Verbindung
möglich, bei der der Motor mit oder ohne geringerer Verdichtung mitdreht. Andererseits
besteht die Möglichkeit in der Zu- oder Abschaltung durch eine zweite Kupplung.
2.1.4 Unterschiedliche Entwicklungen in den Märkten
Die großen Märkte USA, Europa und Japan stellen unterschiedliche Anforderungen an ein
Hybrid-Fahrzeug. Das wichtigste Marktsegment in den USA ist beispielsweise das Sport
Utility Vehicle (SUV). Da diese Fahrzeuge sehr viel Kraftstoff verbrauchen und zumeist mit
Ottomotoren ausgerüstet sind, ergeben sich hohe Einsparpotenziale.
Im Gegensatz dazu werden in Europa und besonders in Japan eher kleinere Fahrzeuge
präferiert, die vorrangig in Ballungsgebieten ihre Anwendung finden, weshalb sich die
Nutzung von Micro- und Mild-Hybriden anbietet.
Um die CO2-Zielwerte für 2012 zu erreichen, werden in Europa auch Hybridantriebe mit
Dieselmotoren entwickelt. Professor Ferdinand Dudenhöffer, der Direktor des Center of
Automotive Research (CAR) an der FH Gelsenkirchen, prognostiziert, dass im Jahr 2015
etwa fünf Millionen Hybridfahrzeuge verkauft werden, davon allein in den USA drei Millionen.
Dies entspricht einem Marktanteil von zirka 18 % [3].
In einer Hochrechnung des US-amerikanischen Department of Energy (DOE) wurde der
Anteil der Hybridtechnologie am Fahrzeugmarkt erhoben. Demzufolge hat – in den USA –
die Hybridtechnologie vor allem im PKW-Bereich das Potenzial die Dieselfahrzeuge
vollständig zu substituieren, wie die nachfolgenden Grafiken zeigen. In diesen Szenarien soll
der Anteil der Voll-Hybriden bei ungefähr 50 % liegen.
Marktanteile an Hybridfahrzeugen in den USA 2008
Marktanteile an Hybridfahrzeugen in den USA 2012
50%
50%
40%
40%
Diesel
Diesel
30%
Hybrid
30%
Hybrid
Benzin
Benzin
20%
20%
10%
10%
0%
0%
PKW
Transporter
Pick-ups
Luxusfahrzeug
Sportwagen
PKW
Standard Van
Transporter
Pick-ups
Luxusfahrzeug
Sportwagen
Standard Van
Abbildung 4 - Marktanteile an Hybridfahrzeugen in den USA 2008 (links) und 2012 (rechts) [4]
8
Toyota ist zurzeit Marktführer bei Hybridantrieben und schreibt damit das Entwicklungstempo
vor. Den Fahrzeugherstellern stellen sich zwei Hauptaufgaben: Zum einen müssen sie sich
intern auf die neue Antriebstechnik einstellen, zum anderen schnellstmöglich die geeignete
"Hybridart" für ihre Fahrzeugfamilien, unter Berücksichtigung ihres Markenimages,
definieren.
Das Segment der Pkw-Luxusklasse – traditionell die Basis bei der Einführung neuer
Technologien – nimmt im Bereich Hybrid ausnahmsweise die Rolle des Fast-Followers ein.
Einen Spezialfall stellt der Bereich SUV dar, wo sich die Kunden Geländegängigkeit,
dynamisches Fahrverhalten und moderaten Treibstoffverbrauch nachfragen. Besonders in
den USA werden diesbezüglich viele Modelle angeboten.
Die Anforderung für die Wagen der Klein- und Kompaktklasse liegt schwerpunktmäßig auf
den
Kosten,
sodass
es
hier
besonders
wichtig
ist
geringe
Kosten
für
die
Energiespeichersysteme zu erzielen. In diesem Segment wird derzeit vor allem mit Micround Mild-Hybridsystemen gearbeitet, um den Preis gering zu halten. Der Marktzugang für
Hybridfahrzeuge
wird
in
den
USA
durch
Steuervorteile
und
in
Europa
durch
Mautbefreiungen, wie es im Stadtzentrum von London gehandhabt wird, erleichtert.
2.2
Technologie aktuell und kurz vor der Markteinführung
Die nachfolgende Abbildung zeigt in der Zeitschiene eine vereinfachte Darstellung der
Entwicklung
alternativer
Antriebe.
Erwähnenswert
im
Zusammenhang
mit
der
Hybridtechnologie ist an dieser Stelle zum Beispiel der Range Extender, mit dem sich die
Reichweiten von elektrobetriebenen Fahrzeugen signifikant verbessern lassen.
Benzin
Benzin
HCCI*
Benzin
Diesel
Diesel
Diesel
Alternative
Alternative
Hybrid
Range
Extender
Batterieelektr.
Range
Extender
Elektro (Fuel
Cell/Batterie)
Fuel Cell
Elektr.
Plug-in
Hybri d
Z ei tsch ie ne
* Ho m og eno us C harge Com p re ss io n Ig n itio n
Abbildung 5 - Zeitschiene der Entwicklung alternativer Antriebe [5]
9
Eine ähnliche Untersuchung aus der Sicht des amerikanischen Marktes wurde 2007 für das
„State of California Air Resources Board“ in Kalifornien angestellt, wie die nachfolgende
Abbildung zeigt.
Abbildung 6 - Prognosen für den US-amerikanischen Markt [6]
Diese Studie zeigt eine unterschiedliche technische Entwicklungsgeschwindigkeit der
Fahrzeuge mit (teil)-elektrischem Antriebsstrang je nach Anwendungsbereich. Eine
Massenkommerzialisierung von Hybridfahrzeugen steht nach Ansicht der Autoren dieser
Studie in Kürze bevor. Für den Plug-in Hybrid wird dies erst für den Zeitraum ab 2015
erwartet.
Im
Gegensatz
zu
diesen
optimistischen
Zukunftsaussichten
für
die
Hybridtechnologie, der weitere technische Innovationen und Kostenreduktionen ins Haus
stehen, sind die Autoren der Arbeit hinsichtlich voll-elektrischer Fahrzeugkonzepte weniger
optimistisch. Als Begründung dazu wird die geringe Reichweite rein elektrisch betriebener
Fahrzeuge und die lange Aufladedauer angegeben.
In Österreich gibt es noch relativ wenige Hybrid-PKW-Modelle zu erwerben. Bekannt sind
hierbei in erster Linie der Toyota Prius II [7] und der Honda Civic Hybrid [8], die beide
bereits seit einigen Jahren hierzulande verkauft werden. Relativ neu am Markt sind auch
einige Hybridversionen des Lexus, der Luxusmarke von Toyota.[9] Andere Hersteller ziehen
nun auch nach. So hat die Technische Universität Wien die Markteinführung des MercedesBenz S400 Hybrid, der als erstes Großserienfahrzeug über die besonders leistungsfähigen
Lithium-Ionen-Akkus verfügt, mit dem Professor-Ferdinand-Porsche-Preis ausgezeichnet
[10].
10
Volkswagen hat neue Modelle auf der Automesse in Genf im Februar gezeigt: Darunter der
Golf TDI Hybrid. Dieser Vollhybrid verbraucht 3,4 Liter Diesel auf 100 Kilometer. Die
Kraftübertragung an die Vorderachse managt ein 7-Gang-Getriebe. In der Stadt schaltet eine
Start/Stopp-Automatik bei Standphasen automatisch den Turbodiesel aus [11].
2.2.1 Entwicklungsrichtung der Hybridtechnologie
Kurz und mittelfristig wird voraussichtlich die Technologie des Micro-Hybrid den Markt
dominieren, wie aus einer Mercer-Studie hervorgeht. Der Grund für diese Entwicklung wird
vor allem im Kostenvorteil gesehen, weshalb der Marktanteil von Mild-Hybridfahrzeugen
deutlich zurückgehen soll.
Die Integration von Ultrakondensatoren in andere Energieeinheiten kann Probleme lösen,
die mit der Verwendung von nur einer Komponente nicht machbar sind. Zum Beispiel können
Hochleistungs-Bleibatterien und Ultrakondensatoren ein System bilden, das die Vorteile
beider Komponenten vereint: Die Bleibatterie zeichnet sich durch gute Werte bei Leistung,
Selbstentladung,
Verfügbarkeit
und
Kosten
aus.
Auf
der
anderen
Seite
bieten
Ultrakondensatoren Vorteile durch hohe Ladeakzeptanz und Effizienz, Zyklenstabilität und
gute Leistung bei niedrigen Temperaturen [12].
So
wie
der
serielle
Hybrid
ist
auch
der
Brennstoffzellen-Plug-In-Hybrid
ein
Elektrofahrzeug. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass als Range Extender kein
Verbrennungsmotor verwendet wird, sondern eine Brennstoffzelle. Auch BrennstoffzellenFahrzeuge verfügen über Batterien. Diese dienen als Puffer für die erhöhten Energieflüsse
bei Beschleunigung und Bremsen mit Rekuperation und sind daher eher klein (in etwa so wie
bei Vollhybriden). Bei dieser Dimensionierung wird davon ausgegangen, dass das Fahrzeug
primär im Wasserstoffbetrieb läuft, so wie das bei den meisten Versuchsfahrzeuge bisher der
Fall war.
Einen weiteren Typen stellen die Plug-in Hybrid-Fahrzeuge mit Range-Extender (PHEVRE) dar. Ein aus ökologischer Sicht kleinstmöglich ausgeführter Verbrennungskraftmotor
wird nur mehr dazu benutzt, die durch die Batteriekapazität nicht abgedeckten Reichweiten
zu überbrücken. Dementsprechend hohe Batteriekapazitäten sind notwendig, um den
Einsatz des Range-extenders gering zu halten [2].
11
2.2.2 Wirtschaftlichkeit
Zentrale Erkenntnis ist, dass die Batterie als Hauptkostentreiber der Faktor ist, mit dem die
Wirtschaftlichkeit von Plug-in Hybridfahrzeugen steht oder fällt. Eine Reduktion der
Batteriekosten auf 400 €/kWh führt laut der zitierten Studie von Schürmann et al dazu, dass
alle Plug-in Hybridfahrzeuge in weniger als fünf Jahren die Anschaffungsmehrkosten
amortisieren können [13] Soll diese Form der Mobilität gefördert werden, müssen
Möglichkeiten, wie z.B. Subventionen, Aufklärungskampagnen für die Vorteile oder
finanzielle Förderung der Batterieforschung ergriffen werden, um die angestrebten Kosten
von 100-300 €/kWh schnellst möglich zu erreichen.
2.2.3 Umweltauswirkungen der Hybridtechnologie
Der umweltrelevante Vorteil der Hybridtechnologie in Fahrzeugen, insbesondere in PKW
liegt darin, dass ein Teil der Antriebsleistung durch Elektrizität erbracht wird. Der Vorteil der
Verwendung von Strom als Energieträger ist, dass Emissionen von Luftschadstoffen oder
Treibhausgasen nicht beim Betrieb des Fahrzeugs, sondern nur in der Produktion des
Treibstoffes Strom anfallen.
In Ländern wie Österreich, in denen ein Großteil der Elektrizität aus erneuerbaren
Energieträgern, vor allem aus Wasserkraft hergestellt wird, ist damit eine positive
Umweltleistung im Vergleich zu den konventionellen Treibstoffen Diesel oder Benzin
gegeben. Das betrifft natürlich nur die Elektrizitätsproduktion; die anderen Elemente eines
Hybridautos – fossiler Antrieb, Herstellung des Autos selbst, etc. – sind davon unbetroffen.
Die Ausstattung des Autos (Zweirad- oder Vierradantrieb, Motorleistung, Gewicht des
Fahrzeugs)
können
die
positiven
Effekte
des
Hybridantriebs
konterkarieren,
wie
nachfolgende Aufstellung von US-amerikanischen Fahrzeugmodellen belegt.
Generell wird der Umweltnutzen durch den Einsatz der Hybridtechnologie als eher gering
angenommen.
Die US-amerikanische Umweltbehörde (U.S. Environmental Protection Agency) hat die für
2009 verfügbaren Hybridmodelle auf ihre Umweltauswirkungen untersucht. Analysiert
wurden hierbei zwei verschiedene Kriterien, der Carbon Footprint und der „Air Pollution
Score“. Die Kennwerte zu beiden Parametern sind in der nachfolgenden Tabelle
zusammengefasst.
12
Tabelle 2 - Carbon Footprint und Air Pollution Score von 2009 in den USA verfügbaren Hybridmodellen
[14]
Marke
Toyota
Honda
Nissan
Ford
Mazda
Mercury
Toyota
Ford
Mazda
Mercury
Saturn
Toyota
Modell
Toyota Prius 4 cyl, 1.5 L, Automatic (variable gear ratios), HEV,
Regular
Honda Civic Hybrid 4 cyl, 1.3 L, Automatic (variable gear ratios),
HEV, Regular
Nissan Altima Hybrid 4 cyl, 2.5 L, Automatic (variable gear ratios),
HEV, Regular
Ford Escape Hybrid FWD 4 cyl, 2.5 L, Automatic (variable gear
ratios), Regular
Mazda Tribute Hybrid 2WD 4 cyl, 2.5 L, Automatic (variable gear
ratios), Regular
Mercury Mariner Hybrid FWD 4 cyl, 2.5 L, Automatic (variable gear
ratios), Regular
Toyota Camry Hybrid 4 cyl, 2.4 L, Automatic (variable gear ratios),
HEV, Regular
Ford Escape Hybrid 4WD 4 cyl, 2.5 L, Automatic (variable gear
ratios), Regular
Mazda Tribute Hybrid 4WD 4 cyl, 2.5 L, Automatic (variable gear
ratios), Regular
Mercury Mariner Hybrid 4WD 4 cyl, 2.5 L, Automatic (variable gear
ratios), Regular
Saturn Vue Hybrid 6 cyl, 3.6 L, Automatic (variable gear ratios),
Regular
Toyota Highlander Hybrid 4WD 6 cyl, 3.3 L, Automatic (variable
gear ratios), HEV, Regular
Carbon Footprint
2
[t CO2/a]
Air Pollution
3
Score
4,0
8 (von 10)
4,4
9 (von 10)
5,4
NA
5,7
8 (von 10)
5,7
8 (von 10)
5,7
8 (von 10)
5,4
8 (von 10)
6,6
8 (von 10)
6,6
8 (von 10)
6,6
8 (von 10)
6,6
NA
7,1
8 (von 10)
Chevrolet
Chevrolet Malibu Hybrid 4 cyl, 2.4 L, Automatic 4-spd, Regular
6,3
6 (von 10)
Saturn
Saturn Aura Hybrid 4 cyl, 2.4 L, Automatic 4-spd, Regular
6,3
6 (von 10)
Saturn
Saturn Vue Hybrid 4 cyl, 2.4 L, Automatic 4-spd, Regular
6,6
6-7 (von 10)
Lexus
Lexus GS 450h 6 cyl, 3.5 L, Automatic (S6), HEV, Premium
8,0
NA
8,7
6 (von 10)
8,7
6 (von 10)
8,7
6 (von 10)
8,7
6 (von 10)
Chevrolet
GMC
Chevrolet
GMC
Chevrolet Silverado 15 Hybrid 2WD 8 cyl, 6 L, Automatic (variable
gear ratios), Regular
GMC Sierra 15 Hybrid 2WD 8 cyl, 6 L, Automatic (variable gear
ratios), Regular
Chevrolet Tahoe Hybrid 2WD 8 cyl, 6 L, Automatic (variable gear
ratios), Regular
GMC Yukon 1500 Hybrid 2WD 8 cyl, 6 L, Automatic (variable gear
ratios), Regular
Lexus
Lexus LS 600h L 8 cyl, 5 L, Automatic (S8), HEV, Premium
8,7
8 (von 10)
Dodge
Dodge Durango HEV 8 cyl, 5.7 L, Automatic 4-spd, HEV, Regular
8,7
NA
Chrysler
Chrysler Aspen HEV 8 cyl, 5.7 L, Automatic 4-spd, HEV, Regular
8,7
NA
9,2
6 (von 10)
9,2
6 (von 10)
9,2
6 (von 10)
9,2
6 (von 10)
9,2
6 (von 10)
Cadillac
Chevrolet
GMC
Chevrolet
GMC
2
Cadillac Escalade Hybrid 2WD 8 cyl, 6 L, Automatic (variable gear
ratios), Regular
Chevrolet Silverado 15 Hybrid 4WD 8 cyl, 6 L, Automatic (variable
gear ratios), Regular
GMC Sierra 15 Hybrid 4WD 8 cyl, 6 L, Automatic (variable gear
ratios), Regular
Chevrolet Tahoe Hybrid 4WD 8 cyl, 6 L, Automatic (variable gear
ratios), Regular
GMC Yukon 1500 Hybrid 4WD 8 cyl, 6 L, Automatic (variable gear
ratios), Regular
Im „Carbon Footprint“ wird die Auswirkung eines Fahrzeugmodells auf die Treibhausgasbilanz ermittelt. Der Carbon Footprint
gibt an, wie viele Tonnen an Kohlendioxid (CO2) pro Jahr für die Produktion des Autos, die Benutzung des Autos und die
Herstellung und den Transport des Treibstoffes für dieses Auto freigesetzt werden. Je höher die Zahl, desto mehr Einfluss hat
das betreffende Auto direkt und indirekt auf das Klima.
3
Im „Air Pollution Score“ werden die Luftschadstoffe erfasst, die für Gesundheitsschäden und die Bildung von Smog
verantwortlich gemacht werden. Die Skalierung reicht hierbei von 0 (am schlechtesten) bis 10 (am besten). In diesem
Parameter sind Treibhausgasemissionen nicht erfasst.
13
Diese Tabelle veranschaulicht die Bandbreite der verschiedenen Modelle hinsichtlich ihrer
direkten und indirekten Treibhausgasemissionen (im Carbon Footprint) sowie der
Luftschadstoffemissionen (Air Pollution Score). Besonders schwere Modelle und Autos, die
mit einem Allradantrieb ausgestattet sind, weisen hier die zwei- bis dreifachen
Umweltauswirkungen im Vergleich zu Hybridmodelle der Mittelklasse mit Zweiradantrieb aus.
Im letzten einschlägigen Bulletin des deutschen Wuppertal Instituts wurde erhoben, dass in
Deutschland im ersten Halbjahr 2008 genau 3.436 Hybridfahrzeuge neu angemeldet wurden.
Das entspricht einem Anteil von 0,21 % am Gesamtmarkt (siehe Tabelle unten). Das
Wuppertal Institut hat auch Emissionsvergleiche der Modelle angestellt. Zwar weisen
Toyota Prius und Honda Civic Hybrid unter den Benzin-Modellen die niedrigsten CO2Emissionen auf, es gibt aber auch eine Reihe von Diesel-Modellen – inzwischen auch mit
Partikelfiltern – mit gleich niedrigen oder noch niedrigeren CO2-Emissionswerten, wie aus
nachfolgender Tabelle ersichtlich.
Tabelle 3 - Die jeweils 10 emissionsärmsten PKW-Modelle nach Antriebsart im 3.Quartal 2008 [15]
Rang
Modell
Hubraum cm³
Leistung kW
Verbrauch je 100 km
1497
57
4,3 S
104
2 Daihatsu Cuore 1,0l
998
51
4,4 N
104
3 Citroen C1 1,0/C1 Sensotrive
998
50
4,6 S
108
4 Peugeot 107 Lim, 70/70 2-Tronic
998
50
4,6 S
108
5 Toyota Aygo 1,0 VVT-i, 3,/5-Türer
998
50
4,6 S
108
1339
70
4,6 S
109
Benzin
CO2 g/km
Liter
1 Toyota Prius (Hybrid)
6 Honda Civic (Hybrid)
7 smart coupé 37 kW softtip
698
37
4,7 S
113
8 Daihatsu Trevis 1,0l
989
43
4,8 N
113
9 smart roadster 45 kW softtip
698
45
4,9 S
116
1242
51
5,0 S
118
1 smartfortwo coupè 30 kW
799
30
3,6 D
95
2 smartfortwo cabrio 30 kW
799
30
3,6 D
95
3 Seat Ibiza 1,7 TDI DPF Ecomotive
1422
59
3,8 D
99
4 VW Polo 1,4 TDI DPF (Blue Motion)
1422
59
3,8 D
99
5 Mini Cooper D
1580
80
3,9 D
104
10 Fiat 500 1.2 8V Dualogic
Diesel
Liter
6 Citroen C1 Hdi 55
1398
40
4,1 D
109
7 Skoda Fabia II 1,4 TDI DPF Greenline
1422
59
4,1 D
109
8 Mini One Cabrio
1560
80
4,1 D
109
9 Fiat 500 1.3 Multijet 16V DPF
1248
55
4,2 D
111
10 Citroen C2 HDi70 SensoDrive
1560
50
4,2 D
111
1 Fiat Panda 1.2 8V (im Erdgasbetrieb)
1242
38
6,4 E
114
2 Citroen C3 1,4 Bivalent (Erdgasbetrieb)
1360
49
6,6 E
119
3 Opel Combo 1.6 CNG
1598
69
7,5 E
133
4 Opel Zafira 1.6 CNG
1598
69
7,7 E
138
5 Lada 110/112 Bivalent 63 kW)
1596
63
8,7 F
147
6 Lada 110/112 Bivalent 57 kW)
1596
57
8,8 F
150
7 Lada 111 Bivalent (63 kW)
1596
83
9,0 F
150
8 Lada 111 Bivalent (57 kW)
1596
57
9,0 F
150
9 VW Caddy (Kasten/Kombi/Life)
1984
80
8,8 F
157
10 Lada 1117/1118/1119 Bivalent
1596
57
9,2 F
158
Gas
m³ bzw. kg
14
Eine Kombination niedriger Emissionswerte des Basistriebwerks mit (elektrischer) HybridUnterstützung kann zwar einige weitere Prozente an CO2-Reduktionen bieten, es muss
jedoch offen bleiben, wann trotz der damit verbundenen Mehrkosten eine nennenswerte
Marktbeteiligung solcher Fahrzeuge erwartet werden kann.
Im Projekt „ELEKTRA“ der Technischen Universität Wien, Institut für Elektrische Anlagen
und Energiewirtschaft (veröffentlicht im September 2009) wurde unter anderem eine
Lebenszyklus-Betrachtung
der
verschiedenen
Hybridsysteme
durchgeführt.
Der
Lebenszyklus umfasst dabei 5 Teilschritte („from cradle to grave“ bzw. „well to wheel“) [16].
Eines der Ergebnisse aus dieser Studie war, dass der THG-Emissionswert für die
Mittelklasse nur mit dem Antriebsystem „Serieller Hybrid“ niedriger ist als für Kleinwagen mit
VKM. Die THG-Emissionswerte für die Oberklasse sind immer höher als diejenigen für
Mittelklassewagen. Die Hybridisierung des Antriebsystems reduziert die THGEmissionen bei Benzin stärker als bei Diesel: Das Optimierungspotenzial für Benzin- wird
grundsätzlich
höher
als
für
Dieselantriebe
eingeschätzt.
Im
Vergleich
der
Fahrzeugkategorien können die geringsten Reduktionen in der Oberklasse, die höchsten bei
den Kleinwagen realisiert werden.
Obwohl
Hybridautos
weniger
(fossilen)
Treibstoff
als
konventionelle
Kfz-Modelle
verbrauchen, muss dennoch die potentielle negative Auswirkung der Batterie im
Hybridauto betrachtet werden. Heute sind die meisten Batterien in Hybridmodellen entweder
Nickel-Metall-Hybridbatterien (Ni-MH) oder Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen). Beide werden
als umweltfreundlicher als Bleibatterien, die heute noch als die Standard-Kfz-Batterie
Verwendung finden, angesehen. Die Autoindustrie verwendet aktuell rund 1 Million Tonnen
Blei für (reguläre) Kfz-Batterien. Zwar gibt es für diese Stromspeicher in vielen Ländern der
Erde geregelte Rücknahme und Recycling-Systeme, jedoch nicht überall. Blei gilt als extrem
gesundheitsschädlicher Stoff, der das Gehirn und die Nieren beeinträchtigen sowie zu
Lernschwierigkeiten
bei
Kindern
und
Hörschäden
führen
kann.
Als
weniger
gesundheitsschädlich wird Nickel (Ni) gesehen, das jedoch carcinogen sein kann. Außerdem
sind die umweltschädlichen Praktiken des Nickelabbaus anzuführen. Favorisiert in Hinblick
auf die umwelt- und gesundheitsrelevanten Auswirkungen wird daher Lithium (Li). Es hängt
jedoch auch davon ab, mit welchen anderen Materialien das Lithium kombiniert wird [17].
Forscher des deutschen Fraunhofer-Instituts [18] haben einen Seriensportwagen des Typs
Audi TT zum Hybridfahrzeug umgebaut. Damit soll gezeigt werden, wie leistungsfähig die
Hybridtechnologie ist und dass sie in bestehende Fahrzeugkonzepte integriert werden kann.
Eine Herausforderung in diesem Zusammenhang war der geringe freie Raum für die
zusätzliche Elektronik; ein besonderer Anreiz, bei diesem Modell zu zeigen, inwieweit die
Integration bei begrenztem Platzangebot funktionieren kann. Ziel dieses Projekts war die
Demonstration einer erfolgreichen Hybridisierung dank kompakter Elektronik bei einem
15
Sportwagen wie dem Audi TT. Bei größeren Pkw wäre die Unterbringung dieser innovativen
Antriebskomponenten ebenso problemlos möglich.
Eine besondere Anforderung wird jedoch an die Verfügbarkeit leistungsfähiger Batterien
gestellt. Im Bereich der Batterien wurde besonders mit dem Fraunhofer-Institut für
Siliziumtechnologie (ISIT) zusammengearbeitet. Das ZKLM-Projekt setzt auf Akkus auf
Lithium-Polymer-Basis. Diese Technologie steht an sich im Ruf, bereits nach relativ
wenigen Ladezyklen deutlich an Kapazität zu verlieren. Diesem Problem ist das ISIT
beigekommen. Es wurde eine Technologie entwickelt, die einen leichten Nachteil in der
nominellen Energiedichte hat, aber eine deutlich höhere Zyklenfestigkeit bietet. In der Praxis
kann ebensoviel nutzbare Energie gespeichert werden wie mit derzeit gängigen AkkuTechnologien [19].
3
Parametrisierung der Simulationsmodelle
Das gegenständliche Arbeitspaket fokussierte die Parametrisierung neuer, Real-world
validierter Simulationsmodelle für Hybrid, Plug-in Hybrid und Brennstoffzellenfahrzeuge auf
Basis eines typischen Vergleichsfahrzeugs.
3.1
Konventionelles Referenzfahrzeug – Diesel
Für den methodischen Vergleich des realen Energieverbrauchs wurde ein statistisch
mittleres
Fahrzeug
der
Kompaktklasse
mit
Dieselverbrennungsmotor
und
Handschaltgetriebe als konventioneller Referenz-Pkw ausgewählt (Abbildung 7). Dieses
Fahrzeug wurde unter Berücksichtigung realer Fahrbedingungen sowie unter Einbeziehung
der insbesondere im Stadtverkehr wichtigen Nebenverbraucher vermessen.
Bezugnehmend auf das Referenzfahrzeug wurde so eine allgemeine Definition der
technischen Daten der Pkw mit elektrischem Antriebstrang ermöglicht. Unter anderem
zählen dazu Fahrzeuggewichte, Abmessungen sowie Widerstandsbeiwerte. Die in den Realworld Messungen erhobenen Energieverbrauchswerte des Versuchswagen dienten auch der
Validierung des Simulationsmodells des „statistisch mittleren“ Vergleichs-Pkw.
16
Abbildung 7 - Referenzfahrzeug, BMW 118d (Fotos: L. Cachón)
Die nachfolgende Tabelle zeigt die technischen Daten des Referenzfahrzeugs mit Diesel
Verbrennungsmotor für die Simulationen auf.
Tabelle 4 - Technische Daten des konventionellen Referenzfahrzeugs
Konventionelles Referenzfahrzeug - Diesel
Leergewicht
1400 kg
Luftwiderstandsbeiwert, cw
0,31
Stirnfläche, A
2,22 m2
Rollwiderstandsbeiwert, fr
0,012
Tankinhalt
50 Liter
Dieselmotor
max. Leistung
105 kW
Getriebe
Getriebevariante
3.2
6-Gang Handschaltgetriebe
Powersplit Hybrid - Benzin
Die in der gegenständlichen Studie verwendete Hybridarchitektur stellt eine Kombination aus
Parallel- und Seriell-Hybrid dar, einen sogenannten Powersplit- Hybrid. Es werden sowohl
ein mechanischer Antriebspfad (mechanische Verbindung zwischen VKM und Rädern), als
auch ein elektrischer eingesetzt. Im Zentrum des Antriebsstrangs teilt ein Planetengetriebe,
das sogenannte Powersplit-Device, die Leistung des Verbrennungsmotors auf die beiden
Pfade auf– woraus die Bezeichnung Powersplit resultiert. Über den mechanischen Pfad
werden direkt die Räder angetrieben, der andere Leistungsanteil wird im Generator in
17
elektrische Leistung umgewandelt und über den Inverter entweder in der Batterie
gespeichert oder dem Elektromotor zugeführt.
Im Normalbetrieb sind beim Powersplit-Hybrid beide Pfade, sowohl der elektrische, als auch
der mechanische aktiv, auch wenn keine Leistung über die Batterie läuft. Das Fahrzeug kann
allerdings genauso rein elektrisch ohne VKM betrieben werden. Der Gesamtwirkungsgrad
resultiert somit aus der jeweiligen Leistungsaufteilung: der mechanische Pfad ist, ähnlich wie
ein konventioneller Antriebsstrang, sehr effizient, im elektrischen Pfad wird dagegen die
Leistung mindestens dreimal ungewandelt. Selbstverständlich kann auch hier Bremsenergie
rekuperiert werden, indem der E-Motor als Generator fungiert.
Mechanischer Pfad
Rad
Elektrischer Pfad
Kraftstoff
Inverter
DC/DC
Converter
E-Motor
Batterie
Generator
VKM
Power Split
Device
Tanksystem
Rad
FG Prof. Pucher
Abbildung 8 - Schematischer Aufbau eines Powersplit-Hybridfahrzeugs
Da der Verbrennungsmotor beim Powersplit-Hybrid nur verwendet wird, wenn es tatsächlich
notwendig ist, ist ein effizienter Betrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten (wie im
Stadtverkehr) gewährleistet. Bei sehr hohen Leistungsanforderungen hingegen erfolgt ein
beträchtlicher Anteil der VKM-Leistung über den elektrischen Pfad. Dies zieht Verluste nach
sich, und die Effizienz hinter die eines konventionellen Fahrzeuges zurückfällt. Die folgende
Tabelle zeigt die technischen Daten des verwendeten hybridelektrischen Fahrzeugs im
Überblick.
18
Tabelle 5 - Technische Daten des Powersplit Hybridfahrzeugs
Powersplit Hybrid - Benzin
Leergewicht
1500 kg
max. Systemleistung
100 kW
Luftwiderstandsbeiwert, cw
0,31
Stirnfläche, A
2,22 m2
Rollwiderstandsbeiwert, fr
0,012
Tankinhalt
45 Liter
Benzin Verbrennungsmotor
max. Leistung
75 kW
Elektromotor/Generator
Typ
max. Leistung
permanent erregter DrehstromSynchronmotor
60 kW
Batterie
3.3
Typ
Nickel-Metallhydrid
Kapazität
6.5 Ah bzw. 1.3 kWh
Gewicht
50 kg
Plug-in Powersplit Hybrid - Benzin
Weiteren Typen stellen die Plug-in Powersplit und Plug-in mit Range-extender (PHEV-RE)
Hybrid-Fahrzeuge dar. Mit der Vergrößerung der Batterie und einer Netzanbindung geht die
Möglichkeit einher, über das externe Stromnetz (z.B. nachts in der Garage) zu laden und
größere Strecken rein elektrisch zurückzulegen. Solche Fahrzeuge werden unter dem Begriff
"Plug-In-Hybrid" zusammengefasst.
Bei einem solchen Antriebskonzept kann ein Teil der jährlichen Fahrleistung rein elektrisch
mit "Strom aus der Steckdose" erbracht werden. Für die Anzahl der Fahrten, die über die
Reichweite der Batteriekapazität hinausgehen, ist ein Verbrennungskraftmotor in geringfügig
kleinerer oder gleicher Ausführung wie beim hybridelektrischen Antrieb vorhanden. Ein aus
ökologischer Sicht kleinstmöglich ausgeführter Verbrennungskraftmotor wird nur mehr dazu
benutzt, die durch die Batteriekapazität nicht abgedeckten Reichweiten zu überbrücken.
Dementsprechend hohe Batteriekapazitäten sind notwendig, um den Einsatz des Rangeextenders gering zu halten.
19
Normalladung
Stecker
Mechanischer Pfad
Elektrischer Pfad
Kraftstoff
Inverter
Generator
On-board
charger
Rad
DC/DC
Converter
E-Motor
Batterie
VKM
Power Split
Device
Tanksystem
Rad
FG Prof. Pucher
Abbildung 9 - Schematischer Aufbau eines Plug-in Powersplit-Hybridfahrzeugs
Tabelle 6 enthält die zugehörigen Fahrzeug- und Antriebsdaten.
Tabelle 6 - Technische Daten des Plug-in Powersplit Hybridfahrzeugs
Plug-in Powersplit Hybrid - Benzin
Leergewicht
1800 kg
Luftwiderstandsbeiwert, cw
0,32
Stirnfläche, A
2,38 m2
Rollwiderstandsbeiwert, fr
0,012
Tankinhalt
45 Liter
Benzin Verbrennungsmotor
max. Leistung
75 kW
Elektromotor/Generator
Typ
max. Leistung
permanent erregter DrehstromSynchronmotor
75 kW
Batterie
Typ
Lithium-Ionen
Kapazität
50 Ah bzw. 16 kWh
Gewicht
200 kg
20
3.4
Electric Vehicle with Range-extender - Diesel
Normalladung
Stecker
Mechanischer Pfad
Elektrischer Pfad
Kraftstoff
Inverter
On-board
charger
Rad
DC/DC
Converter
E-Motor
Batterie
VKM
Generator
Tanksystem
Rad
FG Prof. Pucher
Abbildung 10 - Schematischer Aufbau eines Elektrofahrzeuges mit Range-extender
Tabelle 7- Technische Daten des Elektrofahrzeuges mit range-extender
Electric Vehicle with Range-extender - Diesel
Leergewicht
1850 kg
Luftwiderstandsbeiwert, cw
0,32
Stirnfläche, A
2,38 m2
Rollwiderstandsbeiwert, fr
0,012
Tankinhalt
45 Liter
Dieselmotor
max. Leistung
105 kW
Elektromotor/Generator
Typ
max. Leistung
permanent erregter DrehstromSynchronmotor
75 kW
Batterie
Typ
Lithium-Ionen
Kapazität
50 Ah bzw. 16 kWh
Gewicht
200 kg
21
3.5
Die
Brennstoffzellenelektrisches Fahrzeug - Wasserstoff
Brennstoffzelle
stellt
einen
effizienten
Energiewandler
dar.
Während
der
Verbrennungsmotor, auf einem thermodynamischen Prinzip basierend, Wärme in Bewegung
umsetzt, erfolgt in der Brennstoffzelle eine direkte Umsetzung der im Wasserstoff
gebundenen chemischen Energie in elektrische. Durch die kontrollierte Reaktion von
Wasserstoff und Sauerstoff werden bei einer Temperatur von circa 80°C Strom, Wärme und
Wasser erzeugt. Eine einzelne Brennstoffzelle ist insgesamt rund zwei Millimeter dick. Da sie
die vergleichsweise geringe Spannung von weniger als ein Volt erzeugt, schaltet man
mehrere hundert Zellen zu einem so genannten Stack (Stapel) hintereinander. Durch die
somit erreichte Systemspannung von über 200 Volt kann ein Fahrzeug angetrieben werden.
Elektrischer Pfad
Rad
Kraftstoff
BrennstoffzellenStack
Inverter
DC/DC
Converter
E-Motor/
Generator
Batterie
Tanksystem
Rad
FG Prof. Pucher
Abbildung 11 – Schematischer Aufbau eines brennstoffzellenelektrischen Fahrzeugs
In
der
konventionellen
Bauweise
besteht
das
Brennstoffzellensystem
aus
einem
Brennstoffzellenstack, einer Hochleistungsbatterie, einem Wasserstofftanksystem und einem
Elektromotor als Antriebsmotor. Es existiert lediglich ein elektrischer Antriebspfad als
Verbindung zwischen E-Motor und Rädern. Der Brennstoffzellenstack als Energiewandler
bildet das Kernstück des Antriebsstrangs. Er erzeugt den elektrischen Strom, der dann den
Elektromotor speist. Eine leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterie mit Hochvolttechnik stellt
den Stromspeicher dar. Sie verfügt über einen Energieinhalt von 1,4 kWh und wird über den
Kreislauf der Klimaanlage gekühlt. Der für den Betrieb der Brennstoffzelle notwendige
22
Wasserstoff wird mit 700 bar Druck in dem Fahrzeugtanksystem gespeichert. Dieses wird an
Wasserstoff-Tankstellen befüllt, ähnlich dem heutigen Tanken mit Benzin und Diesel. Der
Elektromotor, eine permanent erregte Synchronmaschine, entwickelt eine Spitzenleistung
von 75 kW und ein maximales Drehmoment von 210 Nm, das bereits von der ersten
Umdrehung an zur Verfügung steht. Die nachfolgende Tabelle zeigt die technischen Daten
des verwendeten brennstoffzellenelektrischen Fahrzeugs im Überblick.
Tabelle 8 - Technische Daten des brennstoffzellenelektrischen Fahrzeugs
Allgemeines Brennstoffzellenfahrzeug - Wasserstoff
Leergewicht
1500 kg
Luftwiderstandsbeiwert, cw
0,32
Stirnfläche, A
2,38 m2
Rollwiderstandsbeiwert, fr
0,012
Tankinhalt
4 kg H2, bei 700 bar Druck
Elektromotor/Generator
Typ
max. Leistung
permanent erregter DrehstromSynchronmotor
75 kW
Batterie
4
Typ
Lithium-Ionen
Kapazität
1,4 kWh
Gewicht
50 kg
Simulation der Antriebsvarianten in verschiedenen Fahrzyklen
4.1
Elektroantriebe für mobile Anwendungen
In der derzeit am besten etablierten Variante des Antriebsaggregates eines Autos wird die im
Treibstoff gespeicherte chemische Energie in zwei wesentlichen Stufen durch einen
Verbrennungsmotor in die schlussendlich gewünschte mechanische Energie umgewandelt:
Im ersten Schritt wird die chemische Energie durch Verbrennung im Motor zunächst in
Wärme umgesetzt (ein erheblicher Anteil dieser Wärme wird hierbei beim Benzinmotor an
das Kühlwasser abgegeben), welche im zweiten Schritt über die Kurbelwelle zu
mechanischer Rotationsenergie wird.
Aufgrund des recht geringen Energiewirkungsgrades speziell im Teillastbereich erscheint die
23
Verwendung von Elektroantrieben sowohl in der Konfiguration eines Hybrid- als auch eines
rein
elektrischen
Antriebes
als
interessante
Alternative
zu
herkömmlichen
Verbrennungsmotoren. Je nach Art des verwendeten Hybridkonzeptes (seriell, parallel oder
Mischtyp) stellt sich die Energieumwandlungskette, welche bei jeder Umwandlung keinesfalls
verlustfrei ist, leicht unterschiedlich dar. Generell wird bei Hybridantrieben die für den
Elektromotor
benötigte
elektrische
aus
mechanischer
Energie
gewonnen.
Diese
mechanische Energie, die entweder durch Bremsvorgänge oder aber auch durch den
Verbrennungsmotor selbst vorliegt, wird hierzu entweder generatorisch in elektrische oder
direkt in mechanische Energie eines Schwungradspeichers umgewandelt. Um den
elektrische Anteil zu speichern, wird sie bei Batterie- und Brennstoffzellensystemen in
chemische, im Falle von Doppelschicht-Kondensatoren (auch „Superkondensatoren“
genannt) direkt als elektrische Energie gespeichert. Der in praktischen Anwendungen
zumeist chemisch gespeicherte Teil wird anschließend wiederum, wenn benötigt, in
elektrische Energie umgewandelt und dem Elektromotor zugeführt, welcher diese
letztendlich großteils in mechanische Energie umwandelt.
Ausgehend von diesem kurz umrissenen Überblick der Energieumwandlung soll nun näher
auf
die
wesentlichsten
Verlustanteile
in
der
elektrischen
Energiewandlungskette
eingegangen werden. Der Elektroantrieb besteht dabei im Wesentlichen aus den drei
Hauptkomponenten:
•
Energiespeicher
•
Leistungselektronik
•
Elektromotor
4.1.1 Energiespeicher
Um die mechanisch zur Verfügung stehende Energie zu speichern, sind derzeit drei Ansätze
denkbar: Batteriesysteme, Brennstoffzellensysteme und Doppelschicht-Kondensatoren.
4.1.1.1
Batteriesysteme
In den wenigen derzeit am Markt erhältlichen Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden beim
aktuellen Stand der Technik vorwiegend Nickel-Metallhydrid (NiMH-) und ZEBRA (Na/NiCl2-)
Zellen verwendet. Aufgrund des hohen Wirkungsgrades und der hohen Energie- und
Leistungsdichte, welche letztendlich auch die Größe/das Gewicht der im Fahrzeug
einzubauenden Batterie bestimmt, wird die Forschung in Richtung Li-Ionen Batterien forciert.
Nachteil dieser Technologie stellt hauptsächlich der verhältnismäßig hohe Betrag an
Investitionskosten je kWh dar [20].
24
NiMH-Batterie
Bei diesem Zelltyp wird die betreffende Energie in Form von Wasserstoff gespeichert. Da als
positive Elektrode zumeist Nickelhydroxid Verwendung findet und dieses bei Überladung an
Volumen stark zunimmt, muss eine Überladung der Batterie unbedingt vermieden werden.
Als Temperaturbereich der NiMH-Zellen wird rund 40 bis +50°C angegeben, doch sowohl die
Entladeeigenschaften als auch die Selbstentladung sind stark temperaturbegründet.
Aufgrund der starken Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstandes der negativen
Elektrode verschlechtert sich der Entladewirkungsgrad bei Minusgraden deutlich. Mit
zunehmender Wärme hingegen steigt wiederum die Selbstentladung drastisch an,
unterschiedliche Literaturstellen sprechen von ca. 4-5 %/Tag bzw. 20-25 %/Monat. Nachteil
dieses Typs stellt auch die Alterung dar, welche bei NiMH-Batterien maßgeblich durch die
Entladetiefe der Batterie bestimmt wird. Je nach Entladetiefe können bei den derzeitig in
Verwendung befindlichen Batterien 2500 (bei 80%iger Entladetiefe) bis rund 160000 (bei
5%iger Entladetiefe) Ladezyklen durchgeführt werden. Der Gesamtwirkungsgrad dieses
Batterietyps liegt je nach Verwendungshäufigkeit zwischen rund 46 – 60% (je seltener die
Batterie genutzt wird, umso stärker wirkt sich die Selbstentladung negativ auf den
Wirkungsgrad aus) [20].
Na/NiCl2-ZEBRA
Benannt nach dem Entdeckungsprojekt „Zero Emission Battery Research Activity“ gehört
dieser Batterietyp zu den so genannten Hochtemperaturbatterien. Da sich der erlaubte
Temperaturbereich zwischen 280 – 350°C befindet, wird bei Anwendung in Hybridautos ein
externes Heizsystem benötigt, welches die Batterie auf Betriebstemperatur hält, um eine
Wiederaufheizzeit von circa 24 Stunden zu vermeiden. Im Vergleich zu anderen
Batteriesystemen kann die Selbstentladung vernachlässigt werden, letztendlich auch, da die
erforderliche Heizleistung die Selbstentladung bei weitem übersteigt.
Aufgrund des sehr hohen Ladewirkungsgrades von rund 90% ergibt sich – trotz hoher
Verluste infolge der benötigten Heizleistung – ein Gesamtwirkungsgrad bei täglicher Nutzung
von rund 79%. Geht man allerdings davon aus, dass das Fahrzeug lediglich einmal im Monat
benutzt wird (Annahmen: Heizsystem wird nach Gebrauch abgeschaltet und 2 Tage vor
erneutem
Gebrauch
wieder
aktiviert;
Gesamtheizdauer
rund
60h),
so
sinkt
der
Gesamtwirkungsgrad auf rund 63%. Da die Batterie künstlich auf Betriebstemperatur
gehalten wird, können die Wirkungsgrade von der Außentemperatur nahezu unabhängig
angesehen werden [20].
25
Li-Ionen
Lithium-Ionen-Zellen beruhen im Gegensatz zu anderen Batteriesystemen auf dem
chemischen Prinzip der Speicherung von Lithium- als Gasatome in einem Wirtsgitter.
Aufgrund der Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten der Materialien, sowohl der
Elektroden als auch des Gittermaterials, ergeben sich unterschiedlichste Eigenschaften der
Batterie. Je nach Anforderung sind die wichtigsten Eigenschaften: Reversibilität der
Speicherung des Lithiums, Stabilität, die elektrische und ionische Leitfähigkeit, die
Umweltverträglichkeit, die Sicherheit der Batterie sowie letztendlich der Preis. Je nach
Elektrolyt unterscheidet man in Lithium-Ionen-Zellen (stabiles Metallgehäuse, aufwendig in
der Produktion, allerdings aufgrund der hohen Energie- und Leistungsdichte die für
Elektromobilität forcierte Variante), Lithium-Polymer-Gel-Zellen (kostengünstiger) sowie
Lithium-Fest-Polymer-Zellen (geringeres Sicherheitsrisiko, Betriebstemperatur rund 60°C).
Der Temperaturbereich der Li-Ionen-Zellen liegt zwischen rund -40 bis +60°C, allerdings ist
die Effizienz innerhalb dieser Temperaturgrenzen variabel. Unterhalb von 0°C nimmt die
Kapazität stark ab, oberhalb von ca. +30°C sinkt die Lebensdauer der Zellen, zudem steigt
die Selbstentladung mit steigender Temperatur (rund 1–5 %/Monat). In Hinblick auf die
Alterung zufolge der Entladetiefe verhält sich die Li-Ionen-Zelle ähnlich zu den anderen
Batterie-Typen (rund 2000 Ladezyklen), allerdings besitzt sie zudem eine zeitlich begrenzte
Lebensdauer von rund 5 Jahren, die fast unabhängig von der Art der Benutzung ist.
Li-Ionen-Batterien besitzen in der Regel einen sehr guten Gesamtwirkungsgrad von rund 87
- 90% bei einer Umgebungstemperatur von ca. 20°C, dieser sinkt allerdings bei einer
Temperatur von -10°C auf knapp über 67% [20].
4.1.1.2
Brennstoffzellensysteme
Ähnlich der herkömmlichen Batterie wird bei Brennstoffzellensystemen die elektrisch
zugeführte Energie in chemischer Form als Wasserstoff gespeichert. Dieser kann
beispielsweise durch Elektrolyse von Wasser mittels elektrisch aufgebrachter Energie
erzeugt werden. Hierbei wird das Wasser in Wasser- und Sauerstoff zersetzt (typischer
Energieaufwand ~50kWh/kg H2) und anschließend zur Speicherung aufbereitet. Aufgrund
der geringen Dichte von Wasserstoff (auf das Volumen bezogen) muss dieser zudem
entweder komprimiert (der Druck steigt auf bis zu 700 bar; die dafür benötigte Energie liegt
bei rund 5kWh/kg H2) oder verflüssigt (der Wasserstoff wird hierbei auf rund -253°C
abgekühlt; die dafür benötigte Energie liegt bei rund 12.5 - 15kWh/kg H2) werden. Die im
System inkludierte Brennstoffzelle wandelt im Anschluss die chemische Energie bei Bedarf
in elektrische Energie um. Die im mobilen Einsatz forcierte PEM-Brennstoffzelle („Proton
26
Exchange Membrane“) benötigt dabei zusätzlich einen Kompressor, Druckregelventile, Kühlund Heizsystem sowie eine herkömmliche Batterie zum Hochfahren. Ihr Temperaturbereich
liegt zwischen -25 bis +45°C wodurch sie für den mobilen Einsatz gut geeignet ist.
Leistungen von 1W bis hin zu 100kW (rund 1–2 kW/kg) können mit diesem Typ der
Brennstoffzelle erzielt werden, wobei ein maximaler Wirkungsgrad von rund 65% (nur
Brennstoffzelle) möglich ist [20].
Je nachdem ob es sich um verflüssigten oder komprimierten Wasserstoff handelt, kommen
bei mobilen Anwendungen hauptsächlich Druckwasserstofftanks (CHG - „Compressed
Hydrogen Gas“) oder Flüssigwasserstofftanks (LHG – „Liquid Hydrogen Gas“) zum Einsatz.
Die favorisierte erste Variante der Wasserstoffspeicherung besitzt kaum Verluste während
der Speicherung, allerdings sind Druckregler vorzusehen, um den Wasserstoff auf den
geforderten Betriebsdruck herunterzuregeln. Die zweite Variante verliert täglich rund 1 – 5%
des gespeicherten Wasserstoffs, wodurch diese, unter Anderem auch aus Gewichts- und
Platzgründen, eher nur bei großen bzw. leistungsstarken Fahrzeugen, die täglich im Einsatz
sind,
Verwendung
findet.
Wasserstoffspeicherung,
Metallhydridspeicher,
besitzen ein
eine
weitere
verhältnismäßig hohes
Gewicht
Variante
zur
sowie
hohe
Materialkosten. Da zudem die Einbindung von Wasserstoff stark exotherm abläuft, wodurch
ein rascher Ladevorgang nicht möglich ist, ist diese Technologie für den mobilen Einsatz
zum derzeitigen Stand der Technik kaum verwendbar.
Der Gesamtwirkungsgrad von CHG-Systemen liegt im Bereich von 12 – 29% (unter
Hochstrombedingungen sinkt der Wirkungsgrad erheblich ab), der von LHG-Systemen liegt
zwischen 1.8 – 21.5% (hierbei verursachen die Speicherverluste vor allem bei sporadischer
Benutzung die beträchtliche Reduktion beim Wirkungsgrad) und der von
Metallhydridspeichersystemen (MHG) zwischen 18.5 – 27% (auch bei diesem System sinkt
der Wirkungsgrad unter Hochstrombedingungen)[20].
Die folgende Abbildung stellt die Wirkungsgrade der unterschiedlichen Speichersysteme dar.
Abbildung 12 - Wirkungsgrade unterschiedlicher Batterie- und Brennstoffzellensysteme [20]
27
4.1.1.3
Doppelschicht-Kondensatoren („Superkondensatoren“)
Durch die hohe Lebensdauer von Doppelschicht-Kondensatoren eignen sich diese als Ersatz
für Akkumulatoren unter Voraussetzung hoher Zuverlässigkeit und häufiger Lade- und
Entladezyklen. Ein großer Vorteil dieses Energiespeichers ist, dass er sehr rasch und zudem
sehr einfach geladen werden kann. Bei Anlegen einer konstanten Spannung ist im Normalfall
weder ein Überladen des Kondensators noch eine Ladestromüberschreitung möglich. Der
Nachteil dieses Typs ist jedoch die im Vergleich zu herkömmlichen Batteriesystemen geringe
Energiedichte (jedoch bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte), wodurch Kondensatoren in der
Regel nur in Kombination mit Akkumulatoren zur Verlängerung der Lebensdauer sowie zur
Gewichtsreduktion zum Einsatz kommen. Hierbei decken die Kondensatoren die
erforderliche Spitzenleistung ab, wohingegen die Batterie oder die Brennstoffzelle die
Energiekomponente
darstellt.
Superkondensatoren
finden
auch
Einsatz
in
sicherheitsrelevanten Einrichtungen von Elektro-/Hybridfahrzeugen wie zum Beispiel beim
Toyota Prius. Hierbei wird diese Technologie als Notschalt-Leistungsquelle bei den
elektrischen Bremsen verwendet.
Die Betriebstemperatur der derzeitigen Doppelschicht-Kondensatoren liegt zwischen -40 und
+65°C, wobei die Lebensdauer mit zunehmender Temperatur abnimmt. Der
Speicherwirkungsgrad kann mit über 90% angegeben werden [21].
4.1.2 Leistungselektronik
Leistungselektronische Systeme werden eingesetzt um die elektrische Energie von einem
Spannungsniveau und/oder auch einer Frequenz mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad
auf ein anderes Spannungsniveau beziehungsweise eine andere Frequenz umzuwandeln.
Diese Umwandlung erfolgt generell durch die Kombination von schnellen elektronischen
Schaltelementen
(im
betrachteten
Fall
Leistungshalbleiter
in
der
Bauart
als
Feldeffekttransistor (FET) oder als Isolated Gate Bipolar Transistor (IGBT)) in Kombination
mit
antiparallelen
Freilaufdioden
(FWD)
sowie
mit
Induktivitäten
Energiespeicher.
Abbildung 13 - Übersicht der Verlustterme von Halbleiterventilen [35]
28
als
Kurzzeit-
Die wichtigsten auftretenden Verlustterme, dargestellt in obiger Abbildung, die summiert zur
Erwärmung des Bauteils beitragen, können in Leit- sowie Ein- und Ausschaltverluste im
Hauptleistungspfad untergliedert werden.[35] Die ständig anfallenden Ansteuerverluste der
Leistungshalbleiter
führen
vor
allem
im
Teillastbereich
zu
einem
Absinken
des
Wirkungsgrades. Im Vergleich zu den betriebsmäßig anfallenden Gesamtverlusten sind die
Ansteuerverluste sowie die Sperrverluste jedoch gering und werden daher in der Regel bei
einer Verlustbeschreibung vernachlässigt.
Da die exakten physikalischen Beschreibungen der die Verluste verursachenden Prozesse
oftmals sehr komplex sind, werden die Verlustmechanismen generell modelliert. Je nach
Abstrahierungsgrad können die einzelnen Teilverluste als Funktion mehrerer Parameter wie
Strombelastung, Schaltfrequenz, Temperatur, aber auch anderer physikalischer Größen
beschrieben werden[35].
Die
Leitverluste
PLeit
können
anhand
der
im
Halbleiterdatenblatt
angegebenen
Ausgangskennlinie für den IGBT, bzw. für die Durchlasskennlinie der antiparallelen
Freilaufdiode (FWD) wie folgt definiert werden:
T
PLeit , x
1 s
=
U Leit , x (t ) ⋅ I Last , x (t ) ⋅ dt
Ts ∫0
(1)
Die gängigste Modellierung der Durchlassspannung ULeit,x(t) des Halbleiterventils x (sowohl
für IGBT als auch für FWD) erfolgt mittels Funktionsapproximation. Diese besteht aus einem
konstanten Offsetspannungsabfall U0,x und einem vom Laststrom abhängigen Term, der
entweder als Polynom oder als Exponentialfunktion (wie im folgenden) angesetzt werden
kann [35]:
PLeit , x
Die
1
=
Ts
Ts
∫ (U
0. x
+ ALeit , x ⋅ I Last , x (t )
BLeit , x
0
konstanten
Größen
ALeit,x
)⋅ I
und
Last , x
(t ) ⋅ dt
BLeit,x
(2)
der
gesuchten
Funktion
sowie
der
Offsetspannungsabfall U0,x müssen durch Funktionsapproximationsverfahren an die
jeweiligen
Kennlinien
der
verwendeten
Halbleiter
bei
einer
konstanten
Sperrschichttemperatur ermittelt werden.
Vereinfachend kann die Einschaltverzögerung beziehungsweise die Anstiegszeit des
Stromes im Halbleiterventil vernachlässigt und der zeitliche Verlauf des Laststroms ILast,x(t)
während einer Abtastperiode als konstant (ILast,x) betrachtet werden (entsprechend feine
Abtastung vorausgesetzt). Damit wird der Laststrom ILast,x(t) durch den gemittelten Strom
während einer Abtastperiode ILast,x ersetzt [35]:
29
(
PLeit , x ≈ U 0. x + ALeit , x ⋅ I Last , x
BLeit , x
)⋅ I
(3)
Last , x
Die Berechnung der Schaltverluste durch den Verlauf der Kollektor-Emitter-Spannung (bei
Verwendung
von
IGBT)
sowie
des
Kollektorstroms
des
Halbleiterventils
bedingt
Vereinfachungen in der funktionalen Formulierung. Die entsprechenden Zusammenhänge
müssen für jeden IGBT-Typ gesondert untersucht werden. Es ist daher vorteilhaft, die bei der
Schalthandlung auftretende Schaltverlustenergie im Halbleiter direkt als Funktion des
Laststroms
zu
modellieren.
Auch
bei
diesem
Verlustmechanismus
liefert
eine
Funktionsapproximation an die im Datenblatt des Leistungshalbleiters angegebenen
Kennlinien den gesuchten Zusammenhang [35]. Wählt man zur Modellierung der
Schaltverluste einen Exponentialansatz, so erhält man:
n
⎡
⎤
B
PSchalt , x = f S ⋅ ⎢ A0, Schalt , x + ∑ Ak , Schalt , x ⋅ I Last , x k , Schalt , x ⎥ .
k =1
⎣
⎦
(4)
Wie aus den Funktionsapproximationsgleichungen (3) und (4) ersichtlich, bestimmen vor
allem die Strombelastung ILast,x und die Schaltfrequenz fS die Verlustterme der
Leistungshalbleiter, die letztendlich auch den Wirkungsgrad beeinflussen. Die folgende
Abbildung zeigt den simulierten Zusammenhang der Erwärmung in Abhängigkeit des
Laststroms und der Schaltfrequenz [35].
Abbildung 14 - Prinzipdarstellung des funktionalen Zusammenhangs der Erwärmung von Laststrom
Deutlich
erkennbar
ist,
wie
eine
konstante
Verlustleistung
bei
unterschiedlichen
Kombinationen von Schaltfrequenz und Laststrom erzielt werden kann. Bei einer gegebenen
konstanten (z.B. maximal zulässigen) Erwärmung ist demnach eine Erhöhung der
Schaltfrequenz nur bei gleichzeitiger Reduktion des Laststromes möglich.
30
4.1.2.1 Hoch-/ Tiefsetzsteller
Hoch- (auch Boost-Converter genannt) und Tiefsetzsteller (auch Buck-Converter genannt)
dienen
zur
Anpassung
des
Spannungsniveaus
der
Batteriespannung.
Da
die
Batteriespannung (in diesem Zusammenhang wird hierbei auch die Ausgangsspannung von
Brennstoffzellen verstanden) durch die Anzahl in Serie geschalteter Zellen definiert ist, stellt
der
Hoch-
und
Tiefsetzsteller
einen
Gleichspannungswandler
zwischen
Batterie
(Brennstoffzelle) und Umrichter dar. Der Hochsetzer dient im motorischen Betrieb (Energie
wird aus der Batterie entnommen) zur Spannungserhöhung, im generatorischen Betrieb
(Energiefluss in die Batterie) der Tiefsetzsteller zur Gleichspannungsabsenkung um optimale
Ladeeigenschaften der Batterie zu gewährleisten. Die schematische Anordnung des Buck/Boost-Converters zusammen mit dem Wechselrichter ist in Abbildung 15 auf Basis des im
2004er Toyota Prius [30] und des 2007er Toyota Camry Hybrid verwendeten Konzepts
dargestellt. Hierbei wird der Buck-/Boost-Converter mit zwei IGBTs mit je einer antiparallelen
Freilaufdiode ausgestattet, sodass ein Energiefluss in beide Richtungen (motorischer und
generatorischer Betrieb) möglich ist.
Abbildung 15 - Schematische Darstellung des Buck-/Boost-Converters zusammen mit dem
Wechselrichter wie im 2004er Toyota Prius verwendet [30]
Je höher die anzupassende Spannungsdifferenz wird, umso stärker wirken sich Verluste
negativ auf den Wirkungsgrad aus. Generell lässt sich davon ausgehen, dass der
Wirkungsgrad im Tiefsetzbetrieb etwas größer ist als im Hochsetzbetrieb, im Falle des
Toyota Prius kann ein Wirkungsgrad zwischen 96% und 99% erreicht werden.
4.1.3 Frequenzumrichter
Der Frequenzumrichter (oder Wechselrichter) dient zur Anpassung der von der Batterie
beziehungsweise dem Hoch-/Tiefsetzsteller zur Verfügung gestellten Gleichspannung an die
Spannung, die aktuell zur optimalen Energieumwandlung im Motor benötigt wird.
31
Aufgrund der Nachteile von Gleichstrommaschinen beispielsweise bei den Fertigungskosten,
der Baugröße oder der Überlastfähigkeit, finden in heutigen Hybrid- und Elektrofahrzeugen
hauptsächlich Drehstrommotoren Verwendung. Um einen drehzahlvariablen Betrieb dieser
Maschinen
zu
ermöglichen,
benötigt
man
ein
spannungs-
und
frequenzvariables
Drehstromsystem. Da die Ausgangsgröße sowohl der Batterie, beziehungsweise der
Brennstoffzelle, als auch des Hochsetzstellers hingegen eine Gleichspannungsquelle
darstellt und sich diese nicht als Eingangsgröße einer beliebigen Drehstrommaschine eignet,
muss
zwischen
Hoch-/Tiefsetzsteller
und
Drehfeldmaschine
ein
Frequenzumrichter
vorgesehen werden.
Der rechte Teil von Abbildung 15 (grau hinterlegt) zeigt hierzu die Standardschaltung für
Vierquadrantbetrieb, was unter Anderem bedeutet, dass eine Energieflussrichtung in beide
Richtungen
(motorisch
und
generatorisch)
möglich
ist.
Schnell
schaltende
Leistungshalbleiter, heutzutage zumeist auf IGBT-Technologie basierend, sorgen zusammen
mit jeweils antiparallelen Freilaufdioden dafür, dass Ausgangsströme und –Spannungen
beider Polaritäten entsprechend der regelungstechnischen Vorgaben eingestellt werden
können. Hierzu werden die Leistungshalbleiter, die als sechs elektrische Ventile fungieren,
durch eine entsprechende Elektronik angesteuert, sodass jedes einzelne entweder auf
Leiten oder auf Sperren gestellt werden kann. Verändert man über die Zeit die
Schalterstellungen, so lässt sich am Ausgang des Umrichters ein annähernd sinusförmiges
Drehstromsystem realisieren. Über die Ansteuerung der Leistungshalbleiter, die so genannte
Pulsweitenmodulation, lässt sich weiters ein spannungsbetrags- und frequenzvariables
Dreiphasensystem realisieren, wodurch eine exakte Regelung (Einstellbarkeit einer
gewünschten
Drehzahl
beziehungsweise
eines
gewünschten
Drehmoments)
der
angeschlossenen Drehstrommaschine ermöglicht wird. Der auch für die genaue Einstellung
des Stromes nötige Energiespeicher ist nicht im Wechselrichter untergebracht. Es wird die in
jedem Antriebsmotor vorhandene Statorinduktivität „verwendet“.
Die benötigten Leistungshalbleiter bestimmen allerdings maßgeblich die Verluste des
Umrichters. Mit steigendem Ausgangsstrombetrag beziehungsweise Schaltfrequenz (Anzahl
der Ein- und Ausschaltvorgänge eines Leistungshalbleiters pro Zeitintervall) steigen die
Verluste deutlich an, wodurch sich die Halbleiter erwärmen. Der Wirkungsgrad steigt
prinzipiell im Grunddrehzahlbereich mit steigender Drehzahl an und erreicht letztendlich
einen maximalen Wirkungsgrad von ca. 97% [30]-[32].
Der resultierende Zusammenhang zwischen Stromrippel und Schaltfrequenz ist maßgeblich
durch das verwendete Stromregelkonzept bestimmt, welches, je nach Anwendungsfall
unterschiedlichste Anforderungen erfüllen muss (z.B. gute Dynamik oder gute Ausnutzung
der Zwischenkreisspannung).
32
Wird als Stromregelkonzept ein klassischer PI-Stromregler in Verbindung mit einer
Pulsweitenmodulation (PWM) verwendet, welche mit Abstand die am weitesten verbreitete
und am besten untersuchte Variante darstellt, so steigt in der Regel der Stromrippel mit
zunehmendem Betrag der von der angeschlossenen Drehfeldmaschine induzierten
Spannung. Wird hingegen eines der beiden möglichen alternativen Konzepten (es gibt noch
eine
Vielzahl
von
Alternativen,
die
jedoch
hier
nicht
angeführt
sind),
die
Hysteresestromregelung oder der prädiktive Stromregler verwendet, so ist der resultierende
Stromrippel über den Betrag der induzierten Spannung weitestgehend konstant, allerdings
bei vergleichbaren Umrichterschaltfrequenzen größer als der unter Verwendung von PIRegler mit PWM.
Der Stromrippel einer einfachen PWM (nichtsynchronisierte Sinus-Dreieck-Modulation) sei
an dieser Stelle näher erörtert. Dieses Verfahren basiert auf drei voneinander unabhängig
arbeitenden Modulationen (eine in jede Phase) bei welchen die Schnittzeitpunkte der
Phasenspannungen mit den jeweiligen Dreieck-Trägersignalen die Umrichterschaltzeitpunkte
festlegen [35]. Definiert man als Modulationsindex m das Verhältnis des Spitzenwerts des
Betrags der induzierten Spannung zum Strangwert der Umrichterzwischenkreisspannung, so
folgt für den Stromrippel (Lσ..Streuinduktivität der Drehfeldmaschine, UZK..
Zwischenkreisspannung, TPWM.. Periodendauer der Pulsweitenmodulation):
ΔI RMS =
m
1 ⎡
32m 4m 2 ⎤
U ZK TPWM
⋅ ⎢1 −
+
⎥
6 Lσ
6 ⎣ π3 3
3 ⎦
(5)
Es ist zu erkennen, dass der Stromrippel mit steigendem Modulationsindex m ansteigt.
Zudem ist der besagte Rippel linear proportional der Periodendauer der verwendeten
Pulsweitenmodulation. Je hochfrequenter die Umrichterschalthandlungen (und daher umso
kürzer die Periodendauer der Modulation), desto geringer fällt der Stromrippel aus. Wie
allerdings bereits im vorigen Abschnitt angedeutet, kann die Schaltfrequenz aufgrund von
thermischen Überlegungen und dem Verlusten im Umrichter nicht beliebig erhöht werden. Es
ist daher ein Mittelmaß zwischen Umrichterschaltfrequenz und Stromrippel zu finden.
4.1.4 Elektromotor
Hersteller heutiger Hybridfahrzeuge forcieren die Verwendung von bereits etablierten
permanenterregten Synchronmaschinen (PSM) und Asynchronmaschinen (ASM) für den
elektrischen Teil des Antriebsstrangs. Allerdings geht die Forschung und Entwicklung
teilweise
auch
in
Gleichstrommaschinen
Richtung
hingegen
geschalteter
verlieren
33
Reluktanzmaschinen
(SRM)
weitestgehend
Bedeutung.
an
[22]-[29].
Die
unterschiedlichen Typen von verwendeten Elektromotoren weisen arbeitspunktabhängig
(hauptsächlich bestimmt durch das aktuell anliegende Moment und die Drehzahl)
unterschiedliche Verlustmechanismen auf, die sich letztendlich in den Verläufen der
Wirkungsgrade widerspiegeln. Die verschiedenen Typen von Elektromotoren unterscheiden
sich demnach maßgeblich in ihren Wirkungsgradkennfeldern, die, aufgetragen über Drehzahl
und Drehmoment, eine charakteristische Erscheinung aufweisen, wie aus der folgenden
Tabelle ersichtlich ist.
Abbildung 16 - Schematische Darstellung der
Wirkungsgradkennfelder vier
unterschiedlicher Elektromotoren für HEVApplikationen. Bereiche maximaler
Wirkungsgrade sind grau hinterlegt, die
Wirkungsgrade nehmen schematisch
entsprechend den angedeuteten
Höhenschichtlinien ab.
(a) PSM mit vergrabenen Magneten
(b) PSM mit Oberflächenmagneten
(c) Geschaltete Reluktanzmaschine
(d) Asynchronmaschine
Bei parallel arbeitenden Hybridkonzepten (Toyota Prius, Honda Insight) arbeiteten
Verbrennungsmotor und Elektromotor gemeinsam, sodass letzterer schwächer (geringere
Baugröße, Volumen der Permanentmagneten, etc.) und somit kostengünstig ausgelegt
werden kann.
4.1.4.1 Permanenterregte Synchronmaschine (PSM)
Die permanenterregte Synchronmaschine stellt heutzutage durchwegs die beliebteste
Variante bei parallel arbeitenden Hybridantrieben dar (Toyota Prius, Honda Insight).
Der Stator einer PSM ist im prinzipiellen Aufbau gleich dem einer Asynchronmaschine und
besitzt üblicherweise ein dreiphasiges Wicklungssystem. Um die Energiewandlung, die
Regelung sowie die auftretenden Verluste betrachten zu können, bietet sich die
mathematische Beschreibung mittels der Raumzeigerrechnung an. Dabei werden, unter
Voraussetzung eines symmetrischen Aufbaus der Maschine und der Betrachtung der (für die
Drehmomentbildung
dominanten)
Grundwelle,
alle
elektrischen
und
magnetischen
Zustandsgrößen mit Vektoren (Zeigern) beschrieben. Die Richtung der Zeiger repräsentiert
dabei die räumliche Richtung der Wirkung der entsprechenden Zustandsgröße in der
Maschine. Die Länge der Zeiger beschreibt den Betrag der Zustandsgröße. Für die PSM
ergibt sich damit die Spannungsgleichung des Statorkreises entsprechend (1) in einem
statorfesten Koordinatensystem.
34
v S = rS ⋅ i S + lS ⋅
diS d λ M
+
dτ
dτ
(1)
Dabei bezeichnet vS den Raumzeiger der Statorspannung und iS den des Statorstromes
(Zeiger sind mit einem Unterstrich gekennzeichnet). Die Flussverkettung λM wird von den am
Rotor befestigten Permanentmagneten hervorgerufen. Die Maschinenparameter rS und lS
repräsentieren den Widerstand beziehungsweise die bereits erwähnte Induktivität der
Statorwicklung.
Der Raumzeiger der Permanentmagneten ist ständig in der Maschine wirksam und fest mit
dem Rotor verbunden. Der durch die Magneten hervorgerufene Fluss sinkt mit steigender
Magnettemperatur. Der Motor ist üblicherweise in den Kühlkreislauf des Fahrzeuges
eingebunden. Der Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Magnete kann daher für die
betrachteten Fahrzeugsimulationen als untergeordnet angesehen werden.
Bei Drehung des Rotors kommt es zu einer induzierten Spannung in der Statorwicklung
entsprechend der zeitlichen Ableitung dλM /dτ. Wegen der annähernden zeitlichen Konstanz
von λM entspricht der Raumzeiger der Statorspannung daher auch
v S = j ⋅ ωR ⋅ λ M
(2)
mit ωR als der Winkelgeschwindigkeit des Rotors (der Magnete).
Ein Drehmoment mi entwickelt die Maschine, sobald es zu einem Stromfluss im Stator
entsprechend der rechwinkeligen räumlichen Zuordnung von Strom und Flussverkettung
entsprechend (3) kommt, wobei * den konjugiert komplexen Zeiger kennzeichnet. Der Zeiger
λS bezeichnet dabei die gesamte Statorflussverkettung.
(3)
*
mi = − Im(i S ⋅ λ S )
Wobei weiters gilt:
λ S = λ M + lS ⋅ i S
(4)
Betrachtet man ein Koordinatensystem, das fest mit dem Rotor (und den Magneten)
verbunden ist und dessen reelle Achse in Richtung von λM zeigt, und bezeichnet man die
Real- und Imaginäranteile der Zeiger in diesem Koordinatensystem mit d und q, so lässt sich
bei gegebenem Strombetrag maximales Drehmoment erzeugen, wenn iS = iS,q gilt. Der Strom
in q-Richtung des Koordinatensystems ist daher proportional dem von der Maschine
entwickelten Drehmoment.
35
Die Leistung p der Maschine ergibt sich damit entsprechend (5).
p = mi ⋅ ω R
(5)
Für den Betrieb der Maschine bedeutet dies, dass der Strom durch das Drehmoment
vorgegeben wird und die Spannung proportional der Drehzahl (Statorfrequenz) entsprechend
der abgegebenen Leistung ist.
Wird die Drehzahl erhöht, so kommt es zu einem Betriebspunkt, bei dem die Spannung der
Maschine der maximalen Spannung des Umrichters entspricht (durch die Batteriespannung
bzw. die Ausgangsspannung des Buck-/Boost Konverters festgelegt). Eine weitere Erhöhung
der Drehzahl ist nur möglich, wenn die Regelung eine aktive Schwächung der
Statorflussverkettung durch Einprägung einer negativen Stromkomponente in q-Richtung
über die Beziehung (6) bewirkt.
arg(lS ⋅ i S ) = arg(λ M ) ± π
(6)
Dabei ist zu beachten, dass diese Feldschwächung aktiv durch Einprägen eines Stromes
erfolgen muss, der genauso wie der Strom zur Drehmomenterzeugung durch die
Statorwicklung und den Umrichter fließen muss und entsprechend zu ohmschen
Stromwärmeverlusten führt.
Die beiden Hauptanteile der Verluste der Maschine sind ohmsche Stromwärmeverluste in
der Wicklung (und den Zuleitungen) entsprechend dem Widerstand der Maschine (1) (bzw.
der Zuleitungen), sowie Verluste, die im Blechpaket oder den Magneten auftreten und hier
unter dem Begriff Eisenverluste zusammengefasst sind.
Während die ohmschen Verluste direkt mit dem Quadrat des Statorstromes verknüpft sind,
sind die Eisenverluste von zwei Faktoren abhängig:
Zum einen bewirkt die Drehung des Rotors im Statorblechpaket der Maschine eine drehende
Magnetisierung sowie eine Veränderung der räumlichen Feldverteilung (räumliche
Oberwellen) durch die Nutung des Stators sowie die Anordnung der Magnete. Diese beiden
Effekte führen entsprechend der Hysterese und Wirbelströme der verwendeten Materialien
zu einer drehzahlproportionalen Zunahme dieser Verluste.
Ein zweiter Effekt bei den Eisenverlusten kommt aus der Ansteuerung des Motors durch die
gepulste Spannung des Wechselrichters. Entsprechend dem Zusammenhang v=lS*di/dt
kommt es zu Abweichungen des Statorstromes und damit der Flussverkettung vom
Stationärwert. Dies führt wiederum neben den Hystereseverlusten auch zu Wirbelströmen,
die neben dem Eisen speziell in den Magneten (hier zur Vereinfachung dem Eisen
36
zugerechnet) zu einer Erwärmung führen. Diese Verluste zeigen eine schwache
Abhängigkeit vom Strom in der Maschine und eine etwas deutlichere Abhängigkeit von der
Drehzahl. Hauptsächlich beeinflusst werden sie jedoch durch die Schaltfrequenz des
Wechselrichters und den dadurch resultierenden Stromrippel.
Bei Motoren im Leistungsbereich von einigen zehn Kilowatt ist ein Anteil der Kupferverluste
im Nennpunkt von einigen wenigen Prozent zu erwarten. Der Anteil der Eisenverluste hängt
stark von der Bauart der Maschine ab, liegt jedoch (betriebspunktabhängig) etwa in der
gleichen Größenordnung.
Einen Spezialfall der PSM stellt die Anordnung der Magnete innerhalb der Oberfläche des
Rotors dar (vergrabene Magnete). Dadurch kann auf die Induktivität der Statorwicklung
Einfluss
genommen
werden
und
zusätzlich
zum
Magnetfluss
auch
eine
Richtungsabhängigkeit der Statorinduktivität erzeugt werden. Diese Richtungsabhängigkeit
kann ebenfalls zur Drehmomentbildung herangezogen werden. Insgesamt ergibt sich
dadurch vor allem eine deutliche Erweiterung des möglichen Drehzahlbereiches.
Ausgezeichnete Wirkungsgrade vor allem im Bereich der Nennleistung, eine hohe
Leistungsdichte,
geringe
Geräuschentwicklung,
geringe
Wartung,
geringe
Momentenpulsationen und einfache Regelbarkeit (im Falle von Oberflächenmagneten)
sprechen maßgeblich für diesen Antriebsmotor [25][28].
Da bei hohen Drehzahlen das Feld der Maschine jedoch aktiv durch Aufbringen eines
Stromes geschwächt werden muss, steigen hier vor allem Kupfer- und Eisenverluste an und
der Wirkungsgrad sinkt etwas.
Nachteilig wirkt sich der Preis der Permanentmagneten aus, sowie die Problematik, dass im
Falle einer Störung (Kurzschluss im Umrichter oder in der Wicklung) die drehende Maschine
infolge des ständig vorhandenen Magnetflusses ein Bremsmoment erzeugt, das nur durch
die Konstruktion beeinflussbar ist.
Je nach Anordnung der Permanentmagnete im Rotor der Maschine unterscheidet man, wie
oben
erwähnt
zwischen
Oberflächenmagneten“,
die
„PSM
mit
vergrabenen
beide
bei
HEVs
Magneten“
Verwendung
und
finden.
„PSM
mit
Aufgrund
der
unterschiedlichen Konfiguration der Magnete wirken sich mit steigender Drehzahl auch die
Eisenverluste unterschiedlich stark aus, sodass sich die Wirkungsgradkennfelder dieser
beiden Typen voneinander unterscheiden (vgl.
Abbildung 16 (a) und (b)) [29].
37
4.1.4.2 Asynchronmaschine (ASM)
Asynchronmaschinen stellen in den meisten Anwendungen die beliebteste Variante bei
Elektroantrieben und bei seriell betriebenen Hybridantrieben dar. Speziell bei Anwendungen,
bei denen hohe Leistungen in einem weiten Drehzahlbereich verlangt werden, zeichnet sich
dieser Elektromotortyp im Gegensatz zu PSM und SRM Varianten aus.
Die Asynchronmaschine besitzt einen Stator mit einem üblicherweise dreiphasigen
Wicklungssystem. Sein Aufbau gleicht dem der PSM, dementsprechend ist auch die
Statorgleichung sehr ähnlich (unter Verwendung des einseitigen Ersatzschaltbildes –
gesamte Streuung beim Stator) (7).
v S = rS ⋅ i S + lσ ⋅
diS dλ R
+
dτ
dτ
(7)
Hauptunterschied zur PSM ist die Bezeichnung λR für die Rotorflussverkettung anstelle der
Magnetflussverkettung λM. Der Rotor der Asynchronmaschine weist einen Kurzschlusskäfig
auf, weshalb es auch eine elektrische Gleichung für den Rotorkreis im statorfesten
Koordinatensystem gibt (8).
0 = rR ⋅ i R +
dλR
− j ⋅ ωR ⋅ λ R
dτ
(8)
Wegen der Anordnung von Stator- und Rotorwicklung können die Flussverkettungen für
diese beiden Wicklungen, sowie die Streuflussverkettung entsprechend der zugehörigen
Induktivitäten definiert werden (9). (Index: R…Rotor, S…Stator, σ…Streuung).
λ S = lS ⋅ i S + lR ⋅ i R = lS ⋅ (i S + (1 − σ ) ⋅ i R )
lR = lS − lσ = lS − σ ⋅ lS
(9)
Der Parameter σ entspricht dem Streufaktor der Maschine. Die Rotorflussverkettung wird
daher durch den Summenstromraumzeiger von iS und iR erzeugt (10).
λ R = lS ⋅ (1 − σ ) ⋅ (i S + i R )
(10)
Wie aus einem Vergleich zur PSM ersichtlich ist, muss bei der Asynchronmaschine die
Rotorflussverkettung erst über einen Strom in der Statorwicklung hervorgerufen werden. Die
Drehmomentbildung entsprechend (3) bleibt unverändert.
Betrachtet man den Statorstrom in einem mit der Rotorflussverkettung synchronen
Koordinatensystem (x,y), wobei λR wiederum in der reellen Achse (x) liegt, so zeigt sich, dass
die reelle Komponente iS,x für den Aufbau der Rotorflussverkettung verantwortlich ist,
38
während die Komponente iS,y entsprechend (3) mit der Rotorflussverkettung das
Drehmoment der Maschine bewirkt.
Die
beiden
Hauptanteile
Stromwärmeverluste
sowie
der
Verluste
der
Eisenverluste.
Im
Maschine
sind
Gegensatz
wiederum
zur
PSM
ohmsche
muss
die
Rotorflussverkettung über die Statorwicklung aktiv eingebracht werden, wodurch sich vor
allem
im
Grunddrehzahlbereich
eine
Erhöhung
der
Stromwärmeverluste
am
Statorwiderstand gegenüber der PSM ergibt. Bei hohen Drehzahlen im Feldschwächbereich
ist dies jedoch ein Vorteil, da nur die x-Komponente des Stromes reduziert werden muss.
Durch den Schlupf des Rotors bei Belastung ergibt sich ein zusätzlicher Verlustanteil am
Rotorwiderstand. Die Eisenverluste sind tendenziell kleiner als bei der PSM (wegen der
unterschiedlichen Konstruktionsmöglichkeiten bei der PSM ist hier jedoch keine generelle
Aussage möglich).
Ein Vorteil dieses Maschinentyps ist, dass im Gegensatz zu PSM-Varianten keine Spannung
induziert wird, die bei Ausfall des Umrichters bei hohen Drehzahlen zu Drehmomentstößen
beziehungsweise
in
bestimmten
Konfigurationen
auch
zur
Zerstörung
von
Elektronikbauteilen führen kann.
Die Geräuschentwicklung ist vergleichbar mit der PSM (wenn auch etwas niediger) und
ebenso wie die Wartung gering. Des Weiteren ist die Technologie bestens erforscht. Hohe
Stückzahlen und das Wegfallen der Magnetkosten machen die ASM in der Fertigung
kostengünstig, was zusammen mit ihrer Robustheit zu Hauptargumenten für die Verwendung
einer ASM in Hybridantrieben zu zählen ist [25][28].
Betrachtet man das Wirkungsgradkennfeld (d), so fällt auf, dass der maximale Wirkungsgrad
im Feldschwächbereich liegt. Dies ist durch das Zusammenspiel aus Kupfer-, Eisen- und
Reibungsverlusten bestimmt. Ein generell niedriger Wirkungsgrad bei geringen Drehzahlen
wird durch Rotorverluste hervorgerufen, die dadurch herrühren, dass bei diesem Typ Motor
das Feld in der Maschine aktiv durch Einbringen eines Stroms in den Statorwicklungen
erzeugt werden muss.
4.1.4.3 Geschaltete Reluktanzmaschine (SRM)
Die Forschungs- und Entwicklungsergebnisse heutiger SRM scheinen vielversprechend zu
sein. Zu ihren Charakteristika gehören:
•
Das Maximum der Effizienz liegt bei hohen Drehzahlen.
•
Sie besitzen eine hohe Fehlertoleranz und sind extrem robust.
39
•
Sie sind sehr einfach herstellbar und daher billig in der Massenproduktion und
besitzen eine hohe Leistungsdichte.
Nachteile dieses Maschinentyps sind hingegen vor allem die störende Geräuschentwicklung,
starke Momentenpulsationen und spezielle Anforderungen an den Umrichter [27], weswegen
sie derzeit im betrachteten Einsatzbereich eher als Außenseiter zu sehen sind.
Ergänzend
sei
auf
Abbildung
17
verwiesen,
welche
einen
Vergleich
der
Wirkungsgradkennfelder des 2005er Honda Accords (links) und des 2004er Toyota Prius
(rechts) darstellt. Hierbei wurden jeweils die Gesamtwirkungsgrade des Umrichters
zusammen mit dem Elektromotor untersucht. Abgesehen vom deutlich höheren maximalen
Moment des Prius weisen beide Vertreter (es handelt sich jeweils um eine PSM) ähnliche
Charakteristika in Hinblick auf die Wirkungsgradverteilung auf. Der maximale Wirkungsgrad
liegt bei beiden Antrieben (jeweils Umrichter und Motor) bei circa 92%.
Abbildung 17 - Vergleich des Wirkungsgradkennfeldes (Umrichter+Elektromotor) des 2005er Honda
Accords (links) und des 2004er Toyota Prius (rechts) [30][31]
4.2
Real-world Vergleichsdaten
Die Berechnung des streckenbezogenen Energieverbrauchs eines statistisch mittlerer Pkw
mit verschiedenen elektrischen Antrieben wurde mittels eigener Simulationsprogramme
durchgeführt. Mit Hilfe der Modelle kann der Kraftstoffverbrauch bei dem Brennstoffzellenbeziehungsweise Hybridfahrzeug sowie der Stromverbrauch der Plug-in Hybridfahrzeuge im
Batteriemodus in einem beliebigen Fahrzyklus hoch zeitaufgelöst simuliert werden.
40
Abbildung 18 - On-Board Abgasmesssystem im Hybridfahrzeug (Foto: FG Prof. Pucher)
Hierzu wurden komplette Antriebsstrangdaten sowie Real-World Abgasmessungen der
Vergleichsfahrzeuge
aus
vorangegangenen
Forschungsarbeiten
herangezogen
und
weitergehend analysiert. Danach erfolgte die Erstellung eines mechanischen und
elektrischen Ersatzmodells der Fahrzeuge. Mit Hilfe des Modells und des aufgezeichneten
Fahrprofils konnten dann für jeden Fahrzyklus der Leistungsbedarf des Fahrzeuges und der
Energieverbrauch ermittelt und die analytischen Funktionen parametriert werden. Diese
analytischen
Funktionen
sowie
die
technischen
Daten
der
Fahrzeuge
und
die
Umgebungsdaten ermöglichen die Simulationen durchzuführen. Durch Vergleichsdaten
früherer Real-world Untersuchungen für die meisten in Frage kommenden elektrischen
Antriebstechnologien wiesen die Berechnungsergebnisse eine hohe Genauigkeit auf.
4.3
Referenzstrecken
Im Rahmen der langjährigen wissenschaftlichen Arbeit der Forschungsgruppe Professor
Puchers auf dem Sektor alternativer Antriebe liegen eine Vielzahl von Real-world Messdaten
unterschiedlicher Fahrzeuge mit elektrischem Antriebsstrang vor. Um Reproduzierbarkeit
und
eine
Vergleichsbasis
zu
gewährleisten,
wurden
für
die
gegenständlichen
Untersuchungen mehrere Standardstrecken im Raum Wien definiert, die die tatsächlich
auftretenden Verkehrssituationen widerspiegeln. Dazu zählen unter anderem wichtige
Hauptverkehrsrouten wie „Ringstraße“ oder „Innenstadt“ im Herz der Wiener Altstadt, sowie
Testfahrten auf der Autobahn mit 100 und 130 km/h konstanter Geschwindigkeit. Durch
Real-world Messungen kann das tatsächliche Verhalten des Fahrzeuges im Straßenverkehr
aufgezeigt werden, wodurch eine ganz andere Qualität als bei Prüfstandsmessungen unter
Laborbedingungen erzielt wird. Insbesondere die Auswirkung der Nebenverbraucher wie
Klimatisierung oder Heizung auf den Energieverbrauch kann in Real-world Messungen
nachgewiesen werden.
41
Geschwindigkeit
[km/h]
60
45
30
15
0
Abbildung 19 - Referenzstrecke Ringstraße (Innere Stadt)
Geschwindigkeit
[km/h]
130
100
70
35
0
Abbildung 20 – Referenzstrecke Autobahn
In den Simulationen wurden insgesamt sechs unterschiedliche Fahrzyklen verwendet, die die
meisten Verkehrsituationen innerorts, außerorts sowie auf die Autobahn abdecken. NEDC,
UDC
und
EUDC
entsprechen
den
standardisierten
Fahrzyklen,
aus
denen
der
Normverbrauch der Pkw definiert wird. Die typische Fahrstrecke in der Innenstadt beinhaltet
unter anderen Verzögerungen durch Staubildung, mit Stop & Go Phasen. Für die
Fahrstrecken Autobahn 100 und 130 wurden Testfahrten auf der Autobahn vorgenommen,
wo das Fahrzeug bis 100 und 130 km/h beschleunigt wird und bei diesen Geschwindigkeiten
konstant bleiben. Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die Eigenschaften der
Messstrecken.
42
Tabelle 9 - Standardstrecken für die Simulation
Streckeneigenschaften
Testfahrt
Mittlere Geschwindigkeit
[km/h]
Messzeit
[s]
Länge
[km]
NEDC
33
1180
11
UDC
19
780
4
EUDC
65
400
7
Innenstadt
10
830
2,3
Autobahn 100
97
1180
32
Autobahn 130
125
1180
41
In der Folge konnte ein Real-world Szenario (Jahresdurchschnitt) dargestellt werden, wobei
die Nebenverbraucher eine konstante elektrische Leistung abziehen. Mittlere Leistungswerte
wurden für die Nebenverbraucher nach Antriebstechnologie definiert. VKM beziehungsweise
Brennstoffzellenstack bieten sowohl dem Referenzfahrzeug mit Dieselverbrennungsmotor
als auch dem hybrid- sowie dem brennstoffzellenelektrischen Fahrzeug den Vorteil der KraftWärme-Kopplung. Somit muss bei diesen Antriebstechnologien für die Heizung im Mittel
weniger Leistung aufgewendet werden als beim Plug-in Hybrid im Batteriemodus.
Tabelle 10 - Leistungsdaten der Nebenverbraucher im Simulationsszenario
Leistung der fahrzeugbezogenen Nebenverbraucher
Szenario
Antriebstechnologie
Fahrzeuge mit
Verbrennungsmotor
Real-world
Szenario über ein
Jahr gemittelt
Plug-in Hybrid
(Batteriemodus)
(10°C Umgebungstemperatur)
Brennstoffzellenfahrzeug
43
Nebenverbraucher
Nebenverbraucher
Leistung [kW]
Heizung
Klimatisierung
0
0,5
Sonstige
0,5
Gesamt
1
Heizung
2
Klimatisierung
0,5
Sonstige
0,5
Gesamt
3
Heizung
0
Klimatisierung
0,5
Sonstige
0,5
Gesamt
1
4.4
Ergebnisse der Untersuchungen
Im Rahmen der Simulationen wurden neben dem Energieverbrauch des Fahrzeugs mit
elektrischen Antriebssystemen eine Reihe weiterer Größen berechnet. Für diese Studie sind
relevant:
•
Mittlere Fahrgeschwindigkeit: Zwecks Reproduzierbarkeit und als Vergleichsbasis
wurde dafür eine Reihe von Fahrzyklen definiert, die einen guten Überblick über die
tatsächlich
auftretenden
Verkehrssituationen
liefern.
Mit
mittleren
Fahrgeschwindigkeiten von 10 bis 130 km/h auf der Autobahn können die meisten
Verkehrsituationen innerorts, außerorts sowie auf die Autobahn dargestellt werden.
•
Energieverbrauch: Diese Größe wird nach Antriebstechnologie in Liter bzw.
Kilogramm Kraftstoff oder in Kilowattstunde pro 100 Kilometer gerechnet. Für eine
vergleichbare Übersicht des Energieverbrauchs der Fahrzeugkonzepte wird extra der
Energieverbrauch in MJ/100km abgegeben.
•
Reichweite: Aus dem Energieverbrauch pro 100 km und dem Tankinhalt oder
Batteriekapazität je nach Antriebstechnologie berechnet.
•
CO2-Emissionen in g/km: Berechnet aus dem Kraftstoffverbrauch des Referenzsowie der Hybridfahrzeuge. Bei Batteriebetrieb wurden die CO2-Emissionen aus dem
Österreichischen Strom-Mix errechnet.
Die folgenden Vergleichsmatrizen stellen die Simulationsergebnisse des Referenzfahrzeugs
mit Diesel Verbrennungsmotor sowie der verschiedenen Fahrzeuge mit elektrischem
Antriebsstrang dar. Für jedes Fahrzeugkonzept und pro Fahrzyklus werden in den
nachkommenden Tabellen4 der Energieverbrauch und die Reichweite angeführt. Die
Energieverbrauchswerte werden in Kilowattstunde pro 100 km für den Plug-in Hybrid im
Batteriemodus, in Kilogramm H2 pro 100 km für Brennstoffzellenfahrzeug bzw. in Liter Benzin
oder Diesel pro 100 km jeweils für das Hybridfahrzeug sowie das Referenzfahrzeug
angegeben. Zusätzlich werden die Energieverbräuchen der Fahrzeugkonzepte in MJ/100km
dargestellt.
Die Berechnungsergebnisse wurden nach Fahrzeugkonzept sortiert. Für jedes untersuchte
Fahrzeug wurden sechs ausgewählten Fahrzyklen simuliert. Die Fahrzyklen geben die
4
Um eine klare Übersicht bei der Darstellung der Simulationsergebnisse wurden die Ergebnistabellen für jedes
Fahrzeugkonzept farblich codiert.
44
Verkehrsituationen im urbanen Gebiet, Überland sowie auf der Autobahn wieder. Je nach
Antriebstechnologie wurden mittlere Leistungswerte für die Nebenverbraucher festgelegt.
Das
Simulationsmodell
wurde
mit
analytischen
Verbrennungsmotoren, dem Brennstoffzellenstacks
Funktionen
parametriert,
die
den
sowie der Hochleistungsbatterien bei
Betriebstemperatur entsprechen.
4.4.1 „Tank-to-Wheel“ Energieverbrauch im Real-world Szenario
Der Begriff „Tank-to-Wheel“ bezeichnet die Berechnung des Energieverbrauchs bei Nutzung
des im Fahrzeug gespeicherten Energieinhalts. Dies bedeutet, dass der sehr unterschiedlich
hohe Aufwand, um den Energiespeicher (Tank, Batterie, Gasbehälter) zu füllen, nicht
berücksichtigt wird. Basierend auf dem Simulationsmodell wurden die Energieverbräuche der
verschiedenen Fahrzeugkonzepte vom Energiespeicher im Fahrzeug bis zum angetriebenen
Rad ermittelt.
Das im Zuge dieser Studie berechnete Real-world Szenario bezieht sich auf die
durchschnittliche Umgebungstemperatur in Wien, die über ein Jahr gemittelt 10°C beträgt.
Ebenso wird die Leistung der fahrzeugbezogenen Nebenverbraucher wie Heizung und
Klimaanlage
sowie
Sicherheits-
und
Komforteinrichtungen
entsprechend
diesen
Umgebungsbedingungen berücksichtigt. .
Das
konventionelle
Fahrzeug
mit
Dieselmotor,
das
hybridelektrische
sowie
das
brennstoffzellenelektrische Fahrzeuge profitieren von der Abwärme des Verbrennungsmotor
bzw.
Brennstoffzellenstack
als
Kraft-Wärme-Kopplung.
Diese
Antriebstechnologien
benötigen praktisch keine zusätzliche Heizleistung. Plug-in Fahrzeuge im Batteriemodus
weisen jedoch einen mittleren Heizleistungsverbrauch von 2 kW auf, der aus dem
Energiespeicher bedient werden muss.
Die folgenden Tabellen vermitteln einen Überblick über die Simulationsergebnisse je
Antriebstechnologie im Real-world Szenario.
45
Tabelle 11 – Vergleich des Real-world Energieverbrauchs auf Basis NEDC Zyklus (Tank-to-Wheel)
Real-world Energieverbrauch auf Basis NEDC Zyklus
Fahrzeugkonzept - Kraftstoff
Maximale Reichweite
[km]
Verbrauch
Konventionelles Referenzfahrzeug - Diesel
5,3 Liter Diesel/100km
941
Powersplit Hybrid - Benzin
4,9 Liter Benzin/100km
912
Plug-in Powersplit
Hybrid - Benzin
5,6 Liter Benzin/100km
806
31 kWh/100km
52
Electric Vehicle with Range-extender Diesel
5,6 Liter Diesel/100km
31 kWh/100km
805
Brennstoffzellenfahrzeug - Wasserstoff
0,9 kg H2/100km
445
51
Tabelle 12 - Vergleich des Energieverbrauchs der Fahrzeugkonzepte im Real–world Szenario (Tank-toWheel)
Vergleich des Energieverbrauchs der Fahrzeugkonzepte
Energieverbrauch in [MJ/100km] nach Antriebstechnologie
Konventionelles
Referenzfahrzeug
Diesel
Powersplit
Hybrid
Benzin
Plug-in
Powersplit
Hybrid
Benzin
Electric Vehicle
with
Range-extender
Diesel
Brennstoffzellenfahrzeug
Wasserstoff
NEDC
188
161
182 / 111
197 / 112
108
UDC
230
169
189 / 132
204 / 134
116
EUDC
162
156
178 / 98
193 / 99
105
Innenstadt
332
195
209 / 185
224 / 187
142
Autobahn 100
159
159
180
194
110
Autobahn 130
207
218
246
265
161
Fahrstrecke
Die unterstrichenen Werte entsprechend dem Energieverbrauch des jeweiligen Fahrzeugkonzepts wenn es im
Batteriemodus betrieben wird.
Bei den Simulationsergebnissen aller Fahrzeugtechnologien erkennt man den Unterschied
zwischen dem hohen Energieverbrauch pro gefahrene Kilometer innerorts (Zyklen UDC und
Innenstadt gemäß Tabelle 9) im Vergleich zu dem Verbrauch außerorts (Zyklen EUDC,
Autobahn 100 und 130). Jedoch werden innerorts keine großen Strecken zurückgelegt.
46
Dabei beträgt der Fahrleistungsbedarf um ein Kilowatt. Entsprechend zeigen alle
Fahrzeugkonzepte, relativ betrachtet, hohe Energieverbräuche pro gefahrenen Kilometer,
wodurch dementsprechend die Effizienz des Gesamtfahrzeugs sinkt. Dieses Phänomen ist
besonders
merkbar
bei
dem
konventionellen
Referenzfahrzeug
mit
Diesel
Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor fährt in einem ungünstigeren Bereich des
Verbrauchskennfelds, weshalb die Gesamteffizienz niedrig ist. Hingegen steigt die Effizienz
auf der Autobahn wo der Verbrennungsmotor unter höherer Last läuft und beste spezifische
Verbräuche erzielt.
Das Hybridfahrzeug zeigt bei Durchschnittsgeschwindigkeiten unter 20 km/h, wie sie
innerorts auftreten einen niedrigen Energieverbrauch im Vergleich zu dem Diesel
Referenzfahrzeug. Diese Aussage trifft auch auf das Plug-in Hybridfahrzeug und „Electric
vehicle with range-extender“ zu. Bei höheren Geschwindigkeiten dagegen muss ein
beträchtlicher
Anteil
der
Verbrennungsmotor-Leistung
im
Hybridsystem
über
den
elektrischen Pfad laufen und erfährt dort höhere Verluste als der konventionelle
mechanische Antriebstrang.
Brennstoffzellenfahrzeuge weisen bei „Tank-to-Wheel“ Betrachtungen gemeinsam mit den
Batteriepfaden der Plug-in Fahrzeuge die niedrigsten Energieverbräuche der untersuchten
Antriebskonzepte
auf.
Die
Gesamteffizienz
wird
durch
den
Wirkungsgrad
des
Brennstoffzellenstacks als Energiewandler positiv beeinflusst.
Die größten Reichweiten von 800 bis 900 km erzielen Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor
und Flüssigkraftstoff-Tank. Mit 4 kg H2 Tankinhalt kann das Brennstoffzellenfahrzeug im
NEDC Fahrzyklus ca. 450 km erreichen. Im Batteriebetrieb erreichen die Plug-in Fahrzeuge
50 km.
4.4.2 Bewertung der Potenziale der Antriebsvarianten
Um die Potenziale der untersuchten Antriebsvarianten erheben zu können, ist es auch von
Bedeutung festzustellen, welcher Primärenergieaufwand derzeit zu leisten ist, um den
erforderlichen
herzustellen.
elektrischen
Darüber
Übertragungsverluste
Strom,
hinaus
des
sind
den
der
Stromnetzes
flüssigen
oder
Eigenverbrauch
und
die
gasförmigen
der
Ladeverluste
Energieträger
Energiesysteme,
der
Batterien
die
zu
berücksichtigen. In diesen Berechnungen wurde berücksichtigt, wie viel Primärenergie nach
Österreich importierte, bzw. in Österreich erzeugt werden muss um Fahrzeuge mit
bestimmter Antriebsart zu betreiben.
47
Darüber hinaus wurden die CO2- Emissionen der jeweiligen Fahrzeugkonzepte auf Basis des
österreichischen
Primärenergieverbrauchs
errechnet,
da
diese
eng
mit
dem
Primärenergieeinsatz verknüpft sind.
Die Untersuchungsergebnisse der Studie zeigen, dass unter typischen Einsatzbedingungen
(Stadtverkehr, Autobahn und Überland) lediglich der Hybrid- sowie unter Berücksichtigung
gewisser
Reichweiteneinschränkungen
der
Brennstoffzellenantrieb,
gleiche
Nutzungseigenschaften wie Fahrzeuge mit konventionellem Antrieb aufweisen. Der
Energieverbrauch, bezogen auf den österreichischen Einsatz von Primärenergie, ist beim
Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeug tendenziell besser. Plug-in Fahrzeuge im reinen
Batteriebetrieb weisen aufgrund der Wandlungsverluste in der Strombereitstellung,
Übertragungs- und Lade/Entladeverluste sowie des deutlich höheren Fahrzeuggewichts
einen höheren Energieverbrauch auf.
Tabelle 13 - Vergleich des Real-world Energieverbrauch und CO2-Emissionen aus der Primärenergie auf
Basis NEDC Zyklus
Real-world Energieverbrauch und CO2-Emissionen auf Basis NEDC Zyklus
Tank to Wheel
Energieverbrauch
[MJ/100km]
Primärenergieverbrauch
[MJ/100km]
Tank to
Wheel CO2
[g/km]
CO2 aus
Primärenergie
[g/km]
188
208
141
157
Powersplit Hybrid - Benzin
161
179
117
130
Plug-in Powersplit Hybrid Benzin
182 / 111
202 / 296
132 / −
147 / 121
Electric Vehicle with Rangeextender - Diesel
197 / 112
219 / 299
148 / −
165 / 122
Fahrzeugkonzept
Konventionelles
Referenzfahrzeug - Diesel
Brennstoffzellenfahrzeug Wasserstoff
108
Methan
Elektrolyse
169
338
−
Methan
Elektrolyse
93
139
Die unterstrichenen Werte entsprechend dem Energieverbrauch des jeweiligen Fahrzeugkonzepts wenn es im
Batteriemodus betrieben wird.
Zusätzlich wurden für die statistisch mittleren Fahrzeuge basierend auf den analysierten
Antriebstechnologien die Herstellkosten unter Serienbedingungen berechnet. Grundlage für
die Abschätzung der Kosten bildet eine standardmäßige Ausführung eines PKW
Neufahrzeuges für den Europäischen Markt. Die Motorleistung beträgt 75 bis 105 kW.
48
Beim Dieselfahrzeug werden folgende Annahmen getroffen: Das Fahrzeug ist mit einem
aufgeladenen Motor mit elektronischer Hochdruckeinspritzung, Abgasnachbehandlung und
manuellem mechanischem Stufengetriebe ausgestattet.
Ein Hybridfahrzeug ist mit einem nicht aufgeladenen Verbrennungsmotor, einem oder
mehreren Elektromotoren und einer stufenlosen Anpassung der Antriebsleistung an die
Fahrzeuggeschwindigkeit ausgestattet. Beim Dieselmotor werden die Mehrkosten gegenüber
Benzin Ottomotor durch die Abgasturboaufladung und die Hochdruck-Kraftstoffeinspritzung
verursacht.
Für Fahrbatterien inklusive Nebenaggregate wird einen Preis von €1000 pro kWh
Batteriekapazität angenommen. Die Hybridvariante wird mit etwa 1,5 kWh Batteriekapazität,
die Plug-in Hybrid Fahrzeuge mit einer 16 kWh Batterie betrachtet.
Die folgende Tabelle stellt die Bruttopreise der verschiedenen Fahrzeugkonzepte dar. Für
Brennstoffzellenfahrzeuge liegen derzeit keine seriennahen Herstellkosten vor, obwohl
bereits mehrere Hundert in Kalifornien im Einsatz sind.
Tabelle 14: Bruttopreise der untersuchten Fahrzeugkonzepte
Fahrzeugpreis (inkl. MwSt.) auf Basis Serienfertigung
Fahrzeugkosten
[€]
5
Referenzfahrzeug
Diesel
Hybrid
Benzin
Hybrid
Diesel
Plug-in Hybrid
Benzin
Plug-in Hybrid
Diesel
25.000
28.000
30.000
44.000
46.000
Auswirkung auf den Technologiestandort Österreich
5.1
Rahmenbedingungen
5.1.1 Fahrzeughersteller / Automobilzulieferer in Österreich
In Österreich gibt es eine Reihe von Automobilzulieferern beziehungsweise Dienstleistern,
die der Automobilbranche zugerechnet werden können. Daneben gibt es eine große Anzahl
weiterer Unternehmen, die beispielsweise über den Automobilcluster zusammengefasst sind
und in der einen oder anderen Form mit der Entwicklung oder Produktion von
Autobestandteilen in Österreich involviert sind. Darunter Motorenhersteller, Erzeuger von
Antriebssystemen und verwandte Dienstleister. Aber auch Energieversorgungsunternehmen,
Innovationsagenturen und andere Branchen ziehen Wertschöpfung aus diesem Thema. Die
49
nachfolgende Tabelle bietet einen Überblick über die große Bandbreite an Unternehmen, die
sich in Österreich heute bereits damit beschäftigen.
Tabelle 15 - Österreichische Unternehmen mit Relevanz für Hybrid-/Elektromobilität[50]
Unternehmen
Produkte
Bundesland
AVL List
Batterieprüfstände für Hybrid
ALPPS Fuel Cell Systems GmbH
F&E im Bereich Brennstoffzellensysteme
Stmk.
Stmk.
Banner GmbH
Batterien, AGS Batterien, Auswuchtgewichte
OÖ
Bitter GmbH
Design, F&E Dienstleistungen, kommunale E-Fahrzeuge,
Radnabenmotor
OÖ
BRP-Powertrain GmbH
Motoren 2T/4T für Freizeitprodukte, Hybridisierung
OÖ
Cardec hydrogen storage GmbH
Energiespeicher, Wasserstoff
NÖ
Continental Automotive Austria
GmbH
Sicherheitssysteme, Hybrid, Sensorik
W
CW Concept Consulting GmbH
Fahrzeugsicherheit, Crashsicherheit Batterien
Stmk.
EGSTON Automotive Eggenburg
GmbH
Induktive Elemente, Kunststoffteile, Kabelsysteme,
Elektronik
NÖ
Energy 3000 GmbH
Batterie- und Ladetechnologie; dezentrale
Energiespeicherung in netzintegrierten
elektrochemischen Energiespeicher
B
Energie Steiermark AG
Energieversorger
Stmk.
ENGINEERING CENTER STEYR
GmbH & Co KG
elektrische/hybride Antriebsstrangsysteme für
Nutzfahrzeuge
OÖ
EPCOS OHG
Kondensatoren, Sensoren, Sicherheitskomponenten,
Induktoren, keramische Bauelement
W
Fronius International GmbH
Batterieladesysteme, Photovoltaik-Elektronik,Wasserstoff
Technologien
OÖ
Gebauer & Griller Kabelwerke
GmbH
Kabel- und Leitungstechnik, Batterieladekabel
W
General Motors Powertrain Austria
GmbH
Fahrzeughersteller E-Flex Motor entspricht Range
Extender
W
GRACETECH e.U.
Batterieüberwachung, Bordcomputer,
Elektronikentwicklung
OÖ
HyCentA Research GmbH
Informationsplattform für wasserstoffbezogene
Forschungs- und
Entwicklungsaktivitäten
Stmk.
Infineon Technologies Austria AG
F&E und Produktion von Schaltkreisen
W
KEBA AG
Energieautomation, Stromladestation für Elektrofahrzeuge
OÖ
Kiska GmbH
Entwicklung von Elektromobilitätskonzepten
S
Lightweight Energy GmbH
Batteriesysteme auf Lithium Inonen Basis
OÖ
MAGNA Electronics (Austria) GmbH
Komponenten für Elektroantrieb: Motor, Umrichter,
Software
NÖ
MAGNA Powertrain AG & Co KG
Antrieb, Hybridtechnologie, Systemintegration,
Gesamtfahrzeugentwicklung
Stmk.
Magna STEYR Fahrzeugtechnik AG
Batterieentwicklung, Gesamtkonzept
& Co KG
MAN Steyr AG
Nutzfahrzeuge mit Hybridantrieb
S
MPF Meeting Point Future GmbH
K
E-Fahrzeuge
50
Stmk.
NEUMAN ALUMINIUM
Batteriegehäuse,
NÖ
qpunkt GmbH
Strategien bzgl. Heizung und Klimatisierung für EFahrzeuge, Entwicklung des
Thermomanagements im E- bzw. Hybridfahrzeug
Stmk.
Robert Bosch AG
Elektrifizierung des Antriebsstranges (EV, HEV), DC/DC
Converter, Inverter und
Hybridsteuerung, Steuerung für regeneratives Bremsen,
Ladegerät), Weiterentwicklung
von Lithium Ionen Akkus
W
Robust Electronics GmbH
Integrierte Produktentwicklung in den Bereichen
Elektronik, Mechanik
W
Siemens Aktiengesellschaft
Österreich
Infrastruktur, Smart Grid, Energieerzeugung und
Verteilung
W
STEYR MOTORS GmbH
F&E Motoren und Hybridkomponenten
OÖ
Stohl Racing GmbH
Prototypenkonzeption, -entwicklung und -bau,
Gesamtkonzepterstellung, Modifikation
von Fahrzeugen ohne E-Antrieb zur Verwendung als EMobil
NÖ
The mobility house GmbH
Überregionaler Dienstleister für die Einführung innovativer
Elektromobilitätslösungen
S
VE Vienna Engineering Forschungs
und Entwicklungs GmbH
F&E im Berich elektr. Fahrzeugkomponenten, zB Range
Extender
W
Energieversorger
W
Co-Simulations Middleware für Auslegung Hybrid/Elektrofahrzeug
Stmk.
Wachauer Technology+Design AG
Forschung und Entwicklung mit Schwerpunkt auf
elektrische Antriebs- und Fahrwerkstechnologien, Kreation
von designgerechten Fahrzeugmodellen
Stmk.
Wien Energie Vertrieb GmbH & Co
KG
Energieversorger
W
Verbund (Österreichische
Elektrizitätswirtschafts-AG)
VIRTUAL VEHICLE
Kompetenzzentrum Das virtuelle
Fahrzeug Forschungsgesellschaft
mbH
Diese Unternehmen beschäftigen in Summe rund 55.000 MitarbeiterInnen. Eine Ableitung,
inwieweit sich eine Ausweitung der Forschung & Entwicklung der Hybridtechnologie
beziehungsweise
teilelektrischer Antriebsstränge
auf die
Beschäftigungszahlen
und
Wertschöpfung im Inland auswirken kann, ist aufgrund fehlender Zukunftsvisionen nicht
möglich. Auch Referenzwerte sind hierzu nicht verfügbar.
Nachfolgend werden einige Initiative obengenannter Unternehmen in den Bereichen
Hybridantriebe bzw. Elektromobilität vorgestellt.
5.1.2 Beispiele aktueller Initiativen
5.1.2.1 AVL: Prüfstände für Hybride
Die Grazer Motorenentwicklungsfirma AVL-List hat 2004 einen Prüf- und Teststand für
Hybridantrieb installiert. Dieser neuartige Einsatz unterscheidet sich zum Einsatz für
herkömmliche
Motorprüfständen.
Bedingt
durch
51
die
zusätzlichen
Funktionen
von
Hybridantrieben ergeben sich für den Motorprüfstand neue Herausforderungen, um einen
fahrzeugnahen Betrieb des Verbrennungsmotors am Prüfstand zu erreichen. Als
Aufbaukonfigurationen am Prüfstand sind der reale Verbrennungsmotor mit oder ohne den
hybriden Komponenten und dem Getriebe sowie den zugehörigen Steuergeräten möglich.
Ergänzend dazu werden weitere für den Antriebsstrang relevante Steuergeräte an ein
echtzeitfähiges Simulationssystem am Prüfstand angebunden. Damit wird es möglich,
umfangreiche virtuelle Fahrmanöver zur Analyse der dynamischen Eigenschaften des
Verbrennungsmotors sowie des Hybridsystems am Prüfstand durchzuführen. AVL hat dazu
eine neue Prüfstandslösung entwickelt [51].
5.1.2.2 Bitter: Energietankstelle CLEAN POWER
Bitter GmbH ist ein Engineering-Büro, das unter anderem im Bereich der Automobilindustrie
tätig ist. Unter der Federführung des Technology & Innovation Center (TIC) Steyr GmbH
entwickelte das Unternehmen gemeinsam mit Partnern die Energietankstelle CLEAN
POWER. Dabei handelt es sich um ein Tankstellensystem, das Elektrofahrzeuge und solche
mit Hybridantrieb mit Strom und Wasserstoff versorgen soll [52].
5.1.2.3 Bosch: Antrieb aus der Batterie
Zwar werden für den heute bereits realisierten Hybridantrieb meist noch Nickel-MetallhydridBatterien verwendet. Die Zukunft aber gehört der Lithium-Ionen-Akkutechnik, wie sie von
Bosch bereits erfolgreich bei Elektrowerkzeugen eingesetzt wird. Denn Lithium-Ionen-Akkus
sind kleiner, leichter und entladen sich kaum, wenn sie längere Zeit nicht genutzt werden.
Bevor diese Technologie für den Automobilantrieb eingesetzt werden kann, muss ihre
Leistungsdichte noch steigen und größere Reichweiten ermöglichen.
Im Rahmen der vom Bundesministerium für Forschung und Entwicklung (BMBF) initiierten
Innovationsallianz „Lithium Ionen Batterie 2015“ beteiligt sich Bosch deshalb zusammen mit
BASF, Evonik Industries, LiTec und VW an deren Weiterentwicklung für den Einsatz beim
Elektroantrieb.
Mit
Samsung
wurde
inzwischen
auch
die
Gründung
eines
Gemeinschaftsunternehmens zur Entwicklung, Fertigung und zum Vertrieb von LithiumIonen-Batterie-Systemen beschlossen [53].
5.1.2.4 Mobility House
Insgesamt
700
Elektrofahrzeuge
der
Marke
Citroen
wollen
Raiffeisen-Leasing
Fuhrparkmanagement und The Mobility House in den nächsten Monaten auf Österreichs
Straßen bringen. Als einer der Vorreiter auf dem Gebiet der alternativen Antriebe ist Citroen
52
Wunschpartner und Lieferant von insgesamt 500 Citroen Berlingo First Electrique
Transportern sowie 200 Citroen C-Zero - und eine der ersten Marken in Europa, die in einem
derart umfangreichen Projekt Elektrofahrzeuge einsetzt.
The Mobility House bietet von der Geschäftsmodellierung über die Beschaffung von
Infrastruktur und Fahrzeugen bis hin zu Abrechnungsservices alles an. Citroen versucht sich
gerade als weltweiter Marktführer im Bereich Elektromobilität zu positionieren. Daneben
werden
jedoch
auch
Hybrid-Modelle
produziert
(Hybrid-Diesel-und
plug-in-Hybrid-
Fahrzeuge) [54].
5.2
Prognosen für die Marktentwicklung
5.2.1 Allgemeiner Marktausblick der IEA
Die internationale Energieagentur (IEA) hat in ihrem Marktausblick für Hybrid- und
Elektroautos bis 2015“ (erstellt im März 2009) eine Trendwende in der Beschaffung von
PKW festgestellt [55]. Anstelle eines weiteren Anstieges am Verkauf von SUV geht der
Trend nun hin zu kleineren, verbrauchsfreundlichen und energieeffizienten Fahrzeugen.
Diese Entwicklung wurde und wird von zwei Faktoren getrieben: zum einen von den
steigenden Preisen für Erdöl und damit Benzin; zum anderen von der weltweiten
Wirtschaftskrise, die im 2. Halbjahr 2008 deutlich wurde. Während die Wirtschaftskrise zu
starken Einbrüchen in den Gesamtverkaufszahlen von Autos geführt hat, ist der Verkauf von
Hybridautos in einigen Ländern dennoch deutlich angestiegen. Dafür gibt es mehrere
Gründe:
•
Autos mit Hybridantrieb weisen eine höhere Treibstoffeffizienz auf als konventionelle
Modelle, speziell im innerstädtischen Verkehr
•
Die Anzahl verfügbarer Hybridautos am Markt ist im Ansteigen
•
Höhere Produktionszahlen können zu geringeren Stückpreisen führen
•
In vielen Regionen werden Anreize für verbrauchs- und emissionsarme Fahrzeuge
gesetzt
Obwohl die meisten Automobilproduzenten davon sprechen, Hybridmodelle auf den Markt zu
bringen, werden die Zulassungszahlen relativ gering bleiben, da das Angebot bescheiden ist.
Als besonderer limitierender Faktor wird die Verfügbarkeit guter Batterien gesehen.
Ein interessantes Thema ist die Frage der Zielgruppe im Richtungszeitraum 2015: zu der
Zeit werden Autos von Menschen gekauft, die elektronische Applikationen von Kind auf
gewöhnt sind und daher auch eine Affinität dazu haben, obwohl diese Automodelle deutlich
eingeschränkter sind, was das „Tuning“ und „Customizing“ betrifft. Auf der anderen Seite lebt
53
diese jüngere Zielgruppe vermehrt in Ballungsräumen und damit im idealen Einsatzgebiet
von (teil-)elektrisch betriebenen Automobilen.
Sehr oft werden die hohen Anschaffungskosten als Argument gegen diese Art von
Fahrzeugen genannt. Heute werden Hybridfahrzeuge trotz der hohen Kosten wegen des
grünen Images, aufgrund tatsächlichen Interesses für die Umwelt oder einfach „um sich von
der Masse abzuheben“ gekauft. Um in Zukunft einen höheren Marktanteil erzielen zu
können, müssen die Kosten sinken. Über die Steigerung der Produktionsmengen sollte eine
Reduktion des Verkaufspreises erfolgen. Einen weiteren wichtigen Faktor wird dabei auch
der Wiederverkaufswert der Modelle spielen, der heute großteils noch unbekannt ist.
In einigen Ländern stiegen die Verkaufszahlen rapide an, sobald ein finanzieller Anreiz (z.B.
Steuerbefreiung) geschaffen worden war. Dasselbe gilt für Systeme, in denen geringe CO2Emissionen „belohnt“ werden. Wichtig ist jedoch zu beobachten, inwieweit sich verschiedene
energieeffiziente bzw. CO2-emissionsarme Technologien untereinander konkurrieren. Hier
sollte auf jeden Fall steuernd eingegriffen werden.
Jedoch auch die technologische Entwicklung muss noch weitere Fortschritte machen, um die
Bedürfnisse der Kunden besser zu treffen. Themen sind hierbei beispielsweise die
Reichweiten und Ladezeiten der Plug-in Hybrid Vehicles.
Die IEA schlägt vor, dass die Staaten die Entwicklung und Produktion dieser Modelle nutzen
sollen, um damit einen Beitrag zum wirtschaftlichen Aufschwung aus der Wirtschaftskrise zu
leisten. Als Instrumente dazu werden das Aufsetzen von Forschungsförderungen, die
Schaffung
ambitionierter
nationaler
CO2-Reduktionsprogramme
und
die
finanzielle
Förderung von Demonstrationsprojekten vorgeschlagen.
Um die Nachfrage nach treibstoffeffizienten Autos zu steigern nennt die IEA die Einführung
spezifischer Anreizsysteme wie fiskalische Maßnahmen (Steuerbefreiungen), Mautsysteme
für städtische Regionen oder Gratisparken für Hybridfahrzeuge.
Die nachfolgenden Abbildungen, entnommen dem IEA-Bericht „How the Energy Sector can
deliver on a Climate Agreement in Copenhagen - Special early excerpt of the World Energy
Outlook 2009 for the Bangkok UNFCCC meeting” [56] geben eine Abschätzung der Anteile
der verkauften Fahrzeugtypen bis zum Jahr 2030 (weltweit, in einem 450 ppm Szenario):
54
250
80%
200
205
60%
150
40%
125
Elektroautos
Plug-in hybrids
Hybridfahrzeuge
Autos mit VKM
CO2 Intensität
(rechte Achse)
100
90
20%
0%
2007
Gramm pro Kilometer
100%
2020
50
2030 Treibstoffmix
Fossile
80,0%
0
Biosprit
Strom
Erdgas
14,7%
4,9%
0,4%
2030
Abbildung 21- Weltweiter Anteil der PKW-Verkäufe nach Technologie und durchschnittlicher CO2Intensität der Neufahrzeuge [57]
Diesem Szenario zufolge würde in der weltweiten Betrachtung bereits im Jahr 2020 der
Anteil von Hybridfahrzeugen (Hybrid Vehicles und Plug-in hybrids) auf rund 45 % der
Neuwagenverkäufe steigen.
Die Szenarien für die OECD-Länder, Japans und die USA decken sich weitgehend mit der
obenstehenden Darstellung. Ein - bezogen auf die Verkäufe von Hybridfahrzeugen - weniger
optimistisches Bild zeichnet der Forecast für Europa. Hier wird der Anteil der verkauften
Fahrzeugtypen bis zum Jahr 2030 auf ca. 30% geschätzt. Dafür soll in diesem Zeitraum die
100%
250
80%
200
60%
150
170
40%
Gramm pro Kilometer
CO2-Intensität überproportional sinken, wie in nachfolgender Abbildung dargestellt:
Elektroautos
Plug-in hybrids
Hybridf ahrzeuge
A utos mit VKM
CO 2 Intensität
(rechte A chse)
100
100
70
20%
50
0
0%
2007
2020
2030
2030 Tre ibstoffmix
Fossile
80,0%
Bios prit
Strom
Erdgas
14,7%
4,9%
0,4%
Abbildung 22 - Europaweiter Anteil der PKW-Verkäufe nach Technologie und durchschnittlicher CO2Intensität der Neufahrzeuge [57]
Das bedeutet damit auch, dass der weltweit sehr hohe Zuwachs an Hybridfahrzeugen in
anderen Weltregionen stattfinden muss, in China, Russland und anderen wichtigen
Wirtschaftsräumen.
55
5.2.2 Prognosen anderer Quellen
Der Strategieberater Roland Berger sieht in seinem 2009 erschienenen Bericht „2020
Powertrain - The Future Drives Electric“ den Marktanteil von Elektrofahrzeugen in
Westeuropa 2020 bei circa 20% und den weltweiten Absatz von PHEVs (Plug-inHybridfahrzeugen) und EVs (Elektrofahrzeugen) bis 2020 bei rund 8-10 Millionen
Fahrzeugen [58].
A.T. Kearney argumentiert ähnlich:
„Die Stars der zukünftigen grünen Märkte sind diejenigen, die mit der Elektrifizierung in
Zusammenhang stehen. So wird zum Beispiel der Markt für Batterien für Hybrid- und
Elektrofahrzeuge im Mittel um 40% wachsen und in 2020 ein globales Volumen von über 60
Milliarden Euro erreichen. [.] Die neuen Märkte wachsen dabei nicht nur stärker als der
Schnitt, sondern sind auch noch profitabler: während EBIT-Margen von 4 bis 8% typisch in
der Zulieferindustrie sind, sind die „grünen“ Märkte oftmals doppelt so profitabel.“ [59]
Und
„Der Business Case von Benzin-Hybriden verbessert sich bis 2020 zwar. Dennoch schlägt
auch dann die Anschaffung eines Mittelklasse Benzin-Hybriden noch mit etwa 3.000 Euro
mehr zu Buche als die eines Benziners und mit etwa 1.000 Euro mehr als die eines
Dieselfahrzeugs“, sagt Co-Autor Jens Tischendorf von A.T. Kearney: „Zwar ergibt sich für
„Full-Hybride“ insgesamt der beste Verbrauch aller Technologien, jedoch ist dieser Vorteil im
Wesentlichen auf den Stadtverkehr begrenzt. „Hybridfahrzeuge verkaufen sich also 2020 vor
allem an städtische Vielfahrer und umweltbewusste Käufergruppen. Für die breite Masse
bleiben sie jedoch unwirtschaftlich.“[60]
In dieser Reihe darf natürlich McKinsey nicht fehlen. Dieser Strategieberater hat ein Modell
zur Bewertung der Entwicklung des Antriebsmarktes in den vier relevanten Regionen
(Europa, Amerika, Japan und China) erstellt. Simuliert wurde für die nächsten 15 Jahre die
Entwicklung herkömmlicher Technologien und Alternativen, wie Hybrid- und Erdgasantriebe
sowie Brennstoffzellen. Die hier durchgeführte Studie liefert folgende Ergebnisse:
„Hybride bleiben teuer. Sie verkaufen sich auf Grund ihrer Leistungsstärke und weil sie im
Trend liegen. Die versprochene Kraftstoffersparnis kann den höheren Anschaffungspreis
allerdings in den nächsten 15 Jahren nicht ausgleichen. Marktanteile von bis zu 15 Prozent
sind trotzdem möglich.“
56
5.2.3 Markt für (teil-)elektrische Fahrzeuge in Österreich
5.2.3.1 Neuzulassungen 2009
Nach Angaben der Statistik Austria [61]
wurden von Jänner bis November 2009 in
Österreich 33 Elektroautos neu zugelassen. Im Vorjahreszeitraum betrug diese Zahl 1 Stück,
was sich in einer Steigerungsrate von 3.200 % niederschlägt. Im gleichen Zeitraum wurden
997 Stück Hybridfahrzeuge neu zugelassen. Das entspricht einem Anteil an den Gesamtösterreichischen Neuzulassungen von 0,3 %. Im Vergleich zum Vorjahreszeitraum, wo 715
Hybridfahrzeuge neu zugelassen wurden, fand somit eine Steigerung von 39,4 % statt.
5.2.3.2 Kosten für Fahrzeuge mit alternativen Antriebssystemen
Die Kosten für Fahrzeuge mit alternativen Antriebssystemen sind derzeit im Schnitt höher als
für Fahrzeuge mit konventionellen Antriebssystemen. Einer Analyse des ALTANKRAProjektes [62] zufolge liegt die Bandbreite der Investitionskosten von alternativen
Antriebssystemen großteils zwischen 19.500 Euro/Fahrzeug und 65.000 Euro/Fahrzeug.
Lediglich
Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge
haben
mit
130.000
Euro/Fahrzeug
deutlich höhere Kosten aufgrund noch unreifer Technologie und der hohen Kosten von
Brennstoffzellen. Im Vergleich dazu liegen die Investitionskosten der konventionellen
Fahrzeuge zwischen 17.000 und 18.500 Euro pro Fahrzeug. Den Schlussfolgerungen des
Projektes ELEKTRA [63] zufolge, sind im Stand 2010 elektrische Antriebe nicht
wirtschaftlich. Der Kostentreiber bei den Investitionskosten sind dabei die Batterien.
Auch Hybridantriebe sind, ausgenommen Micro-Hybride, laut den Ergebnissen dieser Studie,
im Jahr 2010 in Österreich nur durch Förderung (zum Beispiel über die NOVA) annähernd
wirtschaftlich. Stärker elektrifizierte Antriebe (z.B. Voll-Hybride) sind trotz Förderung deutlich
teurer als die konventionellen Technologien. Erst wenn sich in Zukunft die spezifischen
Kosten der Batterien signifikant reduzieren würden, könnte dies die Konkurrenzfähigkeit der
elektrischen Antriebe entscheidend verbessern.
Unterschiede
ergeben
sich
in
den
verschiedenen
Größenkategorien.
In
der
Kleinwagenklasse wird das Elektrofahrzeug in der Zukunft (2050) eine ökonomisch führende
Option sein, da hier geringere Reichweiten gefordert werden, wodurch die Kosten für
Batterien weniger ins Gewicht fallen. In der Mittelklasse, wo große Reichweiten und damit
große Batterien erforderlich sind, sind Elektroantriebe mit Range Extendern wirtschaftlich
interessanter. In der Oberklasse verhindern das hohe Gewicht der Fahrzeuge und die
geforderten Reichweiten den Einsatz rein elektrischer Antriebe. Hier werden daher
Hybridantriebe laut dieser Studie im Jahr 2050 die wirtschaftlichste Wahl.
57
5.2.3.3 Wie groß ist der Markt für alternative Antriebssysteme?
Österreichische Automobilzulieferer produzieren nur in geringem Umfang für den Heimmarkt,
vielmehr jedoch für den Export. Daher macht es Sinn, sich den Markt für Pkw mit (teil-)
elektrischem
Antriebsstrang
beispielsweise die steirische
auf
internationaler
Basis
anzusehen.
So
exportiert
AVL List GmbH nach Eigenangaben 96 % seiner
Wertschöpfung ins Ausland [64].
5.2.3.4 Prognose des Reifenherstellers Continental
Der Reifenhersteller Continental glaubt, dass der österreichische Markt Potenzial für
Hybridfahrzeuge hat: Knapp zwei Drittel aller Autofahrer sind hier vorwiegend auf
Kurzstrecken bzw. im Stadtverkehr unterwegs. Bei einer 2008 durchgeführten Befragung [65]
erklärt knapp ein Drittel der Befragten, ein Auto mit Hybridantrieb kaufen zu wollen, wie in
der nachfolgenden Grafik dargestellt.
China
Frankreich
Öster- SchweizDeutsch- Japan
Großreich
land
britanien
45,7%
28,1%
69,6%
30,2%
57,5%
29,4%
66,6%
60,0
27,4%
71,6%
43,8%
67,6%
29,2%
73,3%
∅ 64,2%
46,2 %
53,8%
69,0%
80,0
USA
40,0
20,0
Änderung des
Kaufverhaltens bei
steuerlicher Förderung
ganz bestimmt bzw. mit
großer Wahrscheinlichkeit
Gesamt
0,0
Abbildung 23 - Die Kaufbereitschaft für Hybridfahrzeuge steigt bei steuerlicher Förderung [66]
„29,2 % der Österreicher sind schon jetzt von der Hybridtechnologie überzeugt. Auf 67,6 %
wächst die Kaufbereitschaft im Falle staatlicher Förderung. Dies mag darauf zurück zu
führen sein, dass mehr als zwei Drittel (65,8 Prozent) der befragten Autofahrer davon
ausgeht, dass der Kauf eines umweltfreundlicheren Hybridantriebs Mehrkosten verursachen
wird. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass schlussendlich ein günstiger Anschaffungspreis
für knapp ein Drittel der Befragten das schlagkräftigste Argument zum Erwerb eines
Hybrides ist. [..] Erst an zweiter und dritter Stelle führen die Österreicher die Faktoren
Umwelt und Wirtschaftlichkeit an. Diese Ergebnisse zeigen, dass umweltfreundliches
Handeln stark kostengetrieben ist".
58
5.3
Empfehlungen für die Umsetzung
5.3.1 Mögliche Produkte der Zukunft
Die letzten Jahre haben eine Konsolidierung und Reduktion der Automobilproduktion in
Österreich gebracht. Anstelle der großen herkömmlichen Produktionsanlagen müssen sich
nun neue Unternehmen in Nischen entwickeln. Schwerpunkte deren Arbeit können folgende
sein [67]:
•
Entwicklung und Produktion alternativer Fahrzeugkonzepte (z.B. Magna, Siemens)
•
Entwicklung und Produktion alternativer bzw. energieeffizienterer Motoren (z.B. AVL,
BMW)
•
Entwicklung effizienter Kraftübertragungen (AVL, Magna Powertrain)
•
Entwicklung von Batterien hoher Kapazität
•
Weiterentwicklung von Batterieladesystemen
•
Gesamtfahrzeugdesign
5.3.2
Herausforderungen an Forschung und Entwicklung
In folgenden Bereichen existiert in Österreich bereits Kompetenz, die forciert und weiter
ausgebaut werden sollte:
•
Weiterentwicklung von Lithium-Ionen Batterien und anderen Energiespeichern
•
F&E im Bereich Brennstoffzellensysteme
•
Weiterentwicklung der Technologie zur Nutzung von Wasserstoff als Energieträger
für die Mobilität
•
Entwicklung
verbesserter,
effizienterer
Herstellungsverfahren
für
alternativer
Energien (Strom als Energieträger für Mobilität)
•
Optimierung energieoptimierter Verkehrssteuerungen
5.3.3
•
Politik
Umsetzung der Forschungserkenntnisse zur alternativen Mobilität in gezielte
Förderungsinstrumente in Österreich
•
Schaffung von Rahmenbedingungen und Anreizsystemen zur Effizienzsteigerung und
Reduzierung des gesamten Energieverbrauchs
59
5.4
Business Case
Für eine mögliche Teilumstellung einer Taxiflotte wurde ein vereinfachter Business Case
gerechnet. Als Hypothese wurde angenommen, dass ein Taxiunternehmer 20 Stück
Hybridfahrzeuge kauft, anstelle konventioneller Diesel-Pkw anschafft und einsetzt.
Gerechnet wurde der Vergleich in den Anschaffungskosten und den möglichen Mehr- und
Minderkosten im Betrieb dieser 20 Autos. Als Variablen sind hier die verschiedenen
Kraftstoffverbräuche sowie die unterschiedlichen Kosten für die Treibstoffe enthalten.
Der Business Case vergleicht folgende Varianten:
•
Konventionelles Referenzfahrzeug, Diesel
•
Benzin Hybrid
•
Diesel Hybrid
•
Benzin Plug-in Hybrid
•
Diesel Plug-in Hybrid
Als durchschnittliche Laufleistung der Fahrzeuge wurden 100.000 km/a angenommen;
Treibstoffpreise anhand der letztgültigen Veröffentlichung des ÖAMTC.
Im Business Case wurden zwei Varianten monetär bewertet: zum einen dasselbe
Nutzerverhalten wie es im Simulationsmodell (30% Innerorts, 30% Ausserorts, und 40%
Autobahn; = Szenario 1) angewandt wurde. Zum anderen ein für Taxis zutreffenderes
Nutzerverhalten für die Großstadt (80% Innerorts, 10% Ausserorts, und 10% Autobahn; =
Szenario 2).
In beiden Fällen sind die Anschaffungskosten für die verschiedenen Hybridvarianten deutlich
höher als jener für das Referenzfahrzeug (siehe nachfolgende Tabelle).
Tabelle 16 - Inputparameter für die Berechnung des Business Case
Antriebstechnologien
konventionelles
Referenzfahrzeug
Diesel
Hybrid
Benzin
Hybrid
Diesel
Plug-in Hybrid
Benzin
Plug-in Hybrid
Diesel
Fahrzeugkosten Brutto (inkl. MwSt.)
€ 25.000
€ 28.000
€ 30.000
€ 44.000
€ 46.000
Energieverbrauch Innenorts
6,7 l/100km
5,6 l/100km
5,2 l/100km
36,8 kWh/100km
37,1 kWh/100km
Energieverbrauch Außerorts
4,5 l/100km
4,9 l/100km
4,5 l/100km
5,5 l/100km
5 l/100km
Energieverbrauch Autobahn
5,3 l/100km
5,9 l/100km
5,5 l/100km
6,6 l/100km
6 l/100km
Die
Amortisation
eines
Hybridfahrzeuges
im
Vergleich
zu
dem
konventionellen
Referenzfahrzeug hängt von der Einsparung bei den Treibstoffkosten ab. Die Kosten wurden
mit aktuell vom ÖAMTC veröffentlichten Werten gerechnet (Diesel: 1,038 EUR/l; ROZ 98:
1,284 EUR/l; Strom: 15 Cent/kWh).
60
In Szenario 1 (30% Innerorts, 30% Außerorts, und 40% Autobahn) rechnet sich die
Anschaffung einer der verschiedenen Hybrid-Varianten nicht, da der Anteil an Stadtfahrten,
und damit das Abschalten des Verbrennungskraftmotors, zu gering ausfällt (siehe
nachfolgende Tabelle).
Tabelle 17 – Szenario mit dem Nutzerverhalten: 30% Innerorts, 30% Außerorts, und 40% Autobahn
Szenario 1 (30-30-40)
Anschaffungskosten 20 Autos [EUR]
konventionelles
Referenzfahrzeug
Diesel
Hybrid
Benzin
Hybrid
Diesel
Plug-in Hybrid
Benzin
Plug-in Hybrid
Diesel
500.000
560.000
600.000
880.000
920.000
2.000.000
2.000.000
2.000.000
2.000.000
2.000.000
Treibstoffverbrauch/Jahr [l]
109.600
110.200
102.200
109.800
102.180
Treibstoffkosten/Jahr [EUR]
113.765
141.497
106.084
108.756
79.928
Geschätzte Laufleistung/Jahr [km]
Mehrkosten in der Anschaffung
60.000
100.000
380.000
420.000
Mehr-/Minderkosten im Betrieb
27.732
-7.681
-5.008
-33.837
Im zweiten Szenario (80% Innerorts, 10% Außerorts, und 10% Autobahn) kommt durch die
anteilsmäßig höhere Nutzung des Elektromotors eine Wirtschaftlichkeit der Hybridfahrzeuge
in Reichweite. In circa vier bis fünf Jahren wäre, ausgehend nur von dieser
Vergleichsrechnung, eine Amortisation gegeben (siehe Tabelle unten).
Tabelle 18 - Szenario mit dem Nutzerverhalten: 80% Innerorts, 10% Außerorts, und 10% Autobahn
Szenario 2 (80-80-10)
Anschaffungskosten 20 Autos [EUR]
konventionelles
Referenzfahrzeug
Diesel
Hybrid
Benzin
Hybrid
Diesel
Plug-in Hybrid
Benzin
Plug-in Hybrid
Diesel
500.000
560.000
600.000
880.000
920.000
2.000.000
2.000.000
2.000.000
2.000.000
2.000.000
Treibstoffverbrauch/Jahr [l]
126.800
111.200
103.200
88.200
86.480
Treibstoffkosten/Jahr [EUR]
131.618
142.781
107.122
31.077
22.840
Geschätzte Laufleistung/Jahr [km]
Mehrkosten in der Anschaffung
60.000
100.000
380.000
420.000
Mehr-/Minderkosten im Betrieb
11.162
-24.497
-100.541
-108.778
Das ist in der Praxis jedoch nicht realistisch, da bei einer jährlichen Laufleistung von 100.000
km diese Wägen keine vier bis fünf Jahre in Betrieb stehen würden. Weiters ist damit zu
rechnen, dass spätestens nach 200.000 km eine neue Batterie gekauft werden muss. Diese
Kosten müssten wiederum in die Wirtschaftlichkeitsrechnung einbezogen werden und
würden damit die Amortisation noch weiter hinausschieben.
Fazit: mit den aktuell nicht wettbewerbsfähig hohen Anschaffungskosten für Hybridfahrzeuge
und der relativ geringen Einsparung bei den Treibstoffkosten rechnet sich der Einsatz von
Hybridfahrzeugen aus heutiger Sicht für eine Taxi-Flotte nicht. Dies kann sich mit
Förderungen (auf die Anschaffung, Steuerbefreiung, Strompreis) jedoch ändern.
61
6 Zusammenfassung und Ausblick
Die vorliegende Studie ermittelte den Energieverbrauch elektrischer Antriebstechnologien in
den
unterschiedlichen
Hybrid-Kombinationen.
Auf
Basis
eines
typischen
Mittelklassefahrzeugs wurden durch hoch zeitaufgelöste Matlab Simulink Modelle der
Energieverbrauch und die CO2-Emissionen berechnet. Die Simulationen konnten sowohl für
den standardisierten europäischen Fahrzyklus, als auch für jede beliebige mittels GPSTracking eingespielte Fahrstrecke durchgeführt werden.
Die hierbei angewendeten validierten Simulationsmodelle basieren auf Real–world
Messdaten, die unter tatsächlichen Fahrbedingungen im Stadtverkehr, Überland sowie auf
der Autobahn erhoben wurden. Die detaillierten vergleichenden „Tank to Wheel“
Berechnungen berücksichtigen zudem wichtige fahrzeugbezogene Nebenverbraucher, wie
Heizung und Klimatisierung, die insbesondere im Stadtverkehr eine entscheidende Rolle
spielen. Anschließend wurde eine Bewertung der Potenziale der Antriebsvarianten
hinsichtlich Energieverbrauch sowie CO2-Äquivalent-Emissionen basierend auf dem
österreichischen Primärenergieverbrauch vorgenommen.
Die einleitende Marktstudie gibt einen Überblick über die relevanten Entwicklungen auf dem
Sektor der Hybridtechnologie in Europa, USA und Asien. Zudem wurden die klimarelevanten
Auswirkungen
und
Beiträge
dieser
umweltfreundlichen
Antriebsalternative
für
Personenfahrzeuge erörtert.
Weiters wurde eine kurze Einführung in die theoretischen Grundlagen von Elektroantrieben
für den mobilen Anwendungsbereich gegeben.
Die Untersuchungsergebnisse der Studie zeigen, dass unter typischen Einsatzbedingungen
(Stadtverkehr, Autobahn und Überland) lediglich der Hybrid-, sowie unter Berücksichtigung
gewisser
Reichweiteneinschränkungen
Nutzungseigenschaften
wie
die
der
VKM
aufweisen.
Brennstoffzellenantrieb
Weiters
können
gleiche
Hybrid-
und
Brennstoffzellenfahrzeug, bezogen auf den österreichischen Einsatz von Primärenergie,
einen niedrigeren Energieverbrauch erzielen.
Schlussendlich wurden die Marktentwicklungsmöglichkeiten der Hybridtechnologie in
Österreich,
die
Auswirkungen
Handlungsempfehlungen
auf
diskutiert.
Ein
den
Technologiestandort
abschließender
Business
betrachtet
Case
sowie
für
die
Teilumstellung einer durchschnittlichen Taxiflotte auf die in der Studie behandelten
Antriebsvarianten zeigt, dass die hohen Anschaffungskosten von Hybridfahrzeugen durch
die Ersparnis von Treibstoffkosten zum momentanen Zeitpunkt nicht amortisiert werden
können.
62
Quellenverzeichnis
[1]
Stiegeler M.: Dissertation „Entwurf einer vorausschauenden Betriebsstrategie für
parallele hybride Antriebsstränge“, Universität Ulm, 2008
[2]
Schwingshackl M.: Diplomarbeit „Simulation von elektrischen Fahrzeugkonzepten für
PKW; Verbesserungspotential der Elektromobilität bei Verbrauch und Emissionen im
Lebenszyklus“; Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik der
Technischen Universität Graz
[3]
N.N.: „Toyota spurtet mit Hybrid-Fahrzeugen der Konkurrenz auf und davon“; in
http://www.vdi-nachrichten.com/vdinachrichten/aktuelle_ausgabe/article.asp?cat=2&id=20483&source=archiv,
Stand Jänner 2010
[4]
N.N.: U.S. Department of Energy; „Faszination Hybrid“
[5]
Wedam S.: „Schauplatz Mobilität: Evolution oder Revolution in der
Antriebstechnologie?“, Vortrag: Robert Bosch AG, Schauplatz Mobilität, Linz, 2009
[6]
N.N.: “Status and Prospects for Zero Emissions Vehicle Technology”;
Report
of
the
ARB
Independent
Expert
Panel
2007:
http://www.arb.ca.gov/msprog/zevprog/zevreview/zev_panel_report.pdf; Stand Jänner
2010
[7]
N.N.:
http://www.hybridzukunft.at/?WT.mc_id=modelle/prius0905&WT.adsite=www.google.at
&WT.srch=1; Stand Jänner 2010
[8]
N.N.: http://www.honda.at/content/automobile/modelle_civic_hybrid.html; Stand Jänner
2010
[9]
N.N.:
http://www.lexus.at/range/index.aspx?WT.mc_id=LexSEM_2008_ModelsC&WT.srch=1
&WT.adsite=Google; Stand Jänner 2010
[10] N.N.:http://www.focus.de/auto/news/wien-oesterreich-hohe-auszeichnung-fuermercedes-hybrid_aid_403119.html; Stand Jänner 2010
[11] N.N.:http://www.auto-motor.at/Auto/Autos-Neuwagen/Automarken-AutomodelleNeuigkeiten/VW-News/VW-Scirocco-Golf-TDI-Diesel-Hybrid.html
;
http://www.volkswagen.at/rund_um_vw/bluemotiontechnologies/die_technologie/innova
tionen/; Stand Jänner 2010
[12] A. Schneuwly, J. Auer: Energiespeicher fürs Auto, www.elektroniknet.de; Stand Jänner
2010
[13] G. Schürmann, R. Madlener, A. Hackbarth: „Plug-in Hybridfahrzeuge:
Marktentwicklung, Marktchancen und ökonomisch interessante Fragestellungen“, FCN,
2009, S.13
[14] U.S.
Environmental
Protection
http://www.fueleconomy.gov/feg/hybrid_sbs.shtml; Stand Jänner 2010
Agency;
[15] N.N.: http://www.wupperinst.org/uploads/tx_wibeitrag/WB1-2008.pdf; Stand Jänner
2010
[16] N.N.: Projekt „ELEKTRA“ der Technischen Universität Wien, Institut für Elektrische
Anlagen und Energiewirtschaft (veröffentlicht im September 2009). Seiten 31 ff.
63
[17] N.N.: „Hybrid Battery Toxicity” aus: http://www.hybridcars.com/battery-toxicity.html;
Stand Jänner 2010
[18] N.N.: Zentrum für Kfz-Leistungselektronik und Mechatronik (ZKLM) des FraunhoferInstitut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB)
[19] N.N.: http://www.bonavita.info/hybrid-fuer-alle.htm; Stand Jänner 2010
[20] Schuster A.: “Eigenschaften heutiger Batterie- und Wasserstoffspeichersysteme für
eine nachhaltige elektrische Mobilität”, 6. Internationale Energiewirtschaftstagung an
der TU Wien, Februar 2009
[21] Kötz R., Dietrich Ph., Hahn M., Bücchi F.: „Supercaps – Eigenschaften und
Fahrzeuganwendungen“, VDI-Berichte Nr. 1874, Seite 175-188, 2005
[22] Ping Zheng, Ranran Liu, Qian Wu, Chengde Tong, Zhangjun Tang: “CompoundStructure Permanent-Magnet Synchronous Machine Used for HEVs”, IEEE-ICEMS
2008, pp 2916-2920, October 2008
[23] Ranran Liu, Hui Zhao, Chengde Tong, Gang Chen, Ping Zheng, Gang Gu:
“Experimental Evaluation of a Radial-Radial-Flux Compound-Structure PermanentMagnet Synchronous Machine Used for HEVs”, IEEE Transactions on Magnetics, Vol.
45, Issue 1, Part 2, pp 645-649, January 2009
[24] Nordlund E., Sadaragani C.: “The Four-Quadrant Energy Transducer”, IEEE-IAS 2002,
Vol. 1, pp 390-397, October 2002
[25] Williamson S., Lukic M., Emadi A.: “Comprehensive Drive Train Efficiency Analysis of
Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles based on Motor-Controller Efficiency Modeling”,
IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 21, Issue 3, pp 730-740, May 2006
[26] Williamson S., Lukic M., Emadi A.: “Comprehensive Efficiency Modeling of Electric
Traction Motor Drives for Hybrid Electric Vehicle Propulsion Applications”, IEEE
Transactions on Vehicular Technology, Vol. 56, Issue 4, Part 1, pp 1561-1572, July
2007
[27] Mokhtari H., Tara E., “Efficiency Map of a Swichted Reluctance Motor using Finite
Element Method in Vehicular Applications”: IEEE-ICPE 2007, pp 644-649, Oct. 2007
[28] Lukic S.M., Emado A.: “Modeling of Electric Machines for Automotive Applications
using Efficiency Maps”, Proc. of the Electrical Insulation Conference and Electircal
Manufacturing & Coil Winding Technology Conference, pp 543-550, Sept. 2003
[29] Conseca A., Chillet Ch., Atienza E., Bui-Van A.L, Bigeon J.: “New Modelling
Methodology for different PM Motors for Electric and Hybrid Vehicles”, IEEE-IEMDC
2001, pp 173-178, 2001
[30] U.S. Department of Energy, “Evaluation of 2004 Toyota Prius Hybrid Electric Drive
System”, prepared by Oak Rige National Labaratory, 2005, www.osti.gov
[31] U.S. Department of Energy, “Evaluation of 2005 Honda Accord Hybrid Electric Drive
System”, prepared by Oak Rige National Labaratory, 2006, www.osti.gov
[32] U.S. Department of Energy, “Evaluation of 2007 Toyota Camry Hybrid Electric Drive
System”, prepared by Oak Rige National Labaratory, 2008, www.osti.gov
[33] Schuster A.: “Eigenschaften heutiger Batterie- und Wasserstoffspeichersysteme für
eine nachhaltige elektrische Mobilität”, 6. Internationale Energiewirtschaftstagung an
der TU Wien, Feb. 2009
[34] Kötz R., Dietrich Ph., Hahn M., Bücchi F.: „Supercaps – Eigenschaften und
Fahrzeuganwendungen“, VDI-Berichte Nr. 1874, Seite 175-188, 2005
64
[35] Stumberger R.: „Hochdynamische Regelung von Drehfeldmaschinen unter
Berücksichtigung der maximalen thermischen Ausnutzung der Leistungshalbleiter“,
Dissertation, Technische Universität Wien, 2010
[36] Brahma A., Guezennec Y., Rizzoni G.: Optimal Energy Management in Series Hybrid
Electric Vehicles. Proceedings of the American Control Conference, Chicago, Illinois,
June 2000, IEEE-Paper 0-7803-5519-9
[37] Dabney J., Harman T.: Mastering Simulink. 2004, Pearson Education, New Jersey,
ISBN 0-13-142477-7
[38] Epple W., Truckenbrodt A., Noreikat E., Nitz L.: The Two-Mode-Hybrid-System BMW,
DaimlerChrysler, General Motors.
In: Proceedings zum 4. Symposium “Hybrid Vehicles and Energy Management” in
Braunschweig, 2007, Seiten 243ff.
[39] Guzzella L., Sciarretta A.: Vehicle Propulsion Systems, Introduction to Modeling and
Optimization. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2005, ISBN 3-540-25195-2, Seite 117
[40] Hohenberg G., Indra F.: Theorie und Praxis des Hybridantriebs am Beispiel Lexus RX
400h. In: Kurzfassung zum Vortrag beim 27. Wiener Motorensymposium 2006
[41] Jeongwoo L.: Rotating Inertia Impact on Propulsion and Regenerative Braking for
Electric Motor Driven Vehicles. Thesis Work, Virginia State University, 2005, Seite 63
[42] Koot M., de Jager, B. et al.: Energy Management Strategies for Vehicular Electric
Power Systems. IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 54 No. 3, May 2005,
IEEE-Paper 0018-9545
[43] Liu J., Peng H., Filipi Z.: Modeling and Analysis of the Toyota Hybrid System.
Proceedings of the IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent
Mechatronics, Monterey, California, July 2005, IEEE-Paper 0-7803-9046-6
[44] Wältermann, P.: Modelling and Control of the Longitudinal and Lateral Dynamics of a
Series Hybrid Vehicle. Proceedings of the 1996 IEEE International Conference on
Control Applications, Dearborn, Michigan, September 1996, IEEE-Paper 0-7803-29759
[45] Nitsche, Ch.: Dissertation „Model-based On- and Off-board Diagnostics for Fuel Cell
Power-trains of a Global Vehicle Fleet“. Betreuer: E. Pucher, TU Wien, 2008.
[46] L. Cachón, E. Pucher: “Fuel Consumption Simulation Model of a CNG Vehicle based
on Real-world Emission Measurement”; SAE Technical Paper Series, (2007), Paper-Nr.
2007-24-0114
[47] A. Sekanina, E. Pucher, K. Gruber, H. Kronberger: “Fuel Cell Vehicle Efficiency
Optimization by Advanced Fuel Cell Design and Drive Train Simulation”; SAE Technical
Paper Series, (2007), Paper-Nr. 2007-24-0072
[48] E. Pucher, D. Tóth, L. Cachón, D. Weissenberger: „Real World Emission Measurement
of Conventional and Hybrid Light Duty Vehicles with Increased Bio Fuel Blends”;
Vortrag: FISITA 2008 World Automotive Congress, München; 15.09.2008 19.09.20068; in: "FISITA 2008 World Automotive Congress", F2008-09-039.
[49] E. Pucher, D. Tóth, L. Cachón, T. Raetzsch, D. Weissenberger: „ Real World and
Chassis Dynamometer Emission Measurement of a Turbocharged Gasoline Vehicle
with increased Bio Fuel Blend”; SAE Technical Paper Series, (2008), Paper-Nr. 2008-01768
[50] Oberösterreichischer Automobilcluster
[51] http://www.ipg.de/fileadmin/downloads/Veroeffentlichungen/V151_AVL_Hybrid_ATZMTZ-Konferenz_200611.pdf; Stand Jänner 2010
65
[52] http://www.keba.com/de/energieautomation/kecontact-stromladestation/referenzen/;
Stand Jänner 2010
[53] http://www.bosch.at/content/language1/html/715_6543.htm; Stand Jänner 2010
[54] www.ots.at/presseaussendung/OTS_20100223_OTS0088; Stand Jänner 2010
[55] International Energy Agency: IA-HEV Outlook, March 2009
[56] http://www.iea.org/weo/docs/weo2009/climate_change_excerpt.pdf; Stand Jänner 2010
[57] IEA; Anmerkung: ICE = internal combustion engine (= Verbrennungskraftmotor)
[58] http://www.rolandberger.com/company/press/releases/Global_sales_of_electric_vehicle
s_de.html; Stand Jänner 2010
[59] http://www.atkearney.de/content/veroeffentlichungen/pressemitteilungen_detail.php/id/5
0827/practice/automotive ; Stand Jänner 2010
[60] http://www.atkearney.de/content/veroeffentlichungen/pressemitteilungen_detail.php/id/4
9909/practice/automotive ; Stand Jänner 2010
[61] http://www.statistik.at/web_de/statistiken/verkehr/strasse/kraftfahrzeuge__neuzulassungen/index.html; Stand Jänner 2010
[62] Haas, R. et al. (2008): ALTANKRA - Szenarien der (volks) wirtschaftlichen Machbarkeit
alternativer Antriebssysteme und Kraftstoffe im Bereich des individuellen Verkehrs bis
2050; Technische Universität Wien, Institut für Elektrische Anlagen und
Energiewirtschaft
[63] Haas, R. et al. (2009): ELEKTRA - Entwicklung von Szenarien der Verbreitung von
PKW mit teil- und voll-elektrifiziertem Antriebsstrang unter verschiedenen politischen
Rahmenbedingungen; Technische Universität Wien, Institut für Elektrische Anlagen
und Energiewirtschaft. Seite 61
[64] AVL Fact Sheet;
http://www.avl.com/wo/webobsession.servlet.go?app=bcms&page=view&nodeid=4000
13015; Stand Jänner 2010
[65] http://www.ots.at/presseaussendung/OTS_20080627_OTS0249#; Stand Jänner 2010
[66]
Continental, über 8.000 Befragte in 8 Ländern
[67]
Adaptiert nach Stockmar 2009, „Alternative Antriebe – die ultimative Lösung“
66