3.2 Antriebsmaschinen - Alternative Antriebe Flashcards
Verbrauch fossiler Kraftstoffe reduzieren wegen
- begrenzter Vorräte
- CO2
Optimal:
- Kraftstoffe aus Biomasse (Alkoholbetrieb mit Ethanol).
- Elektr. Energie und Wasserstoff aus Kernenergie, Solarenergie oder Brennstoffzelle.
Lieferkennfeld verschiedener Antriebsarten
Hubkolbenmotor
Betriebsarten
- Alkoholbetrieb
- Rapsölbetrieb
- Wasserstoffbetrieb
- Flüssigerdgas LNG (liquified natural gas)
Alkoholbetrieb
- Ähnlich Ottomotor oder Dieselmotor
- Alkoholkraftstoffe: Ethanol, Methanol
- Mischbetrieb Benzin – Alkohol möglich, Sensor ermittelt Mischungsverhältnis
Rapsölbetrieb
- Aufbau des Motors: Dieselmotor
- Kraftstoffherstellung aus Rapsöl
Wasserstoffbetrieb
- Aufbau des Motors: Modifizierter Ottomotor
- Kraftstoffherstellung aus Wasser (durch Elektrolyse), Verbrennung zu H2O
Flüssigerdgas LNG (liquified natural gas)
- Aufbau des Motors: Dieselmotor, Otto-Motor
- Kraftstoff: Methangemisch
+ saubere Verbrennung
+ THG-Emissionen
- Tankgröße
- Infrastruktur
Gasturbine
- 4 Takten, aber an verschiedenen Stellen
- alle gängigen Kraftstoffe
Schematischer Aufbau einer Fahrzeug – Gasturbine
Elektroantrieb
2 Motortypen:
- Gleichstrommotor
- Drehstrommotor
Gleichstrommotor
drehbar gelagerter Teil (Rotor, auch Anker genannt) rotiert im feststehenden Teil (Stator)
Kommutator und Kohlebürsten
Gleichstrommotor, Unterscheidung in zwei Klassen
nach Art der Erzeugung des Erregerfeldes:
- Elektrisch erregte Motoren
- Permanenterregte Motoren
Elektrisch erregte Motoren
Arten
- Reihenschlussmotor, auch Hauptschlussmotor
- Nebenschlussmotor
- Doppelschlussmotor (auch Verbund-/Kompoundmotor)
- Fremderregter Motor
Reihenschlussmotor
Facts
- Anker und Erregerwicklung liegen in Reihe
- Generatorbetrieb -> Bremswirkung
- auch an Wechselspannung (Universalmotor)
- höchste Anlaufmoment im Stillstand bei gleichzeitig geringerem Einschaltstrom
Nebenschlussmotor
- Anker und Erregerwicklung liegen parallel
- große Ausführungen beinahe lastunabhängig
- Betrieb an Wechselstrom nicht sinnvoll
- verändert bei Drehmomentschwankungen Drehzahl kaum
Doppelschlussmotor (auch Verbund-/Kompoundmotor)
- vereint die Eigenschaften von Reihen- und Nebenschlussmotor
- Erregerwicklung zum Teil in Reihe und zum Teil parallel zur Ankerwicklung
Fremderregter Motor
- Erreger- und die Ankerwicklung aus separaten Stromkreisen gespeist
- Ströme IA im Motor können durch veränderbare Widerstände (RA) eingestellt werden
Permanentmagneterregte Motoren
- Magnetfeld durch Permanentmagnete erzeugt und ist unveränderlich
+ Wirkungsgrad, da keine Energie für Erzeugung des Magnetfeldes benötigt
- hohen Einschaltstrom wie fremderregte
Vor- und Nachteile der Gleichstrommaschine
+ Anlaufmoment
+ Regelbarkeit
- Einschaltströme
- Wartungsaufwand
Drehstrommotor
- drehbaren (Rotor) und einen feststehenden Teil (Stator)
- im Stator ein magnetisches Drehfeld
- nach der Art der Erzeugung des Rotorfeldes in die Synchron- und die Asynchronmotoren
Synchronmotor
- Motordrehzahl die gleiche wie die des Drehfeldes
- Polradwinkel: Differenz zwischen Rotor und Drehfeld
- können nicht aus dem Stand anfahren
Gleichstromerregte Synchronmaschine
Vor- und Nachteile des Synchronmotors
+ Wirkungsgrad, Leistungsdichte
+ Wartungsarm
+ Geringer/Kein Errergerstrom
- Teures Magnetmaterial
- Aufwändige Regelung
Asynchronmotor
keine direkte Erregung des Rotors durch Stromzufuhr oder Permanentmagnete
- Zur Drehmomentabgabe muss sich Rotor langsamer drehen als das Statorfeld
- Schlupf: prozentuales Verhältnis zwischen den beiden Drehzahlen
- Kippmoment: Wird dieses durch die Belastung überschritten, bleibt die Maschine stehen.
2 Asynchronmaschinen
- Schleifringläufermotor
- Kurzschlussläufermotor
Vor- und Nachteile des Asynchronmotors
+ einfacher Aufbau
+ robust
+ wartungsarm
- nur 3-Phasen Wechselstrom
- kleines Anlaufdrehmoment
Eigenschaften von Elektromaschinen
Einsatz im Fahrzeugbau
Gleichstrommotoren
Drehstrommotoren
- Gleichstrommotoren: untergeordnete Rolle, nur kleine Fahrzeuge
- Drehstrommotoren:
- besserer Wikrungsgrad, geringer Geräuschpegel
- Robustheit, Lebensdauer und Wartung
- -> beliebt im Fahzeugbau
Antriebskonzepte
Radnabenmotoren
Einmotor-Antrieb (Zentralmotor)
Mehrmotor-Antrieb
Radnabenmotoren
- Motoren im Rad (2 oder 4)
- Innen- oder Außenläufer
+ Platzersparnis
+ keine Reibungsverluste
- teuer
- geringe Leistung
Einmotor-Antrieb (Zentralmotor)
- ein Motor verwendet und die Kraft wird dann über einen Antriebsstrang auf die Räder verteilt
- Differenzial und Antriebswellen
+ nur ein Motor, leichtere Regelung
+ Hybridantrieb leichter
- Reibungsverluste
- Antriebsstrang
- Platzbedarf
Mehrmotor-Antrieb
- statt einem Zentralmotor mehrere kleinere Motoren
- sitzen in Karrosserie
- 2-/4-Rad getrieben
+ Gewichtsverteilung
+ kleinerer Antriebsstrang
- Regelaufwand
- Platzverluste
Anforderungen an das Batteriesystem
- Crashsicherheit
- Betriebssicherheit
- Servicesicherheit
Bewertungskriterien für Traktionsbatterien
- Ladedauer
- Reichweite
- Kosten
- Sicherheit
- Toxizität
Wirkungsgrad und Emission E-Motoren
+ guter Wirkungsgrad (Nennwirkungsgrad 85-95%)
+ Energieeinsparungsmöglichkeiten (geringere Reibungsverluste durch den reduzierten Antriebsstrang und durch den Wegfall verschiedener Komponenten)
- sehr hohe Gewicht und Preis der Batterien
- niedrige Energiedichte
- Reichweite
- Aufladen (Stromnetz)
Solarzellen
Herstellung von Solarzellen energieintensiv, hohe „Energierücklaufzeit“
Brennstoffzelle
- Elektrochemischer Energieumwandler
- in elektrolytischer Zelle wird chemische Energie in elektrische Energie gewandelt
+ keine Entladung (wie Batterie)
+ keine langwierige Aufladung (wie Akku)
- Aufbau
- Sandwichbauweise
- Elektrolyt
- Elektroden
- Bipolarplatten
- ZELLREAKTION:
- 2 H2 + O2 → 2 H2O. (bei 80 – 100 °C)
- Protonenwanderung erzeugt Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden
+ Wirkungsgrad 50-60%
+ je nach Wassserstoffherstellung keine toxischen Emissionen
Erzielbare Wirkungsgrade als Funktion der Leistung von konkurrierenden Techniken
Hybridantrieb
- Elektroantrieb mit Otto- oder Dieselmotor für größere Reichweiten
-
Serielles Hybridsystem: Antrieb über Elektromotor
- Verbrennungsmotor nur zur Stromerzeugung
- Plug-in E-Fahrzeug (+ Range Extender)
-
Paralleles Hybridsystem: Antrieb wahlweise oder gleichzeitig
- mechanische Addition beider Antriebsquellen möglich
- “Add-on”
-
Seriell-paralleles Hybridsystem: leistungsverzweigter Antrieb
- Aufteilung der Leistung des Verbrennungsmotors in mechanischen und elektrischen Zweig
Vor- und Nachteile von Hybridfahrzeugen
Vorteile im Vergleich zu …
… konventionelles KFZ
+ Verbrauchsreduzierung
+ Geräuschreduzierung
… Elektrofahrzeug
+ Infrastruktur
+ Reichweite
Nachteile
- Gewicht
- Kosten
- Energieverbraucht Herstellung
Drehmoment und Leistung bei Verbrennungs- und Elektromotoren.
Prinzipieller Aufbau verschiedener Hybrid-Systeme
Antriebskonzepte
Hybrid - Anfahren
Beim Anfahren wird das hohe Drehmoment des Elektromotors bei geringen Geschwindigkeiten genutzt
- Antrieb über Elektromotor
- Energie aus der Batterie
- Benzinmotor bleibt ausgeschaltet
- Benzinmotor läuft nur bis er warm gelaufen ist.
Hybrid - Niedrige bis mittlere Geschwindigkeit
Energieeffizientes Fahren mit dem Elektroantrieb
- Bei Benzinmotor kein optimaler Wirkungsgrad im niedrigen Teillastbereich
- BeiElektromotorhierhoheEffizienz
- Daher Antrieb mit Elektromotor über gespeicherte elektrische Energie der Batterie
- Bei niedrigem Batteriestand treibt der Benzinmotor den Generator an und erzeugt Strom.
Hybrid - Normaler Fahrbetrieb
Energiesparendes Fahren mit dem Benzinmotor als Hauptantrieb
- Antrieb mit Benzinmotor im höheren Geschwindigkeitsbereich
- Planetengetriebe als Kraftweiche:
- Teilweise direkter Antrieb der Räder durch Benzinmotor
- Teilweise Antrieb der Räder über den Pfad Generator – Steuereinheit – Elektromotor
- Dadurch Realisierung eines stufenloses Getriebes.
Hybrid - Normaler Fahrbetrieb / Aufladen der Batterie
Aufladen der Batterie mit überschüssiger Energie
- Optimale Auslastung des Benzinmotors
- Entstehender Leistungsüberschuss wird in elektrische Leistung umgewandelt
- Speicherung in Batterie
Hybrid - Volle Leistung
Mehr Kraft am Berg und beim Überholen
- Bei Bedarf speist die Batterie zusätzliche Energie in das System
- DadurchzusätzlicheLeistungfürElektroantrieb
- Durch Kombination von Benzin- und Elektromotor Beschleunigung wie bei einem Fahrzeug der nächst höheren Klasse
Hybrid - Abbremsung / Rückgewinnung von Energie
Rückgewinnung der Energie beim Bremsen
- Beim Verzögern wirkt Elektromotor als Generator
- Kinetische Energie des Fahrzeugs wird in elektrische Energie gewandelt
- Speicherung in Batterie
Hybrid - Im Stillstand
Alle Antriebselemente ausgeschaltet
- Benzin- und Elektromotor sowie Generator automatisch ausgeschaltet
- Kein Energieverlust im Leerlauf
- Bei niedrigem Ladestand der Batterie und bei Betrieb der Klimaanlage läuft der Benzinmotor (in manchen Fällen) weiter, um die Batterie aufzuladen.
Planetengetriebe zur Verwendung als Kraftweiche
