Elektrofahrzeuge und die 12-V-Batterie

Der Begriff Hybrid bedeutet nur, dass mehr als eine Energiequelle für den Betrieb des Fahrzeugs zur Verfügung steht. Tatsächlich gelten Fahrzeuge mit Start-Stop-Technik bereits als "Micro-Hybrid"-Fahrzeuge, da hier die 12-V-Batterie bei abgeschaltetem Motor als zweite Energiequelle fungiert.

Die Weiterentwicklung des "Micro-Hybrid" war der so genannte "Mild-Hybrid", bei dem eine 48-V-Li-Ionen-Batterie zur Versorgung besonders energiehungriger Verbraucher eingebaut wird. Obwohl diese beiden Systeme bereits als Hybride bezeichnet werden, fehlt ihnen ein entscheidendes Merkmal, das lange Zeit mit "Hybrid-Elektroautos" in Verbindung gebracht wurde: Rein elektrisches Fahren ohne die Hilfe des Verbrennungsmotors.

Der Unterschied zwischen Vollhybrid- und Plug-in-Hybrid-Fahrzeugen

Der Begriff "Hybrid-Elektrofahrzeug" beschreibt eigentlich zwei verschiedene Konzepte. Das "Full Hybrid Electric Vehicle" (FHEV, meist abgekürzt als HEV) und das "Plug-in Hybrid Vehicle" (PHEV). Beiden Ansätzen gemeinsam ist, dass die Fahrzeuge über eine Hochvolt-Lithium-Ionen-Batterie verfügen und somit rein elektrisch gefahren werden können.

Der Unterschied zwischen den beiden Systemen liegt in der Ladestrategie für die Hochvolt-Batterie. Bei einem HEV kann die Batterie ausschließlich durch den Verbrennungsmotor oder durch Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation) geladen werden. Bei einem PHEV kann die Batterie auch an einer Ladestation aufgeladen werden, wie bei einem reinen Elektrofahrzeug, daher der Begriff Plug-in". Aufgrund der begrenzten Lademöglichkeiten ist die Kapazität der Antriebsbatterie in einem HEV im Allgemeinen geringer als in einem PHEV. Aufgrund der geringeren Kapazität der Batterie sind auch die rein elektrisch zurücklegbaren Strecken bei einem HEV kürzer als bei einem PHEV.

PHEV-Aufbau, mit kleinerem Kraftstofftank, aber größerer Batterie mit externem Ladeanschluss für eine größere elektrische Reichweite.

Beide Systeme ermöglichen rein elektrisches und damit lokal emissionsfreies Fahren. Dank des zusätzlichen Verbrennungsmotors kann das Fahrzeug auch auf langen Strecken uneingeschränkt genutzt werden. Wenn der Verbrennungsmotor nicht genutzt wird, verhält sich ein Hybridelektrofahrzeug wie ein reines Elektroauto.

Vor- und Nachteile von HEVs und PHEVs

Heute stehen alle Zeichen auf Elektroantrieb als Antriebssystem der Zukunft. Es ist jedoch noch nicht klar, welches Energiespeichersystem sich durchsetzen wird. Die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterietechnik und der Brennstoffzellen ist derzeit sehr dynamisch, so dass in beiden Bereichen enorme Fortschritte erzielt werden. In beiden Bereichen geht es neben technischen Innovationen auch um Skalierbarkeit und Kostensenkung in der Produktion.

Der Schwerpunkt der technischen Entwicklungen bei Antriebsbatterien liegt weiterhin in der Erhöhung der Energiedichte. Ziel ist es, die Batterien kleiner und leichter zu machen, ohne dass die Kapazität, d. h. die Reichweite des Fahrzeugs, abnimmt. Gleichzeitig wird versucht, die chemische Zusammensetzung der Batteriezellen zu optimieren, um den Anteil an kritischen Metallen wie Kobalt auf ein Minimum zu reduzieren.

Auch wenn bereits einige wasserstoffbetriebene Autos auf dem Markt sind, ist die Massenproduktion von Brennstoffzellenantrieben noch weiter entfernt als die von Lithium-Ionen-Batterien. Die derzeitige Entwicklung konzentriert sich auf die Reduzierung des Platinbedarfs in der Brennstoffzelle, um die Kosten deutlich zu senken. Weitere Fortschritte werden bei der Robustheit und Langlebigkeit der Brennstoffzellenmembran erzielt.

Abgesehen vom Energiespeichersystem ist die Antriebsstrang-Architektur von Battery Electric Vehicles (BEVs) und Fuel Cell Electric Vehicles (FCEVs) weitgehend vergleichbar.

1. 12-Volt-Batterie
2. DC/DC-Wandler
3. große Hochspannungs-LiIon-Batterie
4. AC/DC-Wandler
5. Hoch-Hochspannungs-Fahrmotor
6. Elektrische Stromquelle (Ladestation/Wallbox)

Das FCEV verwendet einen Wasserstofftank, eine Brennstoffzelle und eine kleine Li-Ionen-Batterie als Zwischenspeicher für den Elektroantrieb.

1. 12-Volt-Batterie
2. DC/DC-Wandler
3. Große Hochspannungs-LiIon-Batterie
4. AC/DC-Wandler
5. Hoch-Hochspannungs-Fahrmotor
6. Brennstoffzelle
7. Wasserstofftank

Vor- und Nachteile von BEVs und FCEVs

• Weniger komplexer Antriebsstrang als bei HEVs, dadurch potenziell geringere Wartungskosten
• Hohes Drehmoment und gute Fahrdynamik durch reinen Elektroantrieb
• Lokal emissionsfreies Fahren
• Bei BEV: Geringe Betriebskosten in Verbindung mit einer privaten Photovoltaikanlage

• Weniger flächendeckendes Netz an Wasserstofftankstellen und Ladestationen im Vergleich zu konventionellen Tankstellen
• Lange "Betankung" für BEVs
• Viele Modelle nur bedingt langstreckentauglich
• Ohne Subventionen, teurer als vergleichbare konventionelle Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor

Das Niederspannungssystem in jedem Elektrofahrzeug

Fazit