Energie kann in vielen Formen gespeichert werden – Hersteller von Elektrofahrzeugen wissen das zu schätzen

Im Vergleich zu fossilen Brennstoffen ist Elektrizität sauber, einfach zu speichern und wesentlich nachhaltiger. Sie ist auch einfacher zu erzeugen, wenn Sie die richtige Ausrüstung haben. Es hat sich herausgestellt, dass sich Elektromotoren auch hervorragend als Generatoren eignen.

Warum also nicht die Bewegungsenergie Ihres Fahrzeugs nutzen, um Ihre Batterie aufzuladen? Natürlich funktioniert das so genannte regenerative Bremsen genau nach diesem Prinzip, aber wie effizient ist es und kann es wirklich einen so großen Unterschied ausmachen?

Die Auswirkungen der Elektromobilität sind erheblich, vor allem jetzt, wo sich die führenden OEMs ein Kopf-an-Kopf-Rennen mit Start-ups liefern. Das Zeitalter der vollelektrischen Fahrzeuge rückt zweifellos schnell näher.

In einigen Ländern ist eine deutliche Abkehr von benzin- und dieselbetriebenen Fahrzeugen und ein Umstieg auf Elektroautos, -busse und -lastwagen zu beobachten, insbesondere in Ländern, in denen staatliche Anreize oder Gesetze die Entscheidungen der Verbraucher beeinflussen. Diese Entwicklung ist umso bedeutender, als die Ladeinfrastrukturen in den meisten Ländern noch nicht vollständig installiert sind.

Ist die Reichweitenangst real?
Für die Verbraucher ist der Zugang zu Schnellladestationen mit hoher Ladeleistung – und sogar mit geringer Ladeleistung – ein echtes Problem. Die so genannte Reichweitenangst wird oft als Hauptgrund dafür genannt, dass sie den Schritt zum Elektrofahrzeug nicht wagen. Einige Branchenkommentatoren sind jedoch der Meinung, dass die Reichweitenangst absolut überbewertet wird und im Prinzip ein völliger Mythos ist. Dahinter könnte eine gewisse Logik stecken.

So ist beispielsweise die Reichweite im Grunde die verfügbare Energie geteilt durch den Energieverbrauch. Das Gleiche gilt für Verbrennungsmotoren. Ein Sensor misst die Menge des Kraftstoffs im Tank, während ein anderer die Geschwindigkeit misst, mit der der Kraftstoff in den Motor fließt. Die meisten wissen, dass diese Zahl nur ein Richtwert ist und nur für die aktuellen Fahrbedingungen gilt. Wenn Sie Zweifel an dieser Aussage haben, lassen Sie sich die verbleibende Reichweite anzeigen, wenn Sie einen steilen Berg hinauffahren. Höchstwahrscheinlich wird die angezeigte Restreichweite schnell sinken. Sobald Sie jedoch den höchsten Punkt der Bergstraße erreicht haben und es bergab geht, wird der angezeigte Wert wieder steigen.

Was jedoch nicht ansteigt, ist die tatsächlich verbleibende Reichweite im Tank. Bei einem konventionellen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor ist die Energie, die für die Steigung aufgewendet wird, nämlich verloren: sie ist aufgebraucht. Die potenzielle Energie, die während des Aufstiegs zum höchsten Punkt gewonnen wird, wird auf dem Weg nach unten wieder freigesetzt, aber der Nettoertrag ist gleich Null. Kurz gesagt, Sie können keinen einzigen Tropfen Kraftstoff in den Tank zurückfüllen, wenn Sie einen steilen Berg hinunterfahren.

Bei einem Elektrofahrzeug ist das anders. Wenn ein Elektrofahrzeug ausrollt, wird der Motor vom Netto-Energieverbraucher zum Netto-Energieerzeuger. Die Hersteller bezeichnen dies als regeneratives Bremsen, obwohl Sie die Bremsen möglicherweise gar nicht benutzen. Die Räder übertragen die im Fahrzeug gespeicherte kinetische Energie auf den Elektromotor. Sie kann dann genutzt und in die Batterie zurückgespeist werden. Wenn Sie genügend Hügel hinunterfahren würden (ohne sie wieder hinaufzufahren), dann würde Ihre Batterie nie leer werden. Das ist natürlich nur ein weiteres Beispiel für die Unmöglichkeit des Perpetuum mobile.

Aber wie nahe können wir einem Perpetuum mobile kommen?
Wir können zwar nicht mehr Hügel hinunterfahren, als wir hinauffahren, aber es gibt dennoch eine weitere Möglichkeit, wiedergewonnene Energie in die Batterie eines Elektrofahrzeugs zurückzuspeisen. Wenn Sie ein Elektrofahrzeug abschleppen, wird Energie in die Batterie des Fahrzeugs übertragen. Regenerative Energie ist ein Thema, das die meisten Automobilhersteller in ihrem Marketing immer stärker hervorheben – aber die Effizienz, mit der das geschieht, wird nicht wirklich erwähnt. Man geht wahrscheinlich einfach davon aus, dass der Wechselrichter im regenerativen Modus genauso effizient arbeitet, aber ist das wirklich der Fall?

In der Realität ist der Wirkungsgrad eines Wechselrichters in umgekehrter Richtung, d. h. wenn er als Gleichrichter arbeitet, nicht unbedingt derselbe. Die in der Batterie gespeicherte Energie liegt als Gleichstrom vor. Im Antriebsstrang wird jedoch wahrscheinlich ein Wechselstrom-Induktionsmotor verwendet. Daher wird ein Wechselrichter benötigt. Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom (in der Regel drei Phasen) um. Wenn das Auto ausrollt, muss der Wechselrichter schnell in den umgekehrten Modus wechseln und den vom Motor kommenden Wechselstrom wieder in Gleichstrom umwandeln, um die Batterie wieder aufzuladen.

Ein Perpetuum mobile gibt es zwar in der Realität nicht, aber regenerative Energie hat das Potenzial, diesem Prinzip recht nahe zu kommen. Der Hauptverlust entsteht dabei, wie immer, in Form von Wärme. In diesem Fall ist es die Wärme, die von den Schalttransistoren im Wechselrichterkreis erzeugt wird. Diese Wärme ist ein Nebenprodukt der Ineffizienz der Transistoren beim Schalten.

Regeneratives Bremsen effizienter machen
Neue Technologien haben in diesem Bereich tatsächlich einen spürbaren, positiven Einfluss. Neben Wechselrichtern werden in Elektrofahrzeugen häufig auch Gleichrichter benötigt, um die Batterie über das Stromnetz zu laden. In beiden Fällen sind Hochleistungstransistoren die entscheidenden Komponenten für die Gesamteffizienz.

Der Gleichrichter im Ladegerät ist speziell für das Laden, nicht für das Wiederaufladen, optimiert. In ähnlicher Weise ist der Wechselrichter für den Motor für den Antrieb des Motors optimiert. Wenn er zu einem Gleichrichter wird, ist er in der Regel nicht mehr so effizient. Doch bedeutet dies, dass ein Teil der potenziellen Vorteile des regenerativen Bremsens ungenutzt bleibt?

Die gute Nachricht ist, dass ein Wechselrichter mit dem richtigen Design auch im Rückspeisemodus ein effizienter Gleichrichter sein kann. Diese Effizienz hängt von dem Leistungsfaktor ab: Wenn der Leistungsfaktor 1 ist, arbeitet die Schaltung im Wechselrichtermodus, wenn er -1 ist, arbeitet die Schaltung im Gleichrichtermodus.

Bei der Entwicklung von Wechselrichtern werden in der Regel Leistungstransistoren wie IGBTs oder FETs verwendet. Durch die Festlegung der Funktionsweise der Schaltung ist es möglich, die Verluste der Schalttransistoren für einen bestimmten Leistungsfaktor zu berechnen. Der wichtigste Verlust, der bei einer Änderung des Leistungsfaktors zu beachten ist, ist der Verlust in Sperrrichtung. Dieser Verlust hat einen zugehörigen Parameter, die Sperrverzögerungsladung, die sich auf die übrigen Schaltverluste des Designs auswirkt.

Neue Technologien für bessere Effizienz
Eine Technologie, die bei der Entwicklung von Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge auf großes Interesse stößt, ist Siliziumkarbid oder SiC. UnitedSiC ist ein in diesem Bereich tätiges Technologieunternehmen, das bereits dazu beigetragen hat, die Funktionsweise von Wechselrichtern in Off-Board-Ladegeräten zu revolutionieren, indem es seine SiC-FETs anstelle von IGBTs und Dioden einsetzt. Die höhere Effizienz ist zum Teil auf die minimale Sperrverzögerungsladung von SiC-FETs im Vergleich zu herkömmlichen Komponenten zurückzuführen. Die gleiche Technologie hat das Potenzial, die Effizienz von Gleichrichtern zu erhöhen und das regenerative Bremsen zu einer realistischen Möglichkeit zu machen, die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu maximieren.

Fazit
Wir bewegen uns immer mehr auf eine vollständig elektrifizierte Welt zu und es wird deutlich, dass regeneratives Bremsen dabei mehr als nur eine Spielerei sein kann. Es kann dazu beitragen, Reichweitenangst zu überwinden, da die Fahrer jetzt lieber nach dem nächsten Hinabrollen von einem steilen Hügel Ausschau halten als nach der nächsten Tankstelle!

www.mouser.com

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