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Optimales Thermomanagement kann die Winterreichweite von E-Fahrzeugen um bis zu 25 Prozent erhöhen. Quelle: Continental Automotive

Und läuft und läuft und läuft ...

Einer der Hemmschuhe bei der Verbreitung von Elektrofahrzeugen ist die Reichweite. Doch welche Stellschrauben gibt es am Fahrzeug, die ohne Revolution bei der Akkuentwicklung für ein Mehr an Kilometern sorgen?

Mit dem Tesla Roadster startete 2008 ein neues Elektromobilitätszeitalter, ein serienmäßig gefertigtes Elektroauto mit einer Reichweite von 350 Kilometern sowie der Fahrleistung von maximal 201 km/h will den Fahrzeugmarkt revolutionieren. In diese neue Nische gesellten sich ab den 2010er-Jahren weitere Vorreiter. Mit dem Nissan Leaf und den Renault-Modellen Fluence Z.E. und Kangoo Z.E. kamen weitere EAutos auf den Markt, die rund 125 Jahre nach den allerersten elektrisch betriebenen Fortbewegungsmitteln einen größeren Kundenkreis ansprechen sollten. Reichweiten von um die 160 Kilometern bei diesen und in den kommenden Jahren hervorgebrachten Elektroautos eigneten sich lediglich, Pioniere anzuziehen, aber nicht, um eine Revolution auf dem Automobilmarkt auszulösen. Klimapolitische und wirtschaftliche Zwänge, aber auch eine steigende Nachfrage bewirkten eine stetige Vergrößerung des E-Mobil-Angebots. Dr. Oliver Greiner, Studienleiter und Partner bei Horváth & Partners, analysierte im Faktencheck E-Mobilität 2018/2019: „Die durchschnittliche Reichweite aller 2018 verkauften Elektrofahrzeuge lag, entsprechend Herstellerangaben und wie im Vorjahr prognostiziert, bei 330 Kilometern. Wir gehen davon aus, dass mit sinkenden Batteriepreisen und verbesserter Batterietechnik Automobilhersteller in den kommenden Jahren deutlich höhere Reichweiten in Elektrofahrzeuge verbauen werden. Unserer Prognose nach wird bis 2020 ein neu zugelassenes reines Elektroauto im Durchschnitt etwa 403 Kilometer mit einer Batterieladung zurücklegen können.“ Das zeigt: Im Hintergrund läuft die Fahrzeugentwicklung auf Hochtouren, um insbesondere die Reichweiten der Elektroautos an das Niveau aktueller Verbrenner anzupassen. „Für den Alltagsnutzen von E-Autos ist es wichtig, so viel Reichweite wie möglich aus einer Batterieladung zu gewinnen“, erklärte Bert Hellwig, Leiter des Systemhauses E-Mobility bei ZF, anlässlich des ZF Tech Day im Juli 2019. „Jedes Prozent Effizienz im Wirkungsgrad mündet in zwei Prozent mehr Reichweite.“ Die beispielsweise auf der IAA vorgestellten Neuerscheinungen sollen je nach Fahrzeuggröße zwischen 330 und 500 Kilometer batterieelektrisch laufen. Und weitere Entwicklungen, die die Reichweite vergrößern sollen, werden vorangetrieben.

Range Extender
Die Reichweitensteigerungen sind bisher auf größere Akkus und eine höhere Energiedichte zurückzuführen, was aber mehr Raum und ein höheres Gewicht zur Folge hat, beides endliche Größen in einem Fahrzeug. Um in das umweltverträgliche Konzept zu passen, sollen Range Extender zum Einsatz kommen, die über eine kleine Gasturbine oder Brennstoffzelle angetrieben werden und zum Batterieladen während der Fahrt genutzt werden. Forscher der University of Birmingham und dem Jiangsu Industrial Technology Research Institute (JITRI) in Nan jing erproben eine Gasturbine, die nach eigenen Angaben eine hohe thermale Effizienz besitzt, im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren aber rund 85 Prozent weniger Stickstoffoxide ausstoßen soll. Die e.Go Mobile AG forscht gemeinsam mit der Proton Motor Fuel Cell GmbH an einem Brennstoffzellensystem mit 22 bis 30 kW, das die Batterien unterwegs aufladen soll. Doch auch an anderen Maßnahmen wird geforscht, um eine effizientere Energienutzung durch einen geringeren Energieverbrauch pro gefahrenem Kilometer zu erreichen.

Elektrischer Achsantrieb
Eine Reihe von namhaften deutschen Zulieferern wie BorgWarner, Bosch, Conti, Mahle, Rheinmetall, Schaeffler und ZF können bereits seriennahe beziehungsweise -reife Versionen eines elektrischen Achsantriebs präsentieren, in denen Komponenten wie Motor, Elektronik und Getriebe in die Achse verlagert sind. Die kompakte Bauweise und eine geringere Komplexität des E-Antriebs machen den Antriebsstrang günstiger und effizienter. Die höhere Systemeffizienz sorgt für eine höhere elektrische Reichweite oder alternativ für eine Reduktion der benötigten Batteriekapazität.

Getriebe
Eine Eigenschaft von Elektrofahrzeugen war bisher, dass sie ohne Getriebe auskamen. Doch Forschung und Entwicklung haben ergeben, dass eine höhere Übersetzung auch im EFahrzeug zu einem verbesserten Wirkungsgrad führt. Kreisel Electric, bisher bekannt als Batterie- Entwickler, hat schon 2018 ein automatisiertes Zwei-Gang-Getriebe in Kombination mit einer ganzheitlichen Antriebsstrang-Architektur gezeigt. Diese ist auf hohe Leistungs- und Drehmomentbereiche ausgelegt und soll vorerst in Sportwagen zum Einsatz kommen. Der Zulieferer hat einen Zwei-Gang-Elektroantrieb präsentiert, der sich aufgrund seiner Größe insbesondere für kompakte Pkw eignen soll. Hier ist eine neu entwickelte elektrische Maschine mit einem Schaltelement und passender Leistungselektronik in einem Gehäuse verbunden. Laut Hersteller soll der verbesserte Wirkungsgrad im Vergleich zu bisherigen E-Antrieben dabei für eine höhere Reichweite pro Batterieladung sorgen. Derzeit ist der Schaltpunkt bei 70 km/h gewählt, durch Anbindung an die CAN-Kommunikation des Fahrzeugs lassen sich aber individuelle Schaltstrategien entwerfen, die etwa an digitales Kartenmaterial und GPS geknüpft sind. Das Fahrzeug könnte beispielsweise anhand der im Navigationsgerät programmierten Route erkennen, wie weit die nächste Ladestation entfernt ist, und vorausschauend in einen Eco-Modus wechseln. Ebenso wären effektivere Gangwechsel bei anspruchsvoller Topografie, auf der Autobahn und bei Überlandfahrten denkbar.

Thermomanagement
Ein weiterer Ansatzpunkt zur Effizienzsteigerung ist das Thermomanagement, also die Steuerung von Wärmeströmen im Fahrzeug. Damit ein Elektrofahrzeug mit einem besonders hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann, ist es notwendig, die Temperatur des E-Motors, der Leistungselektronik und der Batterie in einem wirkungsgradoptimalen Temperaturbereich zu halten, also für eine optimale Rekuperationsfähigkeit die Batterie ausreichend warm zu halten oder beim Schnellladen die Batterie durch Kühlen vor Überhitzung zu schützen – sämtlich hochkomplexe Vorgänge, für die als Energiequelle stets Strom herhalten muss. Continental hat ein neues System entwickelt, das eine Steigerung der Winterreichweite von bis zu 25 Prozent zum Ziel hat. Erste Komponenten des dazu entwickelten Thermomanagements seien bereits in Serie. Die Fertigung eines ersten großen Auftrags für ein Elektrofahrzeug soll Ende 2019 in China anlaufen. Mahle hat das wärmepumpenbasierte System „Integrated Thermal System“ entwickelt, mit dem die Reichweite im Winter um bis zu 20 Prozent erhöht werden kann. Neben einem deutlich reduzierten Batteriestromverbrauch soll es einfach zu regeln sein und sich an zukünftige Fahrzeugarchitekturen gut anpassen lassen.

Den Zulieferern kommt hier die Rolle der Spezialisten zu. Motorenentwicklung hingegen findet traditionell beim Hersteller statt. Ob sich künftig eine Verschiebung dieser Kompetenz in Richtung der Zulieferer ergeben wird, bleibt eine spannende Angelegenheit. Mit dem Ziel der Massentauglichkeit der Elektrofahrzeuge müssen alle Sparten konstruktiv und effizient zusammenarbeiten.

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