Mit Strom fahren

Radnabenmotoren bieten die Möglichkeit, Kosten und Energieverbrauch von Elektrofahrzeugen durch den Wegfall von Komponenten des klassischen, mechanischen Antriebsstrangs zu senken.

Elektromobilität – Mit Strom fahren

Elektromobilität ist ein Schlüssel, um auch künftig nachhaltig mobil zu bleiben. Erste Elektrofahrzeuge gibt es bereits seit einigen Jahren zu kaufen. Doch die hohen Anschaffungskosten und die geringe Reichweite halten derzeit noch viele Autofahrer vom Kauf eines Stromers  ab. Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher arbeiten zusammen mit der Industrie an neuen Lösungen für innovative Batterien, dem Laden ohne Kabel sowie an kostengünstigen Antriebssystemen. Diese Komponenten sollen helfen, Elektrowagen der kommenden Generationen leistungsfähiger zu machen.

Mehr als ein Jahrhundert sorgte der Verbrennungsmotor für Automobilität. Doch der Klimawandel sowie die stetig wachsende Weltbevölkerung, stellen neue Anforderungen an die Mobilität. Schon jetzt verursachen Autos, Lkws, Motorräder und Co. etwa ein Viertel der Treibhausgase in Europa. Zudem belasten Lärm, Feinstaub und Abgase die Menschen. Anders Elektroautos: Sie sind leise, stoßen keine Emissionen aus und verringern die Abhängigkeit von Erdölimporten. Weiterer Vorteil: Fahren die Wagen mit Strom aus erneuerbaren Energien, sind sie im Vergleich zu einem Benziner oder Diesel-Fahrzeug deutlich umweltfreundlicher.

Das Fraunhofer-Elektroauto

Doch trotz dieser Vorteile sind auf deutschen Straßen kaum Elektrowagen unterwegs. Anfang des Jahres waren erst 19 000 reine E-Mobile und 108 000 Hybrid-Fahrzeuge zugelassen – so die Zahlen des Kraftfahrt-Bundesamts. Vor allem die hohen Anschaffungskosten, die geringe Reichweite und die fehlende Infrastruktur schrecken viele Autofahrer ab. Auch innerhalb der Europäischen Union sind elektrisch betriebene Fahrzeuge noch ein Nischenmarkt. Das machen die Daten des europäischen Autoherstellerverbands ACEA deutlich: Im 1. Quartal 2015 wurden insgesamt 3,5 Millionen Pkw neu zugelassen, davon waren lediglich 24 630 Stromer. Doch so langsam steigt die Nachfrage nach Elektroautos an. In Europa (EU plus Norwegen und Schweiz) wurden im ersten Quartal 2015 fast doppelt so viele Stromer verkauft (33.835) als im Vorjahreszeitraum. Spitzenreiter in Europa ist Norwegen. Dort verkauften die Autohändler – dank großzügiger staatlicher Anreize – allein im ersten Quartal 8 099 Elektroautos. Das entspricht einem Anteil von etwa 23 Prozent am norwegischen Gesamt-Automarkt.

Nachfrage steigt

Leitmarkt für E-Mobilität sind die USA mit etwa 120 000 verkauften Elektro- und Plug-In-Autos im vergangenem Jahr, so der »Index Elektromobilität« von Roland Berger Strategy Consultants und der Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbH Aachen. An Bedeutung gewinnt der chinesische Markt: Mit knapp 53 000 verkauften E-Mobilen in 2014 konnte das Land den Absatz gegenüber dem Vorjahr mehr als verdoppeln. Tendenz weiter steigend. Ein Grund für diesen starken Aufwärtstrend ist die massive staatliche Förderung. Aktuell investiert die Regierung fast 7,7 Milliarden Euro in die E-Mobilität.

Modul des Leichtbauenergiepacks
© Klaus D. Wolf/Fraunhofer ILT

Modul des Leichtbauenergiepacks mit dichtgeschweißten Verbindungen der Zellen (Typ 18650) für die Verwendung von thermischen Puffern (PCM).

Leichte, leistungsfähige Batterien

Eine Schlüsselkomponente für das Fahren mit Strom ist das Batteriesystem. Daran werden hohe Anforderungen gestellt: Es muss nicht nur besonders leistungsfähig, sondern auch leicht, langlebig und sicher sein. Fraunhofer-Experten entwickelten deshalb den »Leichtbau-Energiepack«. Das System besteht aus hochintegrierten und austauschbaren Energiekomponenten sowie einem thermischen Puffer, der für die effektive Temperierung der Batterien sorgt. Damit der Energiepack auch im Sommer oder bei Extremsituationen wie dem Fahren über kurvige, steile Gebirgspässe nicht überhitzt, setzen die Forscherinnen und Forscher das Phasenwechsel-Fluid CryoSol®Plus ein. Das Gemisch aus Wasser und Paraffin kann dreimal so viel Wärme aufnehmen wie Wasser. Erhitzt sich die Batterie im Betrieb, »schmelzen« die festen Paraffin- Kügelchen und speichern die Wärme. Kühlt die Lösung ab, erstarren die Tropfen wieder und geben dabei Wärme ab. So verzögert CryoSol®Plus im Winter das Auskühlen der Batterie. Damit das Energiepack leicht und dennoch sicher ist, verwenden die Wissenschaftler für das Gehäuse eine Kombination aus kostengünstigen standardisierten Leichtbaukonstruktionen aus hochfestem Stahl und faserverstärktem Kunststoff mit metallischen Versteifungs- und Verbindungsknoten. An dem Projekt sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Fraunhofer-Institute für Lasertechnik ILT, Solare Energiesystemen ISE, für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT und für Werkstoffmechanik IWM beteiligt.

Hochleistungsakkumulatoren (Li-Booster)
© Fraunhofer ISIT

Hochleistungsakkumulatoren (Li-Booster) sollen immer dann zum Einsatz kommen, wenn kurzzeitige Leistungsspitzen (<1min) auftreten.

Überholen mit Lithium-Booster

Batterien sollen Elektrofahrzeuge möglichst lange mit Energie versorgen. Doch kurzfristige leistungsintensive Aktivitäten wie zum Beispiel das Überholen oder das Einfädeln auf die Autobahn benötigen viel Strom und verringern so die Reichweite. Um solche temporären Leistungsspitzen besser auffangen zu können, arbeiten Fraunhofer-Forscherinnen und Forscher aus dem Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie an einer besonderen Hochleistungsbatterie. Der Lithium-Booster soll künftig für die notwendige Energie beim Überholen sorgen und darüber hinaus Bremsenergie effektiv in das Antriebs- system einspeisen. »Hierfür sind Lithiumakkumulatoren mit besonders hoher Leistungsdichte notwendig, die sicher und langlebig sind. Zudem müssen sie sich schnell wieder aufladen lassen«, beschreibt Andreas Würsig vom ISIT die Anforderungen.

Eine weitere Möglichkeit die Reichenweite von Elektrowagen zu erhöhen, ist der Einsatz von Brennstoffzellen als Range-Exender. Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT arbeitet an verschiedenen Varianten. Einfache Brennzellenstoffzellen mit einer elektrischen Leistung zwischen 5 kW und ca. 15 kW laden die Batterie im Betrieb nach. So kann man deutlich mehr Kilometer mit dem Stromer zurücklegen. Diese Brennzellstoffen lassen sich zum Bespiel mit Methanol betreiben. Noch mehr zusätzliche Energie liefert ein wasserstoffbasierter Range Extender mit einer Leistung von mehr als 15 kW. Damit kann der Wagen sogar direkt angetrieben werden.

Antriebsstrang
© Fraunhofer IVI

Das HY²PE²R-Konzept vereint konventionelle und etablierte hydraulische Arbeitsgeräte mit einem hybriden elektrischen Antriebsstrang.

Eine weitere Möglichkeit die Reichenweite von Elektrowagen zu erhöhen, ist der Einsatz von Brennstoffzellen als Range-Exender. Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT arbeitet an verschiedenen Varianten. Einfache Brennzellenstoffzellen mit einer elektrischen Leistung zwischen 5 kW und ca. 15 kW laden die Batterie im Betrieb nach. So kann man deutlich mehr Kilometer mit dem Stromer zurücklegen. Diese Brennzellstoffen lassen sich zum Bespiel mit Methanol betreiben. Noch mehr zusätzliche Energie liefert ein wasserstoffbasierter Range Extender mit einer Leistung von mehr als 15 kW. Damit kann der Wagen sogar direkt angetrieben werden.


Für kommunale Nutzfahrzeuge – wie zum Beispiel Schneeräumer – entwickelten Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI den Range-Extender HY²PE²R. Dieses System wird von einem emissionsarmen und zuverlässigen Verbrennungsmotor angetrieben, um sowohl elektrische Energie als auch für den Betrieb der Arbeitsgeräte benötigte hydraulische Energie bereitstellen zu können.

Laden ohne Kabel

Eine Herausforderung für E-Mobil-Besitzer ist derzeit noch das Laden. Wer Strom tanken will, braucht ein Kabel und viel Zeit. Das soll sich ändern. Fraunhofer-Experten arbeiten nicht nur an Schnellladelösungen wie dem Batteriebus EDDA, der in 15 Sekunden mit 700 Kilowatt laden kann, sondern auch an der kontaktlosen induktiven Energieübertragung – ähnlich wie bei der elektronischen Zahnbürste. Beim induktiven Laden lässt sich Strom durch Magnetfelder quasi über die Luft übertragen. Dafür benötigt man elektrische Spulen, die zum einen in der Straße, einem Parkplatz oder der Garage und zum anderen im Auto verbaut sind. Bringt man die beiden Spulen im richtigen Abstand zusammen, fließt Strom und der Akku im Fahrzeug wird geladen.

Eine vielversprechende Lösung haben Experten des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES in Kassel entwickelt. Ihr System kombiniert nicht nur kabelgebundenes sowie induktives Laden, sondern ermöglicht es auch, bei Bedarf den gespeicherten Strom wieder ins öffentliche Netz einzuspeisen. So könnten die Batterien der Stromer künftig auch als Zwischenspeicher für über- schüssige Energie aus Sonne oder Wind genutzt werden.

Der besondere Clou des Systems: »Wir verwenden für die unterschiedlichen Funktionen dieselben Komponenten. So ist das neue Ladegerät bis zur Hälfte kostengünstiger und nimmt etwa 45 Prozent weniger Raum im Fahrzeug ein als andere Lösungen, die es im Moment in Forschung und Entwicklung sowie konventionell gibt«, rechnet Marco Jung vom IWES  vor. Das multifunktionale, bidirektionale Ladesystem ist bereits zum Patent angemeldet.

Bidirektionales induktives Energieübertragungssystem
© Fraunhofer IWES

Bidirektionales induktives Energieübertragungssystem: Energie wird ohne Einsatz eines Kabels kontaktlos über einen Luftspalt von bis zu ca. 20 cm übertragen.

Selbstfahrende Stromer

Induktives Laden ist vor allem fürs Carsharing interessant. Im Projekt »Gemeinschaftlich-e-Mobilität: Fahrzeuge, Daten und Infrastruktur« (GeMo) entwickelten sechs Fraunhofer-Institute eine Infrastruktur aus induktiven Ladestationen und Cloud-basiertem Lademanagement. Die ersten Prototypen des Ladesystems arbeiten sehr effizient: Die übertragbare Leistung beträgt bis zu 22 kW. Damit lässt sich eine übliche Elektrofahrzeugbatterie in weniger als einer Stunde auf 80 Prozent ihrer Nennkapazität laden.

Noch bequemer für den Autofahrer wäre es, wenn die E-Autos eigenständig die nächste induktive Ladestelle anfahren könnten. Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA arbeiten an selbstfahrenden Stromern. Ihre Idee: In einem entsprechenden ausgerüsteten Parkhaus kann man künftig sein E-Mobil einfach auf einen beliebigen freien Stellplatz parken. Alles Weitere erledigt das Auto allein. Es stimmt sich mit dem zentralen Rechner ab und fährt dann automatisch zu einer freien Stromtankstelle. Ist es aufgeladen, macht es Platz für das nächste Elektroauto. So ließen sich die wenigen vorhandenen induktiven Ladeplätze sehr effizient nutzen.

Praktisch wäre es auch, wenn sich die Batterie direkt beim Fahren aufladen lassen. Dass dies tatsächlich auch funktioniert, zeigten Forscherinnen und Forscher des IFAM und des IVI gemeinsam mit Firmen auf einer Teststrecke im Emsland. Dort wurden direkt in die Fahrbahn Spulen eingebaut. Fuhr man mit einen entsprechend ausgestatteten Elektrowagen über das Teilstück, wurden die Batterien mit Strom versorgt.

Für Stadtfahrzeuge der Zukunft entwickelten Experten aus dem IFAM sowie aus den Fraunhofer-Instituten für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF und für Integrierte Systeme und Bauelemente IISB einen innovativen Antriebsstrang. Das System besteht aus einem luftgekühlten elektrischen Radnabenmotor mit einer Spitzenleistung von 18 Kilowatt samt integriertem Umrichter, der für eine maximale Betriebsspannung von 120 Volt ausgelegt ist und die benötigte Spannung generiert. Über einen luftgekühlten, bidirektionalen 500 Ampere Gleichspannungswandler wird der Antrieb mit Energie aus einer 48 V Batterie versorgt.

Luftgekühlter E-Antriebsstrang

»Radnabenmotoren helfen die Kosten und den Energieverbrauch von Elektrofahrzeugen zu senken. Sie vergrößern das Platzangebot im Fahrzeug und ermöglichen es, durch die unabhängige Drehmomenteinstellung an jedem angetriebenen Rad aktive Fahrsicherheitskonzepte zu realisieren«, erläutert Felix Horch vom IFAM. In den Motoren kommen neu entwickelte gegossene Spulen aus leichtem und preiswertem Aluminium zum Einsatz. Diese lassen sich exakt an den zur Verfügung stehenden Bauraum anpassen. Das ermöglicht hohe Leistungen. Weiterer Vorteil: Im Gegensatz zu den herkömmlichen Spulen aus Kupfer benötigen sie keine Wasserkühlung. Stattdessen konstruierten die Ingenieure die Felge so, dass ein zusätzlicher Luftstrom entsteht, der den Radnarbenmotor effektiv kühlt. Da der Antrieb direkt in das Rad integriert ist, erhöhen sich die Reifen-gefederten Massen. Deshalb setzen die Experten adaptive Fahrwerkskomponenten ein. Smarte Schwingungsdämpfer reduzieren nicht nur die eingetragenen Kräfte, sondern verbessern auch den Fahrkomfort.

Kontaktlose Energie- und Datenübertragung
© Kurt Fuchs/Fraunhofer IISB

Kontaktlose Energie- und Datenübertragung für schnell bewegte Systeme, hier am Beispiel eines induktiven Kugellagers als Ersatz für fehleranfällige Schleifringe.

Erprobungsfahrzeug »IISB-ONE«
© Kurt Fuchs/Fraunhofer IISB

Straßenzugelassenes Erprobungsfahrzeug »IISB-ONE«: Es ist komplett mit am Fraunhofer IISB entwickelten und aufgebauten Komponenten elektrifiziert.

Schlüsselkomponente: Leistungselektronik

Damit sich das E-Mobil bewegt, alle Sicherheits- und Komfortfunktionen immer betriebsbereit sind und die Batterie beim Abbremsen des Fahrzeugs auch wieder aufgeladen werden kann, muss die elektrische Energie intelligent und sehr effizient verteilt und gewandelt werden. An derartigen Komponenten arbeiten Wissenschaftler des IISB seit 15 Jahren. Für die Verteilung von Energie entwickelten sie zum Beispiel einen Wandler, der das Hochvolt-Netz von Elektrofahrzeugen mit dem konventionellen 12 Volt und dem künftigen 48 V Netz koppelt und einen Energietransfer in jede Richtung ermöglicht. »Zudem arbeiten wir an einem System, mit dem sich sowohl Energie als auch Daten kontaktlos an schnell bewegte Komponenten übertragen lassen. Wir haben es bereits in ein Kugellager integriert«, berichtet Dr.-Ing. Bernd Eckardt vom IISB. Der große Vorteil: Induktive Übertragung ist unempfindlich gegenüber Erschütterungen und Umwelteinflüssen wie Schmiermittel oder Öl.


Doch funktionieren die Komponenten auch im Fahrbetrieb? Arbeiten die Systeme im Verbund zusammen? Diese und weitere Fragen untersuchen derzeit Wissenschaftler des IISB. Sie wollen überprüfen, ob die von ihnen gemeinsam mit der Automobilindustrie entwickelten Komponenten wie elektrische Antriebssysteme, integrierte Umrichter, Ladegeräte und Batteriespeichersysteme dem Praxistest standhalten. Deshalb haben die Experten verschiedene Systeme in das Erprobungs- und Demonstrationsfahrzeug »IISB-ONE« eingebaut. Dort sollen die Komponenten auch beim Fahren im Straßenverkehr ihre Leistungsfähigkeit unter Beweis stellen. »Unser Ziel war es, eine flexible alltagstaugliche Forschungs- plattform zu schaffen«, betont Eckardt. Das Fahrzeug ist für die Straße zugelassen.

Der Umstieg auf Elektromobilität stellt Politik, Wirtschaft, Wissenschaft und Verbraucher nicht nur vor große Herausforderungen, sondern bietet auch neue Chancen. Mit seinen Innovationen für die automobile Wertschöpfung der Zukunft legt Fraunhofer wichtige Grundlagen für die erfolgreiche Etablierung der Elektromobilität in Deutschland.

Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität FSEM

Die »Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität FSEM« legt wichtige Grundlagen für den Umstieg auf die Elektromobilität. Die Arbeiten begannen 2009 im Rahmen des Konjunkturpakets der Bundesregierung. Seit 2013 führt Fraunhofer im Nachfolgeprojekt FSEM II die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten fort. Die Schwerpunkte sind unter anderem neue Batteriesysteme, Range Extender, eine vollelektrische Rad-Antriebseinheit, effizienter Leichtbau von Karosseriestrukturen, induktives Laden und autonomes Fahren. An dem Projekt sind 16 Fraunhofer-Institute beteiligt.