Erfinderaktivitäten 2011 - DPMA

DPMA – Erfinderaktivitäten 2011 49
Elektrische Kraftfahrzeugantriebstechnik
Dipl.­Ing. Martin Czech, Dr. Andreas Meixner, Dipl.­Ing. Johannes Öttl, Patentabteilung 1.32
Chemische Reaktionen haben die absolut höchsten Energiedichten, wenn man einmal von den Kernreaktionen
absieht. Der auf die Masse bezogene Kennwert von Benzin liegt bei etwa 40 Megajoule pro Kilogramm. Die besten
elektrochemischen Akkumulatoren erreichen noch nicht einmal ein Zehntel dessen und elektrische Konden-
satoren weniger als ein Tausendstel. Aber elektrische Antriebe haben gegenüber allen Wärmekraftmaschinen
einen um das Doppelte höher liegenden Wirkungsgrad und mit der Reversibilität ein Alleinstellungsmerkmal.
Sie können Wärmekraftmaschinen im Kraftfahrzeugbereich durchaus Konkurrenz machen, allerdings sind dazu
erhebliche Entwicklungsanstrengungen nötig.
1 Die steigende Attraktivität elektrischer
Fahrantriebe
Der absehbare Rückgang der weltweit geförderten
Menge an Rohöl nach Überschreiten des „peak-oil“,
sowie der ungebrochene Trend zur individuellen Mo-
bilität veranlassen die Hersteller von Kraftfahrzeugen
vermehrt zur Entwicklung elektrischer Fahrzeugan-
triebe. Schätzungen gehen davon aus, dass bis zum
Jahr 2035 mindestens 70 % der Personenkraftwagen
ganz oder teilweise elektrisch angetrieben sein werden
[1]. Dabei ist das Prinzip elektrisch angetriebener
Automobile keineswegs neu. Am Beginn der Entwick-
lungsgeschichte spielte der elektrische Antrieb sogar
eine weit größere Rolle als der Verbrennungsmotor.
So wird dem US-Amerikaner Thomas Davenport der
Bau des ersten elektrisch angetriebenen Vehikels
im Jahr 1834 zugeschrieben. Um 1899 entwickelten
Ferdinand Porsche und Ludwig Lohner gemeinsam
Elektromobile, welche bereits mit Radnabenmotoren
angetrieben waren. In den USA verbreiteten sich die
elektrisch angetriebenen Fahrzeuge relativ schnell.
1912 waren dort bereits über 34 000 Elektrofahrzeuge
registriert. Paradoxerweise trieb ein Fortschritt auf
dem Gebiet der elektrodynamischen Maschinen, die
Erfindung des elektrischen Anlassers, den Einsatz
des Verbrennungsmotors als Antrieb für Kraftfahr-
zeuge voran. Solche Fahrzeuge konnten bald auch
kostengünstiger hergestellt werden und erreichten
bessere Reichweiten. Zusätzlich trugen das vor allem
in den ländlichen Gebieten noch wenig ausgebaute
elektrische Versorgungsnetz sowie die vergleichswei-
se niedrigen Preise für fossile Brennstoffe zur Verbrei-
tung des Verbrennungsmotors in Fahrzeugen bei [2].
Die chemische Energiedichte eines Brennstoffs wie
Benzin ist immer noch der Energiedichte von elek-
trischen Energiespeichern weit überlegen. Befrie-
digende Aktionsradien von Elektrofahrzeugen sind
daher nur durch aufwendige Maßnahmen wie der
Energierückgewinnung aus Bremsvorgängen mög-
lich. Während bei gewöhnlichen Verbrennungs-
motorfahrzeugen die kinetische Energie des Fahr-
zeugs beim Bremsvorgang mittels Reibungsbremsen
irreversibel in nutzlose Wärme umgewandelt wird,
können elektrische Antriebsmotoren zum Zweck der
Verzögerung generatorisch betrieben werden. Diese
Energie wird dann zunächst zwischengespeichert
und bei künftigen Beschleunigungsvorgängen wieder
verwendet. Die Energiebilanz neuerer Elektrofahr-
zeuge ist daher herkömmlichen Kraftfahrzeugen
deutlich überlegen.
Die bekannten Fortschritte auf dem Gebiet der Mikro-
elektronik und auch der Leistungselektronik, wo
Transistoren mit isoliertem Steuertor (IGBT) ohne
Weiteres Kiloampere bei Sperrspannungen von Kilo-
volt schalten, haben es in den letzten Dekaden ermög-
licht, Stator-Drehfelder mit fast beliebiger Kurven-
form, Stärke und Frequenz robust und mit geringen
Verlusten immer kostengünstiger zu erzeugen. Auch
hat sich die Sensorik so entwickelt, dass eine Rotor-