Die Zeit ist reif und der Ort ist reif, und alle chinesischen Elektrofahrzeughersteller sind beschäftigt. China scheint zum Zentrum der weltweiten Elektrofahrzeugindustrie geworden zu sein.
Wenn Ihr Gerät in Deutschland über keine Ladesäulen verfügt, müssen Sie möglicherweise selbst eine kaufen. vor der Haustür. Allerdings diskutieren wir ständig darüber, warum so viele hervorragende deutsche Automobilhersteller keinen Tesla herstellen können, und es ist jetzt nicht schwer, die Gründe dafür zu finden.
Im Jahr 2014 veröffentlichte Professor Lienkamp von der Technischen Universität München ein neues Buch „Stand der Elektromobilität 2014“, das kostenlos und für die Gesellschaft zugänglich ist, und sagte: „Obwohl Elektrofahrzeuge verschiedene Mängel haben, habe ich noch nie ein Auto gesehen, das so ist.“ besitzt bereits ein Elektromobil. Der Fahrer des Autos tritt wieder in die Umarmung des traditionellen Autos ein. Selbst das gängigste Elektroauto bringt Ihnen Fahrspaß, der von einem Benzinauto nicht erreicht wird.“ Kann ein solches Auto den Autobesitzer wirklich dazu bringen, sich nicht wieder in die Arme traditioneller Autos zu werfen?
Wie wir alle wissen, ist die Batterie das Herzstück eines Elektrofahrzeugs.
Bei einem gewöhnlichen Elektrofahrzeug beträgt der Energieverbrauch pro 100 Kilometer im europäischen Normtest etwa 17 kWh, also 17 kWh. Dr. Thomas Pesce untersuchte den Energieverbrauch von Kompaktfahrzeugen bei optimaler Konfiguration. Ohne Berücksichtigung der Kosten liegt der optimale Energieverbrauch pro 100 Kilometer bei Nutzung der vorhandenen verfügbaren Technologie bei etwas mehr als 15 kWh. Dies bedeutet, dass der Energiespareffekt kurzfristig relativ gering ist, wenn man versucht, den Energieverbrauch durch Optimierung der Effizienz des Autos selbst zu senken, auch ohne Berücksichtigung der zusätzlichen Kosten.
Nehmen Sie als Beispiel den 85-kWh-Akku von Tesla. Die nominelle Fahrstrecke beträgt 500 km. Wenn der Energieverbrauch durch verschiedene Maßnahmen auf 15 kWh/100 km gesenkt wird, kann die Fahrstrecke auf 560 km erhöht werden. Daher kann man sagen, dass die Batterielebensdauer des Autos proportional zur Kapazität des Batteriepakets ist und der Proportionalitätskoeffizient relativ fest ist. Unter diesem Gesichtspunkt ist der Einsatz von Batterien mit höherer Energiedichte (sowohl Energie-Wh/kg pro Gewichtseinheit als auch Energie-Wh/L pro Volumeneinheit müssen berücksichtigt werden) von großer Bedeutung für die Verbesserung der Leistung von Elektrofahrzeugen, denn in Bei Elektrofahrzeugen nimmt die Batterie einen großen Teil des Gesamtgewichts ein.
Alle Arten von Lithium-Ionen-Batterien sind die am meisten erwarteten und am häufigsten verwendeten Batterien. Zu den in Automobilen verwendeten Lithiumbatterien gehören hauptsächlich ternäre Nickel-Kobalt-Lithium-Manganat-Batterien (NCM), Nickel-Kobalt-Lithium-Aluminat-Batterien (NCA) und Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LPF).
1. Ternäre Nickel-Kobalt-Lithium-Manganat-Batterie NCMwird aufgrund seiner geringen Wärmeerzeugungsrate, relativ guten Stabilität, langen Lebensdauer und Energiedichte von 150–220 Wh/kg von vielen Elektrofahrzeugen im Ausland verwendet.
2. NCA-Nickel-Kobalt-Aluminat-Lithiumbatterie
Tesla verwendet diese Batterie. Die Energiedichte ist mit 200–260 Wh/kg hoch und wird voraussichtlich bald 300 Wh/kg erreichen. Das Hauptproblem besteht darin, dass derzeit nur Panasonic diese Batterie herstellen kann, der Preis hoch ist und die Sicherheit unter den drei Lithiumbatterien am schlechtesten ist, was eine leistungsstarke Wärmeableitung und ein Batteriemanagementsystem erfordert.
3. LPF-Lithium-Eisenphosphat-Batterie Schauen wir uns abschließend die am häufigsten in Haushaltselektrofahrzeugen verwendete LPF-Batterie an. Der größte Nachteil dieses Batterietyps besteht darin, dass die Energiedichte sehr gering ist und nur 100–120 Wh/kg erreichen kann. Darüber hinaus weist LPF auch eine hohe Selbstentladungsrate auf. Nichts davon ist von den Herstellern von Elektrofahrzeugen gewünscht. Die weit verbreitete Einführung von LPF in China ähnelt eher einem Kompromiss einheimischer Hersteller für teure Batteriemanagement- und Kühlsysteme – LPF-Batterien weisen eine sehr hohe Stabilität und Sicherheit auf und können selbst bei schlechten Batteriemanagementsystemen und einer längeren Batterielebensdauer einen stabilen Betrieb gewährleisten. Ein weiterer Vorteil dieser Funktion besteht darin, dass einige LPF-Batterien eine extrem hohe Entladeleistungsdichte aufweisen, was die dynamische Leistung des Fahrzeugs verbessern kann. Darüber hinaus ist der Preis von LPF-Batterien relativ niedrig, sodass sie für die aktuelle Low-End- und Niedrigpreisstrategie inländischer Elektrofahrzeuge geeignet sind. Doch ob sie als Batterietechnologie der Zukunft energisch weiterentwickelt wird, bleibt fraglich.
Wie groß sollte die Batterie eines durchschnittlichen Elektroautos sein? Handelt es sich um ein Batteriepaket mit Tausenden von Tesla-Batterien in Reihe und parallel oder um ein Batteriepaket, das aus ein paar großen Batterien von BYD besteht? Dies ist eine noch wenig erforschte Frage, auf die es derzeit keine eindeutige Antwort gibt. Hier werden nur die Eigenschaften des aus großen und kleinen Zellen bestehenden Batteriepakets vorgestellt.
Wenn die Batterie klein ist, ist die gesamte Wärmeableitungsfläche der Batterie relativ groß, und die Temperatur des gesamten Batteriepakets kann durch ein angemessenes Wärmeableitungsdesign effektiv gesteuert werden, um zu verhindern, dass sich die hohe Temperatur beschleunigt und beeinträchtigt Lebensdauer der Batterie. Im Allgemeinen sind die Leistungs- und Energiedichte von Batterien mit kleinerer Einzelkapazität höher. Schließlich und noch wichtiger: Je weniger Energie eine einzelne Batterie hat, desto höher ist die Sicherheit des gesamten Fahrzeugs. Ein Akku, der aus einer großen Anzahl kleiner Zellen besteht, verursacht keine allzu großen Probleme, selbst wenn eine einzelne Zelle ausfällt. Wenn jedoch ein Problem im Inneren einer Batterie mit großer Kapazität auftritt, ist das Sicherheitsrisiko viel größer. Daher erfordern große Zellen mehr Schutzvorrichtungen, was die Energiedichte des aus großen Zellen bestehenden Batteriepakets weiter verringert.
Allerdings liegen bei Teslas Lösung auch die Nachteile auf der Hand. Tausende Batterien erfordern ein äußerst komplexes Batteriemanagementsystem, und die zusätzlichen Kosten sind nicht zu unterschätzen. Das im Volkswagen E-Golf verwendete BMS (Batteriemanagementsystem), ein Submodul, das 12 Batterien verwalten kann, kostet 17 US-Dollar. Laut Schätzung der Anzahl der von Tesla verwendeten Batterien belaufen sich die Kosten für Teslas Investition in BMS auf mehr als 5.000 US-Dollar, selbst wenn die Kosten für selbst entwickeltes BMS niedrig sind, was mehr als 5 % der Kosten ausmacht ganzes Fahrzeug. Unter diesem Gesichtspunkt kann man nicht sagen, dass ein großer Akku nicht gut ist. Für den Fall, dass der Preis für BMS nicht wesentlich gesenkt wurde, sollte die Größe des Batteriepakets entsprechend der Positionierung des Fahrzeugs bestimmt werden.
Als weitere Kerntechnologie in Elektrofahrzeugen steht der Motor oft im Mittelpunkt der Diskussion, insbesondere Teslas wassermelonengroßer Motor mit Sportwagenleistung, was noch erstaunlicher ist (die Spitzenleistung des Model S-Motors kann mehr als 300 kW erreichen, das Maximum Das Drehmoment beträgt 600 Nm und die Spitzenleistung liegt nahe an der Leistung eines einzelnen Motors einer Hochgeschwindigkeits-EMU. Einige Forscher der deutschen Automobilindustrie äußerten sich wie folgt:
Tesla verwendet fast nichts außer herkömmlichen Komponenten (Aluminiumkarosserie,Asynchronmotor für den Antrieb, konventionelle Fahrwerkstechnik mit LuftFederung, ESP und ein konventionelles Bremssystem mit elektrischer Vakuumpumpe, Laptopzellen etc.)
Tesla verwendet alle konventionellen Teile, Aluminiumkarosserie, Asynchronmotoren, konventionelle Fahrzeugstruktur, Bremssystem und Laptop-Batterie usw.
Die einzige echte Innovation liegt in der Technologie zur Anbindung der BatterieZellen, die Bonddrähte verwenden, die Tesla patentiert hat, sowie BatterienManagementsystem, das „over the air“ geflasht werden kann, was bedeutet, dass dieDas Fahrzeug muss nicht mehr zur Werkstatt fahren, um Software-Updates zu erhalten.
Teslas einzige geniale Erfindung liegt im Umgang mit der Batterie. Sie verwenden ein spezielles Batteriekabel und ein BMS, das eine direkte drahtlose Vernetzung ermöglicht, ohne dass zur Aktualisierung der Software ins Werk zurückgekehrt werden muss.
Tatsächlich ist der Asynchronmotor mit hoher Leistungsdichte von Tesla nicht allzu neu. Im frühesten Roadster-Modell von Tesla werden die Produkte von Tomita Electric aus Taiwan verwendet, und die Parameter unterscheiden sich nicht allzu sehr von den vom Model S angekündigten Parametern. In der aktuellen Forschung haben Wissenschaftler im In- und Ausland Entwürfe für niedrige Kosten und hohe Leistung entwickelt Motoren, die schnell in Produktion gehen können. Vermeiden Sie also bei der Betrachtung dieses Bereichs den mythischen Tesla – Teslas Motoren sind gut genug, aber nicht so gut, dass niemand sonst sie bauen kann.
Unter den vielen Motortypen, die in Elektrofahrzeugen häufig zum Einsatz kommen, sind vor allem Asynchronmotoren (auch Induktionsmotoren genannt), fremderregte Synchronmotoren, Permanentmagnet-Synchronmotoren und Hybrid-Synchronmotoren. Wer glaubt, dass die ersten drei Motoren einige Kenntnisse über Elektrofahrzeuge haben, wird über einige grundlegende Konzepte verfügen. Asynchronmotoren zeichnen sich durch niedrige Kosten und hohe Zuverlässigkeit aus, Permanentmagnet-Synchronmotoren durch hohe Leistungsdichte und Effizienz, geringe Größe, aber hohen Preis und komplexe Hochgeschwindigkeitsabschnittssteuerung. .
Sie haben vielleicht weniger von Hybrid-Synchronmotoren gehört, aber in letzter Zeit haben viele europäische Motorenlieferanten damit begonnen, solche Motoren anzubieten. Die Leistungsdichte und der Wirkungsgrad sind sehr hoch und die Überlastfähigkeit ist hoch, aber die Steuerung ist nicht schwierig, was für Elektrofahrzeuge sehr gut geeignet ist.
An diesem Motor gibt es nichts Besonderes. Im Vergleich zum Permanentmagnet-Synchronmotor verfügt der Rotor zusätzlich zu den Permanentmagneten auch über eine Erregerwicklung, ähnlich wie beim herkömmlichen Synchronmotor. Ein solcher Motor verfügt nicht nur über die hohe Leistungsdichte des Permanentmagneten, sondern kann auch das Magnetfeld über die Erregerwicklung, die in jedem Geschwindigkeitsabschnitt leicht gesteuert werden kann, je nach Bedarf anpassen. Ein typisches Beispiel ist der von BRUSA in der Schweiz hergestellte Motor der Serie HSM1. Die HSM1-10.18.22-Kennlinie ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die maximale Leistung beträgt 220 kW und das maximale Drehmoment 460 Nm, aber sein Volumen beträgt nur 24 l (30 cm Durchmesser und 34 cm Länge) und wiegt etwa 76 kg. Die Leistungsdichte und Drehmomentdichte sind grundsätzlich mit den Produkten von Tesla vergleichbar. Natürlich ist der Preis nicht billig. Dieser Motor ist mit einem Frequenzumrichter ausgestattet und kostet rund 11.000 Euro.
Für die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen ist die Akkumulation der Motorentechnologie ausgereift genug. Was derzeit fehlt, ist ein Motor, der speziell für Elektrofahrzeuge entwickelt wurde, nicht aber die Technologie, um einen solchen Motor herzustellen. Es wird davon ausgegangen, dass mit der allmählichen Reife und Entwicklung des Marktes Motoren mit hoher Leistungsdichte immer beliebter werden und der Preis immer näher an die Menschen heranrücken wird.
Für die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen mangelt es derzeit lediglich an speziell für Elektrofahrzeuge ausgelegten Motoren. Es wird davon ausgegangen, dass mit der allmählichen Reife und Entwicklung des Marktes Motoren mit hoher Leistungsdichte immer beliebter werden und der Preis immer näher an die Menschen heranrücken wird.
Die Forschung zu Elektrofahrzeugen muss zum Wesentlichen zurückkehren. Das Wesentliche bei Elektrofahrzeugen ist ein sicherer und erschwinglicher Transport, kein mobiles Technologielabor, und es muss nicht unbedingt die fortschrittlichste und modischste Technologie zum Einsatz kommen. Letztendlich sollte es entsprechend den Bedürfnissen der Region geplant und gestaltet werden.
Der Aufstieg von Tesla hat den Menschen gezeigt, dass Elektrofahrzeugen die Zukunft gehören muss. Wie die Elektrofahrzeuge der Zukunft aussehen werden und welche Position China künftig in der Elektrofahrzeugindustrie einnehmen wird, ist noch unbekannt. Das ist auch der Reiz der Industriearbeit: Im Gegensatz zur Naturwissenschaft erfordert selbst das unvermeidliche Ergebnis, das die Gesetze der Sozialwissenschaften andeuten, dass die Menschen es durch mühsame Forschung und Anstrengung erreichen!
(Autor: Doktorand der Elektrofahrzeugtechnik an der Technischen Universität München)
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 24. März 2022