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Hybridfahrzeuge (Hybridelektrofahrzeuge)
Hochvolt-Antriebssysteme/-bauteile
Elektromobilität
Mit der Verabschiedung des Nationalen Entwicklungsplans Elektromobilität (NEPE) im August 2009 unterstrich die Bundesregierung erneut die immense strategische Bedeutung des Themas. Durch Elektromobilität lassen sich sowohl die lokalen CO2-Emissionen als auch die Lärm-Emissionen erheblich reduzieren bzw. komplett auf Null setzen. Darüber hinaus setzt die Bundesregierung mit dem NEPE ihre Strategie „weg vom Öl“ weiter um, da sich hier natürlich die Chance bietet, die energiepolitische Unabhängigkeit Deutschlands zu fördern. Zwar umfasst „Elektromobilität“ per Definition rein batteriebetriebene Fahrzeuge, sämtliche Formen des Hybridantriebes und Brennstoffzellenfahrzeuge, vor dem Hintergrund des Integrierten Energie- und Klimaprogramms konzentrieren sich die Aktivitäten des NEPE auf rein batteriebetriebene Elektrofahrzeuge und Plug-In- Hybridfahrzeuge (einschließlich Elektrofahrzeuge mit Range Extender/serielle Hybridfahrzeuge).
Damit das Ziel, bis 2020 1 Million Elektrofahrzeuge auf die deutschen Straßen zu bringen, erreicht werden kann, muss eine enge Abstimmung aller Beteiligten Marktteilnehmer erfolgen. Nur auf diesem Weg können die zur Zielerreichung nötigen politischen, regulatorischen, technischen und infrastrukturellen Voraussetzungen geschaffen werden. Der ZDK unterstützt das Vorhaben der Bundesregierung und ist insofern gerne bereit, seinen Beitrag in Kooperation mit weiteren Akteuren zu leisten. Aus diesem Grund engagiert sich der ZDK bereits in verschiedenen Modellregionen, Gremien und ist in den Arbeitsgruppen 6 & 7 der Nationalen Plattform Elektromobilität vertreten.
Fahrzeuge
Im Zusammenhang mit der Elektromobilität sind aus Sicht des Kfz-Gewerbes folgende Fahrzeugbauarten/Antriebssysteme (Hochvolt-Fahrzeuge/-Systeme) zu verstehen:
Hybridfahrzeuge (Hybridelektrofahrzeuge)
In der EG-Rahmenrichtlinie 2007/46/EG sind "Hybridelektrofahrzeuge" definiert als
"Hybridfahrzeuge, die zum Zweck des mechanischen Antriebs aus folgenden Quellen im Fahrzeug gespeicherte Energie/Leistung beziehen:
- einem Betriebskraftstoff
- einer Speichereinrichtung für elektrische Energie/Leistung (z.B. Batterie, Kondensator, Schwungrad/Generator usw.)."
In der Praxis wird zwischen folgenden Hybridfahrzeugen unterschieden:
Parallele Hybridantriebe
Von einem parallelen Hybridantrieb spricht man, wenn das Fahrzeug von einem Verbrennungsmotor und/oder einem Elektromotor angetrieben wird.
Bei den so genannten Mild-Hybridsystemen dient der Elektromotor zur Unterstützung des Verbrennungsmotors. Ein Antrieb allein über den Elektromotor, das "elektrische Fahren", ist nicht oder nur bedingt möglich.
Bei den Vollhybridsystemen kann das Fahrzeug sowohl alleine durch den Verbrennungsmotor als auch alleine durch den Elektromotor angetrieben werden. Es ist auch möglich, beide Antriebsarten gleichzeitig zu nutzen. Bei diesen Fahrzeugen ist das "elektrische Fahren" möglich.
Serielle Hybridsysteme (Range Extenter)
Bei diesen Fahrzeugen erfolgt der mechanische Antrieb des Fahrzeugs allein über einen oder mehrere Elektromotoren. Der ebenfalls vorhandene Verbrennungsmotor dient alleine dazu, die Hochvolt-Batterie (HV-Batterie), welche die elektrische Energie für den Antrieb liefert, über einen Generator zu laden.
Gemäß der Begriffsbestimmung in der Richtlinie 2007/46/EG handelt es sich bei diesen Konzepten nicht um Hybridfahrzeuge (Hybridelektrofahrzeuge). In der Praxis werden diese Fahrzeugkonzepte - aus Ermangelung eines anderen Begriffes - im Allgemeinen allerdings den Hybridfahrzeugen zugeordnet.
Rekuperatives Bremsen
Bei allen Hybridkonzepten wird beim Bremsen die kinetische Energie des Fahrzeugs nicht mehr allein über die Reibbremse in Wärme umgewandelt, sondern ein Teil dieser Energie wird über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt (rekuperatives Bremsen), womit die HV-Batterie zum Antrieb des Fahrzeugs geladen wird. Bei den meisten zurzeit im Markt befindlichen Hybridsystemen werden hierbei Drehstrommaschinen sowohl als Motor zum Antrieb des Fahrzeugs als auch als Generator zum Abbremsen des Fahrzeugs und Laden der Batterie genutzt.
Reine Elektrofahrzeuge
Nach der Begriffsbestimmung der UN ECE-R 100 ist ein
"batteriebetriebenes Elektro-Straßenfahrzeug"
...ein Fahrzeug mit Aufbau, das für die Benutzung im Straßenverkehr bestimmt ist und ausschließlich von einem Elektromotor angetrieben wird, dessen Antriebsenergie ausschließlich von einer in das Fahrzeug eingebauten Antriebsbatterie geliefert wird."
Brennstoffzellenfahrzeuge
Bei den Brennstoffzellenfahrzeugen handelt es sich - ähnlich wie bei den seriellen Hybridfahrzeugen - im Prinzip um batteriebetriebene Elektrostraßenfahrzeuge. Bei diesen Fahrzeugen wird die Batterie zum Antrieb des Fahrzeugs über die mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzelle aufgeladen.
Hochvolt-Antriebssysteme/-bauteile
Bei den heute bereits im Verkehr befindlichen HV-Fahrzeugen kommen im Wesentlichen folgende Bauteile/Systeme zum Einsatz:
Elektromotoren/Generatoren
Bei den heute im Verkehr befindlichen Hochvoltfahrzeugen kommen in aller Regel Drehstrommaschinen zum Einsatz, die sowohl als Motor als auch als Generator genutzt werden können. Im Generatorbetrieb erzeugen diese Drehstrommaschinen einen 3-Phasen-Wechselstrom (Drehstrom), ähnlich wie der konventionelle Generator (Lichtmaschine). Allerdings liegen bei den HV-Fahrzeugen die Spannungen weit über den Spannungen, die vom konventionellen Fahrzeuggenerator erzeugt werden.
Wenn die Drehstrommaschine als Motor genutzt wird, muss sie mit einer 3-Phasen-Wechselspannung gespeist werden. Zur Drehzahlsteuerung wird die Frequenz der 3-Phasen-Wechselspannung variiert.
In der einfachsten Bauform der parallelen Mild-Hybridkonzepte wird ein Motorgenerator zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe eingebaut. Beim Beschleunigen und während der normalen Fahrt kann der Elektromotorgenerator den Verbrennungsmotor unterstützen. Vorteilhaft ist hierbei, dass der Elektromotor sein volles Drehmoment bereits bei sehr niedriger Drehzahl erbringt.
Beim Verzögern wirkt der Motorgenerator im Prinzip wie ein elektrischer Retarder, die hierbei gewonnene elektrische Energie wird in der HV-Batterie gespeichert.
Bei den aufwändigeren Parallel-Hybridkonzepten ist ein oder sind mehrere Motorgenerator/en im Getriebe installiert. Durch eine intelligente Steuerung der Motorgeneratoren und des Getriebes ist es möglich, diese Fahrzeuge entweder ausschließlich elektrisch zu fahren, nur die Leistung des Verbrennungsmotors zum Antrieb zu nutzen, oder - der Situation angepasst - die Leistung beider Antriebseinheiten einzusetzen.
Hochvolt-Batteriemodul
Bei den heute im Einsatz befindlichen Hybridfahrzeugen werden Metall-Hydrid-Batterien eingesetzt. Lithium-Ionen-Batterien sind in ersten Serienfahrzeugen und in Prototypen im Einsatz.
In den HV-Batteriemodulen sind einzelne Zellen mit einer Spannung von ein bis zwei Volt in Reihe geschaltet, so dass sich durch das Aufsummieren der einzelnen Spannungen die für den Antrieb benötigte HV-Spannung ergibt. Durch in das Batteriemodul integrierte Sicherheitseinrichtungen ist gewährleistet, dass nur bei eingeschalteter Zündung Spannung an den Kontakten der Batterie anliegt. Diese Sicherheitseinrichtungen reagieren auch auf Störungen innerhalb des HV-Netzes und unterbrechen im Falle eines Schadens den Stromkreis zu den Kontakten.
Darüber hinaus kann der Stromkreis in der HV-Batterie durch einen Service-/Wartungsstecker oder -schalter unterbrochen werden, so dass an den Kontakten der Batterie keine Spannung mehr anliegt.
Inverter (Umwandler)
Der Inverter hat die Aufgabe, die 3-Phasen-Wechselspannung des Generators in eine Gleichspannung zum Laden der Batterie umzuwandeln. Im umgekehrten Fall wird beim Antrieb des Elektromotors die Gleichspannung der Batterie in eine 3-Phasen-Wechselspannung umgeformt.
DC/DC-Wandler
Im DC/DC-Wandler wird die HV-Spannung der HV-Batterie zum Laden der "12 V-Batterie" entsprechend abgesenkt.
Sonstige HV-Aggregate
Neben den reinen Antriebskomponenten können bei HV-Fahrzeugen weitere Aggregate mit der HV-Spannung versorgt werden, dies sind z.B. Klimaanlagen, Lenkhilfe, Bremsunterstützung und/oder Heizung. Bei HV-Fahrzeugen, die ohne Verbrennungsmotor betrieben werden, ist es notwendig, alle Aggregate, die in konventionellen Fahrzeugen über den Verbrennungsmotor angetrieben werden, elektrisch zu betreiben.
HV-Stromnetz
Das HV-Stromnetz ist - bis auf den DC/DC-Wandler - vollständig vom restlichen Bordnetz getrennt. Die elektrischen Verbraucher außerhalb des HV-Netzes (wie z.B. lichttechnische Einrichtungen) werden über das konventionelle "12 V-Bordnetz" betrieben.
Service- und Instandsetzungsarbeiten an HV-Fahrzeugen
Allgemeine Service- und Instandsetzungsarbeiten an Fahrzeugen mit einem HV-Antriebssystem können wie an konventionellen Fahrzeugen durchgeführt werden. Dies gilt auch für Arbeiten am "12 V-Bordnetz" oder dem Antriebsstrang. Die entsprechenden Mitarbeiter müssen allerdings betriebsintern darüber unterwiesen werden, an welchen Bauteilen eine HV-Spannung anliegt.
Sofern am HV-System selbst gearbeitet oder einzelne HV-Komponenten ausgetauscht werden müssen, darf dies nur im spannungsfreien Zustand geschehen. Beim Spannungsfreischalten des HV-Systems sind die Sicherheitsregeln der Elektrotechnik zu beachten. Bei HV-eigensicheren Fahrzeugen ist die Anwendung der ersten drei dieser fünf Sicherheitsregeln ausreichend; diese sind:
1. Spannungsfreiheit herstellen
Beim Herstellen der Spannungsfreiheit wird durch den Service-/Wartungsstecker bzw. -schalter der Stromkreis innerhalb der Batterie unterbrochen, so dass bei intaktem HV-Batteriemodul keine Spannung an den Kontakten der Batterie anliegen kann.
2. Gegen Wiedereinschalten sichern
Das System wird gegen Wiedereinschalten gesichert, indem der Service- bzw. Wartungsstecker an einem sicheren Ort abgelegt wird oder die Kontakte des Service-/Wartungssteckers durch einen abschließbaren Blindstecker verriegelt werden. Bei Wartungsschaltern ist der Schalter selbst durch eine Abdeckkappe oder eine integrierte Verriegelung gegen versehentliches Wiedereinschalten gesichert.
3. Spannungsfreiheit feststellen
Zur Feststellung der Spannungsfreiheit ist grundsätzlich ein zugelassener Spannungsprüfer zu verwenden. Bei einigen Fahrzeugtypen ist ein entsprechender Spannungsprüfer im Fahrzeug integriert. Die Spannungsfreiheit kann bei diesen Fahrzeugen über die Fahrzeugarmaturen erkannt werden.
"HV-eigensicheres Fahrzeug" bedeutet, dass durch technische Maßnahmen am Fahrzeug für den Mitarbeiter ein vollständiger Berührungs- und Lichtbogenschutz gegenüber dem HV-System gewährleistet ist.
Nach dem Feststellen der Spannungsfreiheit können auch fehlerhafte HV-Komponenten wie alle anderen Baugruppen im Fahrzeug getauscht werden. Eventuelle Fehler in einzelnen HV-Komponenten können - wie bei anderen Fahrzeugsystemen - über Fehlerspeicher erkannt werden.
Fortbildungsmaßnahme
Da die physikalischen Grundlagen der Elektrotechnik und das Messen der elektrischen Größen im 12V- bzw. 24V-Bordnetz bereits seit 1973 Inhalt der Ausbildung zum Kfz-Mechaniker und Kfz-Elektriker waren, ist es bei Kfz-Mechanikern, -Elektrikern und -Mechatronikern, die seit diesem Zeitpunkt eine Ausbildung abgeschlossen haben, ausreichend, diese durch eine Fortbildungsmaßnahme auch zum Spannungsfrei schalten der HV-eigensicheren Fahrzeuge zu qualifizieren. Das Konzept für eine zweitägige Qualifizierung dieser Mitarbeiter wurden zwischen VDA, VDIK, ZDK und Berufsgenossenschaften abgestimmt; Schulungen nach diesem Konzept werden von der TAK und einiger Fahrzeugherstellern/-importeuren sowie Systemanbietern angeboten.
Bei nicht HV-eigensicheren Fahrzeugen sind weiterreichende Maßnahmen bei Anwendung der fünf Sicherheitsregeln zu beachten, damit es zu keiner Gefährdung der Mitarbeiter kommt. Bei nicht HV-eigensicheren Fahrzeugen kann es sich um Fahrzeuge handeln, die in kleinen oder Kleinstserien oder auch als Einzelfahrzeuge in den Verkehr gekommen sind oder auch um einige Nutzfahrzeuge und Busse. Um zu klären, welcher Fortbildungsbedarf bei den Mitarbeitern des Kfz-Gewerbes besteht, um auch an den Systemen dieser Fahrzeuge arbeiten zu können, müssten die Systeme der entsprechenden Fahrzeuge zunächst näher betrachtet werden und eine erneute Abstimmung zwischen VDA, VDIK, ZDK und Berufsgenossenschaften stattfinden.
Eine Instandsetzung defekter HV-Komponenten in Kfz-Betrieben ist bisher nicht vorgesehen. Es ist davon auszugehen, dass dies auch langfristig - wenn überhaupt - nur in spezialisierten Betrieben - wie heute die Instandsetzung von z.B. Anlassern, Generatoren, Getrieben oder Verbrennungsmotoren - angeboten wird.
Vertrieb von Elektrofahrzeugen
Weder die Kfz-GVO 1400/2002, noch die jüngst in Kraft getretene Kfz-GVO 461/2010 unterscheiden zwischen Fahrzeugen mit Verbrennungs- und Elektromotor. Maßgeblich sind die hier verankerten Definitionen von
„Kraftfahrzeugen“ = Fahrzeuge mit Selbstantrieb und mindestens drei Rädern,
und
„Personenkraftwagen“ = Kraftfahrzeuge, die der Beförderung von Personen dienen.
Da sowohl Verbrennungs- als auch Elektromotoren ein „Selbstantrieb“ sind, ist der Definition nach die Kfz-GVO anwendbar. Das hat zur Folge, dass die Errichtung eines selektiven Vertriebssystems zulässig ist. Im Neuwagenvertrieb bedeutet dies die quantitative Selektion, im Bereich Wartung und Instandsetzung die qualitative Selektion.
Über 100 Jahre Erfahrung im Vertrieb von Fahrzeugen bringt das Deutsche Kraftfahrzeuggewerbe mit in die Diskussion rund um das Thema Elektromobilität. Seit über 100 Jahren sind die Autohäuser nun mit dem Ohr am Kunden und können somit aufgrund der Erfahrung und der Nähe zum Kunden maßgeblich zur Verbreitung von Elektrofahrzeugen beitragen. Denn genau an dieser Schnittstelle entscheidet sich, ob Elektrofahrzeuge in der breiten Bevölkerung Akzeptanz erfahren oder nicht.