Fit für die Zukunft: Das Volvo-ABC der Elektrifizierung
Die Schweden tun was. Richtig, Volvo ebnet gerade den Weg für eine neue Ära, die über den reinen Verbrennungsmotor hinausgeht. Als erster traditioneller Autohersteller hat sich der schwedische Premium-Produzent im Sommer 2017 für eine vollständige Elektrifizierung entschieden. Deshalb wird seit 2019 jedes neu eingeführte Volvo-Modell elektrifiziert. Mild-Hybride und Plug-in-Hybridmodelle sind der Übergang zu vollelektrischen Fahrzeugen. Überhaupt: Volvo ist der einzige Autohersteller, der in jeder Modellreihe als clevere Brückentechnik mindestens eine Plug-in-Hybridvariante anbietet.
Bereits Anfang 2021 ist der Auftakt für die neue »Recharge“-Familie, unter der künftig alle neuen Volvo mit Elektro- oder Plug-in-Hybridantrieb zusammengefasst werden. Innerhalb der nächsten fünf Jahre wollen die Schweden jedes Jahr ein neues vollelektrisches Modell vorstellen, so dass 2025 die Hälfte des weltweiten Absatzes auf Elektroautos entfällt – der Rest auf Hybride. Und falls Sie die vielen neuen Begriffe der automobilen Elektrifizierung noch ein wenig ins Grübeln bringen: Hier kommt das passende Volvo-ABC. Vielleicht haben Sie jetzt ja ein bisschen Zeit, falls Sie wegen Corona zu Hause sitzen müssen. Kopf hoch, los geht’s.
Ampere
Genau, die Einheit für die Stromstärke. Stellt man sich Strom als durch ein Rohr fließendes Wasser vor, bezeichnet Ampere den Durchmesser des Rohrs, während Volt dem Wasserdruck entspricht. Beide Größen entscheiden, wie hoch die Leistung (Watt) ist.
Batterie
Das konnten Sie sich schon denken: die Batterie ist das Herzstück des Elektroautos: Ihre Kapazität entscheidet über die Reichweite des Autos, auch über den Anschaffungspreis. Je mehr Kilowattstunden (kWh) sie speichern kann, desto weiter kommt man pro Akkuladung, desto teurer wird das Auto. Toller Trend: Während die Leistungsfähigkeit der Akkus immer weiter steigt, sinken ihre Kosten. Aktuell kommen in Elektro- und Hybridfahrzeugen überwiegend Lithium-Ionen-Akkus zum Einsatz. Sie haben eine hohe Leistungsdichte, vertragen viele Ladezyklen und benötigen (meist sicher im Unterboden verstaut) wenig Bauraum. Zur Schonung von Kapazität und Lebensdauer sollten Lithium-Ionen-Akkus nicht vollständig entladen und auch nicht zu 100 Prozent vollgeladen werden. Topversionen der Branche reichen bis in den 100-kWh-Bereich. Und klar: Wer nicht rast, kommt hier prinzipiell weiter.
Brake-by-Wire
Mechanik adé: Die Mild-Hybride und Plug-in-Hybride von Volvo sind mit einem „Brake-by-Wire“-System ausgerüstet. Dabei wird der Bremsimpuls vom Pedal auf das weiterhin hydraulische Bremssystem elektrisch übertragen – und so die Pedalbewegung von der Hydraulik entkoppelt. Diese schlaue Lösung verbessert das Pedalgefühl, verkürzt die Reaktionsgeschwindigkeit und spart Gewicht ein – auch weil kein Bremskraftverstärker mehr notwendig ist. Zudem ermöglicht das „Brake-by-Wire“-System eine effektive Rekuperation (Rückgewinnung) der Bremsenergie.
Brennstoffzellen-Antrieb
Wie das mit dem Wasserstoffantrieb ist? Auch bei Fahrzeugen mit Brennstoffzelle handelt es sich im Grunde um Elektrofahrzeuge, denn der Antrieb der Räder erfolgt per Elektromotor. Die elektrische Energie wird hier direkt an Bord erzeugt – in der Brennstoffzelle, in der durch die chemische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff Strom produziert wird. Der Wasserstoff wird in Hochdrucktanks mitgeführt. Vorteile sind die schnelleren Tankzeiten und höheren Reichweiten, Nachteile die hohen Kosten für die Technik, die fehlende Tankstellen-Infrastruktur und der hohe Aufwand für Wasserstoff-Transport und -Speicherung. Auch ist der Wirkungsgrad des Elektroantriebs klar höher. Brennstoffzellen-Antriebe eignen sich aber gut für größere Fahrzeuge, speziell auch für schwere LKWs, aber ebenso für Schiffe und Industrieanlagen.
DC/DC-Wandler
Einfach merken. Heißt auch Gleichspannungswandler. Wandelt eine Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem oder niedrigerem Spannungsniveau um, bei Mild-Hybrid-Fahrzeugen mit 48-Volt-Bordnetz etwa von 48 in 12 Volt.
Elektrischer Kompressor / E-Charger
Im manchem großen Volvo-Benzinmotor arbeitet neben dem Turbolader zusätzlich ein elektrischer Kompressor. Dieser zeichnet sich gegenüber einem herkömmlichen Kompressor mit Riemenantrieb durch ein direkteres Ansprechverhalten, eine geringere Geräuschentwicklung sowie ein geringeres Gewicht aus. Der elektrische Verdichter sorgt für einen schnellen Drehmomentaufbau aus dem Stand und unterstützt den Turbolader im unteren Drehzahlbereich. Er arbeitet unabhängig von der Motordrehzahl und ist damit flexibler als ein mechanischer Kompressor.
Elektromotor
Exakt, der Supertyp: Ein Elektromotor ist die perfekte Antriebsmaschine. Er kann sehr hohe Drehzahlen erreichen, stellt im Auto direkt ab der ersten Umdrehung das volle Drehmoment bereit (immer Sprintsieger!), kann dadurch mit einem einfachen Eingang-Getriebe kombiniert werden, arbeitet fast geräuschlos und vibrationsfrei, ist zuverlässig und verschleißarm und hat einen hohen Wirkungsgrad von 90 Prozent (Verbrennungsmotoren nur 37 bis 45 Prozent) bei geringen Wärmeverlusten. Elektromotoren lassen sich direkt an der Antriebsachse verbauen oder sogar als Radnabenmotoren in die Räder integrieren.
Sie wandeln elektrische Energie durch das Zusammenspiel der beiden Elektromagnete Stator und Rotor in mechanische Energie um. Der Rotor ist drehbar und bewegt sich innerhalb des fest am Gehäuse fixierten Stators. In Elektro- und Hybrid-Autos kommen aktuell zwei Arten von Elektromotoren zum Einsatz. Am weitesten verbreitet ist der Synchronmotor, bei dem der Rotor synchron von einem bewegten magnetischen Feld mitgenommen wird; auch Volvo setzt auf diesen Typ. Beim Asynchronmotor läuft der Rotor dem Magnetfeld des Stators nach oder voraus. Beide Bauarten haben Vor- und Nachteile. Synchronmaschinen besitzen eine hohe Dynamik und einen hohen Wirkungsgrad, Asynchronmotoren sind besonders robust, haben einen einfacheren Aufbau und kommen ohne Seltene Erden-Rohstoffe aus.
Generator
Mister Wichtig: Ein Generator ist eine elektrische Maschine, die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Damit ist der Generator das Gegenstück zum Elektromotor, der aus elektrischer Energie Bewegungsenergie erzeugt. In Elektro- und Hybridfahrzeugen werden Generatoren verwendet, um die beim Verzögern des Autos freigesetzte kinetische Energie in Elektrizität umzuwandeln und in der Batterie zu speichern.
Gleichstrom (DC – Direct Current)
Schon gewusst? Elektrischer Strom, der immer in die gleiche Richtung fließt. Spannung und Stromstärke müssen dabei nicht unbedingt konstant sein und können zum Beispiel in der Stärke pulsieren. Akkus funktionieren mit Gleichstrom. Das bedeutet: Während Wechselstrom (etwa aus Haushaltssteckdosen) erst im bordeigenen DC/AC-Wandler in Gleichstrom umgewandelt muss, damit er in die Batterie eingespeist werden kann, kann Gleichstrom direkt in den Akku fließen. Mal ein schönes Beispiel: Ein Volvo-Akku kann an einer Gleichstrom-Schnellladesäule in knapp 40 Minuten zu 80 Prozent aufgeladen werden, also in der Zeit einer bequemen Autobahn-Kaffeepause.
Hybridantrieb
Ganz einfach: Ein Hybridantrieb besteht aus einem Verbrennungsmotor und einem oder mehreren Elektromotoren. Der Antrieb erfolgt normalerweise überwiegend durch den Verbrennungsmotor, der Elektromotor kann das Fahrzeug (je nach System) aber für kürzere Strecken allein antreiben und dient ansonsten als zusätzliche Unterstützung des Verbrenners. Weitere Bestandteile des Systems sind ein vom Verbrennungsmotor angetriebener Generator zur Erzeugung elektrischer Energie sowie ein Akku zur Speicherung des Stroms.
Es gibt drei Bauformen. Beim seriellen Hybridantrieb sind die einzelnen Antriebsaggregate in Serie geschaltet: Der Antrieb der Räder erfolgt nur durch den Elektromotor, während Verbrennungsmotor und Generator der Produktion und Bereitstellung elektrischer Energie für den Elektromotor dienen. Beim parallelen Hybrid können Verbrennungs- und Elektromotor für Vortrieb sorgen: unabhängig voneinander oder gemeinsam. Das Zusammenspiel der Motoren wird über ein Getriebe oder die Leistungselektronik geregelt. Beim Axle-Split-Hybrid wirken die Motoren auf unterschiedliche Achsen: Eine Achse wird elektrisch angetrieben, die andere über den Verbrennungsmotor. Dies kann wie beim Parallel-Hybrid autonom oder gemeinsam erfolgen. Vorteil: Das Axle-Split-System bringt uns ohne hohen mechanischen Aufwand einen elektrischen Allradantrieb.
Induktives Laden
Stichwort Zahnbürste: Das induktive Laden beruht auf der Technik der elektromagnetischen Induktion, wir kennen das von Mobiltelefonen oder elektrischen Zahnbürsten. Zur Übertragung der Energie wird mit einem Oszillator ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, die Übertragung erfolgt dann zwischen zwei Spulen, der Primärspule beim Sender und der Sekundärspule beim Empfänger. Das magnetische Feld erzeugt in der Sekundärspule eine Wechselspannung, die dann in Gleichstrom umgewandelt und in die Batterie eingespeist wird.
Ist natürlich komfortabel, da es beim Auto im Prinzip ausreicht, das Fahrzeug über einer in den Boden eingelassenen Stromquelle zu parken; das fummlige Anschließen des Ladekabels an die Steckdose entfällt. Der Abstand zwischen den beiden Spulen sollte möglichst gering sein. Bei größerem Abstand verschlechtert sich der Wirkungsgrad; zudem besteht die Gefahr, dass Fremdkörper in den Luftspalt zwischen den Spulen geraten. Mit dem induktiven Laden sind jedoch Anforderungen an die Fahrzeuge verbunden, da elektrische Bauteile abgeschirmt werden oder weit genug von den Spulen entfernt sein müssen, um nicht durch das magnetische Wechselfeld beeinflusst zu werden. Und: Bis jetzt dauert das induktive Laden der Auto-Akkus noch ziemlich lange, weil die möglichen Ladeleistungen (3,6 bis 11 kW) derzeit noch relativ niedrig sind.
Inverter
Auch Umrichter oder Wechselrichter. Wandelt Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom für den Elektromotor um.
Kilowattstunde
Kennen wir noch aus dem Physikunterricht: Maßeinheit für Energie. Eine Kilowattstunde (kWh) ist zum Beispiel eine Energie, die ein elektrisches Gerät mit einem Kilowatt Leistung in einer Stunde aufnimmt oder abgibt. Bei Batterien wird mit kWh die maximal aufnehmbare oder abrufbare elektrische Energie bezeichnet.
Ladedauer
Generell lässt sich die Ladedauer berechnen, indem man die Batteriekapazität des Fahrzeugs mit der Ladeleistung einer Ladestation teilt. Allerdings werden Akkus nicht linear geladen: Die jeweilige konkrete Ladedauer ist abhängig von der der Beschaffenheit des Akkus, etwa der Temperatur und dem State of Charge (SoC). Bei weitgehend entladener Batterie geht das das Aufladen schneller; erreicht der SoC einen Wert von 80 Prozent, verlangsamt sich der Ladevorgang aber ziemlich deutlich. Es ist daher sinnvoll, die Batterie nur zu 80 Prozent aufzuladen. Dann lebt sie auch länger.
Ladestecker
Schluss it dem Wirrwarr. In Deutschland sind aktuell vier Ladestecker-Typen auf dem Markt anzutreffen: Typ 2 (Mennekes), Combo 2 (CCS2), CHAdeMO und Tesla Supercharger. Alle Stecker ermöglichen eine Kommunikation zwischen Ladesäule und Fahrzeug, um den Ladevorgang gemäß Akkuzustand regulieren zu können. EU-Standard ist der Mennekes Typ 2 Stecker (Wechselstrom), der ein Aufladen an der Haushaltssteckdose (einphasig), an CEE-Steckern (dreiphasig) und an Ladestationen (bis 43,5 kW) ermöglicht. Der CCS2-Stecker erlaubt ein Aufladen per Wechsel- und Gleichstrom mit aktuell 50 kW (bis über 170 kW möglich), die meist im asiatischen Raum verwendeten CHAdeMO-Stecker funktionieren mit Gleichstrom mit bis zu 50 kW. Beim Tesla Supercharger handelt es sich um einen modifizierten Typ 2 Stecker, der (leider) nur mit Tesla-Modellen funktioniert und das Laden von Gleichstrom mit extrem hoher Ladeleistung (145 kW) ermöglicht.
Mild-Hybrid
Hilft beim Fahren und Sparen: Beim Mild-Hybridantrieb wird der Verbrennungsmotor in ineffizienten Fahrsituationen – etwa beim Anfahren – durch einen Elektromotor unterstützt, um den Verbrauch zu senken. Im Schubbetrieb fungiert der Elektromotor als Generator, um freigesetzte Energie zurückzugewinnen und in der Batterie zu speichern. Elektromotor und Batterie sind relativ klein und lassen sich leicht im Auto unterbringen, ein rein elektrisches Fahren ist meist nicht möglich. Das Mild-Hybrid-System funktioniert mit 48 Volt und erfordert daher ein zusätzliches Bordnetz, das weitgehend vom 12-Volt-Bordnetz entkoppelt ist. Alle Vorteile: sanftere Startvorgänge, besserer Schaltkomfort, mehr Power beim Beschleunigen und eben deutlich weniger Verbrauch (bis zu 15 Prozent).
Mehr Details? Gut, je nach Aufbau, Layout und Verbindung zwischen E-Motor und Verbrennungsmotor unterscheidet man zwischen verschiedenen Mild-Hybrid-Architekturen. Am üblichsten ist der Einsatz eines Startergenerators, der von der Kurbelwelle angetrieben wird. Er übernimmt die Funktion eines Start-Stopp-Systems, unterstützt den Verbrennungsmotor und rekuperiert Bremsenergie. Zum System gehören darüber hinaus ein DC/DC-Wandler, der 48-Volt-Spannung in 12 Volt für den Betrieb der elektrischen Bordsysteme umwandelt, ein Inverter zur Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom, eine Batterie und die Leistungselektronik zur Steuerung des Systems.
Plug-in-Hybridantrieb
Kann schon fast alles, der Hybridantrieb mit zusätzlicher externer Lademöglichkeit für die Batterie. Die von Hybridantrieben bekannten Bauformen sind auch hier möglich. Plug-in-Hybride sind in der Regel im Vergleich zu einfachen Hybridfahrzeugen mit leistungsfähigeren Batterien und Elektromotoren ausgerüstet und bieten eine deutlich größere Reichweite (aktuell zwischen 30 und 150 km) im rein elektrischen Betrieb. Für die täglichen, meist kürzeren Pendel-Strecken zur Arbeit reicht das locker in den meisten Fällen. Und über Nacht lässt sich der Akku dann ja wieder aufladen.
Predictive Efficiency
Klingt kompliziert, funktioniert aber easy. Erlaubt eine effizientere Nutzung der elektrischen Fahranteile auf einer längeren Strecke. Ohne diese Funktion läuft ein Plug-in-Hybrid bei Fahrtantritt zunächst im reinen Elektromodus, bis die Batterie erschöpft ist. Dann übernimmt bis zum Fahrtende der Verbrennungsmotor. Predictive Efficiency sorgt dafür, dass die elektrischen Fahranteile sinnvoll über die gesamte Strecke verteilt werden. So ist beispielsweise noch genügend elektrische Energie vorhanden, wenn die Fahrt zum Ende durch die Innenstadt oder ein Wohngebiet führt. Voraussetzung für die Nutzung der Funktion ist natürlich das Programmieren des Fahrtziels ins Navigationssystem.
Smart Grid
Kommt bald: In modernen intelligenten Stromnetzen können Elektro- und Hybridfahrzeuge eine wichtige Funktion übernehmen. Sie können überschüssigen Strom aus Windkraft- und Solaranlagen in ihren Batterien zwischenspeichern und bei Bedarf wieder ins Netz einspeisen. Auf diese Weise können Lastspitzen im Netz ausgeglichen und Mangelphasen überwunden werden. Voraussetzung ist die bidirektionale Ladefähigkeit der Fahrzeuge: Sie erlaubt, dass der Strom im Fahrzeugakku gespeichert und auch wieder ins Netz zurückgespeist wird. Auch daran wird bei Volvo gearbeitet.
State of Charge
Der State of Charge (SoC) bezeichnet den aktuell nutzbaren Bereich eines Akkus und unterscheidet sich damit von der nominalen Gesamtkapazität. In batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen ist der in Prozent angegebene SoC vergleichbar mit der Tankanzeige konventioneller Fahrzeuge.
State of Health
Der State of Health (SoH) markiert den aktuellen Zustand einer Batterie im Vergleich zu ihrem Idealzustand etwa zum Zeitpunkt der Herstellung.
Volt
Kennen Sie: Einheit für die elektrische Spannung. Siehe auch -> Ampere.
Wallbox
Für Zuhause. Das Laden von Plug-in-Hybrid- oder Elektrofahrzeugen an der heimischen Haushaltssteckdose ist nur eine Notlösung. Für das komfortable, schnelle und sichere Laden zu Hause empfiehlt sich die Installation einer Wandladestation, der sogenannten Wallbox. Sie bildet die Schnittstelle zwischen dem heimischen Stromnetz und dem Ladestecker des Elektrofahrzeugs, ist mit Schutzvorrichtungen ausgerüstet und kann beispielsweise in der Garage, aber auch im Außenbereich angebracht werden. Volvo bietet eine Wallbox mit 11 kW an.
Wasserstoffantrieb
Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb verfügen in der Regel über eine Brennstoffzelle (siehe oben), die mit Hilfe des Wasserstoffs elektrische Energie für einen Elektromotor produziert. Prinzipiell ist es aber auch möglich, modifizierte Verbrennungsmotoren mit Wasserstoff zu betreiben.
Watt/Kilowatt
Klar: Einheit für die Leistung, also den Energieumsatz pro Zeitspanne.
Wechselstrom (AC – Alternate Current)
Nicht schwer: Elektrischer Strom, der periodisch seine Richtung wechselt. Stromstärke und Spannung ändern sich dabei ebenfalls in einem festen Rhythmus. Beim Haushaltsstrom handelt es sich um Wechselstrom. Dieser hat den Vorteil, dass die Spannung mit einem Transformator erhöht oder und vermindert werden kann: So werden für eine möglichst verlustarme Übertragung über weite Strecken hohe Spannungen verwendet, die dann beim Endverbraucher auf eine niedrige Spannung heruntergeregelt werden. Bevor Wechselstrom in die Fahrbatterie eines Elektro- oder Plug-in-Hybridfahrzeugs eingespeist werden kann, muss er im bordeigenen AC/DC-Wandler in Gleichstrom umgewandelt werden.
Wirkungsgrad
Für die Rechner: Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von zugeführter und nutzbarer Energie und damit die Effizienz einer technischen Einrichtung. Verbrennungsmotoren haben einen Wirkungsgrad bis ca. 37 Prozent (Benzinmotor) beziehungsweise 45 Prozent (Dieselmotor). Also: Von der im Kraftstoff enthaltenen Energie wird weniger als die Hälfte für den Antrieb des Fahrzeugs verwendet, der Rest verpufft als Reibungs- und Wärmeverluste. Elektroantriebe sind im effizienter: Sie besitzen einen Wirkungsgrad von 90 Prozent. Nur etwa zehn Prozent Verlustwärme. Lässt sich auch am Verbrauchsvergleich ablesen: Verbraucht ein Auto mit Ottomotor 5,6 Liter je 100 Kilometer, entspricht dies einem Stromverbrauch von 49,8 kWh/100 km und damit dreimal so viel wie einem Auto mit Elektromotor, das 16,6 kWh/100 km verbraucht.
48-Volt-System
Unser letzter Punkt: Das 48-Volt-System fungiert in den Volvo Modellen mit Mild-Hybrid als zusätzliches Bordnetz für die elektrischen Komponenten des Antriebssystems. Es ist vom herkömmlichen 12-Volt-Bordnetz des Fahrzeugs mit seinen traditionellen elektrischen Verbrauchern weitestgehend entkoppelt und schafft mit bis zu 15 kW Leistung neue Kapazitäten für die Elektrifizierung, erfordert im Unterschied zum Hochvolt-System der Elektroautos und Plug-in-Hybride aber keine gesonderten Schutzvorrichtungen. Damit erlaubt das 48-Volt-Netz eine günstige Elektrifizierung des Antriebs. Auch die dazugehörige Batterie ist vergleichsweise klein und kann problemlos im Fahrzeug untergebracht werden, besondere Kühlung ist nicht notwendig.
