Vorteile der Hochspannungsmotoren

[Bernd Schlueter]

Die Spannungen unserer Elektrofahrzeugbatterien steigen und steigen. Als einzigen Grund dafür sehe ich im Fahrzeug die Materialersparnis an den Zuleitungskabeln. So kann man die Batterie an das entgegengesetzte Ende des Fahrzeugs verbannen und auch schon mal ein Kabel hin und her zum Armaturenbrett führen. Im Fahrzeug sehe ich weitere Vorteile nicht, im Gegenteil. Hohe Spannung bedeuten eine höhere Gefahr durch Flammenbögen. Niedrigere Spannungen lassen sich viel einfacher absichern, wenn man die parallelgeschalteten Stränge gegenseitig absichert.
Motoren kann man für fast beliebig niedrige Spannungen bauen, die passenden Halbleiter gibt es auch dazu, die sogar Kosten und elektrische Verluste einsparen. Ich denke hier vor allem an Vielphasen-Motorcontroller, die auch 20 und mehr Phasen aufweisen, wie es in Kommutatorgleichstrommotoren von alters her üblich ist.
Außerhalb des Fahrzeuges ist unbestritten ein dünneres Kabel von Vorteil. Will man mit höheren Leistungen von Tausenden Ampere laden, kommt eigentlich nur die induktive Energieübertragung in Frage, um die Kabelmassen in erträglichen Grenzen zu halten, Die können dann praktisch ganz entfallen.
Ich bin der Meinung, bei den Controllern und den Motoren hat man sich noch nicht an die sinnvolleren Gegebenheiten angepasst. Ich sehe in der Erniedrigung der Lade-, Batterie- und Motorspannung mehr Vorteile als Nachteile..
Bei Spannungen weit über 1000 Volt werden die IGBT-Halbleiter unbestritten konkrrenzlos günstig. Ob das aber ein sinnvoller Weg ist? Zur Zeit geht der Trend dorthin. Es ist der Spannungsbereich von Straßenbahnen, Obussen oder gar Eisenbahnen. Deren Probleme haben wir eigentlich nicht.

 

[Bernd Schlueter]

Ich stehe ja auf einsamem Posten mit meiner Schnapsidee, Motoren mit einer massiveren Wicklung zu versehen, nicht nur, damit sie besser gekühlt werden können und robuster sind. Die zugehörigen Leistungshalbleiter haben weniger Verluste und sind spottbillig. Die Batterien will ich direkt um den Motor gruppieren, vielphasig, damit die Zuleitungslängen gering sind und die Kupferschienen nicht zu schwergewichtig. Die Batterien sind die gleichen wie die bei höherer Voltzahl, kleine Batterien lassen sich besser kühlen. Nicht jede Fahrzeugkonstruktion ist dafür geeignet. Schon gar nicht Radnabenmotoren, die leichte und biegsame Zuleitungen benötigen.
Ja, es wird eine völlig neue Motorkonstruktion mit einer Grunderregung durch Neodymmagneten, die durch eine Serienfeldwicklung ergänzt wird. Es gibt noch nicht das weichmagnetische Material, das auch bei hohen Drehzahlen die Wirbelströme in Grenzen hält. Jedenfalls nicht mehr und ich suche bei jedem Messebesuch nach der "Vakuumschmelze", die einst auf diesem Gebiet führend tätig war. War dieses Jahr nicht vertreten.
Aber Elektrizität ist extrem flexibel, es geht auch ohne.
Ein weiterer Vorteil von Niederspannungsmotoren: Man ist nicht auf einen runden Drahtquerschnitt angewiesen, sondern kann massive, rechteckige Roebelstäbe verwenden, die auch innengekühlt sein können und den Wickelquerschnitt zu 95% ausfüllen.
Die erste Entwicklungsserie kostet und das ist immer ein Grund für Verbrennerfreunde, die unsere Autoindustrie noch besitzt, eine Neuentwicklung auf den Sanktnimmerleinstag, den höchsten Feiertag in der Branche, zu verschieben.
ich sage mir immer, viele Verbindungsstellen in einer Serienschaltung sind und bleiben eine vielfache Gefahrenquelle. Wenige Verbindungen lassen sich leichter überwachen.

Induktionslader kann man mit unbegrenzt hoher Leistung bauen. man braucht nur sehr wenig Ferrit, um die entstehenden Magnetfelder abzuschirmen. Mir schwebt ein Einheitsmotoraggregat vor, das sich auf der ganzen Welt durchsetzen wird. Mit Gnu-Lizenz, natürlich. Genau eine Getriebstufe, Ritzel und ein großes Kronrad am Differential. Nur das hat lediglich 3%Verlust.

 

[Bernd Schlueter]

Der Grund für den Anstieg der Batteriespannung ist ein einfacher: die kleine 18650er Zelle hat sich durchgesetzt und ist damit Standard geworden. Große Oberfläche, gute Kühlbarkeit und infolge der großen Verbreitung von Computern, die praktisch ausschließlich auf diesen Zellen aufbauen, eine gute Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit. Schließt man mehr Zellen parallel, verschlechtert sich die Erkennbarkeit von Fehlern. Spannungsunterschiede lassen sich leichter erkennen als die von Strömen. Zudem arbeiten unsere Stromnetze mit Spannungen, die den Entfernungen von den Mittelspannungstransformetoren angepasst sind. In den Städten wenige hundert Meter, auf dem Land kaum mehr als ein Kilometer.
Im Auto sind es allenfalls 4 Meter, da könnte man sich auch dickere Kupferdrähte leisten.

So kann man aber auf Standardteile zurückgreifen mit den haushaltsüblichen Verbindungen. Dazu gehören auch die störsicheren IGBTs mit ihrem leider beträchtlichen Spannungsabfall. Im Bereich von wenigen Tausend Volt fühlen sich diese am wohlsten.

Auch, wenn die hohen Spannungen im Fahrzeug nicht erforderlich wären, es sind zu viele Einzelmaßnahmen, die inzwischen erforderlich wären, einen Neuanfang durchzusetzen.

Im Haushalt sind wir, trotz vieler tödlicher Unfälle, an hohe Spannungen gewöhnt, Photovoltaikanlagen arbeiten oft mit über 1000 Volt und Zwischengleichspannungen von rund 500 Volt sind im Drehstrombereich üblich. Diese Spannungen auch im Kraftfahrzeug sicher berührungssicher zu isolieren, ist zudem einfacher als im Haushalt, weil die Hochspannungssysteme potentialfrei ohne Berührung mit der meist metallenen Karosserie verlegt und relativ sicher überwacht werden können.

Zudem erleichtern hohe Spannungen die Handhabung von Tankarmaturen, die inzwischen in Leistungsbereiche vorgedrungen sind, die man früher kaum für möglich gehalten hat.
Die gängigen Drehstromnetzzwischengleichspannungen der Leistungsfaktorkorrekturkomponenten in der Gegend von 500 bis 1000 Volt werden wohl weiterhin "den Ton angeben".
Zunehmend wird man beim Ladevorgang bei seinem Fahrzeug bleiben können, um die Ladestationen nicht zu lange zu blockieren. Die sehr kleinen 18650er Zellen ermöglichen dies wegen der guten Wärmeabfuhr infolge iherer großen Oberfläche. Allenfalls die flachen Tüten der Kokam-Batterien liegen dabei noch besser und spielen ihre Vorteile im Heli-Bereich, aus.

20C Belastbarkeit hat man im Kraftfahrzeugbereich bisher noch nicht für erforderlich gehalten.
Sehr überzeugt haben mich die einfach in die Zellverbinderstruktur integrierten Sicherungen aus fast hauchdünnen Metallverbindern von Paul in Nimwegen, die im Auslösefall einfach in die Luft abdampfen, ohne Brände auslösen zu können.
Obwohl Nimwegen reichlich mit brandlöschenden Sümpfen versorgt ist, wird es kaum noch erforderlich sein, brennende Batterien in den reichlich vorhandenen Sümpfen Nijmegens zu versenken.Der nächste Hindernislauf findet jedes Jahr um die gleiche Zeit statt. Wir sind dann wieder dabei und wer will, kann sich uns starken Wikingern anschließen. Der Parcour ist für Elektroautos nicht geeignet.