Elektromobilität: Fährt uns das Auto der Zukunft selber nach Hause?

Journal 1/14 eMobility D

Elektrofahrzeuge sind keine neue Erfindung. Ihre Entwicklung lief zusammen mit der Erforschung und Nutzbarmachung der Elektrizität.

Wer hätte gedacht, dass der Star der Weltausstellung 1900 in Paris ein Hybrid-Porsche war? Den Elektrowagen mit Radnaben-Elektromotor an den Vorderrädern konstruierte Ferdinand Porsche für den österreichischen Industriellen Lohner. Dieser Lohner-Porsche hatte einen Verbrennungsmotor, der den Akku über einen Generator mit Strom versorgte. Die Rennversion erreichte mit einem 1800 kg schweren Akku und vier Radnabenmotoren ein Tempo von rund 60 Stundenkilometern. Damit hatte Porsche das erste Hybridfahrzeug, aber auch das erste Allradfahrzeug der Welt gebaut. Nach 1912 drängten sich die leistungsstärkeren und billigeren Verbrennungsmotoren in den Vordergrund.

Mobil ohne Emissionen

Mobil zu sein ohne Emissionen ist das langfristige Ziel, angetrieben von einer weltweit sich verschärfenden Umweltgesetzgebung. Sie schreibt bereits derzeit – z.B. in Kalifornien – einen stetig steigenden Prozentsatz an Fahrzeugen ohne Emissionen vor. Langfristig führt dies zum Elektroauto, bereits derzeit und mittelfristig als Zwischenlösung zu einem wachsenden Anteil von Hybridfahrzeugen.

Strom brauchen sie beide. Wer liefert ihn? Ein Akku, der gespeist wird über das Stromnetz, durch rückgewonnene Bremsenergie oder durch einen Verbrennungsmotor, der über einen Generator den Akku lädt; dieser Stromspeicher sollte möglichst kompakt, leistungsfähig, leicht, sicher und schnell aufladbar sein. An dieser Stelle geht ein Dank an die Mobiltelefone. Deren schnelle weltweite Verbreitung hat die Entwicklung leistungsfähiger Stromspeichertechnik enorm beschleunigt.

Das klassische Elektroauto

Ein klassisches, reines Elektroauto ist ein kleines, leichtes Fahrzeug mit Elektromotor und aufgeladenem Akku. Kein Getriebe, keine Kupplung; Elektronik für den Ladevorgang, eine Software für die Reichweiten-Anzeige und ein Ladekabel. Dieses Auto erinnert an den «Smart», ein Konzept, das Nicolas Hayek – Mr. Swatch – Anfang der 90er-Jahre entwickelte. Dieser Typ Elektro-Auto ist ideal für Nah- und Stadtverkehr geeignet, zumal derzeit die täglichen Fahrstrecken mit einem PW im Schnitt unter 60 km liegen. Diverse Ladestationen in der Stadt ermöglichen das Wiederaufladen des Akkus. Die Aufladezeiten werden sich immer weiter verkürzen. Zu Hause geht das über Nacht. Wichtig ist vor allem die Normung der Ladetechnik. Der Stecker sollte europaweit passen. Ohne Normung kein Erfolg.

Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeuge

Soll das Auto weitere Strecken auch ohne Ladestation fahren können, muss es seinen Strom unterwegs an Bord selbst herstellen. Das können Hybridfahrzeuge, die neben dem Elektroantrieb und dem Akku einen Verbrennungsmotor haben, der über den Generator den Akku auflädt.

Das Brennstoffzellenfahrzeug erzeugt den Strom chemisch direkt an Bord mit einer Brennstoffzelle, die Wasserstoff oder Methan in elektrische Energie umwandelt. Aus dem Auspuff kommt Wasser. Es gibt eine Vielzahl weiterer Kombinationen, um klimafreundliche Mobilität zu ermöglichen. Immer ist es aber entscheidend, wie nachhaltig der Strom erzeugt wird, der den Elektromotor versorgt.

Auf das Gewicht kommt es an

Bei allen Fahrzeugen wird die Leichtbauweise weiter vordringen, sowohl bei den Karrosseriestrukturen, dem Antriebsstrang und dem Fahrwerk. Neben Aluminium werden vor allem Verbundwerkstoffe auf Kohlenstofffaser-Basis anstelle von Metall als zukunftsweisend angesehen. Die SGL Carbon Group entwickelt Carbonfaser-Verbundwerkstoffe (CFK), die 40 Prozent leichter sind als Aluminium und 60 Prozent weniger wiegen als Stahl. Formel-1-Fahrzeuge sind fast vollständig aus diesem Material. Alle Bauteile des Fahrzeugs müssen leichter und effizienter werden. Sowohl Motoren als auch Akkus und Generatoren haben diesbezüglich noch Innovationspotential.

Elektronische Komponenten immer wichtiger

Zunehmen wird die Zahl der elektrischen und elektronischen Bauteile, darunter Sensoren, Steuerungen, Kabel, Klein- und Kleinstmotoren für die Bereiche Motor und Getriebe, Abgasstrang, Sicherheit, Komfort und Infotainment. Wertmässig machen Elektrik und Elektronik bereits heute rund 30 bis 35 Prozent an einem modernen Auto aus – Tendenz stark steigend.

Die elektronischen Warn- und Assistenzsysteme werden generell an Bedeutung gewinnen. Hierzu gehören die automatische Verkehrszeichenerkennung, die Erkennung der Fahrtüchtigkeit (Müdigkeit) über Augenscanner, die automatische Alkoholerkennung des Fahrers beim Starten des Fahrzeugs, Spurhalteund Spurwechselsysteme sowie die Früherkennung von Fussgängern, Velofahrern und Tieren - und dies sowohl bei Tageslicht, in der Dämmerung und vor allem nachts.

Das System kann warnen oder reagieren, beispielsweise durch ein automatisches Notbremssystem. Das funktioniert mit einem Elektronik-Paket aus Abstandssensoren (Lidar- und Radarbasis), optischen und Infrarotkameras in 2D- und 3DTechnik sowie intelligenten Steuerungssystemen.

Auf dem Weg zum Autopiloten

Fahrerassistenzsysteme sind sozusagen Zwischenstufen auf dem Weg zum vollautomatischen Fahren. Hierbei ist zu beachten, dass es bis zum Ziel des vollautomatischen Fahrens in allen Verkehrssituationen (Stadt, Land, Stau, Autobahn, Glätte, Nebel, hohe Fahrgeschwindigkeit usw.) diverse Zwischenstufen der Automatisierung geben wird. Das vollautomatische Parken steckt soeben in der Anfangsphase, wohl demnächst gefolgt vom Stauassistenten auf der Autobahn, der es im Falle eines Staus erlauben wird, E-Mails zu bearbeiten sowie zu telefonieren, ohne das Lenkrad oder das Gaspedal betätigen zu müssen. Was die Durchsetzung der diversen Arten des automatischen Fahrens angeht, so sind neben den technischen Möglichkeiten stets auch der rechtliche Rahmen sowie die Präferenzen der Verbraucher massgeblich für den Erfolg am Markt.

Im Falle von autonom agierenden Fahrzeugen kann das automatische Fahren nur durch eine Fülle an Abstandssensoren und Kamerasystemen zur Umfassung aller relevanten Umgebungsgrössen (Objekte, Personen, Radfahrer, ...) gelöst werden.

Daneben sind Car-to-X-Systeme auf dem Vormarsch, die vor allem die permanent während der Fahrt generierten Informationen anderer Fahrzeuge (Verkehrsfluss, Stau, Crash, Seiteneinbieger usw.) nutzen, um die Automatikfunktionen erfüllen zu können. In diesem Fall braucht es den bordeigenen Computer, die Rechenleistung zentraler Grosscomputer sowie das Cloudcomputing, um die nötigen Informationen zu sammeln, auszutauschen, zu bewerten und Fahrbefehle zu initiieren.

Sichere intelligente Mobilität

Erfolgreich abgeschlossen wurde 2013 das Versuchs-Projekt «Sichere intelligente Mobilität» (SIM), das WLAN- und Mobilfunk-Kommunikation von Autos untereinander, mit Funkstationen und Leitzentralen (Car-to-X) verbindet.

Auf Basis von Daten, die in den Fahrzeugen erhoben werden (Geschwindigkeit, Crash oder GPS-Position), dienen Car-to-X-Systeme dazu, Warnungen vor Gefahren, Staus und langen Standzeiten im Navigationssystem des Fahrzeugs anzuzeigen und Gefahrenzonen sowie Staukolonnen intelligent zu umgehen. Der Verkehr wird damit flüssiger, effizienter und sicherer.

In absehbarer Zukunft erkennen wir im Alltagsverkehr den Entwicklungsstand eines Fahrzeuges daran, was der Fahrer macht: Liest er Zeitung und berührt er das Lenkrad nicht, so beherrscht das Auto die Start-Stopp-Automatik im Stau auf der Autobahn. Sitzt der Fahrer, wo es ihm gefällt, und das Auto fährt in der Stadt oder auf der Autobahn, so beherrscht es die Vollautomatik. Auch wenn ein Versuch bis Ende 2014 laufen soll, werden wir es noch lange nicht kaufen können.

Bis die Navigation uns nicht nur den Weg anzeigt, sondern uns automatisch durch alle Verkehrssituationen hindurch sicher zum Ziel chauffiert, dürften wir schon im Jahr 2030 - 2040 sein.

An den technischen Herausforderungen arbeiten viele Ingenieure. Es ist aber auch eine ganz andere Berufsgruppe engagiert: Rechtsexperten – sie passen das Haftungsrecht an die künftige automatische Welt an.

Interessante Links zum Thema:
www.forum-elektromobilitaet.ch
www.isi.fraunhofer.de
www.elektromobilitaet-vda.de
www.simtd.de
www.sglacf.com



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