Genius Antriebstechnik Elektromotor

Hanne Lier Markus Rscheisen Dieter Schaich

ANTRIEBSTECHNIKElektroantrieb Lehrermaterial und Kopiervorlagen Klassen 8 bis 10

Daimler AG | Klett MINT GmbH Stuttgart

Inhaltsverzeichnis

Elektroantrieb

10 11 12 13 14 15 16

Lehrerinformationen

27 30

Alternativen warum und welche?

31 34

Elektromagnetismus

35 36

Aufbau und Funktion eines Drehfeld-Elektromotors

37 42

Die Elektrifizierung des Autos

43 46

Warum haben noch nicht alle Autos einen Elektroantrieb?

47 48

Zum Trainieren und Merken: Elektroantrieb

49 50

27

10 LehrerinformationenInternetadressen ber Batterietechnologien: http:/ www.daimler.com/dccom/ / 0-5-1200802-49-1201898-1-0-0-1201129-0-0-1357165-0-0-0-0-0-0-0.html http:/ www.elektroniknet.de/automotive/ / technik-know-how/antriebstechnik/article/1347/0/ Die_Batterie_ist_der_Schluessel/ Animationen von Galvanischen Zellen, Batterien etc: http:/ www.chempage.de/theorie/ / galvanisches%20element.html http:/ /www.chemie-interaktiv.net/ashlme.htm#redox http:/ /www.mhhe.com/physsci/chemistry/ essentialchemistry/ash/galvan5.swf ber Elektroautos: http:/ de.wikipedia.org/wiki/Elektroauto / http:/ /www.elektroauto-nachrichten.de/category/ elektroauto-akkus/ http:/ www.elektroniknet.de/automotive/ / http:/ www.elektroauto-tipp.de/modules.php? / name=Eautogeschichte&le=eautog1 http:/ /www.greengear.de/ Animationen von Gleichstrom-Elektromotoren und Induktion: http:/ /www.zum.de/dwu/depotan/apem105.htm Den direkten Zugang zu diesen Seiten bekommen Sie ber die Link-Liste auf beiliegender CD-ROM.

Leitfragen Warum sucht man nach Alternativen fr den Verbrennungsmotor? Wie verhalten sich Wirkungsgrad und Umweltvertrglichkeit von Verbrennungsmotoren und Elektromotoren im direkten Vergleich? Wie funktioniert ein Elektromotor? Was bedeutet Elektrizierung des Autos? Warum haben nicht alle Autos einen Elektroantrieb? In welchen Bereichen besteht der hauptschliche Forschungsbedarf bei der Elektrizierung von Autos?

Lehrerhinweise zu AB 12: ElektromagnetismusJe nach Vorkenntnissen der Schlerinnen und Schler mssen die Begrie Magnetfeld und Feldlinien wiederholt oder besprochen werden. Dies kann auch anhand des Lehrerversuchs geschehen. Dabei sollten folgende Ergebnisse herausgearbeitet werden: Jeder Magnet hat zwei verschiedene Pole, einen magnetischen Nord- und einen magnetischen Sdpol. An den Polen eines Magneten ist die magnetische Kraft am strksten. Nhert man zwei Magnete mit ihren gleichen Polen, so stoen sie sich ab, andernfalls ziehen sie sich an. Ein Magnet in der Nhe eines Krpers aus Eisen richtet dessen Elementarmagnete aus. Der Eisenkrper wird magnetisiert, er wird zum magnetischen Dipol. Es gibt keine magnetischen Einzelpole. Im Wirkungsbereich um einen Magneten erfahren andere Magnete Krfte. Man nennt diesen Wirkungsbereich magnetisches Feld. Die Struktur eines Magnetfeldes wird durch Feldlinien beschrieben.

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10 Lehrerinformationen

Zu Versuch 2: Magnetische Wirkung des elektrischen Stroms: Wichtig ist nur, dass sich bei Vertauschung des Plus- und Minusanschlusses an der Spule auch das Magnetfeld umpolt. Man sollte aber darauf achten, dass es nicht zu folgender Fehlvorstellung kommt: Pluspol an der Spule Minuspol an der Spule Nordpol des Magnetfelds Sdpol des Magnetfelds oder umgekehrt.

Um dieser falschen Vorstellung entgegenzuwirken, kann man die Zusatzaufgabe stellen: ndere bei gleicher elektrischer Polung den Wicklungssinn der Spule.

Lehrerhinweise zu AB 13: Aufbau und Funktion eines Drehfeld-ElektromotorsZu Versuch 1: Lernziel: Der Rotor wird durch magnetische Anziehung durch die beiden Magnete der Drehscheibe mitgenommen. Um den Rotor in eine Drehbewegung zu versetzen, braucht man ein magnetisches Drehfeld.

Im Unterrichtsgesprch kann erarbeitet werden, wie man ein solches magnetisches Drehfeld erzeugen kann, ohne selbst drehen zu mssen. Man braucht mehrere Magnetpaare, die man zeitlich nacheinander ansteuern kann. Permanentmagnete mssen durch Elektromagnete ersetzt werden.

Zu Versuch 2: Wichtiger Hinweis: Es mssen immer zwei Spulen in Reihe geschaltet werden (Netzteil 9 V, Spulen fr 4,5 V ausgelegt, ca. 1,8 A)!

Nach Erklrung der Anschlussbox erarbeiten die Schler ausgehend von der Idee des Vorversuchs die Schaltung zur Erzeugung des bentigten magnetischen Drehfeldes.

Anschlussplan fr das Modell des Drehfeld-Elektromotors:

L1(+) N(-) L2(+) N(-) L3(+) N(-)

Info:Auf der beiliegenden CD-ROM nden Sie die Simulation eines Elektromotors, falls kein Modell zur Verfgung steht.4W 1U A1 2U A6 3W A2 2V 2W A3 1W 1V

3V A5 4V

3U A4 4U

Spule Buchse Anschluss Buchse Anschluss

A1 1U L1 2U 4U

A2 1V L2 2V 4V

A3 1W L3 2W 4W

A4 4U 2U 3U N

A5 4V 2V 3V N

A6 4W 2W 3W N


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Zu Versuch 4: Hier soll die Anwendung der Elektromaschine als Generator gezeigt werden. Anschlieend soll die Rckgewinnung von Energie (Rekuperation) beim Elektrofahrzeug erarbeitet werden: Immer dann, wenn der Fahrer vom Gaspedal geht oder

bremst, wird elektrische Energie zum Nachladen der Batterie gewonnen (Elektromaschine als Generator). Dadurch wird die Reichweite des Fahrzeugs erhht. Die Elektromaschine luft dann als Generator. Er wandelt mechanische Energie (Bewegungsenergie) in elektrische Energie um.

Info:Falls es nicht mglich ist, mit dem Drehfeld-Elektromotor oder der entsprechenden Simulation auf der CDROM zu arbeiten, knnen die Arbeitsbltter CD_E_AB10_1 bis 6 von der beiliegenden CD-ROM eingesetzt werden.

Weiterfhrende Texte zu AB 14: Die Elektrizierung des Autos

Geschichte des ElektroantriebsDie ersten Unternehmen, die eine Alternative zum Verbrennungsantrieb als Kraftquelle fr das Automobil entwickeln wollten, setzen auf Elektromotoren. Die Motorfahrzeug- und Motorenfabrik Berlin-Marienfelde stellt bereits 1898 ihr erstes Elektrofahrzeug vor. Partner des Projekts ist die US-amerikanische Columbia Electric Company in Connecticut, die bis 1918 Elektroautos baut. 1899 bietet die Motorfahrzeug- und Motorenfabrik Berlin-Marienfelde auf der Basis des amerikanischen Patents vier verschiedene Personenwagen an. Ihr Elektromotor bertrgt seine Kraft ber einen Zahnradantrieb auf die Hinterachse. Mit der schnellen Weiterentwicklung des Verbrennungsmotors kann das Elektromobil nach dem System Columbia Electric jedoch nicht mithalten. So wird die Produktion in Berlin-Marienfelde bereits 1902 wieder eingestellt. Der erste Mercedes mit elektrischem Antrieb entsteht 1907 in Wien. Insbesondere fr Feuerwehren und Busse werden die Fahrzeuge vom Typ Mercedes-Electrique eingesetzt. Fr solche Elektroautos entscheidet sich 1908 auch die Berliner Feuerwehr, als ein neuer Lschzug mit vier MercedesElectriques in Dienst gestellt wird. Das erste Konzept fr einen modernen Elektrotransporter entsteht bei Mercedes-Benz 1972. 1988 bringt die Firma erste Transporter mit Elektroantrieb auf den Markt. 1993 entsteht ein Prototyp auf Basis der C-Klasse mit Asynchron-Elektromotor als Antrieb. ZebraHochenergiebatterien von AEG geben dem Konzeptfahrzeug eine Reichweite von 120 Kilometern. In den folgenden Jahren entstehen Versuchsfahrzeuge mit Hochenergiebatterien vom Typ Zebra auch auf Basis des Transporters Vito 108 E und der A-Klasse. Batteriefahrzeuge stellen jedoch, umweltpolitisch gesehen, letztlich nur eine Notlsung dar, denn die Schadstoemissionen entstehen bei der Stromerzeugung in den Kraftwerken. Hybridantriebe und auf lange Sicht gesehen Brennstozellenfahrzeuge mit der Stromerzeugung an Bord, bieten die deutlich besseren fahrdynamischen und wirtschaftlichen Alternativen.

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Weiterfhrende Infos zu AB 15: Warum haben noch nicht alle Autos einen Elektroantrieb?

Lithium-Ionen-BatterienEntscheidende Voraussetzung fr alle Elektroantriebssysteme ist ein leistungsfhiger, sicherer und zuverlssiger Energiespeicher. Die Leistungsfhigkeit des gesamten elektrischen Systems im Automobil wird wesentlich durch die Batterie mitbestimmt. Neben spezischen Leistungsmerkmalen vor allem der Speicherkapazitt muss die Batterie eine lange Lebensdauer sowie hohe Crash-Sicherheit aufweisen und recyclingfhig sein. Beste Voraussetzungen bietet die neue Lithium-Ionen-Batterie. Ihre Vorteile liegen insbesondere in ihren kompakten Abmessungen, kombiniert mit einer deutlich hheren Leistungsfhigkeit im Vergleich zu herkmmlichen Batterietechnologien. Weitere Fortschritte verspricht die Lithium-Ionen-Flachzelle mit hherer Energiedichte und noch kompakteren Abmessungen. Dank des leistungsfhigen Khlsystems und des intelligenten Temperaturmanagements arbeitet die Lithium-Ionen-Batterie immer im optimalen Temperaturbereich zwischen 15 und 35 C. So werden klimaunabhngige Zuverlssigkeit sowie volle Leistungsfhigkeit und ein hervorragendes Kaltstartverhalten ber die gesamte Lebensdauer sichergestellt. Eine unter Groserienbedingungen kostengnstige Produktion der Lithium-Ionen-Batterie ist die Voraussetzung fr eine breite Anwendung im Automobilbereich. Deshalb wird an der Zellstandardisierung dieser Batterietechnologie gearbeitet. Entwicklungsziel ist eine standardisierte, industrialisierte Produktion von Lithium-Ionen-Batterien sowohl fr Hybridals auch fr Brennstozellen- und reine Batteriefahrzeuge. 2012 soll die Serienproduktion starten.

Wie funktioniert eine Lithium-Ionen-Batterie?Die CERIO Batteriezellen von Li-Tec bestehen aus drei Hauptkomponenten: einer positiven Elektrode aus einem Lithium-Metalloxid auf einem Aluminiumableiter (1 Kathode), einer negativen Elektrode mit Graphit als Hauptbestandteil auf einem Kupferableiter (2 Anode), einem hochmolekularen Ionenleiter mit einer keramischen Trennmembran (3), die Kathode und Anode zuverlssig voneinander trennt und somit den inneren Kurzschluss verhindert. Dank seiner porsen Struktur lsst die Membran die LithiumIonen passieren (4). Diese wandern beim Laden der Zellen von der Kathode durch den Ionenleiter mit der Trennmembran zur Anode. Beim Entladen wandern die Lithium-Ionen zurck zur Kathode. Dabei wird die elektrische Energie wieder freigesetzt.

Quelle: Li-Tec Battery GmbH / Internet: http:/ www.li-tec.de/technologie/funktion.html /

3+ + + + + +

2+ + + + +

1Zusatzangebot Batterien als Energiespeicher / Funktion einer Batterie

4

Bei Bedarf oder Wiederholung kann das Arbeitsblatt CD_E_AB10_1 von der beiliegenden CD-ROM kopiert werden. Die Lsung CD_E_AB10_1L nden Sie ebenfalls auf der CD-ROM.

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11 Alternativen warum und welche?Info:Kraftstoe aus Erdl bestehen aus einem begrenzten Rohsto (fossile Rohstoe), sie haben einen schlechten Wirkungsgrad und sie werden verantwortlich gemacht fr den Treibhauseekt. Deswegen sucht man nach Alternativen.

1. Sieh dir das nebenstehende Diagramm an und beantworte folgende Fragen und Aufgaben. a) Berechne den CO2-Aussto in t durch den Verkehr weltweit in den Jahren 1971 und 2007.

b) Berechne den gesamten CO2-Aussto in China und Indien sowie in den USA und in Deutschland. Stelle die Ergebnisse inMrd. t fr die Jahre 1971 und 2007 tabellarisch gegenber.

Jahr 1971 2007

China

Indien

USA

Deutschland

c) Kennzeichne in der Tabelle mit einem schwarzen (Mehraussto) oder einem blauen (weniger Aussto) Pfeil die jeweiligenStaaten. Als Kopiervorlage freigegeben. GENIUS Die junge WissensCommunity von Daimler, Stuttgart 2010

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11 Alternativen warum und welche?

d) Welche Grnde knnten fr das starke Ansteigen des CO2-Ausstoes in China und Indienvorliegen?

e) berlege, warum laut Schaubild in den USA, in Japan und in Deutschland der prozentuale Anteil des CO2-Ausstoeszurckgegangen sein knnte.

f) Was fllt dir in der Tabelle zu Aufgabe b) auf?Betrachte die von dir eingezeichneten Pfeile und schreibe eine Erklrung auf.

2. Berechne anhand der folgenden Angaben, wie viel Energie in kWh ein Deutscher durchschnittlich im Verkehr proJahr verbraucht (nimm an, dass CO2-Aussto und Energieverbrauch proportional sind). 10,88 t CO2 produziert jeder Deutsche durchschnittlich im Jahr; davon entfallen 2,52 t auf den Verkehr. Der Primrenergieverbrauch pro Person betrgt hierzulande 48.000 kWh/a.

3. berlege, in welchen Bereichen man nach Alternativen fr fossile Brennstoe sucht und begrnde deine Aussage.

Als Kopiervorlage freigegeben. GENIUS Die junge WissensCommunity von Daimler, Stuttgart 2010

CD_E_AB11_2


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4. Das Diagramm zeigt die Entwicklung des Straenverkehrs in Deutschland von 1960 bis 2030.700 % 500 CO2 300 HC CO 100 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 NOx PM 2030 Einfhrung Dreiwegekatalysator Fahrleistung

a) Recherchiere (z.B. im Internet) die Bedeutungen der einzelnen Abkrzungen und ergnze die Steckbriefe.

NOxName:

CO2Name:

HC (oder CH)Name:

Steckbrief:

Steckbrief:

Steckbrief:

COName:

PMName:

Steckbrief:

Steckbrief:

Info:Ein Katalysator ermglicht oder beschleunigt eine chemische Reaktion ohne sich selbst zu verndern. Ein Dreiwege-Katalysator im Kfz wandelt Kohlenstomonooxid, Kohlenwasserstoe und Stickstooxide um in Kohlenstodioxid, Sticksto (Hauptbestandteil der Luft) und Wasser(dampf).

HC

CO

NOX

b) Schreibe zusammen mit deinem Banknachbarn/deiner Banknachbarin ein Referat (max. 1 DIN-A4-Seite) ber die Zusammenhnge, die das Diagramm in Aufgabe 4 aufzeigt. Gehe dabei auf Fahrleistungen, Katalysator und Schadstoe ein. Als Kopiervorlage freigegeben. GENIUS Die junge WissensCommunity von Daimler, Stuttgart 2010

H2O

CO2

N2CD_E_AB11_3

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5. Diskutiere die folgenden Abbildungen.Wirkungsgrad

25%

Wirkungsgrad

75%

Getriebe

Dierenzial

Verbrennungsmotor Rad Verbrauch Benzinmotor Dieselmotor Elektroantrieb

Tank Rad Energiekosten 1,40 /L 1,20 /L 0,20 /kWh

Elektromotor

Leistungselektronik

Batterie

CO2-Aussto 2,36 kg/L 2,65 kg/L 520 g/kWh (Strommix EU)

6 L/100 km 60 kWh/100 km

20 kWh/100 km

a) Worauf bezieht sich die Angabe des Wirkungsgrades?

b) Welche Energie muss zum Vergleich der Antriebe herangezogen werden?

c) Ermittle und vergleiche die Kosten pro gefahrenem km bei Autos mit herkmmlichem Verbrennungsmotor und beimElektroauto.

d) Ermittle und vergleiche den CO2-Aussto pro gefahrenem km bei Autos mit herkmmlichem Verbrennungsmotor und beimElektroauto.


CD_E_AB11_4

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12 ElektromagnetismusA Lehrerversuch zum ElektromagnetismusMaterialliste: 1 Stabmagnet 1 Plexiglasplatte mehrere Magnetnadeln

1. Beobachte den Lehrerversuch zum Elektromagnetismus. Was zeigen die Magnetnadeln an?

B Schlerversuch 1 zum ElektromagnetismusMaterialliste: 1 Stabmagnet 1 Plexiglasplatte Eisenfeilspne

2. Streue die Eisenfeilspne auf die Plexiglasplatte. Was beobachtest du? Erklre deine Beobachtung.

3. Zeichne das Feldlinienbild.


CD_E_AB12_1

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12 Elektromagnetismus

C Schlerversuch 2: Magnetische Wirkung des elektrischen StromsMaterialliste: 1 Eisenschraube (z.B. Lnge 70 mm, Durchmesser 10 mm) ca. 1,40 m isolierter Kupferdraht (z.B. Durchmesser 0,8 mm)

1 Magnetnadel drehbar gelagert Eisenfeilspne 1 Plexiglasplatte 1 Netzgert Kabel 2 Krokodilklemmen

4. Wickle den isolierten Draht auf die Eisenschraube (siehe Abb.). Dies ergibt eine Spule mit Eisenkern. Schliee die Spulean das Netzgert an und berprfe ihre magnetische Wirkung.

5. Untersuche, wo die Spule ihren magnetischen N-Pol bzw. S-Pol hat. Was ndert sich, wenn du den Plus- und Minusanschluss an der Spule vertauschst?

6. Zeichne auch fr diesen Versuchdas Feldlinienbild.

7. Vergleiche die beiden Magnetfelder. Beschreibe deine Beobachtungen.

8. Welche Vorteile bieten Elektromagnete gegenber Stabmagneten?

9. Welche Anwendungen von Elektromagneten kennst du?


CD_E_AB12_2

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13 Aufbau und Funktion eines Drehfeld-ElektromotorsMaterialliste fr alle Versuche: Das Modell des nachfolgend beschriebenen Drehfeld-Elektromotors wurde in der Ausbildungswerkstatt der Daimler AG hergestellt. Drehfeld-Elektromotor Permanentmagnet Lmpchen (3,8 V, 70 mA) Lmpchenfassung Kabel

A Schlerversuch 1a) Untersuche die magnetische Polung der Permanentmagnete der Drehscheibe und des Rotors und zeichne sie in diefolgende Abbildung ein.

Drehscheibe

Rotor

b) Befestige die Drehscheibe mit zwei Inbus-Schrauben an der Grundplatte mit Rotor. Drehe jetzt die Scheibe von Hand.Was beobachtest du? Erklre die Beobachtung.


CD_E_AB13_1

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13 Aufbau und Funktion eines Drehfeld-Elektromotors

Modell eines Drehfeld-Elektromotors

Grundplatte mit Permanentmagnet-Rotor

Drehscheibe mit zwei Permanentmagneten

Stator mit 6 Spulen

Box mit Tastschaltern zur manuellen Ansteuerung der Spulen

Box zur elektronischen Ansteuerung Als Kopiervorlage freigegeben. GENIUS Die junge WissensCommunity von Daimler, Stuttgart 2010

CD_E_AB13_2


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B Schlerversuch 2Ersetze die Drehscheibe durch die Scheibe mit den Spulen. Sie bildet den Stator des Elektromotors. Versuchsziel: Durch Anschlieen der Spulen an die Tasterbox soll der Rotor beim Drcken der Taster in eine Drehbewegung versetzt werden. Hinweise unbedingt beachten: Die Spulen sind fr 4,5 V ausgelegt, weshalb immer 2 Spulen in Reihe geschaltet werden mssen (Netzteil 9 V). Beim Einschalten der Spulenstrme geben die Leuchtdioden die magnetische Polung der Elektromagnete auf der Auenseite des Stators an: Grn Sdpol Rot Nordpol

Vorberlegungen: a) Die Elektromagnete sollen die gleiche magnetische Polung wie die Permanentmagnete des Versuchs 1 haben. Zeichne die Pole ein.

A1

A6

A2

A5

A3

b) Um den Rotor weiterzudrehen, mssen beim Bettigen eines Tasters jeweils gleichzeitig zwei Spulen eingeschaltet werden(diese Spulen mssen hintereinandergeschaltet werden!). Welche Spulenpaare sind zu bilden?


A4CD_E_AB13_3

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Aufgaben:

1. Schliee zunchst nur das erste Spulenpaar an die Anschlsse L1 und N des Tasters 1 an und lass die Schaltung vom Lehrer kontrollieren. Dabei ist darauf zu achten, dass die Spulen eine magnetische Polung gem Vorberlegung a haben (beachte: Leuchtdiode grn Sdpol). Der Rotor muss jetzt beim Drcken des Tasters von den beiden Spulen angezogen werden. Zeichne die Beschaltung der Spulen in die Abbildung ein.L1(+) N(-) L2(+) N(-) L3(+) N(-)

1U A1 2U 4W A6 3W A2 2V

1V

2W

A3

1W

3V A5 4V

3U A4 4U

2. Schliee jetzt das zweite und dann das dritte Spulenpaar entsprechend Aufgabe1 an und bettige jeweils die zugehrigenTaster. Vervollstndige den Schaltplan von Aufgabe 1.

3. Versetze nun den Rotor durch Drcken der drei Taster in eine Rotationsbewegung. 4. Vergleiche die Beobachtungen von Versuch 1 und Versuch 2.berlege, inwiefern es sich bei diesem Modell um einen Drehfeldmotor handelt.


CD_E_AB13_4


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C Schlerversuch 3: Elektronische Ansteuerung der SpulenpaareDie Ansteuerung der Spulenpaare soll nun automatisch erfolgen. Schliee die Ansteuerbox gem der Anschlussskizze an das Motormodell an. Die Drehzahl lsst sich mit dem Drehknopf regeln.rot 1. Spulenpaar schwarz rot 2. Spulenpaar schwarz rot: + rot 3. Spulenpaar blau: schwarz

Wichtige Hinweise fr den Betrieb: Bei mittlerer Stellung des Drehknopfs starten (ca. 1/3 aufgedreht) Rotor zum Starten evtl. von Hand antreiben Steigere die Drehzahlen durch langsames Drehen des Drehknopfes, damit der Motor die Synchronisierung nicht verliert.

D Schlerversuch 4: RekuperationSchliee an die Anschlsse eines Spulenpaares ein Lmpchen an (3,8 V, 70 mA). Wickle um die Achse des Rotors eine Schnur und versetze damit den Rotor in eine Drehbewegung.

a) Was beobachtest du?

b) Wozu kann man die Elektromaschine also auch benutzen? Kennst du eine solche Maschine aus dem Alltag?

c) Inwiefern handelt es sich bei der hier gemachten Beobachtung um eine Umkehrung des Vorganges aus Versuch 3?


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5. Das Manuskript fr einen Vortrag ber Rekuperation ist hier als Ideenskizze abgedruckt. Benutze die Bausteine undschreibe einen Vortrag (ca. Seite DIN-A4) unter folgenden Gesichtspunkten.

Was versteht man unter Rekuperation?

Wann ndet beim Kraftfahrzeug eine Rekuperation statt?

Was wird durch die Rekuperation erreicht?

Diese gespeicherte Energie kann genutzt werden, um den Elektromotor anzutreiben. Die durch Rekuperation gewonnene Energie reduziert den Kraftstoverbrauch von Hybridfahrzeugen. Immer wenn ein Fahrzeug abgebremst wird, geht normalerweise sehr viel Energie verloren: Die Bewegungsenergie wird an den Bremsen in Wrme umgewandelt. Bei der Rekuperation wird die beim Bremsen normalerweise als Wrme anfallende Energie in Strom umgewandelt und dann in einem Akku oder Kondensator gespeichert. Beim Bremsen kann die meiste Energie zurckgewonnen und gespeichert werden. Rekuperation steht fr Rckgewinnung und meint die Rckgewinnung von Energie. Die meisten Hybridautos sind mit speziellen Bremsanlagen ausgestattet, die bei Bettigung elektrische Energie erzeugen und den Energiespeicher speisen. berschssige kinetische Energie eines fahrenden Autos wird nicht einfach ungenutzt in Wrme ungewandelt, sondern stattdessen in elektrische Energie. Die Umwandlung der Bewegungsenergie kann unterschiedlich erfolgen. Auch der Elektromotor selbst kann zur Rckgewinnung der Energie eingesetzt werden. Er funktioniert dann wie eine Motorbremse: Die Reifen bertragen die Bewegungsenergie ber den Antriebsstrang zum Elektromotor, der als Dynamo agiert und Strom erzeugt. Bei Elektroautos trgt Rekuperation unmittelbar zu einer sprbaren Erhhung der Reichweite bei.


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14 Die Elektrizierung des Autos1. berlege, wo berall in einem Kraftfahrzeug Elektromotoren eingesetzt werden bzw. welche Systeme elektrischoder elektronisch gesteuert/geregelt werden. Ergnze die Mindmap.

Elektrik im Auto

Info:Noch vor 30 Jahren wurden die meisten Bauteile im Auto mechanisch bedient und geregelt. Inzwischen werden selbst in Kleinwagen berwiegend Elektromotoren eingesetzt. Nur beim Antrieb selbst dominiert fast ausschlielich der Verbrennungsmotor. Ein Blick zurck oenbart aber Erstaunliches ...

2. Beantworte die folgenden Quizfragen:Autos mit elektrischem Antrieb gibt es seit 30 Jahren mehr als 100 Jahren ca. 10 Jahren Zu Beginn des 20. Jahrhunderts gab es Autos mit Verbrennungsantrieb Elektroantrieb Dampfantrieb Der Anteil des Verbrennungsmotors betrug zu Beginn der Automobilentwicklung ca. 22% fast 100% unter 10% Der Anteil an Elektroautos betrug zu Beginn der Automobilentwicklung knapp 40% fast 100% unter 10%


CD_E_AB14_1

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14 Die Elektrizierung des Autos

Hier sind mehr als 100 Jahre Entwicklungsgeschichte elektrischer Antriebstechnik zu sehen leider durcheinander geraten. Ordne die Texte den Bildern zu, indem du die Jahreszahl aus den Bildern in den passenden Text setzt.

3.

1902

Mercedes-AMG entwickelt einen elektrisch angetriebenen Sportwagen mit kraftvollem, emissionsfreiem Antrieb. Spitzenleistung: 392 kW Vmax: > 200 km/h Reichweite: 150180 km Ladezeit 100%: 8 h (ber Nacht)

Zieleinlauf eines Rennwagens mit Hybridantrieb und elektrischen Radnabenmotoren in den Vorderrdern.

1906

1908Start eines Modellversuchs mit Elektro-Hybridbussen im regulren Linienverkehr.

Der erste elektrisch betriebene Automobil-Feuerlschzug Deutschlands bei der Berliner Feuerwehr.

1972

Der smart electric drive geht in Serienproduktion.

1979Hier ist der erste Elektrotransporter mit Batteriewechseltechnik (Versuchsfahrzeug).

Daimler prsentiert seinen ersten Elektro-Pkw mit einer 600 (!) Kilogramm schweren Nickel-EisenBatterie.

Einer der ersten Elektrowagen: Hybridfahrzeuge werden als Mercds Mixte, batterieelektrische Fahrzeuge als Mercds Electrique angeboten.

1982

2009

2010 Als Kopiervorlage freigegeben. GENIUS Die junge WissensCommunity von Daimler, Stuttgart 2010

CD_E_AB14_2


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4. Die beiden Abbildungen zeigen zwei Antriebskonzepte. a) bersetze die englischen Begrie und erklre sie ggf.

On board charger Power distributor

Power electronics

Electric motor

High voltage battery

Bild 1

Combustion engine Range extender

Power electronics Fuel tank Electric motor High voltage battery

Bild 2


CD_E_AB14_3

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b) Vergleiche die beiden Antriebskonzepte. Worin unterscheiden sie sich?

c) Welchen Grund knnte es fr das Antriebskonzept in Bild 2 geben? Lege deinen berlegungen den Begri Range extenderzugrunde.

5. Lokal emissionsfrei fahren hat sich ein Automobilhersteller auf die Fahnen geschrieben. a) Nutze die folgenden Wortbausteine fr einen kleinen Vortrag, der den Begri erlutert.elektrischer Strom elektrischer Antrieb saubere Luft Batterien lokal Primrenergie Emissionen

emissionsfreie Energieumsetzung

Nahverkehr

Stadtverkehr

b) Gestalte eine Wandzeitung mit Informationen und Bildern aus dem Internet zum Thema Lokal emissionsfreie Mobilitt.Gehe dabei auf die Aspekte aus Aufgabe 5a) ein. Als Kopiervorlage freigegeben. GENIUS Die junge WissensCommunity von Daimler, Stuttgart 2010

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15 Warum haben noch nicht alle Autos einen Elektroantrieb?1. Folgende Berechnungen ber eine Fahrstrecke von 500 km ermglichen einen Vergleich zwischen herkmmlichem Kraftsto und Akkus fr einen Elektroantrieb. Ergnze die fehlenden Werte in der Tabelle.

a) Wie hoch ist der Energiebedarf in L und kWh bei Kraftsto (Benzin) und bei Akkus fr Elektroantrieb? b) Wie viel wiegt die bentigte Menge Kraftsto? c) Wie gro wre demgegenber die Masse eines Lithium-Ionen-Akkus? d) Forschungsbedarf: Wie hoch msste die Energiedichte eines Akkus sein bei einem angenommenen Gewicht von 90 kg? e) Diskutiere die Ergebnisse.Energiespeicher Energiedichte Reichweite Verbrauch* Masse** ? ? ? ? Kraftsto fr Verbrennungsmotor 12 kWh/kg (9 kWh/L) Lithium-Ionen-Akkus 0,14 kWh/kg 500 km ? 90 kg*** ? noch zu entwickelnder Akku fr Elektroantrieb

* bei 6 L/100 km; Energiebedarf bei Elektroantrieb angenommen mit 20 kWh/100 km ** Dichte Benzin 740 kg/m3, *** angenommen als Wunschgewicht

Info:Das Auaden von Batterien erfordert einen greren Zeitbedarf, sodass als Tankstellen vor allem Garagen, Parkhuser oder Parkpltze infrage kommen. Meistens wird man sein Elektroauto ber Nacht in der heimischen Garage auftanken. Ein normaler Hausanschluss hat 230 V Spannung bei 16 A. Vorwissen: P = U I

2. Welche Ladezeit ist fr die Akkus fr Elektroantrieb erforderlich, wenn man am nchsten Tag 100 km weit fahrenmchte?


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15 Warum haben noch nicht alle Autos einen Elektroantrieb?

3. a)

Bestimme die ungefhre Masse der Batterie dieses smart fortwo electric drive.

Technische Daten Fahrzeugtyp smart fortwo (BR451) Permanenterregter Synchron-Elektromotor Leistung (Continous / Peak): 35 kW / 50 kW Max. Drehmoment: 130 Nm ~13 kWh /100 km 150 km (100 miles) 125 km/h (78 mph) Flssiggekhlte Li-IonenBatterie, Leistung (Continuos / Peak) 35 kW / 55 kW; Kapazitt: 17,6 kWh

Antrieb

Verbrauch Reichweite Hchstgeschw.

Beschleunigung 11,5 s (0-100 km/h)

b)

Errechne und diskutiere die Kosten fr die Batterie des abgebildeten smarts (Automobilhersteller berechnen die Batterie-System-Kosten bei 20.000 Einheiten/Jahr mit 500 /kWh).

Batterie

4. Notiere alle Punkte, die die Forscher/Forscherinnen und Entwickler/innen zur Verbesserung des Elektroantriebs noch abarbeiten mssen.

5. Stell dir vor: Auf der Strae siehst du das nebenstehende Auto.

a) Was bedeutet das Wort Hybrid?

b) Worauf knnte sich das Wort Hybrid beim Auto beziehen?

c) Welche Kombination wird wahrscheinlich eingesetzt?


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16 Zum Trainieren und Merken1. Kreuzwortrtsel: Wichtige Begrie aus den Bereichen Alternativen zum Verbrennungsmotor, Batterie und Elektromotor werden hier gesucht. Viel Vergngen.1 2 3 6 7 8 4 5

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waagerecht 1 einer der Hauptverursacher von CO2-Emissionen 4 lat. Bezeichnung fr rtlich 6 deutscher Name fr combustion engine 9 Name fr Reaktion, bei der Oxidations- und Reduktionsvorgnge ablaufen 10 giftiger Bestandteil unvollstndiger Verbrennungen (Abkrzung) 11 Elektrode, an der Reduktionsvorgnge ablaufen 12 Ma fr Energiegehalt/Masse 13 Einheit fr Spannung 15 Elektrode, an der Oxidationsvorgnge ablaufen 17 bezeichnet allgemein die Einrichtungen, die notwendig sind, dass z.B. der Verkehr funktioniert 18 Name fr einen Energiespeicher 19 sorgt fr saubere Abgase 20 Land mit dem hchsten CO2-Aussto (im Diagramm) 21 wiederauadbare Batterie 23 feststehendes Teil im Elektromotor

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entsteht durch magnetische Materialien oder elektrische Strme Hauptbestandteil der Luft so wird Spannung im Generator erzeugt daran mangelt es noch beim Elektroauto

senkrecht 2 Alternative fr Verbrennungsmotor 3 Gre, die die Hugkeit von Umdrehungen angibt 5 Einheit fr Stromstrke 7 bewegliches Teil im Elektromotor 8 ndern der magnetischen Richtung 14 wandelt mechanische Energie um in elektrische 16 was bedeutet PM (Dieselkraftsto)? 22 unterschiedliche Antriebsarten in einem Fahrzeug 23 Name eines kleinen Autos, das auch mit Elektroantrieb hergestellt wird


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16 Zum Trainieren und Merken

2. Wer wird Wissensmillionr? Kreuze bei den folgenden Fragen die richtigen Antworten an. Die Lsungsbuchstaben verraten dir, was u.a. bei Antriebsbatterien fr Elektroautos noch verbessert werden muss.

a) Combustion engine heit bersetztB F E Verdichtungsmaschine Explosionsmaschine Verbrennungsmotor

h) Feldlinien entstehen durchD magnetische Krafteinwirkung S Eisenteile U Traktorfurchen

b) Anode und Kathode sindP Elektronen N Elektroden E Elektorate

i) Ein Fahrzeug mit zwei unterschiedlichen Antrieben nennt manM Hydrid I Hybrid F Hyazinth

c) Die grten CO2-Emissionen entstehen j) Das klimaschdigende Gas aus fossilen VerbrennunO im Haushalt R im Verkehr E in Elektrizitts- und Heizkraftwerken gen heit W Kohlenstomonoxid C Kohlenstodioxid S Kohlenwassersto

d) PM ist die Abkrzung frI Parts of Mobility E Partikelmeter R Partikelmasse

k) Die Wiedergewinnung von (Brems)-Energie im Fahrzeug ist die R Reduktion H Rekuperation Y Regeneration

e) Moderne Akkus heien nach dem MetallG Lithium U Blei E Platin

l) Folgende Energieart ist keine Primrenergie:B L T Sonnenenergie Erdl Wrmeenergie

f) Eine wiederauadbare Batterie heitI Akkumulator O Aqudukt N Akkolade

m) In Batterien ergibtStrke des Entladungsstromes Entladungszeit die E Kapazitt A Leistung T Spannung

g) Spannung wird im Generator erzeugt durchG Intention E Induktion A Innovation

Hier besteht noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf bei Antriebsbatterien:


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Bildquellennachweis Umschlag: Schwarz Gruppe Grafikdesign, Stuttgart 15, 16, 17 Dr. Tilmann Berger, Josef Maier 12, 13, 14, 32, 33, 44, 45, 48, 57, 58, 60, 65, 66, 68, 69, 71 Daimler AG, Stuttgart 19, 20, 21, 22, 23, 28, 30, 40, 41, 46, 52, 54, 55, 61, 62, 63, 72 Arno Pfeuffer, Krnach 74 Grin 31 Picture-Alliance 56, 62 Volker Rust, Helmut Graf 35, 35, 36, 38 Dieter Schaich, Markus Rscheisen 59 Wikipedia

1. Auflage 2010 Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschtzt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fllen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwillung des Verlages. Hinweis 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile drfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch fr Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Fotomechanische oder andere Wiedergabeverfahren nur mit Genehmigung des Verlages. Eine Zusammenarbeit des Genius Projektteams der Daimler AG und der Klett MINT GmbH Daimler AG, Stuttgart und Klett MINT GmbH, Stuttgart Autorin und Autoren: Hanne Lier, Stuttgart; Dr. Tilmann Berger, Sindelfingen; Helmut Graf, Wrth; Josef Maier, Stuttgart; Markus Rscheisen, Esslingen; Volker Rust, Karlsruhe; Dieter Schaich, Kirchheim unter Teck Autoren der Elektromotor-Simulation auf CD-ROM: Leonard Doyle, Karlsruhe; Joscha Krug, Karlsruhe Redaktion: Hanne Lier, Stuttgart Projektkoordination und Herstellung: Petra Whner Umschlag und CI: Schwarz Gruppe Grafikdesign, Stuttgart Gestaltung Inhalt: Gabriele Kiesewetter, Jung Medienpartner, Limburg Illustrationen: Arno Pfeuffer, apmedia-design, Krnach Bildbearbeitung: Till Traub, Bildwerkstatt, Leonberg HTML-Rahmen der Motor-Simulation: cobra youth communications GmbH, Berlin

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