Elektrofahrzeug
Elektrofahrzeug selber bauen mit Reichweite und Kostenabschätzung und Vergleich zum Zweitakter od. Viertakter Moped
Auf dieser Seiter überlegen wir uns einmal was es bedeutet, elektrisch Moped zu fahren - anstatt mit Benzin. Wir vergleichen die Kosten pro km. Primär vergleichen wir ein Moped mit dem Auto. Wer Moped mit Moped vergleichen will halbiert einfach die Autokosten und kommt auf einen Verbrauch von 4 bis 5 Liter/100km - mit Zweitaktöl und sonstigem kommt das von den Kosten letztendlich doch wieder hin. Fahrberichte zu Autos mit Benzin, Diesel oder Elektro- bzw. Hybridantrieb geben ein erstes Bild wie gut bereits heutzutage diese Antriebsart im PKW funktioniert.
Was wollen wir?
- Energiekosten sparen
Welche Kosten existieren aktuell pro 100km?
- Verbrauch 8,50L / 100km = 12,49€ (1L Super Benzin = 1,469€ @ 25/07/2008)
- Verbrauch 10,00L / 100km = 14,69€ (1L Super Benzin = 1,469€ @ 25/07/2008)
- 1 Arbeitstag (ca. 120km) = 14,98€ (bei 8,5L/100km)
- 1 Monat (21 Tage) = 314,66€ (bei 8,5L/100km)
- 1 Jahr (220 Tage) = 3700,93€ (bei 8,5L/100km)
Wie geht Energiekostensparen?
- a) geringe Kosten für die verwendete Energie
- b) wenig Energie aufwenden
- c) selten Energie aufwenden
Wer bietet das?
- a) Strom (Steckdose, aktuell 07/2008: 16ct/kWh)
- b) geringe masse
- c) wenig widerstand (Luftwiderstand, Rollwiderstand, ...)
Was soll bewegt werden?
- Fahrzeug + Fahrer
Wie Lautet der Anwendungsfall?
- UseCase
2x 60km = 120km
Vmax 110km/h
ein Fahrer
zwei Räder
Faktensammlung
Details zur theoretisch möglichen Energiequelle Starterbatterie mit einem Gleichstromgenerator:
- Autobatterien: Die Starterbatterien besitzen einen Preis, der in etwa mit der Kapazität wächst. 12V 110Ah = 129,- und 12V 44Ah = 40,-
- Bleibatterien (Nasszellen wie die übliche Starterbatterie im Auto) weisen eine geringe Zyklenfestigkeit auf -> zerstört nach 40 Vollzyklen (= 40 x Laden-Entladen); Unter dieser Prämisse wären dei Standard Batterien nach zwei monaten mit insgesamt 40 Tagen kaputt und müssten beim Händler "getauscht" werden - das geht sicher höchstens zwei mal gut. Bedingt Abhilfe schaffen AGM-Batterien mit Ihrer höheren Zyklenfestigkeit (100-200 Vollzyklen je nach Modell und Auslegung - diese würden dan 6 bis 12 Monate halten und ein Defekt läge 2 bis drei mal innerhalb der Gewährleistungsdauer von 2 Jahren) Bei einer übergreifenden Kosten/Nutzen Betrachtung muss der regelmäßige Defekt der Batterien genauso betrachtet werden wie Serviceintervalle des Motors usw - immerhin fahren wir bei 120km pro Tag und 220 relevanten Tagen pro Jahr auch gute 25000km(!)
- Gleichstromelektromotoren besitzen ein Problem bei extremen Stromstößen durch Entmagnetisierung der Permanentmagneten. Dies muss durch die Ansteuerung verhindert werden
Realisierbares Fahrzeug
Basis ist ein kleines Moped:
- Fahrzeug: 50kg
- Batterien: 80kg (bei 90Ah bis 110Ah) [Achtung AGM-Batterien sind schwerer!]
- Fahrer: 90kg
- sonstiges: 10kg
= Summe = ca. = 150kg + 4*20kg = 150 + 4x20kg = 230kg, Leergewicht: 140kg
Rechenbeispiele:
(Wie viel Ah & kWh für eine Beispielstrecke bei 42V)
bei 42V rund 1Ah durchschnittliche Ladungsentnahme pro Km (1Ah pro km ist ein empirischer Wert von Elektromobilfahrern)
Geschwindigkeit = 60km/h = 16.7m/s
Dauer pro km = t = s/v = 1000m / 16.7m/s = 60sek = 1min
1Ah / 60sek = 1,0Ah / min = 60Ah pro Stunde bei durchschnittlich 60km/h
60Ah bei 42V = 2520VAh = 2,52kWh
Summe: 120km bei 60km/h = 2h = 5kWh pro Tag = 22ct * 5 = 1,10€ pro Tag
Pro Monat (21 Tage) = 1,10 * 21 Tage = 23,10€ [ca. 314€ bei Benzin]
Pro Jahr (220 Tage) = 1,10 * 220 Tage = 242,00€ [ca. 3700€ bei Benzin]
Achtung letztendlich kommen noch Verluste beim Laden der Batterien (Wärme, Gasung) und im Ladegerät dazu, so dass im schlechtesten Fall 40% oder 50% mehr aufgewendet werden müssen. Somit ergeben sich dann für 7,5KWh (5kWh + 50%)
1,10€ * 1,5 = 1,65€/Tag
23,10€ * 1,5 = 34,65€/Monat
242,00€ * 1,5 = 363,00€/Jahr
Kontrolle: kann das richtig sein?
E = 1/2 * m * v²
Wie viel Watt benötigen wir, um unsere angenommenen 230kg von null (0) auf 60km/h (16,7m/s) zu beschleunigen? Wir vernachlässigen an dieser Stelle den Windwiderstand, Rollwiderstand, Gegenwind usw.
E = 1/2 * 230kg * (16,7m/s)²
E = 31944.44 Watt = 32kW(!)
um 32kW zu investieren, können wir 10 Sekunden lang 3.2kWs verwenden
Leistung P = Spannung U * Strom I
I = P / U = 3200 / 42V = 76A (also rund 80A wg. Wirkungsgradverlusten usw.)
Jetzt vergleichen wir den Beschleunigungswert mit den geschätzten 1,00Ah pro gefahrenem km. Wir gehen von 80A Stromaufnahme in der Beschleunigungsphase aus.
1Ah bei 42V = 42VAh = 42Wh pro Minute (bei 60km/h benötigen wir für 1km eine Minute)
42Wh/min * 60min = 2520Wh = 2,5kWh
2520Wh bei 42V = 2520VAh bei 42V = 60A durchschnittliche Stromaufnahme über eine Stunde
Reicht uns das für 120km?
jein - bei durchschnittlichen 60A Stromaufnahme und 60km/h Durchschnittsgeschwindigkeit benötigen wir 2h und somit 120Ah. Bei Energiespeichern mit nur 80Ah wird das nicht reichen! Unklar ist in wie weit und wie effektiv rekuperiert werden kann. Das bedeutet, ob und wie viel Energie beim Bremsen in die Batterien rückgespeist wird
Batterien laden - in welcher Zeit?
Wir nehmen die üblichen 8h an. Ferner haben wir 4 mal 12V und 120Ah Batterien um den theoretisch benötigten Bedarf von 120Ah decken zu können.
120Ah über 8h bedeuten konstant 15A Ladestrom; Um Verluste in der Batterie und dem Ladegerät auszugleichen, nehmen wir einmal etwas mehr an und landen bei 20A (15A + 33%).
20A x 13.8V (Ladespannung) = 276 Watt
bei vier Batterien sind das dann 4 x 276W = 1104 Watt
Die Energiemenge beträgt über 8h somit 8,8kW
Passt das jetzt?
Es passt. Oben kamen wir auf 7,5kWh - hier kommen wir mit 120Ah mit 13,8V und zusätzlich 33% mehr Ladestrom auf insgesamt 8,8kWh.
Letztendlich kostet das ganze pro Tag noch immer nur 8,8kWh * 16ct/kWh = 1,40Euro. Also knapp 2 Euro im Vergleich zu einem Moped mit 4 Litern auf 100km und einer Strecke von 120km = 7 Euro
Ein Problem gibt es leider dennoch - zum einen ist die Zyklenfestigkeit der Nasszellen schlecht, zum anderen werden sich die Zellen bzw. Batterien bei derartigen Hochstromentladungen stark erwärmen (Temperaturen über 50 oder gar 55 Grad gehen stark auf die Lebensdauer). Und zu guter letzt sinkt die verfügbare Kapazität während der Entladung mit steigendem Entladestrom. Insbesondere wenn mit Dauerströmen im Bereich von 1C entladen werden soll.
Wie kann das alles sein?
Letztendlich liegt es zum einen an der teilweise etwas optimistischen Stromrechnung im obigen Verlauf zur ersten Abschätzung, vor allem aber am unterschiedlichen Wirkungsgrad der Energiewandler (Zweitakter/ Viertakter gegenüber dem Elektromotor mit einem Wirkungsgrad von rund 90%)
Was benötigen wir, damit es losgehen kann?
- Fahrzeug (möglichst leicht)
- E-Motor (rund 5kW für 42V)
- Energiespeicher (42V mit rund 120Ah)
- Drehzahlsteller (150A od. mehr) mit Rekuperationsfunktion
- viel Zeit, um den ganzen Mist zusammenzuschrauben
- eine Zulassung beim Tüv (Einzelabnahme notwendig)
- Eine Versicherung, die das Fahrzeug versichert (sollte kein Problem sein)
Links:
Roller mit Elektromotoren:
http://www.elektroroller-burgheim.de/pageID_6527022.html
Elektromotoren:
http://www.t-telectric.com/english/
http://www.perm-motor.de/site/de/produkte/syn_motoren.php?linkid=p&linkid2=1
Elektromotoren allgemein:
http://www.ralfwagner.de/mini/technik/emotor.htm
http://www.mikrocontroller.net/topic/107214
sonstiges:
Ladegerät
Wer wenig Geld hat...kann sich für ca. 100,-DM ein Schweißgerät im Baumarkt kaufen und dazu einen Gleichrichter mit mindestens 40A Nennstrom
Dieser Powerlader liefert dann bei 36V ca 40 A und bei 48V ca 25A Baukosten ca. 150,-DM. Problem: Ungleichgewichte im Zellenzustand durch unterschiedlich schnellen Alterungsprozess werden übersehen. Ferner wird eine Abschaltung benötigt. Besser ist einen vierfach Lösung, die jede Zelle separat läd und nach Ladeschluss auch separat abschaltet.