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Kapazität der Traktionsbatterien


Erwin

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Kapazität der Traktionsbatterien von Hybrid- und Elektro-Fahrzeugen

Im Netz findet man hierzu oft widersprüchliche Angaben. Zum einen, weil nicht jeder Hersteller ein ausgeprägtes Mitteilungsbedürfnis verspürt; zum anderen aber, weil ständig physikalische Größen wie Stromstärke, Leistung, Arbeit und Kapazität wild durcheinander geworfen werden. Das ist ja auch nicht ganz einfach, als Laie muss ich selbst oft nachlesen - aber diese Dinge sind eigentlich ziemlich gut dokumentiert.

Damit man erstmal grundsätzlich durchblickt, ein kurzer oberflächlicher Ausflug in die faszinierende Welt der Elektrotechnik:

- Kapazität

Wenn von der Kapazität einer galvanische Zelle die Rede ist, dann ist damit nicht etwa die Kapazität im elektrotechnischen Sinn gemeint, wie beispielsweise die Kapazität eines Kondensators, ausgedrückt in der Einheit
Farad (F)
. Zwar hat auch ein Akku eine elektrische Kapazität, aber von der ist hier ausdrücklich nicht die Rede, das muss man klar auseinander halten. Vielmehr verstehen wir unter Kapazität in diesem Zusammenhang die Menge an elektrischer Ladung, die eine galvanische Zelle speichern kann. Die dafür übliche Angabe trägt die Einheit
Amperestunde (Ah)
.

- Leistung

Jetzt kommen wir zum Begriff der elektrischen Leistung. Eigentlich Energie pro Zeit, können wir das hier einfach als Produkt aus Spannung und Stromstärke definieren. Was dabei herauskommt, trägt die Einheit
Watt (W)
oder
Kilowatt (kW)
.

- Arbeit

Was nun zum Vergleich der Kapazität von Traktionsbatterien benutzt wird, ist die elektrische Arbeit. Arbeit ist Leistung mal Zeit. Sie trägt die Einheit
Wh (Wattstunde)
oder
kWh (Kilowattstunde)
. Mitunter sieht man auch die Angabe kW/h (Kilowatt pro Stunde), die ist an dieser Stelle aber falsch.

Um nun eine Vergleichbarkeit herzustellen, multiplizieren wir einfach die Kapazität (korrekt: Elektrische Ladung) von in Serie geschalteten Akkuzellen (also den Ah-Wert) mit der Spannung, die sich aus der Serienschaltung ergibt (also dem Volt-Wert). Das ergibt dann die elektrische Arbeit, aber das Ergebnis wird umgangssprachlich trotzdem wieder als "Kapazität" bezeichnet. Zum Vergleichen ist das auch OK so, wir wollen ja keine Diplomarbeit schreiben.

Nehmen wir ein praktisches Beispiel: Die meisten Toyota- und Lexus-Hybride verwenden heute prismatische Zellen von KLICK (nicht anklicken, ist ein Geheimnis) mit einer Kapazität von 6,5 Ah. Werden sie zu Akkupacks mit einer Spannung von 288 Volt kombiniert, ergibt das 6,5 Ah * 288 V = 1872 Wh = 1,872 kWh.

Ein besonders beliebter Fehler scheint es zu sein, für eine Berechnung statt der Primärspannung eines Akkupacks eine hochtransformierte Maximalspannung aus der Werbung als Multiplikator zu nehmen, was zu stets lustigen Ergebnissen führt. Das sollte man also nicht tun. :rolleyes:

Falls in meinen Ausführungen Fehler stecken, bitte ich um Nachsicht und Korrektur. Der Physik-Leistungskurs ist über 30 Jahre her, und ich habe mich für einen anderen Berufsweg entschieden. ;)

Viele Grüße, Erwin

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Und jetzt zum eigentlichen Vergleich. Ich habe alle Daten, die mir vorliegen, zur folgenden Übersicht zusammengeführt. Diese erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, Korrekturen und Ergänzungen sind ausdrücklich erwünscht.

Außerdem gebe ich zu bedenken, dass neben der Kapazität auch die Maximalleistung des Akkupacks ein maßgeblicher Faktor ist, und noch ein paar andere Kleinigkeiten mehr. Aber als grobe Orientierung sollte das so erstmal ausreichen:

  • 0,4 kWh - MAN Lion’s City Hybrid Stadtbus (Ultracap)
  • 0,675 kWh - BMW ActiveHybrid 5 (Li-Eisenphosphat)
  • 0,68 kWh - Honda Insight Hybrid (NiMh)
  • 0,8 kWh - Mercedes S400 Hybrid (Li)
  • 0,87 kWh - Honda Civic Hybrid (NiMh)
  • 1,3 kWh - Toyota Prius II (NiMh)
  • 1,3 kWh - Toyota Prius III (NiMh)
  • 1,4 kWh - Infiniti M35h (Li)
  • 1,8 kWh - Toyota Prius I (NiMh)
  • 1,87 kWh - Lexus RX 400h (NiMh)
  • 1,87 kWh - Lexus RX 450h (NiMh)
  • 1,87 kWh - Lexus GS 450h (NiMh)
  • 1,87 kWh - Lexus GS 450h 2012 (NiMh)
  • 1,87 kWh - VW Touareg Hybrid (NiMh, davon 0,75 kWh genutzt)
  • 2,4 kWh - BMW X6 ActiveHybrid (Li, davon 1,4 kWh genutzt)
  • 3,9 kWh + 1,3 kWh - Toyota Prius III Plugin (2 x Li, 1 x NiMh)
  • 16 kWh - Mitsubishi i-MiEV (Li)
  • 16 kWh - Opel Ampera (Li, davon 10 kWh genutzt)
  • 19,4 kWh - Daimler Citaro G BlueTec Hybrid-Stadtbus (Li)
  • 24 kWh - Nissan Leaf (Li)

Korrekturen und Ergänzungen willkommen!

Viele Grüße, Erwin

bearbeitet von Erwin
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Auf Anregung eines LOC-Mitglieds folgende Hinweise:

Die Kapazitätszahlen so einfach im unkommentierten Vergleich sagen nicht unbedingt viel aus, das hätte ich eigentlich dazu schreiben sollen. Die Kapazität einer Traktionsbatterie wirkt sich nämlich stark unterschiedlich aus, je nachdem, welches Hybrid-System im jeweiligen Fahrzeug Anwendung findet.

  • Bei einem Elektroauto oder einem Plugin-Hybriden (gleich ob seriell, parallel, leistungsverzweigt) ist die Akku-Kapazität natürlich der entscheidende Faktor, da hier der zentrale Schwerpunkt auf der rein elektrischen Fahrt liegt.
  • Bei Nicht-Plugins sieht das anders aus. Hier ist die Kapazität zunächst mal sekundär oder zumindest nicht von so großer Wichtigkeit, da das rein elektrische Fahren von diesen Systemen nicht angestrebt wird, weil es nur selten sinnvoll ist (auch wenn die Fachpresse das bis heute nicht verstanden hat).
  • Aber auch diese Aussage kann nicht allgemeingültig sein, weil man selbstverständlich auch ein Nicht-Plugin-System so programmieren kann, dass zugunsten des Spritverbrauchs auch in Phasen rein elektrisch gefahren wird, in denen das der Verbrenner mit gutem Wirkungsgrad selbst erledigen könnte. Das ist einfach eine Frage der Philosophie, unter Berücksichtigung von Lebensdaueraspekten der Traktionsbatterie.
  • Natürlich wünscht sich jeder Hybrid-Pilot früher oder später trotzdem mehr Kapazität als er hat, nämlich immer dann, wenn er ein langes Gefälle hinunterrollt und seine Traktionsbatterie keine weitere Ladung mehr aufnehmen kann. Es lohnt sich aber einfach nicht, für derartige Ausnahmesituationen permanent überflüssiges Gewicht herumzufahren.

Dann noch ein paar Hinweise zum besseren Verständnis der je nach System stark unterschiedlichen Leistung der Elektromotore sowie zum stark unterschiedlichen Verhältnis von E-Motor- zu Verbrennungsmotor-Leistung, je nach Fahrzeug:

  • Bei einem leistungsverzweigten Hybridsystem übernehmen die Motorgeneratoren die Unterstützung des Verbrenners beim Beschleunigen (Boost), die Rekuperation und die Funktion des virtuellen stufenlosen Getriebes. Deshalb muss der zweite Motorgenerator die Leistung der Batterie und die Leistung des ersten Motorgenerators gleichzeitig vertragen können, also ist er entsprechend kräftig.
  • Wird er jedoch zum rein elektrischen Beschleunigen genutzt, dann kann er seine Nominalleistung nicht voll auf die Straße bringen, weil sie von der Maximalleistung der Traktionsbatterie begrenzt wird. Genau aus diesen Grund berechnet sich die Systemleistung auch nicht aus der Addition der Leistung von Verbrenner und Elektro-Motor, sondern näherungsweise aus Verbrenner- plus Batterie-Leistung.
  • Das ist bei Parallel-Hybriden grundsätzlich anders. Hier übernimmt der Elektromotor nur die Funktion des Boostens und des Rekuperierens. Deshalb können bei einem Parallel-Hybrid die E-Motoren leistungsmäßig im direkten Vergleich schwächer ausgelegt sein als bei leistungsverzweigten Systemen. Dafür wird dann aber natürlich ein zusätzliches echtes Getriebe benötigt, nebst Kupplungen.
  • Bei milden Hybriden schließlich ist das Leistungsverhältnis von Verbrenner- zu E-Motor stark zugunsten des Verbrenners verschoben, weil hier lediglich die Boost-Funktionalität und ein bisschen Rekuperation gefordert wird, alles andere aber nicht. Entsprechend dürfen bei milden Hybriden auch die Traktionsbatterien eine geringere Kapazität haben, wie man ja beim milden Mercedes S400-Hybiden und bei den ebenso milden Hondas gut sehen kann.

Viele Grüße, Erwin

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Vielen Dank, Erwin, ein bisschen verrückt bist du schon.

Aus all deinen Ausführungen interessiert mich persönlich immer ein Folge-Faktor: wie lange halten voraussichtlich die Akkus?

Laden, Entladen, schnell, langsam, ganz voll, ganz leer, innerhalb eines mittleren Ladegrades, bei 40 Grad Hitze, bei Minus 20 grad Kälte, Li-Ion/-Polymer, NiMH, etc etc

Wir alle wissen, dass die Toyota Hybriden der ersten und aktuellen Stunden (NiMH und vieles von dem was du schriebst, welche Verzweigung z.b.) recht lange halten, wenig an Leistungsfähigkeit (zumindest für den Laien erkennbar) verlieren und geringe Totalausfälle haben.

Was ich im Netz bislang wenig gelesen habe, liegt es wohl am geringen Alter dieser Fahrzeuge, wie ist das bei den neuen Li-Ion Hybriden, die teilweise ja bis 100 km/h elektrisch fahren können (das interpretiere ich jetzt mal als Unwissender als schnelle und fast vollständige Entladung - im Gegensatz zur Toyota Philosophie)? Sind mit diesen Autos bereits Erfahrungen über 100.000e Kilometern mit Parken nachts draußen bei Kälte vorhanden?

Ich hätte heute wenig Sorgen, mir einen RX400h mit 100.000km als Gebrauchten zu kaufen. Ein 100.000 km Gebrauchter der aktuellen (deutschen?) Li-Ion-Fraktion.....hm...ich weiß nicht.

Das Beispiel der Handy- und Laptop-Akkus habe ich bereits sehr häufig gebraucht - da kenne ich niemanden, der sagt, dass sein Akku nach zwei, drei Jahren immer noch genauso toll geht wie am Anfang. Noch schlimmer sehe ich dieses Thema auf die reinen E-Fahrzeuge übertragen. Oder liege ich da völlig falsch?

Cu

Lexington

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Hallo zusammen

und danke an Erwin für die Mühe (jaja, die langen Winterabende...) :rolleyes:.

Passt schon, was Du schreibst, auch die bereits gemachten Einwände haben Hand und Fuß. Ergänzen möchte ich noch folgendes:

Akkus speichen Energie in chemischer Form. Daher sind sie von unglaublich vielen äußeren Einflüssen abhängig, weshalb auch verbindliche Aussagen zur Lebensdauer so schwierig sind.

Und die Suppe muss ich noch ein wenig mehr versalzen:

Die Kapazitätsangaben auf einem Akku, rechnen wir einfach mal mit 100 Ah (Amperestunden) beziehen sich auf 10-stündige Entladung. Jedenfalls bei Bleiakkus, bei MiMh und LI-Ion müsste ich erst mal nachschlagen, wird aber ähnlich sein.

Das bedeutet NICHT: 100 Ah kann1 Stunde lang 100 Ampere liefern, sondern 10 Stunden lang nur 10 Ampere.

Und erst recht nicht 1/10 Stunde (also 6 Minuten lang) 1000 Ampere.

Genau das fordert aber ein Hybridantrieb: Mit viel Power für kurze Zeit anschieben.

Der Akku kann diesen großen Strom liefern, aber auf Kosten der Kapazität.

Aus nominell 100 Ah werden so leicht nur 50 oder 20.

Da bei Toyota zudem im Interesse der Lebensdauer der Akku schon bei 60% Entladung abgeschaltet und bei 80% Volladung der Ladevorgang bereits wieder gestoppt wird, bleibt wirklich nicht viel Energie, die dauernd entnommen werden kann.

Und darum glaube ich auch nicht an das zu 100% elektrisch angetriebene Auto:

Die mit heutigen chemischen Speichern erreichbaren Energiedichten sind einfach zu klein für

a) ansprechende Fahrleistungen (sowas wie "Spaß" fängt meiner Meinung nach bei ca 100 PS an)

zweitens) vernünftige Reichweite (vernünftig: Vielleicht minimal 500 km?)

c) Nachtanken/Aufladen in angemessener Zeit, also maximal 15 Minuten und nicht eine ganze Nacht

Zum Vergleich: Wenn ich die Zapfpistole in den Tank einhänge, dann fließen bei einer normalen Zapfsäule ca. 50 Liter pro Minute Benzin in den Tank. Das entspricht wenn ich mich nicht verrechnet habe

465 Kilowattstunden

Energie, die ich in einer einzigen Minute speichern kann.

Ein elektrischer Anschluss, der entsprechendes leisten könnte, müsste rund 28 Megawatt (MW) zur Verfügung stellen, zum Vergleich:

Unser Hausanschluss ist mit rund 36 Kilowatt belastbar, das sind nicht mal zwei Durchlauferhitzer gleichzeitig...

Oder anders ausgedrückt: Das entspricht fast der elektrischen Anschlussleistung von fast 800 Einfamilienhäusern.

Na, schwant euch was? Was passiert, wenn nur jeder 10. versuchen würde, aufs Elektroauto umzusteigen?

- Unser gesamtes elektrisches Energienetz ist in keinster Weise darauf ausgelegt!

Und so bleibt mir als resigniertes Fazit:

Hybrid ist schon der richtige Weg, rein elektrischer Antrieb wird noch sehr lange ein Exot bleiben.

Es sei denn, wir bringen irgendwie den kleinen Kernreaktor unter der Haube unter.

Mal sehen, wenn ich also 1 kg Uran bevorrate...:naughty:

Aber jetzt ist Schluß mit dem Quatsch,

ich muss zur Arbeit...

Gruß von Motus

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...

Das bedeutet NICHT: 100 Ah kann1 Stunde lang 100 Ampere liefern, sondern 10 Stunden lang nur 10 Ampere.

Und erst recht nicht 1/10 Stunde (also 6 Minuten lang) 1000 Ampere.

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Wen das weiter interessiert, dieser Zusammenhang wird schön im sogenannten Ragone-Diagramm dargestellt.

Je höher die Leistungsabgabe, desto höher die Verluste. Die schräg liegenden Areale bedeuten genau dies.

Ziehe ich mehr Leistung (W), bekomme ich weniger Energie (Wh) raus.

Dass die Werte im Ragone-Diagramm üblicherweise auf die Batteriemasse (/kg) bezogen sind spielt dabei keine Rolle.

bearbeitet von DrHybrid
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Wen das weiter interessiert, dieser Zusammenhang wird schön im sogenannten Ragone-Diagramm dargestellt.

Je höher die Leistungsabgabe, desto höher die Verluste. Die schräg liegenden Areale bedeuten genau dies.

Ziehe ich mehr Leistung (W), bekomme ich weniger Energie (Wh) raus.

Dass die Werte im Ragone-Diagramm üblicherweise auf die Batteriemasse (/kg) bezogen sind spielt dabei keine Rolle.

Hallo DrHybrid,

danke für diesen Hinweis, das ist für die technisch interessierten überhaupt der Bringer!

Schauen wir uns doch mal im Diagramm an, was die derzeit "besten" Akkus, nämlich Li-Ion, so drauf haben:

Runde 100 Wattstunden pro kg.

Klingt doch gar nicht so schlecht oder?

Aber wenn ich das mit Benzin vergleiche, wird mir schlecht:

Laut Wikipedia hat Benzin-Benzol-Gemisch runde 11600 Wattstunden pro kg, also ziemlich exakt 116-mal mehr als die derzeit besten Akkus.

Oder anders ausgedrückt:

Um soviel Energie freizusetzen wie ein einziger Liter Sprit, müsste die Batterie schon 116 kg wiegen!

Oder noch anders ausgedrückt:

Ein Elektroauto mit 500 kg Akkus an Bord fährt das Energieäquivalent zu gerade mal Viereinhalb Liter Benzin spazieren...

Natürlich ist der Wirkungsgrad von Elektromotoren besser als der jeder Verbrennungskraftmaschine, aber das rettet uns jetzt auch nicht mehr...

Gruß von Motus!

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Absolut, volle Zustimmung. Deshalb betrachte ich auch das ganze Elektroauto-Thema noch sehr skeptisch. Die Akku-Technologie kann längst noch nicht mit der vorherrschenden Euphorie und den blumig formulierten Wunschträumen der Politik mithalten, und wenn man die Entwicklungsgeschwindigkeit der letzten Jahre auf diesem Sektor betrachtet, besteht auch wenig Anlass zu übermäßigem Optimismus.

Anders ausgedrückt: Wenn Elektroautos einen nennenswerten Marktanteil erreichen, also konventionell angetriebene Fahrzeuge nach und nach ersetzen sollen, dann ist dafür ein Quantensprung in der Stromspeicher-Technologie die Voraussetzung. Ein solcher ist aber nicht in Sicht. Dass viele Autofahrer trotzdem auch heute schon umsteigen könnten, weil sie im Alltag mit relativ wenig Reichweite auskämen, ist völlig unstrittig. Sie werden es aber nicht tun.

Beim derzeitigen Stand der Akku-Technik werden reine E-Fahrzeuge vorerst Nischenautos bleiben. Das muss man nicht unbedingt gut finden, aber die Realität ist manchmal bitter.

Zu den anderen Fragen und Anmerkungen in diesem thread schreibe ich später noch was.

Viele Grüße, Erwin

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...

danke für diesen Hinweis, das ist für die technisch interessierten überhaupt der Bringer!

...

Hi Motus,

für Deine Absolutbetrachtungen sind diese gewichtsspezifischen Angaben natürlich nützlich.

Ja, das ist alles noch sehr ernüchternd und Größenordnungen vom Energieinhalt und Handling von Flüssigkraftstoffen entfernt.

Was auch noch hinzu kommt ist, dass die Batterien nicht nur bei Leistungsentnahme wirkungsgradmäßig in den Keller gehen,

sondern beim Laden genauso lausig sind. Die können nicht viel Energie pro Zeiteinheit (also Leistung) schlucken.

Deswegen endet der blaue Rekuperationsbereich der Leistungsanzeigen bei T/L ja auch relativ schnell.

Da man aber beim Bremsen sehr schnell sehr viel höhere Leistungen "wegbremsen" muss, geht da bei entsprechend "normal beherztem" Bremsen trotz Rekuperation viel zwangsweise in die Bremsscheiben.

Gruß, DrHybrid

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Vollkommen richtig,

und trotzdem macht "hybrid" ja Sinn, wie man an den Verbrauchswerten der artgerecht bewegten Hybridfahrzeuge sehen kann.

Beim "reinen" Stromer kommt vor allem jetzt im Winter ein weiterer dicker Wermutstropfen hinzu:

Wie bitte außer auf Kosten der teuren Traktionsbatterie beheizt und beleuchtet man denn so ein Fahrzeug?

Eine (durchaus zu erwägende) Lösung für die Heizung wäre eine Eberspächer Standheizung mit eigenem kleinen Tank, z.B. 5 Liter, einzubauen.

Dann kann ich aber auch gleich wieder Sprit verbrennen, um von der Stelle zu kommen....

Da Autos im Gegensatz zu Häusern erbärmlich schlecht wärmegedämmt sind (das merkt man daran, wie schnell ein Auto im Winter ausgekühlt und im Sommer aufgeheizt ist...) führt daran wohl kein Weg vorbei.

ODER?

- Wie heizt Opel den Ampera, hat der Tesla Roadster überhaupt Heizung oder Klima????

Gruß von Motus

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Die Ausführungen von DrHybrid kann ich nur unterschreiben. Der aktuelle Stand der Akku-Technik ist einigermaßen ernüchternd, und - wenn man es mal ganz einfach runter bricht - für Hybride ausreichend, für E-Mobile aber zumindest grenzwertig. Was nicht heißen soll, dass man keine bauen kann.

Da man aber beim Bremsen sehr schnell sehr viel höhere Leistungen "wegbremsen" muss, geht da bei entsprechend "normal beherztem" Bremsen trotz Rekuperation viel zwangsweise in die Bremsscheiben.

Korrekt, wobei man hier die deutlichen Fortschritte anerkennen muss. Bei der ersten Generation des HSD (1997-2003) wurde nämlich immer auch hydraulisch gebremst, bei der zweiten dann schon nicht mehr. Immerhin... ;)

regenerative_braking_THS.gifregenerative_braking_HSD.gif

Vielen Dank, Erwin, ein bisschen verrückt bist du schon.

Aber sicher. Das vereinfacht meinen Alltag ganz erheblich.

Aus all deinen Ausführungen interessiert mich persönlich immer ein Folge-Faktor: wie lange halten voraussichtlich die Akkus?

Oh, jetzt hast Du den "Erwin, schreib mal was"-Knopf gedrückt, wie unvorsichtig. :) Ich muss um 14 Uhr aus dem Haus; mal sehen, ob ich das vorher noch schaffe.

Also, das ist ein sehr weites Feld. Vor allem muss man, wenn man sich mit diesem Thema auseinandersetzen möchte, ganz deutlich zwischen Hybrid-Fahrzeugen auf der einen Seite sowie Plugin- und reinen Elektro-Fahrzeugen auf der anderen Seite unterscheiden. Warum? Nun, weil Akkus und Ladestrategien von Hybrid-Fahrzeugen auf Leistung optimiert sind, von Plugin- und reinen Elektro-Fahrzeugen aber auf Kapazität. Das ist ein großer Unterschied, ich führe das noch im Detail aus.

Weil dabei aber vermutlich die meisten Leser aussteigen werden, strukturiere ich das ein wenig und beantworte vorher zunächst Deine Eingangsfrage:

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Wie lange halten voraussichtlich die Akkus in einem Hybridfahrzeug?

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Voraussichtlich das gesamte Autoleben lang, bezogen auf Hybride mit NiMh-Typen mit konservativem Lademanagement. Vorzeitig sterbende Akkupacks kommen vor, sind aber sehr seltene Ausnahmen. Deshalb hat Toyota auch Null Probleme damit, je nach Land und Fahrzeug bis zu acht Jahre Garantie / 160.000 Kilometer auf den Akku zu gewähren. Da passiert in der Regel einfach noch gar nix. Grundsätzlich muss man also keine Bedenken haben.

Das war die gute Nachricht. Jetzt die schlechte:

Das soll und kann aber nicht heißen, dass hundertprozentige Problemfreiheit über Millionen von Kilometern gewährleistet ist. Ich denke, Hybrid-Oldtimer mit dem Original-Akkupack werden die große Ausnahme bleiben, denn irgendwann nach 12, 14, 16 Jahren werden die elektrochemischen Prozesse in einem Akku zu dessen Exitus führen, auch wenn er noch so gehätschelt wurde.

Dagegen ist nach derzeitigem Entwicklungsstand kein Kraut gewachsen, das muss man einfach realistisch sehen. Allerdings werden bis dahin genug Austausch-Zellen und auch Gebrauchtakkus bei Autoverwertern verfügbar sein, da bin ich doch einigermaßen optimistisch. Selbst komplette Akkupacks sind als Neuteil ja keineswegs unerschwinglich, nur tut halt bei einem alten Auto ein vierstelliger Betrag weh, völlig klar.

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Erfahrungswerte aus der Praxis

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Die Erfahrungswerte sehen im Moment so aus: 3,35 Millionen Hybridautos der Marken Toyota und Lexus fahren herum (aktuelle Zahl 12/2011), die ältesten seit 1997. Der Anteil an defekten Traktionsbatterien scheint sehr gering zu sein, was aber nur den diversen Hybrid-Foren - besonders den nordamerikanischen - zu entnehmen ist. Offizielle Zahlen dazu gibt es nicht.

Wenn ich die Rückmeldungen in den kanadischen und in den US-Foren richtig interpretiere, sterben in nennenswertem Umfang lediglich die Rundzellen der ersten Prius I-Generation (1997-1999). Dazu muss man aber wissen, dass das noch bessere Kofferradio-Akkus mit einem vergleichsweise rustikalen Lademanagement waren, mit späteren Entwicklungen nicht mehr zu vergleichen. Unter den bereits prismatischen Zellen der zweiten Prius I-Generation (verbaut etwa zwischen 2000 und 2003) gibt es mittlerweile ebenfalls einige Opfer.

Auch hier gilt aber das oben gesagte, denn beim Prius I wurden viel häufiger als heute extrem hohe Ströme zugelassen, was trotz der seinerzeit noch verwendeten 276 Volt Systemspannung leistungsmäßig zu Hausnummern geführt hat, bei denen jeder Elektroniker in Ehrfurcht erschauert. Besonderen Respekt habe ich dabei vor der Elektronik, die dauerhaft mit Leistungen im zweistelligen Kilowatt-Bereich klarkommt, das bei ständig wechselnden Umgebungsbedingungen in einem riesigen Temperaturbereich und dann auch noch bei sehr kompaktem Aufbau. Das ist schon ziemlich beeindruckend, auch bei den heutigen Modellen. Die Akkus aber wurden damals stärker belastet als bei allen späteren Hybrid-Generationen. Trotzdem gibt es nur vereinzelte Ausfälle.

Weltweit wird besonders der Prius II und III - also die nächsten beiden Generationen - sehr gerne als Taxi eingesetzt. Solche Fahrzeuge haben oft schon nach wenigen Jahren 300, 350, 400.000 Kilometer. Etwa bei diesen Kilometerständen wird von vereinzeltem Akku-Sterben berichtet - prozentual gesehen immer noch nicht auffällig, aber bezogen auf die sonst vorherrschende Problemlosigkeit natürlich schon. Es ist dann zwar meist nur eine einzelne Zelle defekt, aber in der Regel wird gleich der ganze Pack gewechselt.

Das ist bezogen auf die Laufleistung nicht besonders teuer und juckt die Taxler wenig, weil diese Autos ansonsten extrem wartungsarm sind, keine Zahnriemen, kaum Bremsbeläge und auch sonst wenig Verschleißteile fressen. Für einen Privatmann bedeutet es aber, dass er bei einem Gebraucht-Hybriden ab 300.000 Kilometer sicherheitshalber eine neue Traktionsbatterie oder die Reparatur der alten finanziell einkalkulieren sollte, auch wenn dazu neben dem Kilometerstand noch eine ganze Portion Pech gehört.

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Welche Faktoren bestimmen die Lebensauer der Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeugs?

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Generell muss man sich vergegenwärtigen, dass Akkus einem normalen Verschleiß durch die Nutzung selbst und durch chemische Prozesse unterliegen, also mit der Zeit und mit der Anzahl der Ladezyklen altern - deutlich weniger allerdings, wenn die Zyklen nicht so tief gefahren werden. Wie stark die Alterung ist, hängt also von den Einsatzbedingungen (und damit vom Lademanagement) sowie vom chemischen Aufbau ab.

Daneben gibt es in einem Fahrzeug natürlich auch weitere Faktoren wie die Umgebungstemperaturen, die Streckenprofile, den Fahrstil etc.

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Welche Strategie fährt Toyota, um die Lebensdauer der Traktionsbatterie auf das Fahrzeugleben auszudehnen? - Beispiel 1: Zärtlichkeit

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Die Hybriden aus dem Hause Toyota sind super-freundlich zu ihren Akkus. Sind sie zu warm, zu kalt, zu leer oder zu voll, werden sofort und mit viel elektronischem Gefühl Gegenmaßnahmen ergriffen. Was den leicht ironisch verwendeten Begriff der Zärtlichkeit angeht, so wird dies an folgendem Beispiel besonders schön deutlich:

Wenn die im Akku verteilten Sensoren eine eher ungesund hohe Temperatur registrieren, dann werden nicht etwa einfach so die Batterielüfter eingeschaltet - viel zu simpel. Nein, das System berechnet erstmal anhand eines hinterlegten Kennfelds, ob es nicht vielleicht gerade gesünder wäre, auf eine aktive Kühlung zu verzichten und der Wärme stattdessen durch die Begrenzung der Lade-/Entladeströme entgegenzuwirken.

Das hängt dann auch davon ab, wie gleichmäßig die Erwärmung im Akku ist (das wird natürlich ebenfalls gemessen), von den Umgebungsparametern und von ein paar anderen Faktoren, die wohl Betriebsgeheimnis sind.

Und wozu der ganze Aufwand? Nun, würde man einfach nur tumb die Gebläse einschalten, hätte dies unter Umständen eine zu rasche Abkühlung und dadurch mechanische Spannungen zur Folge. Die aber möchte man dem Akkublock ersparen. Aktiv gekühlt wird deshalb nur, wenns Sinn macht oder unbedingt notwendig ist, und selbst dann wird die Drehzahl der (großzügig dimensionierten) Lüfter behutsam geregelt und natürlich so niedrig wie möglich gehalten.

Und das ist jetzt nur ein Aspekt elektronischer Zärtlichkeit. Da steckt schon ziemlich viel Hirnschmalz drin, damit der ganze Kram wirklich lange hält. :) B)

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Welche Strategie fährt Toyota, um die Lebensdauer der Traktionsbatterie auf das Fahrzeugleben auszudehnen? - Beispiel 2: Vorselektion

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Was meistens unter den Tisch fällt, tatsächlich aber ganz entscheidend für ein langes Akku-Leben ist, ist die sorgfältige Vorselektion der Zellen, die zu einem Akkublock zusammengeführt werden sollen. Für die Toyota-Hybriden wird dabei ein enormer Aufwand getrieben, Zellen werden sorgfältigst gemessen und nur solche mit annäherend identischen elektrischen Eigenschaften zu Clustern zusammengeführt.

Macht man das nicht, driften Zellen innerhalb eines Verbunds äußerst schnell auseinander, was - plakativ ausgedrückt - in erschreckend kurzer Zeit den ganzen Block ins Verderben reißen würde. Auch bei sorgfältiger Vorselektion driften Zellen auseinander, weshalb Bestandteil des Lademanagements gezielte Strategien sind, um dieser Zelldrift entgegen zu wirken. So werden immer mal wieder Formatierungszyklen gefahren, wenn dies erforderlich ist. Davon bekommt der Fahrer nichts mit.

Das Zelldrifting muss schon sehr ausgeprägt und eine ganze Reihe von Formatierungszyklen erfolglos geblieben sein, bevor das System eine Fehlermeldung ausgibt. Über die OBD kann man dann genau sehen, welche Zellen abweichen und diese gezielt austauschen. Toyota macht das allerdings nicht, die tauschen nur komplette Blocks.

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Welche Strategie fährt Toyota, um die Lebensdauer der Traktionsbatterie auf das Fahrzeugleben auszudehnen? - Beispiel 3: Ladefenster

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Warum gerade bei Toyota-Hybriden die Akku-Problematik keine ist, kann man leicht nachvollziehen: Der kritische Punkt im Hybrid-Betrieb ist das Erkennen des Ladeendes. Da ist einfach nix mit Delta-U (Bestimmung des Ladeendes durch Auswertung der Zellspannung); das kann man zu Hause beim Akkuladen auf dem Küchentisch machen, aber halt nicht auf der Straße, wenn ständig hohe Ströme in wechselnde Richtungen fließen.

Das Lademanagement vermeidet dieses Problem höchst elegant, indem es es einfach gar nicht erst versucht, die Akkus voll zu laden. Damit geht man der Gefahr, sie dabei versehentlich zu töten, ziemlich nachhaltig aus dem Weg. ;) Deshalb hält das Lademanagement die Ladung immer in einem unkritischen Bereich, so dass jederzeit genug Kapazität übrig ist, um sowohl Leistung abzugeben als auch aufzunehmen. Und wenns trotzdem mal kritisch wird, werden die Ströme in beide Richtungen begrenzt.

Zeigt das Display eine leere Traktionsbatterie, ist sie immer noch zu 40 Prozent gefüllt.

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Wann ist ein neuer Akku fällig?

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Bei Toyota gilt ein Akku dann als gesund, wenn er noch mindestens 80 Prozent seiner ursprünglichen Kapazität hat, sonst wird er ausgetauscht. Das ist ziemlich vorsorglich, denn durch die schmalen Ladefenster würde man als Fahrer auch bei wesentlich geringerer Kapazität keinen Unterschied bemerken. Das System ist ziemlich clever und das kleine Ladefenster kaschiert selbst einen erheblichen Kapazitätsverlust.

Allerdings muss man hier klar unterscheiden zwischen dem ganz allmählichen Nachlassen aller Zellen und dem Sterben einer einzelnen. Der erste Fall ist normal, einkalkuliert und nicht problematisch, der zweite führt unweigerlich zu einer Reparatur.

Toyota-intern geht man je nach Generation und Modell von 10 bis 15 Jahren Akku-Lebensdauer aus. Die Zahl stammt von einem Insider, den ich persönlich kenne, die habe ich mir also keineswegs aus den Fingern gesaugt. Nach den Berichten in den diversen Foren scheint sie realistisch.

Viele Grüße, Erwin

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Sind mit Plugin-/Elektroautos bereits Erfahrungen über 100.000e Kilometern mit Parken nachts draußen bei Kälte vorhanden?

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Nicht in mit den Hybrid-Erfahrungen vergleichbarem Umfang, aber man steht auch keineswegs ganz am Anfang. Die Temperaturproblematik ist bei E-Fahrzeugen sehr groß, weil die Kapazität (und damit die Reichweite) bei niedrigen Temperaturen sehr stark eingeschränkt ist. Es gibt daher E-Mobile, die ihre eigenen Akkus beheizen können (auch GMs Plugin-Hybrid Ampera kann das), aber das kostet natürlich wiederum Strom und damit Reichweite, womit sich die Katze in den Schwanz beißt.

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Plugin-Hybride und Elektroautos

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Grundsätzlich bewegen wir uns hier auf etwas problematischerem Terrain als beim ganzen Themenkomplex Toyota-NiMh-Hybridbatterien. Wie aber bei den meisten Themen auf dieser schönen Welt gibt es auch hier kein Schwarz und Weiß, sondern man muss sich das Thema aus verschiedenen Blickwinkeln anschauen, um sich ein Gesamtbild machen zu können.

Da ist zunächst mal die grundsätzliche Akku-Strategie. Die nicht nur bei Toyota-Hybriden üblichen 1 bis 2 kWh Kapazität, von denen nur ein Teil genutzt wird, sind deshalb ausreichend, weil über einen längeren Zeitraum betrachtet nur selten wirklich elektrisch angetrieben wird. Elektrisch fahren - ja, das passiert öfter, aber dabei wird nur wenig Energie benötigt, nämlich um die Fuhre auf Geschwindigkeit zu halten.

So richtig viel Strom wird eigentlich immer nur beim Anfahren und beim Beschleunigen mit Vollgas entnommen. Zum Abdecken dieser Spitzen reichen ein paar Hundert Wattstunden locker. Das ist deshalb so, weil es ab ungefähr 8 bis 10 kW Leistungsbedarf (auch das nur ein ungefährer Richtwert) ökonomischer ist, den Benziner antreiben zu lassen - und genau so machen das die Toyoten auch. Das erklärt gleichzeitig, warum fettere Traktionsbatterien bei Hybriden nichts bringen würden.

Ganz anders sieht das bei Plugins und E-Fahrzeugen aus. Wenn ich möglichst weit elektrisch fahren will, muss ich mich beim Thema Akku primär auf die Energiedichte konzentrieren. Die hohe Energiedichte und die Hochstromfestigkeit von Zellen mit einem "Li" im Vornahmen sind prima, aber leider verhalten sich diese Akkus wesentlich weniger gutmütig als NiMh-Zellen. Sie sind also weit anspruchsvoller hinsichtlich Ladung und Temperatur, und dem muss Rechnung getragen werden. Dafür kommt man damit einfach weiter, bei vergleichbarem Gewicht und Volumen.

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Akku-Stress bei Hybrid- und Plugin-/Elektroautos - 1. Negative Aspekte

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Bei reinen Elektromobilen kann man einige die Lebensdauer fördernde Strategien nicht - oder nicht in vergleichbarem Umfang - anwenden wie bei den Hybriden. Man wird natürlich auch hier versuchen, soviel Kapazität wie möglich ins Auto zu bauen, um mit einem Ladefenster arbeiten zu können und damit vollständige Lade-/Entlade-Zyklen möglichst zu vermeiden. Das steht aber im Widerspruch zur angestrebten möglichst hohen E-Reichweite. Es ist und bleibt ein Spagat.

Das war die schlechte Nachricht. Nun aber der andere Blickwinkel (ich verwende dazu auch Daten, die User Florian aus dem Prius-Forum beigesteuert hat, der sich mit solchen Themen beruflich befasst):

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Akku-Stress bei Hybrid- und Plugin-/Elektroautos - 2. Positive Aspekte

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Ein Elektroauto-Akku erfährt zwar nicht von den Ladezyklen, wohl aber von den Strömen her deutlich weniger (!) Stress als der eines Hybridautos. Das gleicht dann die oben erwähnten Probleme zu einem gewissen Teil wieder aus. Sicher wird das jetzt den einen oder anderen verblüffen, ist aber leicht nachvollziehbar, schauen wirs uns genauer an. Stress bedeutet in erster Linie Wärme; Faustregel: Heiße Akkus sterben schneller.

Rechnen wirs grob durch, mit gerundeten Zahlen: Der Akku eines Hybriden wird im Alltag rein strommäßig stark belastet. 25 kW aus einem 200-Volt-Akku mit 6,5 Ah (typischer Toyota-Block) - da kommen Ströme bis zur 20-fachen Kapazität raus, hier also 125 A als Extremwert. Über den Daumen: Bei voller Leistung werden dann rund 4 kW in Wärme umgesetzt (125 Ampere zum Quadrat mal 0,25 Ohm Innenwiderstand), das sind dann immerhin 100 Watt Wärmeleistung pro Kilogramm Akku. Wer das jetzt auch nur halbwegs nachvollziehen konnte, hat schlagartig verstanden, warum die Traktionsbatterien von Hybridfahrzuegen grundsätzlich eine aktive Kühlung verbaut haben. ;)

Ganz anders verhält sich dies bei einem Plugin-Hybriden oder einem Elektroauto. Hier muss der Akku groß genug sein, um längere Strecken zu fahren. Das führt zu einem noch niedrigeren Innenwiderstand bei gleichzeitig deutlich größerer Masse. Wenn wir uns den Nissan Leaf anschauen, dann haben wir 24 kWh Kapazität, der Block wiegt 250 Kilo, der Motor leistet 80 kW. Bei überschlagsmäßig 200 Volt (Annahme zum besseren Berechnen) kommen wir auf Ströme im Bereich von 400 Ampere. Wenn wir davon ausgehen, dass der Li-Akku des Leaf bei gleicher Kapazität ungefähr den gleichen Innenwiderstand wie eine NiMh-Type hat, so weist der Akku ein Achtzehntel des Innenwiderstands vom Toyota-Hybrid-Akku auf, das sind noch nicht mal 14 Milliohm. Dann kommen wir bei Voll-Last auf 2,2 kW (400 Ampere zum Quadrat mal 0,01389 Ohm = 2222 W), also 2,2 kW Wärme bei Vollast im Vergleich zu 4 kW beim einem Toyota-Block, hier aber verteilt auf 250 Kilo Akku. Der Akku muss also gerade mal 8,8 Watt Wärme pro Kilo Akku verdauen, das ist eigentlich gar nix.

Ob nun diese positiven Aspekte die negativen wieder aufheben, darüber lässt sich trefflich spekulieren. Vom Bauchgefühl her: Eher nicht, was bedeuten würde, dass der Akku eines Elektroautos nicht so lange halten wird wie der eines Hybridfahrzeugs und schon gleich gar keine 10 oder 15 Jahre. Der Beweis dafür steht aber noch aus.

Falls jemand bis hierher mitgelesen hat: :respect: :lol:

Viele Grüße, Erwin

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Hallo Erwin,

noch mehr Aspekte, die mich immer mehr zu der dumpfen Erkenntnis kommen lassen:

Nämlich dass wir vielleicht besser nach weiteren neuen Ölquellen bohren sollten...

Gruß ;) von Motus

P.S.: Es gibt ja irgend so eine Theorie, nach der Erdöl eben nicht fossil ist, sondern ständig neu gebildet wird. Hoffentlich ist da was dran.

Falls nicht lesen wir eben in 10 Jahren Boergy's Umbauthread:

"Lexus SC400 und Holzvergaser-Die Lösung aus Österreich"

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Aber sicher. Das vereinfacht meinen Alltag ganz erheblich.

:tooth:

Oh, jetzt hast Du den "Erwin, schreib mal was"-Knopf gedrückt, wie unvorsichtig. :) Ich muss um 14 Uhr aus dem Haus; mal sehen, ob ich das vorher noch schaffe.

Punktlandung: 13.57 Uhr

Und danke für diese ausführlichen Erläuterungen!

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... P.S.: Es gibt ja irgend so eine Theorie, nach der Erdöl eben nicht fossil ist, sondern ständig neu gebildet wird. Hoffentlich ist da was dran. ...

Da hab ich auch schon von gehört. Wenn es so sein sollte dann wird man Dir das aber nie verraten, denn sonst könnten ja die Preisssteigerungen wegen der Endlichkeit der Ressource nicht mehr im Markt realisiert werden.

Heizen ist ein sehr ernstes Problem bei Elektrofahrzeugen. In der vorletzten ams wurde ein Golf 1,4 TSI Dauertest vorgestellt, in der letzten kamen nun die Leserbriefe dazu.

Weil der Motor so sparsam ist (ist wirklich ein feines Maschinchen!) produziert er so wenig Abwärme, dass einer für sich das Fazit zog, dass der Wagen für ihn schlicht im Winter nicht fahrbar ist, weil er 10km braucht bis er mal fühlbar heizt.

So und hiermit sind die Elektroautobesitzer herzlich aufgerufen uns hier zu berichten wie sie ab Donnerstag, Freitag dieser Woche bei den angekündigten -10 bis - 15 Grad so über die Runden gekommen sind!

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Das Heizproblem hatten ja auch schon vor Jahren die verschiedensten Dieselmodelle (TDI):

Wirkungsgrad rauf, Wärmeentwicklung runter, Füße kalt.

Abhilfe schaffte z.B. beim ca. 8 Jahre alten Mercedes meines Arbeitskollegen ein elektrischer Zuheizer. Erfordert natürlich eine monstermäßige Lichtmaschine und diverse Regelelktronik. War bei seinem C220 defekt und von den Reparaturkosten hätte man recht viel Diesel kaufen können...

Man kann's also drehen wie man will:

Am Ende zahlen wir Autofahrer jede Zeche!

Gruß von Motus

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Das Heizungsthema interessiert mich auch. Wie siehts z.B. beim Prius aus, wie schnell ist die Heizung da? Der hat ja auch den Atkinson-Zyklus, also schon sehr energiesparend. Haben die Ingenieure ein Herz fürs kalte Europa gehabt?

Der Golf 6 FSI meines Arbeitskollegen enttäuscht schon ziemlich in dem Punkt. Zumindest wird der Popo sehr schnell warm, das wünschte ich mir bei meinem auch. Die Frage ist nur, wie lange hälts :tooth:

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Keine Sorge, die Heizung der Hybriden kommt schnell, weil die nach einem Kaltstart eine gezielte Warmlaufsequenz mit extrem spätem Zündzeitpunkt fahren (Insider nennen diese Phase "Flammenwerfermodus"), um zwecks Einhaltung der kalifornischen Grenzwerte die Katalysatoren so schnell es geht auf Betriebstemperatur zu bringen.

Selbst wenn der Wirkungsgrad eines Atkinson-Verbrenners ein paar Prozentchen besser ist als der normaler Otto-Benziner, so ist er doch bei weitem nicht so gut, als dass zu wenig Abwärme für die Heizung produziert würde. Ich war schon bei Minus 12 Grad stundenlang im Prius unterwegs, es war immer mollig warm. Auch in seinen großen Brüdern muss niemand frieren.

Energietechnisch kann man sich darüber eigentlich nicht wirklich freuen, komforttechnisch natürlich schon. Wenn die Wirkungsgrade von Verbrennern noch erheblich besser werden, helfen im Stadtverkehr nur Zuheizer.

Bei E-Mobilen befindet man sich grundsätzlich in einem Dilemma, weil das Erzeugen von Wärme aus Strom, der zuvor auch noch in einer Batterie zwischengespeichert wurde, irre unökonomisch ist. Einen kleinen Benzin-Zuheizer in ein E-Mobil zu verbauen tut aber richtig weh im Kopf. Ich denke, auch diese Problematik wird sich erst lösen, wenn die Akkukapazitäten erheblich größer werden.

Mittwoch und Donnerstag werde ich ein paar Hundert Kilometer in einem Plugin unterwegs sein. Die Außentemperaturen sollen an diesem Tag auch tagsüber im Minusbereich liegen. Ich denke, ich werde für die reinen EV-Phasen sicherheitshalber meine schöne dicke Winterjacke mitnehmen, die mit den gefütterten Ärmeln. Und eine Thermoskanne mit heißem Kräutertee. ;) Wenns mir aber zu doof wird, dann wird eben mit dem Verbrenner geheizt, ist ja einer drin.

Viele Grüße, Erwin

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...

Korrekt, wobei man hier die deutlichen Fortschritte anerkennen muss. Bei der ersten Generation des HSD (1997-2003) wurde nämlich immer auch hydraulisch gebremst, bei der zweiten dann schon nicht mehr. Immerhin... ;)

...

Das liegt daran, dass der Übergang von rein generatorischem Bremsen zu solchem mit Unterstützung der normalen Bremsbeläge nicht ganz so trivial zu regeln ist.

Jedenfalls nicht wenn es für die Passagiere nicht fühlbar sein soll. Um das hinzubekommen hat man den Übergang bei der ersten Generation einfach gar nicht erst auftreten lassen.

Als man es dann komfortseitig im Griff hatte wurden die Beläge dann bei geringer Bremsleistung erst mal nicht mit benutzt.

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Ich hab nochmal die weiter oben schon erwähnte Theorie mit dem "nachwachsenden" Erdöl rausgekramt.

Da tu ich mich aber irgendwie schwer dran zu glauben, so gerne ich es auch möchte.

Das Beste wär evtl. wenn man aus den regenerativen Energiequellen (Sonne, Wind, etc.) irgendwie synthetischen, flüssigen Kraftstoff herstellen würde.

Dann könnte man die bestehenden Infrastrukturen weiter verwenden und hätte die gewohnten Energiedichten.

Verkehrsflugzeuge brauchen diese Energiedichten, da ist elektrisch momentan noch gar nichts darstellbar.

Aber vielleicht hat ja mal jemand eine geniale Idee und erfindet DEN Stromspeicher der mit Kohlenwasserstoffen mithalten kann.

Allerdings muss der dann ziemlich aufpassen, dass ihn die Öl-Lobby nicht gleich ... aber das ist Stoff für Hollywood-Streifen.

bearbeitet von DrHybrid
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