Technologie vor 196 Tagen

Schreckgespenst Hochspannung? Nieder mit den Volt!

Elektromobilität kannte bislang keine Alternative zu Hochvolt-Traktionssystemen. Mit dem nanoFlowcell-Niedervoltantriebssystem arbeitet erstmals ein leistungsstarkes Aggregat im Niedervoltbereich und zeigt, dass Elektrofahrzeuge leistungsorientiert, kostengünstig und sicher zugleich sein könnten.

Wenn auch kaum auf der Straße, so sind Elektrofahrzeuge derzeit dennoch im Modellmix eines fast jeden Automobilherstellers zu finden. Trotz Unterschiede im Design und in ihren jeweiligen Markenansprüchen, haben die aktuellen Elektrofahrzeuge doch alle eins gemeinsam: ein Hochvolt-Traktionsnetz.

Antrieb- und Bordnetz in fast allen Elektroautomobilen arbeiten mit Hochvolt (HV) oder in einer Kombination aus Hochvolt-Traktionsnetz und Niedervolt-Bordnetz. Mit dem elektrifizierten Antriebsstrang hat also in breitem Umfang Hochvolt- und Hochleistungselektronik in der Fahrzeugtechnik Einzug genommen.

Tabelle „Übersicht Nennspannung im Traktionssystem bei E-Fahrzeugen“
Tabelle „Übersicht Nennspannung im Traktionssystem bei E-Fahrzeugen“

Anders gesagt, bei modernen Elektrofahrzeugen fließen bis zu 600 Volt Spannung durch die Leitungen. Genau diese Tatsache macht Elektroautos zum Schreckgespenst für viele Autofahrer: Negativschlagzeilen wie jene zu dem in Brand aufgehenden Tesla Model S schüren die Skepsis gegenüber einer ansonsten fortschrittlichen automobilen Antriebstechnologie.

Die Zeiten, in denen Hobby-Schrauber in der Mietwerkstatt an ihrem Auto schrauben werden mit dem Elektroauto endgültig vorbei sein. Früher hatte man sich an einem heißen Motor vielleicht die Finger verbrannt, doch direkter Kontakt mit Spannungen von bis zu 600 Volt - das ist eine um das 2,5fache höhere Spannungen als aus der Haushaltssteckdose - bedeuten Gefahr für Leib und Leben. Daher sind Wartungsarbeiten am Hochvolt-System eines Elektrofahrzeugs ausschließlich geschulten Werkstattfachkräften vorbehalten, die in speziellen Schulungen auf die Gefahren bei Arbeiten an Hochvolt-Fahrzeugen unterrichtet werden.

Reparaturen an HV-Fahrzeugen sind spezialisierten Werkstätten vorbehalten.
Reparaturen an HV-Fahrzeugen sind spezialisierten Werkstätten vorbehalten. (Bild: Grundlagen Kfz-Hochvolttechnik, Krafthand Medien GmbH, 2014)

Elektrofahrzeuge sind wie normale Autos und doch ganz anders.

Doch nicht nur das eigene Personal muss geschult werden. Autohersteller und Zulieferer entwickeln auch gemeinsam mit Feuerwehr und Hilfskräften neue Sicherheitskonzepte, welche die Fahrzeugbesonderheiten der Elektrofahrzeuge mit Hochvoltsystemen im Falle der Unfallhilfe berücksichtigen. Doch HV-Sicherheit setzt bereits bei der Fertigung an. Damit im Falles eines Falles aus einem verhängnisvollen Unfall keine Tragödie für Insassen und Unfallhelfer wird, sollen erhöhte bauliche Sicherheitsstandards einen vollständigen Berührungs- und Lichtbogenschutz gegenüber dem HV-System in einem Elektrofahrzeug gewährleisten. Doch solche erhöhten Sicherheitsvorkehrungen bei HV-Elektrofahrzeugen sind nicht ohne zusätzliche Kosten umzusetzen.

Um leistungsstarke Elektroaggregate mit potenziell gefährlich hohen Spannungen und Strömen in eine existierende Fahrzeugarchitektur einzufügen und dabei noch die Sicherheit in allen Fahrsituationen zu gewährleisten - vom normalen Fahrbetrieb über anfallende Reparatur bis hin zu möglichen Unfallgeschehen - sind tiefgreifende bauliche Veränderungen gegenüber vergleichbaren benzin- oder dieselbetriebenen Modellen notwendig.

Auch werden zum Beispiel einzelne Bauteile, hier vor allem die speziellen Hochvolt-Leitung, in Handarbeit hergestellt und mehrfach kontrolliert, um mögliche Produktionsfehler, welche fatale Folgen haben könnten, weitestgehend auszuschließen. Zudem werden die Kabel mit Kevlar ummantelt, um sie bei einem möglichen Crash vor Bruch zu schützen.

Elektroautos sind also teurer, weil ihre Hochspannungs-Komponenten besonders geschützt werden müssen, damit die Insassen bei einem Unfall oder einer Fehlfunktion nicht plötzlich unter Strom stehen? Ja, auch, doch nicht nur. Die Lithium-Ionen-Batterie ist bei herkömmlichen Elektrofahrzeugen mit sinnvoll nutzbarer Reichweite nach wie vor die teuerste Einzelkomponente.

Mehrkosten für Elektrofahrzeuge ließen sich gezwungener Maßen diskutieren, doch bei der Sicherheit sollte kein Kompromiss gemacht werden, auch wenn die Elektrifizierung des Automobils unter umweltsoziologischen Aspekten noch so erstrebenswert erscheint.

Bei Niedervolt-Systemen, die statt mit bis zu 600 Volt nur mit 48 Volt arbeiten, könnten Automobilhersteller auf viele der derzeitig notwendigen HV-Sicherheitsvorkehrungen und den damit verbundenen Nachteilen verzichten. Und kombiniert man dann noch Niedervolt- mit nanoFlowcell-Technologie, so wird kein Elektroauto mehr teurer sein müssen, als ein herkömmliches Fahrzeug mit Verbrennungsmotor.

QUANTiNO mit nanoFlowcell-Niedervoltantrieb beschleunigt in weniger als 5 Sekunden von 0 auf 100 km/h und erreicht eine Spitzengeschwindigkeit von 200 km/h
QUANTiNO mit nanoFlowcell-Niedervoltantrieb beschleunigt in weniger als 5 Sekunden von 0 auf 100 km/h und erreicht eine Spitzengeschwindigkeit von 200 km/h (Bild: NFC)

Die nanoFlowcell Holdings hat den nanoFlowcell-Niedervoltantrieb gezielt entwickelt, um genau jene Hürden zu umgehen, die der breiten Markteinführung der Elektrofahrzeuge mit Hochvolttechnik im Wege stehen: Sicherheit und Kosten.

Der 48V nanoFlowcell-Niedervoltantrieb ist mit bestehenden Niedervoltbordnetzen kompatibel und eignet sich nicht nur für kleine und kompakte Elektrofahrzeuge, sondern auch für sportlich ambitionierte Stromer. Die nanoFlowcell-Niedervolttechnik steht der Hochvolttechnik der heutigen E-Mobil Generation in Punkto Leistung also in nichts nach, ist diesen in Punkto Sicherheit und Kosten aber weit voraus, da mit steigendem Leistungsanspruch, die Systemleistung und damit die notwendigen Ströme hier nicht über 48 V ansteigen. Die hier entstehenden Spannungen sind für den menschlichen Körper ungefährlich, da Wechselspannungen erst ab 50 V und Gleichspannungen ab 120 V lebensgefährlich werden. (>)

In der Vorentwicklung zum QUANTiNO hatte das Team um Nunzio La Vecchia die technischen Anforderungen eines nanoFlowcell-angetriebenen Niedervoltelektrofahrzeugs definiert und neben der Steuergeräte- und HMI-Architektur (Mensch-Maschine-Interface) auch das gesamte Niedervolttraktionsnetz und -bordnetze konzipiert.

"Mit dem QUANTiNO haben wir den Elektroantrieb grundlegend neu durchdacht. Dies spiegelt sich vor allem in der Systemarchitektur des QUANTiNO und dem Aufbau seiner elektrischen und elektronischen Systemen wieder", erklärt Nunzio La Vecchia, Chief Technologie Officer der nanoFlowcell Gruppe. "Unsere Engineering-Expertise im Prototypenbau von Elektrofahrzeugen und insbesondere unser Knowhow in der Leistungselektronik und Software ermöglichten uns einen ganzheitlichen Entwicklungsansatz bei der Anpassung von Bordnetz und Traktionsnetz. Für die von uns entwickelte Niedervoltarchitektur war zudem die Entwicklung neuer NV-Komponenten und die eines neuen Leitungssatz von großer Bedeutung. Die hiermit meist hervorgehobenen Kritikpunkte wie Bauraum und Packaging - also Dimensionierung, Gewicht und Positionierung der Komponenten und Leitungsstränge - konnten wir vorteilhaft lösen. Mit dem QUANTiNO, der über unser hauseigenes nanoFLowcell-Niedervoltsystem verfügt, haben wir somit als erstes Unternehmen ein alltagstaugliches Niedervolt-Elektrofahrzeug auf Produktionsreifeniveau gebracht, das sowohl unter Entwicklungs- und Produktionsgesichtspunkten wie auch unter Nutzungsgesichtspunkten unschlagbare Vorteile bietet."

nanoFlowcell mit Niedervoltarchitektur im Testbetrieb
nanoFlowcell mit Niedervoltarchitektur im Testbetrieb (Bild: NFC)

Eine weitere Besonderheit beim nanoFlowcell-Niedervoltantrieb ist die elektrische Energiespeicherung mittels bi-ION Elektrolyte. Im Gegensatz zu den derzeitigen Hochvolt-Elektrofahrzeugen, deren Fahrleistung vom Packaging ihrer Hochenergie- oder Hochleistung-Zellen auf Lithium-Ionen-Basis abhängt (je höher die Leistung, desto größer, schwerer und teurer ist die Batterie), sind im QUANTiNO keine Einschränkungen seitens des Energiespeichers gegeben. Die nanoFLowcell (der Energiewandler) ist kaum grösser als eine Schuhbox und die bi-ION Elektrolyte (die Energieträger) werden in einem regulären Tank bevorratet. Dieser bedarf keiner baulichen Auflagen, da die Elektrolyte weder explosive noch brennbar und weder gesundheits- noch umweltschädlich sind. Letztendlich entscheidet die Flusszelle über die Höhe des Energieflusses (vereinfacht gesagt: je schneller die Fahrt, desto mehr Elektrolyte durchfließen die Zelle) und die Tankgröße und somit die verfügbaren Elektrolyte über die Reichweite des Elektrofahrzeugs. Die bi-ION Elektrolytflüssigkeit wird nach Gebrauch vaporisiert und ähnlich wie die Wasserdampfemissionen bei einem Wasserstofffahrzeug als umweltneutrales "Abgas" freigesetzt. Ist der Tank leer, wird nachgetankt.

Bauliche Flexibilität: Der Mitteltunnel im QUANT FE beherbergt den Tank für die bi-ION Elektrolyte
Bauliche Flexibilität: Der Mitteltunnel im QUANT FE beherbergt den Tank für die bi-ION Elektrolyte (Bild: NFC)

Designer und Fahrzeugentwickler bieten sich zahlreiche Möglichkeiten, die durch das nanoFlowcell-Niedervoltsystem neugewonnene Freiheit für die Entwicklung zukunftsweisender, kostengünstiger Fahrzeugkonzepte zu nutzen. Verbraucher wird es zudem freuen, dass sie keine Lithium-Ionen-Batterien fahren müssen, die zu thermischem Kollaps neigen, sondern mit dem nanoFlowcell-Niedervoltantrieb nicht nur ein überaus nutzungssicheres, sondern zudem auch sehr wartungsarmes und kosteneffizientes Antriebssystem erhalten.

Lithium-Ionen-Hochvolt contra nanoFlowcell-Niedervolt

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