Elektrofahrzeuge: Eine nachhaltige Revolution im Verkehr

Hintergrund

Im Gegensatz zum benzinbetriebenen Automobil entwickelte sich das Elektroauto nicht einfach zu einem tragfähigen Transportmittel. Im frühen 20. Jahrhundert wurde das Elektroauto intensiv von Forschern verfolgt; jedoch verdrängte das leicht massenproduzierbare benzinbetriebene Auto das Interesse am Projekt. Die Forschung ließ von 1920–1960 nach, bis Umweltfragen der Verschmutzung und schwindender natürlicher Ressourcen den Bedarf an umweltfreundlicheren Transportmitteln wieder weckten. Technologien, die eine zuverlässige Batterie und das Gewicht der benötigten Batterien unterstützen, erhöhten den Preis der Elektrofahrzeugherstellung. Auf der positiven Seite sind Fahrzeugelektronik so raffiniert und klein geworden, dass sie ideal für Elektrofahrzeuganwendungen sind.

Geschichte

Die frühe Automobilentwicklung fokussierte auf Elektroantrieb statt Benzin. 1837 scheint Robert Davidson aus Schottland der Erbauer des ersten Elektroautos gewesen zu sein, aber erst in den 1890ern wurden Elektroautos in Europa und Amerika hergestellt und verkauft. In den späten 1890ern waren US-Straßen von mehr Elektroautos bevölkert als von Verbrennungsmotoren.

Einer der erfolgreichsten Elektroautobauer in den USA war William Morrison aus Des Moines, Iowa, der 1890 mit der Vermarktung begann. Andere Pioniere waren S. R. und Edwin Bailey, ein Vater-Sohn-Gespann von Kutschenbauern in Amesbury, Massachusetts, die 1898 einen Elektromotor und eine Batterie an einen ihrer Wagen anbrachten. Die Kombination war zu schwer für den Wagen, aber die Baileys persistierten bis 1908, als sie ein praktisches Modell produzierten, das ca. 80 km fahren konnte, bevor die Batterie wieder aufgeladen werden musste.

Ein großer Teil der Elektroautogeschichte ist eigentlich die Geschichte der Batterieentwicklung. Die Blei-Säure-Batterie wurde 1890 von H. Tudor erfunden, und Thomas Alva Edison entwickelte 1910 die Nickel-Eisen-Batterie. Edisons Version steigerte die Produktion von Elektroautos und -lastwagen, und der Erfinder selbst war an der Zukunft des Elektroautos interessiert. Er kombinierte Kräfte mit den Baileys, als sie eine seiner neuen Speicherbatterien in eines ihrer Fahrzeuge einbauten und es in einer Reihe öffentlicher Vorführungen promoteten. Die Bailey Company produzierte Elektroautos bis 1915 und war unter über 100 Elektroautofirmen, die früh im Jahrhundert in den USA allein florierten. Die Detroit Electric Vehicle Manufacturing Company war die letzte, die überlebte, und stellte 1941 den Betrieb ein.

Elektroautos waren beliebt, weil sie sauber, leise und einfach zu bedienen waren; jedoch verbesserten zwei Entwicklungen das benzinbetriebene Fahrzeug so sehr, dass Wettbewerb nicht existierte. 1912 erfand Charles Kettering den elektrischen Anlasser, der die Handkurbel überflüssig machte. Gleichzeitig entwickelte Henry Ford einen Fließbandprozess für sein Model T. Die Montage war effizienter und kostengünstiger als die Elektrofahrzeugherstellung. Damit sank der Preis für benzinbetriebene Fahrzeuge genug, um für jede Familie erschwinglich zu sein. Nur elektrische Straßenbahnen, Lieferfahrzeuge mit häufigen Stopps und einige andere elektrisch betriebene Fahrzeuge überlebten über die 1920er hinaus.

In den 1960ern stieg das Interesse am Elektroauto wieder aufgrund steigender Ölpreise, sinkender Ölreserven und Sorge um Verschmutzung durch Verbrennungsmotoren. Die Wiederbelebung des Elektroautos im späten 20. Jahrhundert war jedoch von technischen Problemen, ernsthaften Fragen zu Kosten und Leistung sowie schwankendem öffentlichem Interesse geprägt. Befürworter vertreten Elektroautos für geringen Stromverbrauch und -kosten, niedrige Wartungsanforderungen und -kosten, Zuverlässigkeit, minimales Schadstoffausstoß (und daraus resultierender Umweltnutzen), einfache Bedienung und geringe Geräuschemission.

Ein Teil des erneuten Interesses wurde durch Regulierungen getrieben. Kaliforniens Gesetzgeber schrieben vor, dass 2 % der neu verkauften Autos im Bundesstaat bis 1998 von Null-Emissions-Motoren angetrieben werden müssen. Diese Anforderung steigt bis 2003 auf 4 %. Hersteller investierten in Elektroautos in der Annahme, dass öffentliches Interesse der Regulierung folgen und Luftqualität und Umweltschutz unterstützen würde. General Motors (GM) stellte den Impact im Januar 1990 vor. Der Impact erreichte 176 km/h Spitze und konnte 193 km bei 88 km/h fahren, bevor ein Ladehalt nötig war. Der Impact war experimentell, aber später 1990 begann GM, das Testauto in ein Serienmodell umzuwandeln. Batterien waren die Schwäche dieses Elektroautos, da sie alle zwei Jahre ersetzt werden mussten, was die Fahrzeugkosten im Vergleich zu den Betriebskosten eines benzinbetriebenen Modells verdoppelte. Ladestationen sind nicht weit verbreitet, und diese Unannehmlichkeiten und Kosten schreckten potenzielle Käufer ab. 1999 kündigte Honda an, die Produktion seines 1997 eingeführten Elektroautos einzustellen, mangels öffentlicher Unterstützung aufgrund derselben Hindernisse.

Komponenten

Im Gegensatz zu Primärbatterien mit begrenzter Lebensdauer chemischer Reaktionen zur Energieerzeugung sind die in Elektrofahrzeugen verbauten Sekundärbatterien wiederaufladbare Speicherzellen. Batterien sind in T-Formation mittig im Auto angeordnet, wobei der obere Teil des "T" hinten liegt für bessere Gewichtsverteilung und Sicherheit. Batterien für Elektroautos wurden mit Nickel-Eisen, Nickel-Zink, Zink-Chlorid und Blei-Säure hergestellt.

Das Gewicht des Elektroautos war auch ein wiederkehrendes Designproblem. In Elektroautos machen Batterie und elektrischer Antriebsstrang typischerweise 40 % des Fahrzeuggewichts aus, während bei Verbrennungsmotoren Motor, Kühlsystem und andere spezifische Antriebskomponenten nur 25 % des Gewichts ausmachen.

Andere in Entwicklung befindliche Technologien könnten Alternativen bieten, die für die Öffentlichkeit akzeptabler und emissionsarm (wenn nicht emissionsfrei) sind. Die Nutzung der Brennstoffzelle in einem Hybridfahrzeug ist die vielversprechendste Entwicklung am Horizont, Stand 1999. Das Hybridfahrzeug hat zwei Antriebsstränge, einen elektrischen und einen Verbrennungsmotor. Sie arbeiten nur unter den jeweils effizientesten Bedingungen: Elektroantrieb für Stop-and-Go bei niedrigen Geschwindigkeiten und Benzinantrieb für Autobahnfahrten. Der Elektromotor spart Benzin und reduziert Verschmutzung, und der benzinbetriebene Teil macht lästige Ladepausen seltener.

Brennstoffzellen haben eine chemische Wasserstoffquelle, die Elektronen für die Stromerzeugung liefert. Ethanol, Methanol und Benzin sind diese chemischen Quellen; wird Benzin verwendet, verbrauchen Brennstoffzellen es effizienter als der Verbrennungsmotor. Brennstoffzellen-Prototypen wurden erfolgreich getestet, und Japaner begannen 1998 mit der Fertigung eines Hybridfahrzeugs. Eine weitere Zukunftshoffnung für Elektroautos ist die Lithium-Ionen-Batterie, die eine dreimal höhere Energiedichte als Blei-Säure-Batterien hat. Dreimal die Speicherkapazität sollte dreimal die Reichweite bedeuten, aber die Produktionskosten sind noch zu hoch. Lithium-Batterien erweisen sich jetzt als vielversprechendste, aber begrenzte Rohstoffvorräte für all diese Batterievarianten werden die Wahrscheinlichkeit behindern, dass alle Fahrzeuge auf Elektroantrieb umgestellt werden können.

Rohstoffe

Das Skelett des Elektroautos heißt Spaceframe und besteht aus Aluminium für Festigkeit und Leichtigkeit. Die Räder sind ebenfalls aus Aluminium statt Stahl, wieder als Gewichtsersparnis. Die Aluminiumteile werden in einer Gießerei mit speziell für den Hersteller designten Formen gegossen. Sitzgestelle und der Kern des Lenkrads bestehen aus Magnesium, einem Leichtmetall. Die Karosserie besteht aus einem schlagfesten Verbundkunststoff, der recycelbar ist.

Elektroautobatterien bestehen aus Kunststoffgehäusen, die Metallanoden und -kathoden sowie Flüssigkeit (Elektrolyt) enthalten. Derzeit werden Blei-Säure-Batterien noch am häufigsten verwendet, obwohl andere Flüssigkeits-Metall-Kombinationen mit Nickel-Metallhydrid (NiMH) Batterien die nächstwahrscheinliche Stromquelle am Elektroauto-Horizont sind. Elektroautobatterien halten ihre Flüssigkeit in absorbierenden Pads, die nicht lecken, wenn sie bei einem Unfall rupturiert oder durchstochen werden. Die Batterien werden von Speziallieferanten hergestellt. Ein Elektroauto wie der GM EV1 enthält 26 Batterien in einer T-förmigen Einheit.

Der Motor oder Antriebssystem hat Metall- und Kunststoffteile, die keine Schmiermittel benötigen. Es umfasst auch raffinierte Elektronik, die Energiefluss von den Batterien regelt und dessen Umwandlung in Fahrleistung steuert. Elektronik sind auch Schlüsselkomponenten für das Bedienfeld in der Konsole; das Bordsystem bedient Türen, Fenster, Reifendrucküberwachung, Klimaanlage, Auto-Start, CD-Player und andere in allen Autos übliche Einrichtungen.

Kunststoffe, Schaumpolsterung, Vinyl und Stoffe bilden Armaturenbrettabdeckung, Türverkleidungen und Sitze. Reifen sind aus Gummi, aber im Gegensatz zu Standardreifen sind diese für höhere Drücke ausgelegt, damit das Auto mit weniger Rollwiderstand rollt und Energie spart. Elektroautoreifen enthalten auch Dichtmittel, um Lecks automatisch abzudichten, ebenfalls zur Energieeinsparung. Selbstabdichtende Reifen eliminieren auch das Reserverad, ein weiteres Gewichts- und Materialersparnismerkmal.

Die Windschutzscheibe ist Solarglas, das den Innenraum vor Überhitzung in der Sonne und Frostbildung im Winter schützt. Materialien für thermische Konservierung reduzieren den Energiebedarf, den Heizung und Klimaanlage auf die Batterien ausüben.

Design

Heutige Elektroautos werden als "modern era production electric vehicles" beschrieben, um sie von der Serie von Fehlstarts beim Design eines Elektroautos basierend auf bestehenden Serienmodellen benzinbetriebener Autos und von "Kit"-Autos oder privat entwickelten Elektroautos zu unterscheiden, die Spaß und funktional sein mögen, aber nicht serienreif sind. Von den 1960ern bis 1980ern war das Interesse am Elektroauto tiefgreifend, aber die Entwicklung war langsam. Das Design-Hindernis des hohen Energiebedarfs von Batterien konnte nicht durch Anpassung von Designs gelöst werden. Schließlich Ende der 1980er dachten Automobilingenieure das Problem von Grund auf neu und begannen, ein Elektroauto von Grund auf zu designen mit starker Berücksichtigung von Aerodynamik, Gewicht und anderen Energieeffizienzen.

Spaceframe, Sitzgestelle, Räder und Karosserie wurden für hohe Festigkeit für Sicherheit und geringstmögliches Gewicht designed. Das bedeutete neue Konfigurationen, die Komponenten und Insassen mit minimaler Masse und Hightech-Materialien einschließlich Aluminium, Magnesium und fortschrittlichen Verbundkunststoffen stützen. Da kein Auspuffsystem existiert, ist die Unterseite aerodynamisch mit einem vollständigen Unterbodenblech gestaltet. Alle überflüssigen Details mussten eliminiert werden, während der Komfort, den Fahrer wünschen, erhalten blieb und neue, einzigartige Elektroauto-Betrachtungen hinzukamen. Ein eliminiertes Detail war das Reserverad. Das Detail der stangenförmigen Radioantennen wurde entfernt; sie verursacht Windwiderstand, der Energie raubt, und verbraucht Energie für Auf- und Abbewegung. Eine hinzugefügte Betrachtung war das Fußgängerwarnsystem; Prototypentests zeigten, dass Elektroautos so leise fahren, dass Fußgänger sie nicht hören. Fahreraktivierte Blinklichter und Pieptöne warnen Fußgänger, dass das Auto naht, und funktionieren automatisch im Rückwärtsgang. Solarglas-Windschutzscheiben waren auch eine wichtige Ergänzung zur Regulierung der Innentemperatur und Minimierung von Klimaanlage und Heizung.

Unter den vielen weiteren Design- und Engineering-Features, die bei der Elektroautoherstellung berücksichtigt werden müssen, sind folgende:

• Batterien, die Energie speichern und den Elektromotor antreiben, sind eine Wissenschaft für sich im Elektroautodesign, und viele Optionen werden untersucht, um die effizientesten Batterien zu finden, die auch sicher und kosteneffektiv sind. Ein Elektromotor, der elektrische Energie aus der Batterie umwandelt und an den Antriebsstrang überträgt. Sowohl Gleichstrom- (DC) als auch Wechselstrommotoren (AC) werden in diesen Antriebs- oder Vortriebssystemen für Elektroautos verwendet, aber AC-Motoren nutzen keine Bürsten und erfordern weniger Wartung.
• Ein Controller, der Energiefluss von der Batterie zum Motor regelt, ermöglicht einstellbare Geschwindigkeit. Widerstände, die in anderen elektrischen Geräten dafür verwendet werden, sind für Autos nicht praktikabel, da sie zu viel Energie selbst absorbieren. Stattdessen werden siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs) verwendet. Sie lassen volle Leistung von der Batterie zum Motor, aber in Impulsen, damit die Batterie nicht überlastet und der Motor nicht unterversorgt wird.
• Jede Art von Bremsen kann an Elektroautos verwendet werden, aber rekuperative Bremssysteme werden in Elektroautos bevorzugt, da sie einen Teil der beim Bremsen verlorenen Energie zurückgewinnen und in das Batteriesystem zurückleiten.
• Zwei Ladegerätetypen sind nötig. Ein großes Ladegerät für die Garageninstallation wird benötigt, um das Elektroauto über Nacht aufzuladen, aber ein tragbares Ladegerät (Convenience Charger) ist Standardausrüstung für den Kofferraum, damit Batterien in Notfällen oder fern von Zuhause oder Ladestation aufgeladen werden können. Für Sicherheit wurde ein induktives Ladegerät für Elektroautos mit einem Paddel entwickelt, das in die Fahrzeugfront eingesetzt wird. Es nutzt magnetische Energie zum Laden der Batterien und begrenzt das Potenzial für Elektroschocks.

Der Herstellungsprozess

Der Fertigungsprozess erforderte fast so viel Designüberlegung wie das Fahrzeug selbst; und dieses Design umfasst Handarbeit und Vereinfachung sowie einige Hightech-Ansätze. Monteure arbeiten in Bauplatzteams, um Teamgeist und gegenseitige Unterstützung zu fördern, und Teile werden in modularen Einheiten gelagert, genannt Creform-Regale aus flexiblen Kunststoffrohren und -verbindern, die einfach zu befüllen und für verschiedene Teile umzugestalten sind. Auf der Hightech-Seite ist jede Station mit einem Drehmomentschlüssel mit mehreren Aufsätzen ausgestattet; wenn der Monteur den passenden Aufsatz aufsetzt, wählen Computersteuerungen der Maschine das korrekte Drehmoment für die Befestigungselemente, die zu diesem Aufsatz passen.

Karosseriebau

Die Karosserie des Elektroautos wird an sechs Arbeitsstationen handgefertigt.

• 1 Teile des Aluminium-Spaceframes werden in Sektionen zusammengefügt, genannt Unterbaugruppen, die aus vorgefertigten Stücken bestehen, die geschweißt oder geklebt werden. Der Kleber ist ein Klebebonding-Material und liefert eine Verbindung, die haltbarer und steifer ist als Schweißen. Während die Unterbaugruppen für den Unterboden fertiggestellt werden, werden sie miteinander verklebt, bis der gesamte Unterboden fertig ist.
• 2 Die Unterbaugruppen für den oberen Karosserieteil werden ebenfalls verklebt, um größere Sektionen zu bilden. Die fertigen Sektionen werden ähnlich geschweißt oder geklebt, bis der Karosserierahmen fertig ist. Die Karosserie wird zum Unterboden hinzugefügt. Der Klebstoff, der im gesamten Stufenbau des Rahmens verwendet wird, wird dann durch Durchführen der Karosserie durch einen zweistufigen Ofen ausgehärtet.
• 3 Das Dach wird montiert. Wie andere Außenkomponenten wurde es bereits lackiert. Der Unterboden und der Rest des Rahmens werden mit Schutzversiegelungen beschichtet, und die fertige Karosserie wird in den Generalmontagebereich bewegt.

Generalmontage

Die Generalmontage der Betriebsbauteile und des Innenraums des Elektroautos wird an acht weiteren Arbeitsstationen abgeschlossen.

1. An der ersten Montagestation wird der erste Satz der komplexen Elektronik des Elektroautos platziert. Dies umfasst die Karosseriekabel und die Bestückung der Power Electronics Bay, die das Propulsion Control Module, die integrierte Antriebseinheit und einen kleinen Kühler hält. Die integrierte Antriebseinheit besteht aus dem Wechselstrom-Induktionsmotor und einer zweistufigen Getriebereduktion und Differential. Diese Einheiten sind alle in ihren Der Fertigungsprozess für ein Elektrofahrzeug ist so komplex wie das Fahrzeugdesign. Es braucht sechs Arbeitsstationen, um die Karosserie eines Elektrofahrzeugs zu erstellen. Jede Station ist mit einem Drehmomentschlüssel mit mehreren Aufsätzen ausgestattet; wenn der Monteur den passenden Aufsatz aufsetzt, wählen Computersteuerungen der Maschine das korrekte Drehmoment für die Befestigungselemente, die zu diesem Aufsatz passen. eigenen Gehäusen vorvormontiert. Die Komponenten der Steuerkonsole werden ebenfalls installiert.
2. Der Innenraum wird ausgestattet. Bodenbelag, Sitze, Teppich und Konsole und Armaturenbrett werden im Auto platziert. Der Prozess ist einfach, weil das Instrumentenpanel und die Konsoleabdeckung aus geformtem, glasfaserverstärktem Urethan bestehen, das mit weiterem Urethan in Finish-Qualität und mit matter Oberfläche beschichtet wurde. Diese beiden Teile sind stark und benötigen keine weiteren Stützen, Halterungen oder Montageplatten. Montage ist unkompliziert, und die Leistung ist überlegen, da weniger Teile Möglichkeiten für Rasseln und Quietschen reduzieren.
3. An der dritten Arbeitsstation werden Klimaanlage, Heizung und Zirkulationssystem eingebaut und das System befüllt.
4. Das Batteriepaket wird hinzugefügt. Die T-förmige Einheit wird durch Anheben des schweren Pakets mit einem Spezialheber in das Auto eingesetzt. Das Paket wird am Fahrgestell befestigt, ebenso wie die Achsen komplett mit Rädern und Reifen. Mit sowohl Batterien als auch Antriebseinheit an Ort und Stelle muss das Auto nicht mehr auf speziell designten Puppen von Station zu Station bewegt werden. Stattdessen wird es zu den verbleibenden Arbeitsstationen gefahren. Das System wird hochgefahren und geprüft, bevor es zum nächsten Team gefahren wird.
5. Die Windschutzscheibe wird installiert und andere Flüssigkeiten werden hinzugefügt und geprüft. Die Türsysteme (komplett mit Vinylinnenausstattung, Armlehnen, Elektronik und Fenstern) werden ebenfalls angebracht, und alle Verbindungen werden vervollständigt und geprüft. Die Außenpaneele werden hinzugefügt. Ähnlich wie Dach und Türen wurden sie vorbereitet und lackiert, bevor sie an die Arbeitsstation gebracht wurden. Der finale Zierrat wird angebracht, um den oberen Außenbereich zu vervollständigen.
6. An der finalen Arbeitsstation wird die Ausrichtung geprüft und justiert, und das Unterbodenblech wird verschraubt. Der Prozess endet mit der letzten, umfassenden Qualitätskontrolle. Druckwasser wird acht Minuten lang auf das Fahrzeug gesprüht, und alle Dichtungen werden auf Lecks geprüft. Auf einem spezialisierten Testparcours wird das Auto auf Geräusche, Quietschen und Rasseln bei einer qualitätsbasierten Testfahrt geprüft. Eine umfangreiche und gründliche Sichtprüfung schließt den Qualitätsaudit ab.

Einzigartig beim Elektrofahrzeug ist das Batteriepaket. Das Batteriepaket besteht aus wiederaufladbaren Sekundärbatterien, die als Speicherzellen fungieren. Batterien sind in T-Formation mittig im Auto angeordnet, wobei der obere Teil des "T" hinten liegt für bessere Gewichtsverteilung und Sicherheit.

Qualitätskontrolle

Die Industrie hat bewiesen, dass Arbeitsstationen eine hocheffektive Methode zur Qualitätskontrolle während eines Montageprozesses sind. Jede Arbeitsstation hat zwei Teammitglieder, die sich gegenseitig unterstützen und interne Kontrollen für ihren Prozessanteil bieten. Auf einer relativ kleinen Montagelinie wie dieser für das Elektroauto (75 Monteure in einem GM-Werk) kennen sich alle Arbeiter, was einen größeren Teamgeist schafft, der Stolz und Kooperation fördert. Folglich besteht der einzige große Qualitätskontrollvorgang am Ende des Montageprozesses und besteht aus einem umfassenden Satz von Tests und Inspektionen.

Einzigartig bei der Elektroautofertigung wurde der Betrieb des Autos während der finalen Montageschritte getestet. Das Auto hat kein Auspuffsystem und emittiert keine Gase oder Schadstoffe, sodass nach Installation des Batteriepakets und der Antriebseinheit das Auto im Werk gefahren werden kann. Der Beweis, dass das Produkt mehrere Schritte vor Fertigstellung funktioniert, ist ein beruhigender Qualitätscheck.

Nebenprodukte/Abfall

Es gibt keine Nebenprodukte aus der Elektroautoherstellung. Abfall innerhalb der Montagefabrik ist auch minimal bis nicht existent, da Teile, Komponenten und Unterbaugruppen alle anderswo gefertigt wurden. Verschnitt und anderer Abfall werden von diesen Lieferanten zurückgewonnen, und die meisten sind recycelbar.

Die Zukunft

Elektroautos sind kritisch wichtig für die Zukunft der Automobilindustrie und der Umwelt; jedoch sind die endgültige Form des Elektroautos und seine Akzeptanz durch die Öffentlichkeit noch ungewiss. Verbrauch sinkender Ölreserven, Bedenken über Luft- und Lärmbelastung und Verschmutzung durch (und Energieverbrauch von) verlassenen Autos und den Komplikationen des Recyclings benzinbetriebener Autos sind alles treibende Kräfte, die scheinbar zum Erfolg des Elektroautos drängen.