Der Akku ist das wichtigste Bauteil eines E-Autos. Die Reichweite von den besten Elektroautos variiert derzeit von 300 bis ca. 600 Kilometern mit einer vollen Ladung. Die Plug-in-Hybrid Fahrzeuge schaffen heutzutage zwischen 40 und 60 Kilometer ohne den Verbrenner. Für einige Fahrer ist ein Fahrzeug mit Hybridantrieb optimaler Kompromis, vor allem dann, wenn die tägliche Fahrt zur Arbeitsstätte nur wenige Kilometer beträgt. Bei Hybridfahrzeugen hat der Akku eine deutlich geringere Größe als bei Elektroautos. Ihre Unterbringung im Fahrzeug stellt aber für die Fahrzeughersteller trotzdem eine Herausforderung dar, weil auch der Verbrennungsmotor und Tank im Hybridfahrzeug untergebracht werden müssen. Da die meisten Hybridfahrzeuge in ihrer Grundauslegung auch als Verbrennungsfahrzeuge konzipiert wurden, bieten solche Fahrzeugplattformen nicht immer die besten Möglichkeiten zur optimalen Unterbringung des Akkus. Es findet sich dann meistens Platz im Kofferaum oder unter der Rückbank: das benötigte Zusatzvolumen für den Akku bei Hybridfahrzeugen schmälert also meist das Gepäckraumvolumen. Aber wie groß wäre ein Hybridfahrzeug-Akku in meinem Auto? Mein neues Leasingfahrzueg, Peugeot 5008 BJ 2021 hat eine ordentliche Größe. Obwohl er mit seiner Kofferraumgröße zu einem Größten in seiner Klasse gehört, bietet der Hersteller dieses Fahrzeugs keine Hybridvariante an.
Lasst uns also anhand einer Berechung herausfinden, welches Volumen für ein Akku für solches Plug-In Hybrid-Fahrzeug benötigt wäre. Könnte dadurch das Fahrzeug sein Vorteil gegenüber der Konkuzenz bezüglich der Gepäckraumgröße verlieren? Hier die grobe Berechnung des Volumens eines Hybridfahrzeug-Akkus mit einer Rechweite von 60 Kilometern.
Angenommene Werte für die Berechnung
| Gewicht des Fahrzeugs, m [kg] =>FN | 1736 |
| max. Geschwindigkeit des Fahrzeugs, v [km/h] | 140 |
| Rollwiderstandskoefizient, cR | 0,015 |
| Luftwiderstandsbeiwert, cw | 0,25 |
| Querschnittsfläche des Fahrzeugs, A [m2] | 3,03 |
| Luftdichte, ro [kg/m3] | 1,2 |
| Reichweite, L [km] | 60 |
| Zellen Durchmesser, Dzell | 18 |
| Zellen Länge, Lzell | 65 |
| Zellen Nennspannung, U_zell [V] | 3,7 |
| Zellen Kapazität, K [Ah] (90%) | 3,15 |
| Akku-Spannung, Uakku [V] | 400 |
Theorie zur Berechung
Die verrichtete Arbeit (Energieverbrauch) für betrachtete Reichweite berechnen wir aus folgender Formel
Wmech=Pmech*T ; [Wh]
Ermittlung der benötigter Leistung
Pmech=Fw*v ; [Watt]
Gesamtwiderstandskraft, welche zu überwinden ist, umfasst Luftwiderstand FL und Rollwiderstand FR
Fw=FR+FL ; [N]
FR=cR*FN ; [N]
FL=0,5*ro*cw*A*v2 ; [N]
wobei T der Zeit der Reise entspricht
T=L/v ; [h]
Benötigte Aufladekapazität des Akkus:
Kakku=Wel/Uakku [Ah];
Fragen Sie sich, woher kommt diese Formel? Zur Erklärung hier noch ein paar zusammenhängende Gleichungen.
Pel=Uakku*I
Wmech=Wel
Pmech*T=Pel*T
Fw*v*T=Uakku*I*T
I*T=Kakku ; [Ah]
Fw*v*T=Uakku*Kakku
Kakku=(Fw*v*T)/UAkku
Berechnung der Zellen.
Ztotal=Zserial*Zparalell
Zserial=Uakku/Uzell
Zparalell=Kakku/Kzell
Volume der Akku
Vakku=Ztotal*VZelle + VLuftspalt
Gewicht der Akku (nur Zellen).
makku=mZell*Ztotal
Berechnete Werte
| Rollwiederstand, FR [N] | 255,45 |
| Luftwiederstand, FL [N] | 687,36 |
| Gesamtwiederstand, Fw [N] | 942,81 |
| Benötigte Leistung um Gesamtwiederstand zu überwinden, Pmech [Watt] | 36664,97 |
| Zeit der Reise, T [h] | 0,42 |
| Energieverbrauch für Reichweite, Wmech=P*T [Watt] | 15713,56 |
| Benötigte Akkukapazität, Kakku [Ah] | 39,28 |
| Menge der benötigten Zellen [Stk] | 1348 |
| Zellen angeschlossen in der Serie [Stk] | 108 |
| Zellen Parallel angeschlossen [Stk] | 12 |
| Volume der Akku ohne Abdeckung, Vakku [dm3] | 30 |
| Gewicht der Zellen [kg] | 62 |
Fazit
Das benötitge Volumen für reine Zellenunterbringung würde beim Peugeot 5008 laut meiner Berechnung bei etwa 30 Liter und das Zusatzgewicht der Akku-Zellen bei etwa 62 kg liegen.
Die Hybridisierung schmälert Kofferraumvolumen
Auch wenn dieses Volumen zuerst überschaubar erschient, wäre der Akku in der Realität deutlich größer und schwerer. Der Grund dafür ist, dass auch eine Abdeckung des Akkus sowie Halterung, Kühlung und Anschlüsse mit Leitungen integriert werden müssen. An folgendem Beispiel sehen wir, dass ein vergleichbarer Akku mit Gesamtkapazität von etwa 15.6 kWh bei einem anderen Hersteller rund 150 kg wiegen kann und entsprechend viel Platz nimmt (siehe Bild im Abschnitt Battery and Charger hier).
Zusammengefasst könnten wir bei einem hybridisierten Peugeot 5008 von einem Akku in Größe eines Urlaubskoffers sprechen, welcher das Gepäckraumvolumen entspechend schmälern wird.
Die Hybridisierung wirkt sich negativ auf die Zuladung aus
Die maximale Zuladung würde auch durch Hybridisierung in Mitleidenschaft gezogen werden, da der Fahrzeug-Antriebsstrang natürlich noch ein Elektromotor und einen DC/DC Konverter enthalten muss. Die Summe der benötigten Zusatzmaße würde sich vor allem auf die maximale Zuladung negativ auswirken. So könnte passieren, dass das ursprüglich für 7 Personen konzipierte Fahrzeug plötzlich nur noch 2 Erwachsene und 3 Kinder transportieren kann, um die technisch zulässige Gesamtmasse nicht zu überschreiten.
Plug-in-Hybrid oder lieber gleich Elektroauto?
Obwohl die Reichweite eines Plug-in-Hybrid Fahrzeugs immer alltagstauglicher wird, überwiegen aus meiner Sicht die Nachteile eines Plug-in-Hybrid Fahrzeugs gegenüber reinem E-Auto. Die Sparsamkeit der Plug-in-Hybride ist gegeben nur wenn sie elektrisch genutzt werden. Das tägliche Aufladen wegen der geringeren Reichweite erscheint also unausweichlich.
Auf der anderen Seite kann man bei einem Hybridfahrzeug, zum Beispiel bei langen Geschäftsreisen, auf das oft noch umständliche Aufladen verzichten. Somit bietet es eine effizientere Zeitverwendung und mehr Flexibilität.
Die Berechnung existiert auch als Excel-Datei
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