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Reichweitenverlängerer

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Definition: ein Zusatzaggregat für die Verlängerung der Reichweite eines Elektroautos

Englisch: range extender

Kategorien: elektrische Energie, Fahrzeuge, Grundbegriffe

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 10.11.2014; letzte Änderung: 12.07.2015

Eine der größten Herausforderungen bei der Einführung von Elektroautos ist die recht begrenzte Reichweite, die allein mithilfe von aufladbaren Batterien erreichbar ist. Dies liegt daran, dass Batterien nicht nur relativ teuer sind (zumindest bisher), sondern auch beispielsweise im Vergleich zu einem Benzintank eine sehr geringe Energiedichte aufweisen. Deswegen werden manche Fahrzeuge mit einem Reichweitenverlängerer (Range Extender) ausgestattet – einem Aggregat, das mithilfe eines chemischen Energieträgers (meist Benzin), eines Verbrennungsmotors und eines Generators elektrische Energie zur Unterstützung der Batterien erzeugen kann. Selbst ein Benzintank von moderater Größe (z. B. 10 l) kann die Reichweite um über 200 km verlängern.

Eigentliche Reichweitenverlängerer sind eher für den gelegentlichen Betrieb gedacht.

Hierbei ist vorgesehen, das Fahrzeug meist rein elektrisch zu betreiben, den Reichweitenverlängerer also nicht allzu häufig einzusetzen. Wenn ein solches Aggregat regelmäßig eingesetzt werden sollte, spräche man eher von einem seriellen Hybridantrieb als von einem Elektroantrieb mit Range Extender.

Ein Reichweitenverlängerer wird in der Praxis häufig mit einer konstanten oder kaum variablen Leistung betrieben. Soweit diese den momentanen Leistungsbedarf der Elektromotoren übersteigt, wird der Überschuss in der Batterie gespeichert, d. h. diese wird geladen. Bei hohem Leistungsbedarf kann die Batterie kurzzeitig auch zusätzliche Leistung liefern.

Außer der Verlängerung der Reichweite können weitere Funktionen erfüllt werden:

Allerdings werden in der Praxis nicht immer all diese Funktionen realisiert.

Anforderungen an einen Reichweitenverlängerer

Die typischen Anforderungen an einen Reichweitenverlängerer können wie folgt beschrieben werden:

Die typischen Anforderungen an einen Reichweitenverlängerer unterscheiden sich stark von denen an einen Motor für den direkten Antrieb des Fahrzeugs.

Dagegen ist es nicht unbedingt nötig, dass die elektrische Leistung des Aggregats in weiten Bereichen variiert und schnell dem jeweiligen Bedarf angepasst werden kann. Es ist auch nicht unbedingt nötig, eine Leistung erzeugen zu können, die den maximalen Bedarf der Elektromotoren decken kann. Schließlich steht ja eine große Batterie als Energiespeicher zur Verfügung, die z. B. für Überholvorgänge kurzzeitig deutlich mehr Leistung liefern kann. Besonders für Fahrzeuge, die im Wesentlichen für den Stadtverkehr gedacht sind, genügt ein Aggregat mit einer maximalen Leistung von nur z. B. 5 bis 10 Kilowatt, wozu ein einfacher Einzylinder-Motor genügt. Für Fahrzeuge, die auch auf der Autobahn betrieben werden können, wird man eine entsprechend höhere Leistung von z. B. 25 kW wählen und hierfür hier einen Zweizylinder-Motor mit einem Hubraum von z. B. 0,5 l einsetzen. Man wird die Leistung auch nicht höher auslegen als die Leistung, welche die Batterie beim Laden dauerhaft aufnehmen kann. Der technische Aufwand für die Abgasreinigung kann relativ gering gehalten werden aufgrund der kleinen Leistung und der günstigen Betriebsbedingungen.

Ein Reichenweitenverlängerer kann relativ kompakt und kostengünstig hergestellt werden.

Die Erfüllung dieser Anforderungen ist einfacher als bei einem herkömmlichen Verbrennungsmotor zum direkten Antrieb eines Fahrzeugs. Es kann ein relativ einfach gebauter Motor verwendet werden, der mit einer konstanten oder relativ wenig variablen Leistung und Drehzahl betrieben wird. Es kommt also beispielsweise nicht darauf an, die Elastizität des Motors oder das Ansprechverhalten zu optimieren. Das Aggregat wird gerne im Heckbereich eingebaut, um lange Abgasleitungen und lange Stromleitungen zu den Batterien zu vermeiden. Da in der Regel keine mechanische Verbindung mit den Rädern nötig ist, ist man mit der Platzierung auch ziemlich flexibel.

Im Prinzip kommen verschiedenste Arten von Verbrennungsmotoren infrage. Jedoch ist ein benzinbetriebener Ottomotor für einen Reichweiten verlängere in der Regel am besten geeignet, da er relativ kostengünstig und kompakt gebaut werden kann, mit einer nicht allzu aufwendigen Abgasreinigungsanlage auskommt und mit einem kompakten Benzintank ausgestattet werden kann. Ein Dieselmotor könnte zwar im Prinzip effizienter arbeiten, jedoch überwiegen bei diesem Einsatz seine Nachteile bezüglich Gewicht, Aufwand der Abgasreinigung, Kosten und Laufruhe. Auch andere Motorkonzepte wie z. B. der Wankelmotor können den herkömmlichen Ottomotor trotz gewisser spezifischer Vorteile nicht verdrängen. Die Bauweise wird meist relativ einfach gewählt; fortgeschrittene Konzepte wie die Turboaufladung oder eine variable Ventilsteuerung werden normalerweise nicht verwendet.

Kann man mit dem Range Extender auch heizen?

Im Winter kann man die Abwärme des Verbrennungsmotors auch für die Beheizung des Fahrzeugs nutzen. Allerdings wird diese Option oft nicht vorgesehen, da dafür der Range Extender mit der Heizungsanlage verbunden werden müsste (was wiederum die Flexibilität des Einbaus einschränkt) und sein ständiger Einsatz ohnehin nicht vorgesehen ist. Dies kann dazu führen, dass das Fahrzeug schließlich elektrisch beheizt wird mithilfe elektrischer Energie vom Reichenweitenverlängerer, da die Batteriekapazität ja gerade im Winter am ehesten knapp wird. Dieses Verfahren ist von der Energieeffizienz her freilich alles andere als optimal. Für den Einsatz in kalten Gegenden ist es deswegen sinnvoller, ein solches Aggregat für den regelmäßigen Einsatz vorzusehen und an die Heizungsanlage anzuschließen. Dies würde freilich einen Schritt weg vom Elektroauto hin zum Hybridantrieb bedeuten, wo die Primärenergie doch zu einem großen Teil vom Kraftstoff kommt und nicht aus dem Kraftwerk.

Sollte man den Reichweitenverlängerer nach Bedarf leicht ein- und ausbauen können?

Im Prinzip wäre es möglich, einen Reichweitenverlängerer als ein leicht ausbaubares Modul zu gestalten. Dieses Modul könnte dann im Normalfall in der Garage gelagert werden, und es würde vom Nutzer nur dann eingesetzt, wenn ein entsprechender Bedarf erkennbar ist. Damit würde man für den größten Teil der gefahrenen Strecken das Zusatzgewicht vermeiden. Dieses Konzept hat sich bisher allerdings nicht durchsetzen können.

Mögliche Betriebsstrategien

Für einen Reichweitenverlängerer sind unterschiedliche Betriebsstrategien möglich:

Die Betriebsstrategie kann jeweils von unterschiedlichen Aspekten beeinflusst sein, beispielsweise vom Ladezustand der Batterie, der Fahrgeschwindigkeit bzw. dem Leistungsbedarf für den Antrieb und den Bedarf an Heizleistung. Beispielsweise kann der Motor anfangs mit einer höheren Leistung betrieben werden, damit seine Betriebstemperatur möglichst rasch erreicht wird.

Vor- und Nachteile von Reichweitenverlängerern

Der Reichweitenverlängerer ist ein effektives Mittel gegen die Reichweitenangst.

Der Vorteil, den man durch Ausstattung eines Elektrofahrzeugs mit einem Reichweitenverlängerer erzielt, liegt auf der Hand. Wenn doch einmal eine lange Fahrt gemacht werden muss und ein Aufladen zwischendurch mangels Tankstelle oder mangels Zeit zum Laden nicht möglich ist, ist das Fahrzeug dennoch verwendbar – dann eben ausnahmsweise mit Benzin betrieben. Dies kann eine Grundvoraussetzung dafür sein, dass ein solches Fahrzeug überhaupt angeschafft wird. Meist wäre es nämlich nicht akzeptabel, quasi nur als Reserve ein zusätzliches benzingetriebenes Fahrzeug bereithalten zu müssen oder auch gelegentlich ein solches Fahrzeug anmieten zu müssen. Der Range Extender ist auch ein effektives Mittel zur Vermeidung der sogenannten Reichweitenangst, trägt also zu einer entspannteren Benutzung des Fahrzeugs bei.

Auf der anderen Seite entstehen auch mehrere Nachteile:

Aus diesen Gründen werden manche Elektrofahrzeuge mit und ohne Range Extender angeboten.

Mögliche Alternativen zum Reichweitenverlängerer

Eine denkbare Alternative zum Reichweitenverlängerer wäre ein System, das den schnellen Austausch der Fahrzeugbatterie gestattet. Der Betreiber eines solchen Autos würde die Batterie dann nur mieten und an der “Tankstelle” jeweils innerhalb weniger Minuten durch eine frisch geladene auswechseln lassen. Damit wäre zumindest das Problem der langen Ladezeit gelöst. Allerdings dürfte es schwierig sein, eine flächendeckende Infrastruktur für dieses System aufzubauen. Außerdem müssten hierfür wohl mehrere Autohersteller zusammenarbeiten, sodass viele Fahrzeuge den gleichen Batterietyp nutzen können.

Ein Stück weit könnte das Reichweitenproblem auch durch Aufbau eines Systems von Schnellladestationen gelöst werden, die innerhalb von 10 bis 20 Minuten die Batterie zumindest zu einem guten Teil wieder aufladen könnten. Wiederum bräuchte man hier für eine flächendeckende Infrastruktur, deren Aufbau zumindest noch einige Zeit brauchen dürfte.

Siehe auch: Elektroauto, Batterie, Hybridantrieb
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Fahrzeuge, Grundbegriffe

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