Range Extender (engl; deutsch Reichweitenverlängerer)

Als Range Extender (engl; deutsch Reichweitenverlängerer), bezeichnet man zusätzliche Aggregate in einem Elektrofahrzeug, die die Reichweite des Fahrzeugs erhöhen. Die am häufigsten eingesetzten Range Extender sind Verbrennungsmotoren, die einen Generator antreiben, der wiederum Akkumulator und Elektromotor mit Strom versorgt. Seltener sind zusätzliche Akkumulatoren, die etwa als Akku-Anhänger mitgeführt werden.


Der Genset trailer von AC Propulsion, gebaut für den Sportwagenprototypen AC Tzero, ein Anhänger mit Tank, Honda-Motorradmotor, Generator

Problemstellung

Aufgrund begrenzter Akkukapazität und begrenzter Ladegeschwindigkeit erreichen Elektrofahrzeuge heute in der Regel kürzere Reichweiten als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor (selbst ein Tesla Model S schafft maximal 500 km). Beim Elektroauto kommt erschwerend hinzu, dass das Fahrzeug erst nach längerer Aufladezeit (typisch > 1–2 Stunden) wieder einsatzbereit ist (im Gegensatz zum sehr schnellen Tankvorgang bei konventionellen Fahrzeugen). Mit Range Extendern wird also die Zeit, in der das Fahrzeug kontinuierlich genutzt werden kann (also die Zeit zwischen Aufladezyklen), und damit die Reichweite verlängert.

Im täglichen Pendelverkehr kann das Elektrofahrzeug ohne Range Extender betrieben werden.

Einordnung


Schematische Einteilung von alternativen Antrieben mit unterschiedlicher Ausprägung des elektrischen Anteils

Elektrofahrzeuge mit Range Extender entsprechen im nebenstehenden Schema den Antriebskonzepten in den Spalten H und J. In Spalte H besteht das Range-Extender Modul aus einem Verbrennungsmotor (ICE, Internal Combustion Engine), in Spalte J ist es eine Brennstoffzelle, ein Konzept, welches wegen der fehlenden Infrastruktur noch keinen Serienstatus hat.

Wird ein Verbrennungsmotor-Generator-System als Range Extender eingesetzt, spricht man auch von einem sogenannten seriellen Hybridantrieb. Hierbei wird die mechanische Energie des Verbrennungsmotors nicht direkt genutzt, sondern erst in elektrische und dann wieder in mechanische Energie gewandelt. Hierbei treten Wirkungsgradverluste auf, jedoch kann der Verbrennungsmotor in seinem optimalen Betriebspunkt gefahren werden, was diesen Nachteil evtl. wieder ausgleicht.


serieller Hybrid


paralleler Hybrid


leistungsverzweigender Hybrid

Bei einem Fahrzeug mit parallelem Hybridantrieb liefert der Verbrennungsmotor auch Vorschub. Ist das Fahrzeug ein Plug-in-Hybrid, so kann der Akku zusätzlich über das Stromnetz aufgeladen werden. Andernfalls wird sämtliche zum Antrieb verwendete Energie vom Verbrennungsmotor aufgebracht – der Elektromotor und der Akku dienen nur als Puffersystem (z. B. zur Bremskraftrückgewinnung). Emissionsfreier Betrieb ist dann nicht möglich.
Serienfahrzeuge mit Range Extender

Der Opel Ampera, baugleich mit dem Chevrolet Volt, ist ein Fahrzeug mit Range Extender[1]. Er kann im reinen Elektrobetrieb bis zur Höchstgeschwindigkeit gefahren werden, hat dabei aber eine sehr eingeschränkte Reichweite von bis ca. 60 km. Der Vierzylinder-Ottomotor mit 1,4 l Hubraum stellt optional elektrische Leistung für Fahrt und Batterie-Laden zur Verfügung (serieller Betrieb), bei höheren Geschwindigkeiten wird er bei aktiviertem Range Externder Betrieb mechanisch mit an den Antriebsstrang gekoppelt (paralleler Betrieb). Details hierzu sind unter Voltec-Antrieb beschrieben.

Der BMW i3 ist eines der ersten Elektrofahrzeuge, die optional mit einem Range Extender lieferbar sind. Als solcher dient ein Zweizylinder-Reihenmotor. Der gleiche Motor wird in einer leistungsstärkeren Version bereits seit 2012 in den Motorrollern BMW C 650 GT und BMW C 600 Sport verwendet. Bei Bedarf lädt der Range Extender über einen Generator den Akkumulator und verlängert mit seinem 9-Liter-Tank die Reichweite um etwa 120–150 km. Der Range Extender kann manuell gestartet werden. Er springt automatisch an, wenn der Ladezustand des Akkumulators eine bestimmte Schwelle unterschritten hat und dient ausschließlich dem Aufladen des Akkumulators.
Prototypen mit Range Extender

Der Automobilzulieferer KSPG betreibt einen gemeinsam mit der FEV GmbH entwickelten Range Extender für Elektrofahrzeuge im Versuchsbetrieb. Der Versuchsträger hat als Basis einen Fiat 500. Um eine möglichst geringe Geräusch- und Vibrationsentwicklung zu erreichen wird eine Schwingungskompensation verwendet. Das Aggregat besteht aus einem Zweizylinder-Ottomotor in V-Bauweise, alle Komponenten sind bis auf den Kraftstofftank und den Kühler als einbaufertiges Modul vormontiert.[2]
Die FEV (eine Entwicklungsgesellschaft in Aachen) baut in ihren Fiat-500-basierten Elektrofahrzeugprototypen (2008) ein Range-Extender-Modul ein, das 20 kW elektrische Leistung erzeugen kann und somit während der Fahrt die Reichweite erweitert, allerdings bei reduzierter Höchstgeschwindigkeit. Aus akustischen und bauraumspezifischen Gründen kommt hierfür ein Wankelmotor zum Einsatz.[3]
Bei der Studie CX-75 von Jaguar Cars aus dem Jahr 2010 dienen Jet-Turbinen im Hinterteil des Fahrzeuges zur Stromproduktion.
Auch Audi setzte im angekündigten A1 E-Tron auf einen Wankelmotor als Reichweiternverlängerer[4]. Seine Markteinführung wurde jedoch auf unbestimmte Zeit verschoben.
MAHLE Powertrain hat einen kompakten, flexiblen und zugleich kostenoptimierten Range Extender entwickelt, welcher eine Maximalleistung von bis zu 30 kW bringt. Dieser wurde bereits erfolgreich in ein Audi A1 Demonstrations-Fahrzeug verbaut.[5][6][7]

Antriebstausch-Konzepte statt Reichweitenverlängerung

Beim Prototyp Opel Twin (1992) ließ sich das ganze Elektroantriebsmodul gegen ein herkömmliches Antriebsmodul mit Verbrennungsmotor austauschen.
Ein anderes Konzept, den Verbrennungsmotor zur Reichweitenverlängerung nicht immer mittransportieren zu müssen, verfolgte die Mindset AG, die den Verbrennungsmotor leicht ausbaubar machen wollte. Die Entwicklung wurde jedoch 2009 weitgehend eingestellt.[8][9][10]

Konzepte für elektrische Antriebe mit großen Reichweiten, die ohne Verbrennungsmotor auskommen

Die Firma Better Place strebte beginnend in Israel und Dänemark den Ausbau einer Austauschinfrastruktur für Akkumulatoren an. Dafür hat Renault einige Fahrzeuge bis zur Serienreife entwickelt und vertrieben. Im Mai 2013 hat das Unternehmen in Israel jedoch einen Insolvenzantrag gestellt, um eine geordnete Abwicklung einzuleiten, nachdem vorher letzte Finanzierungsgespräche gescheitert waren.
Tesla Motors schafft in Verbindung mit einer relativ hohen elektrischen Reichweite durch eine große Batterie an Bord des Autos, für seine Fahrzeuge zusätzlich eine eigene, proprietäre Schnelllade-Infrastruktur (Tesla Supercharger Network). So soll die Notwendigkeit eines Range Extenders vermieden werden.


Quelle