T9 M - Elektromobilität als System

Einleitung

Ein Elektroauto ist kein einzelnes Bauteil, sondern ein technisches System. Mehrere Teilsysteme arbeiten zusammen: Traktionsbatterie, Leistungselektronik, Elektromotor, Getriebe, Räder, Ladeeinrichtung und Steuerung.

Ziel dieses aiMOOCs: Du kannst den Energiefluss verfolgen, die wichtigsten Bauteile erklären und die Funktionskette eines E-Antriebs prüfungsnah erläutern.

Fachbegriffe direkt erklärt:

1. Traktionsbatterie: Wiederaufladbarer Energiespeicher für den Fahrzeugantrieb. Sie liefert elektrische Energie.
2. Elektromotor: Wandelt elektrische Energie in mechanische Drehbewegung um.
3. Leistungselektronik: Steuert und wandelt elektrische Energie so um, dass der Motor passend versorgt wird.
4. Rekuperation: Rückgewinnung eines Teils der Bewegungsenergie beim Verzögern. Der Motor arbeitet dabei als Generator.
5. Ladeleistung: Gibt an, wie schnell elektrische Energie übertragen wird. Einheit: Kilowatt, kurz kW.

Leitfrage: Wie gelangt Energie von der Ladestation bis auf die Straße – und beim Bremsen teilweise wieder zurück in die Batterie?

Bildlegende: Grundbauteile und Energiepfade eines batterieelektrischen Fahrzeugs. Beobachte besonders Batterie, Motor, Ladeanschluss und den Rückweg bei der Rekuperation.

Bildungsplanbezug Baden-Württemberg

Der aiMOOC orientiert sich am Fach Technik der Sekundarstufe I und am Inhaltsbereich Mobilität auf M-Niveau. Im Mittelpunkt stehen Aufbau und Wirkungsweise von Antriebssystemen, der Vergleich technischer Lösungen, Energieumwandlungen sowie Sicherheitsregeln.

Prüfungsnahes Kernziel: Du kannst eine Funktionskette mit Fachbegriffen vollständig erklären und den Energiefluss begründen.

Operatoren, die Du beherrschen solltest:

1. Beschreiben: Sachverhalt geordnet wiedergeben.
2. Erläutern: Sachverhalt erklären und Zusammenhänge deutlich machen.
3. Vergleichen: Gemeinsamkeiten und Unterschiede nach Kriterien darstellen.
4. Begründen: Eine technische Entscheidung mit nachvollziehbaren Argumenten stützen.

Sicherheit zuerst

Wichtig: Praxisarbeiten erfolgen nur nach schulischer Unterweisung, unter Aufsicht und mit erforderlicher Schutzausrüstung.

1. Keine eigenständige Arbeit an Hochvoltbatterien, geöffneten Fahrzeugbatterien oder Netzspannung.
2. Keine eigenständige Nutzung gefährlicher Maschinen.
3. Elektrische Versuche nur mit freigegebenen Schulkomponenten und sicherer Kleinspannung.
4. Beschädigte Akkus, unbekannte Batterien oder Fahrzeug-Hochvoltkomponenten werden nicht geöffnet oder untersucht.
5. Bei Versuchen gelten immer die Sicherheitsregeln der Lehrkraft und der Schule.

Merksatz: Im Unterricht untersuchst Du das System mit Modellen, Bildern, Animationen, Simulationen und sicheren Kleinspannungsversuchen – nicht am geöffneten Hochvoltsystem eines echten Fahrzeugs.

Das Elektrofahrzeug als Gesamtsystem

Ein technisches System hat Eingänge', Verarbeitung und Ausgänge.

Systemteil	Aufgabe	Energie oder Signal
Ladeanschluss	Energie aufnehmen	elektrische Energie
Traktionsbatterie	Energie speichern	chemische und elektrische Energie
Leistungselektronik	elektrische Energie steuern und umformen	Gleichstrom, Wechselstrom, Steuersignale
Elektromotor	Drehbewegung erzeugen	elektrische zu mechanischer Energie
Getriebe und Differential	Drehzahl und Drehmoment anpassen und verteilen	mechanische Energie
Räder	Fahrzeug bewegen	Bewegungsenergie

Grundidee des Energieflusses beim Fahren:

Traktionsbatterie → Leistungselektronik → Elektromotor → Getriebe/Differential → Räder

3D-Fahrzeugmodell: Bauraum untersuchen

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3D-Modell: „Electric Vehicle“ von Andrey Belkin, auf Sketchfab als CC Attribution veröffentlicht. Falls das 3D-Modell nicht eingebettet angezeigt wird: Modell direkt öffnen.

Aktiv untersuchen – Beobachten und Markieren:

1. Drehe das Fahrzeug von oben, unten und von der Seite.
2. Markiere auf einer eigenen Skizze einen sinnvollen Bauraum für die flache Traktionsbatterie.
3. Markiere einen möglichen Einbauort für Motor und Leistungselektronik.
4. Begründe, warum schwere Bauteile möglichst tief im Fahrzeug angeordnet werden können.

Hilfe: Achte auf Fahrzeugboden, Achsen und Schwerpunkt.

Selbstkontrolle: Eine häufige Bauweise nutzt den Unterboden für die große Batterie. Motor und Leistungselektronik liegen achsnah. Eine tiefe Lage großer Massen kann einen niedrigen Schwerpunkt unterstützen.

Teilsystem 1: Traktionsbatterie

Die Traktionsbatterie speichert die Energie für den Antrieb. Viele heutige Elektroautos verwenden Lithium-Ionen-Batterien. Einzelne Zellen werden zu Modulen und diese zu einem Batteriepack zusammengefasst.

Ein Batteriemanagementsystem überwacht wichtige Zustände. Dazu gehören zum Beispiel Zellspannungen und Temperaturen.

Bildlegende: Batteriepack eines Elektrofahrzeugs. Das Gehäuse schützt viele zusammengeschaltete Zellen und Module.

Batterieanimation: Energiequelle verstehen

Animation: Eine elektrische Quelle liefert Energie an einen Stromkreis. Übertrage das Prinzip auf die Traktionsbatterie beim Fahren.

Beobachten:

1. In welche Richtung fließt Energie aus der Quelle heraus?
2. Welche Rolle übernimmt die Batterie beim Beschleunigen?
3. Was ändert sich bei der Rekuperation?

Lösung: Beim Beschleunigen ist die Batterie Energiequelle. Bei Rekuperation fließt elektrische Energie in die Batterie zurück; sie wird dann geladen.

Lithium-Ionen-Akku als Animation

Datei:SRF Wissen - Wie funktioniert ein Lithiumionen-Akku?.webm Medienauftrag: Beobachte die Bewegung der Ladungsträger. Notiere nur die Grundidee: Beim Laden wird Energie gespeichert, beim Entladen wird elektrische Energie bereitgestellt.

Fehler finden: „Eine Traktionsbatterie erzeugt dauerhaft neue Energie.“

Feedback: Falsch. Die Batterie speichert Energie und gibt einen Teil davon später wieder ab. Bei jeder realen Umwandlung treten Verluste auf.

Teilsystem 2: Leistungselektronik

Leistungselektronik ist die Schalt- und Umformtechnik für größere elektrische Leistungen. Im Elektroauto verbindet sie Batterie und Motor.

Viele Traktionsmotoren werden mit mehrphasigem Wechselstrom betrieben. Die Batterie liefert jedoch Gleichstrom. Ein Wechselrichter erzeugt daraus passend gesteuerten Wechselstrom für den Motor.

Beim Rekuperieren läuft der Energiefluss in die andere Richtung. Die Leistungselektronik bereitet die vom Motor erzeugte elektrische Energie so auf, dass sie zur Batterie zurückgeführt werden kann.

Bildlegende: Beispiel eines elektrischen Antriebsstrangs mit Motor, Leistungselektronik und weiteren Baugruppen.

Animation der Leistungselektronik

Animation: Pulsweitenmodulation, kurz PWM. Leistungselektronik schaltet sehr schnell und kann dadurch die mittlere Wirkung einer Spannung bzw. eines Stroms steuern.

Aktiv untersuchen – Vergleichen:

1. Vergleiche kurze und lange Einschaltzeiten.
2. Beschreibe, wie sich der Mittelwert verändert.
3. Übertrage die Idee: Warum kann schnelles Schalten helfen, die Motorleistung zu steuern?

Lösung: Längere Einschaltzeiten erhöhen den zeitlichen Mittelwert. Durch gezieltes schnelles Schalten kann die Leistungselektronik Spannung und Strom für den Motor beeinflussen.

Wichtig: Du musst in Klasse 9 keine Halbleiterschaltung im Detail berechnen. Entscheidend ist die Funktion: steuern, schalten, umformen.

Teilsystem 3: Elektromotor

Der Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Drehbewegung um. Magnetische Felder erzeugen Kräfte. Dadurch dreht sich der Rotor.

Motoranimation: Ein vereinfachter Gleichstrommotor zeigt das Grundprinzip von Magnetfeld, Kraft und Drehbewegung. Fahrzeugmotoren können anders aufgebaut sein, das Energieumwandlungsprinzip bleibt jedoch vergleichbar.

Beobachten und markieren:

1. Markiere gedanklich den drehenden Teil: Rotor.
2. Markiere den feststehenden Teil: Stator.
3. Beobachte, wie das Magnetfeld eine Drehwirkung erzeugt.

Selbstkontrolle: Rotor = drehender Teil. Stator = feststehender Teil. Das Zusammenwirken magnetischer Felder erzeugt Drehmoment.

Motor, Inverter und Getriebe als Einheit

Bildlegende: Integrierter elektrischer Achsantrieb. Motor, Inverter und Untersetzungsgetriebe können sehr kompakt zusammengebaut sein.

Vergleichen: Vergleiche dieses Foto mit dem vereinfachten Systemdiagramm am Anfang. Welche Kästen des Diagramms sind hier räumlich dicht zusammengerückt?

Lösung: Elektromotor, Leistungselektronik und Untersetzungsgetriebe sind als kompakte Einheit zusammengefasst.

Teilsystem 4: Getriebe und Räder

Ein Elektromotor kann einen großen nutzbaren Drehzahlbereich haben. Deshalb kommt ein Elektroauto häufig mit einer einfachen festen Untersetzung aus.

Das Getriebe passt Drehzahl und Drehmoment an. Das Differential verteilt das Drehmoment auf die angetriebenen Räder.

Energieform: Nach dem Motor liegt die Energie hauptsächlich als mechanische Rotationsenergie vor.

Rekuperation: Bremsen und Energie zurückgewinnen

Rekuperation bedeutet Energierückgewinnung beim Verzögern.

Beim Beschleunigen: Batterie → Leistungselektronik → Motor → Räder

Beim Rekuperieren: Räder → Motor als Generator → Leistungselektronik → Batterie

Bildlegende: Energiefluss beim regenerativen Bremsen. Vergleiche die Pfeilrichtung mit dem Energiefluss beim Beschleunigen.

Rekuperationsvideo

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Videoauftrag: ADAC-Erklärung zur Rekuperation. Notiere drei Bedingungen, unter denen Rekuperation im realen Fahrzeug begrenzt sein kann.

Merksatz: Rekuperation gewinnt nur einen Teil der Bewegungsenergie zurück. Verluste entstehen unter anderem bei elektrischen und mechanischen Umwandlungen. Zusätzlich werden mechanische Bremsen für starke Bremsungen, Notbremsungen oder bestimmte Betriebszustände benötigt.

Rekuperations-Fehlercheck

Behauptung A: „Beim Rekuperieren dreht der Motor überhaupt nicht mehr.“

Feedback: Falsch. Die Räder können den Motor antreiben. Er arbeitet dann generatorisch.

Behauptung B: „Rekuperation kann 100 Prozent der Bewegungsenergie speichern.“

Feedback: Falsch. Reale Systeme haben Verluste. Außerdem kann die Batterie nicht in jedem Zustand beliebig viel Ladeleistung aufnehmen.

Behauptung C: „Beim Rekuperieren kehrt sich der Energiefluss teilweise um.“

Feedback: Richtig. Energie fließt von den Rädern über Motor und Leistungselektronik zurück zur Batterie.

Laden und Ladeleistung

Ladeleistung beschreibt, wie schnell Energie übertragen wird. Die Einheit ist Kilowatt, kW.

Energieinhalt wird häufig in Kilowattstunden, kWh angegeben.

Vereinfachte Beziehung: Ladezeit = nachzuladende Energie ÷ Ladeleistung

Beispiel: 44 kWh sollen mit konstant 11 kW übertragen werden.

44 kWh ÷ 11 kW = 4 h

In der Realität dauert der Vorgang meist länger. Gründe sind Ladeverluste, Leistungsbegrenzungen und die Regelung der Ladeleistung bei zunehmendem Ladezustand.

Bildlegende: CCS-Typ-2-Ladestecker. Im Unterricht wird nur betrachtet und analysiert, nicht an Netzspannung experimentiert.

AC- und DC-Laden auf M-Niveau

AC-Laden: Die Ladestation liefert Wechselstrom. Ein Ladegerät im Fahrzeug wandelt ihn in Gleichstrom für die Batterie um.

DC-Schnellladen: Die Ladestation liefert bereits Gleichstrom. Die Ladeleistung kann deutlich höher sein, wenn Fahrzeug, Batterie und Ladestation dies zulassen.

Nicht verwechseln:

1. kW = Leistung, also Energie pro Zeit.
2. kWh = Energiemenge.
3. Eine große Batterie bedeutet nicht automatisch hohe Ladeleistung.
4. Eine starke Ladestation garantiert nicht, dass das Fahrzeug die volle Leistung aufnehmen kann.

Mess- und Rechenstation zur Ladeleistung

Simulation auf Papier oder Tabellenkalkulation: Eine Batterie soll 33 kWh nachladen.

angenommene konstante Ladeleistung	ideale Ladezeit
3,7 kW	etwa 8,9 h
11 kW	3 h
50 kW	etwa 0,66 h

Auftrag:

1. Prüfe die Werte mit Energie ÷ Leistung.
2. Wandle 0,66 h in Minuten um.
3. Erkläre, warum reale Ladezeiten von dieser idealisierten Rechnung abweichen.

Lösung: 0,66 h sind ungefähr 40 Minuten. Reale Ladezeiten sind länger oder verändern sich, weil Ladeleistung nicht immer konstant ist und Verluste auftreten.

Die prüfungsnahe Funktionskette des E-Antriebs

Prüfungsfrage: „Erläutere die Funktionskette eines batterieelektrischen Antriebs vom Energiespeicher bis zum Rad.“

Musterstruktur für eine gute Antwort:

1. Die Traktionsbatterie speichert Energie und liefert Gleichstrom.
2. Die Leistungselektronik steuert die Leistung und erzeugt die für den Motor passende elektrische Versorgung.
3. Der Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Drehbewegung um.
4. Ein Untersetzungsgetriebe passt Drehzahl und Drehmoment an.
5. Das Differential verteilt das Drehmoment auf die angetriebenen Räder.
6. Beim Rekuperieren kann sich der Energiefluss teilweise umkehren.

Musterantwort: Die Traktionsbatterie stellt elektrische Energie bereit. Die Leistungselektronik formt und steuert diese Energie für den Elektromotor. Der Motor wandelt die elektrische Energie in eine Drehbewegung um. Über Untersetzungsgetriebe und Differential wird das Drehmoment an die Räder übertragen. Beim Verzögern kann der Motor als Generator arbeiten und über die Leistungselektronik einen Teil der Energie in die Batterie zurückspeisen.

Punktecheck für eine mögliche Prüfungsaufgabe

Kriterium	möglicher Punkt
Traktionsbatterie als Energiespeicher richtig erklärt	1
Leistungselektronik mit Steuer-/Umformfunktion erklärt	1
Elektromotor mit Energieumwandlung erklärt	1
Getriebe/Räder in der mechanischen Kette erklärt	1
Energiefluss korrekt und in Reihenfolge dargestellt	1
Rekuperation als umgekehrter Teilenergiefluss ergänzt	1

Selbstkontrolle: Lies Deine Antwort laut. Kommen die Wörter Energie, umwandeln, steuern und Drehbewegung sinnvoll vor? Ist die Reihenfolge korrekt?

Systemdenken: Fahren, Laden, Rekuperieren

Betriebszustand	Energiefluss	Motorrolle	Batterierolle
Beschleunigen	Batterie → Motor → Räder	Motor	liefert Energie
Rollen mit Antrieb	Batterie → Motor → Räder	Motor	liefert wenig Energie
Rekuperieren	Räder → Motor → Batterie	Generator	nimmt Energie auf
AC-Laden	Netz/Ladesäule → Bordlader → Batterie	nicht am Antrieb beteiligt	nimmt Energie auf
DC-Schnellladen	Ladestation → Batterie	nicht am Antrieb beteiligt	nimmt Energie auf

Fehlerdiagnose im System

Fall 1: Die Batterie ist geladen, aber die Leistungselektronik kann den Motor nicht ansteuern.

Folge: Der Energiefluss zur mechanischen Bewegung ist unterbrochen.

Fall 2: Der Motor funktioniert, aber die Batterie kann keine Energie bereitstellen.

Folge: Es fehlt die Energiequelle für den Antrieb.

Fall 3: Rekuperation ist begrenzt.

Mögliche technische Ursache: Die Batterie kann in diesem Zustand nur begrenzt Ladeleistung aufnehmen. Das Bremssystem muss dann anders unterstützen.

Transferfrage: Warum ist es bei einer Fehleranalyse sinnvoll, die Funktionskette Schritt für Schritt statt „das Auto funktioniert nicht“ zu untersuchen?

Lösung: Die Funktionskette zeigt Schnittstellen. Dadurch kann geprüft werden, an welcher Stelle Energie oder Signal nicht korrekt weitergegeben wird.

Technische Entscheidungen begründen

Technikaufgaben verlangen oft keine einzige „richtige“ Lösung. Du musst Kriterien nennen und abwägen.

Beispiel: Schulisches Modellfahrzeug

Option A: sehr großer Akku Option B: kleinerer Akku mit geringerem Gewicht

Mögliche Kriterien: Reichweite, Masse, Kosten, Bauraum, Ladezeit, Sicherheit und Ressourcenbedarf.

Begründete Entscheidung: Für ein kleines Schulmodell kann ein kleinerer Akku sinnvoll sein, wenn die geforderte Fahrzeit trotzdem erreicht wird. Die geringere Masse kann den Energiebedarf reduzieren. Entscheidend ist die konkrete Anforderung.

Medienlabor: beobachten, vergleichen, messen, simulieren, Fehler finden

Station 1 – Systemdiagramm beobachten

Auftrag: Verdecke die Beschriftungen. Benenne mindestens vier Teilsysteme aus eigener Erinnerung. Prüfe anschließend am Bild.

Station 2 – Batteriepack vergleichen

Auftrag: Vergleiche Einbauort und Form der Batterie mit dem 3D-Modell. Skizziere die ungefähre Lage im Fahrzeugboden.

Station 3 – Motorbewegung in Zeitlupe erklären

Auftrag: Markiere auf einer Kopie Magnetpole, Rotor und Drehrichtung. Formuliere einen Satz zur Energieumwandlung.

Station 4 – Leistungselektronik simulieren

Auftrag: Beobachte das Tastverhältnis. Ordne „kleiner Mittelwert“ und „größerer Mittelwert“ passenden Phasen der Animation zu.

Station 5 – Rekuperationsrichtung finden

Auftrag: Zeichne einen grünen Pfeil für den Energiefluss beim Rekuperieren und einen roten Pfeil für den Energiefluss beim Beschleunigen in Deine eigene Skizze.

Station 6 – Ladeleistung messen und modellieren

Nutze nur bereitgestellte Messwerte oder freigegebene Kleinspannungsmodelle.

Auftrag: Erstelle in einer Tabellenkalkulation eine Tabelle mit Energie 5 Wh, 10 Wh, 15 Wh und einer Modell-Ladeleistung von 5 W. Berechne jeweils die ideale Ladezeit.

Lösung: 5 Wh ÷ 5 W = 1 h; 10 Wh ÷ 5 W = 2 h; 15 Wh ÷ 5 W = 3 h.

Station 7 – Fehler im Energiefluss finden

Fehlerhafte Kette: Batterie → Räder → Leistungselektronik → Motor.

Auftrag: Korrigiere die Reihenfolge.

Lösung: Batterie → Leistungselektronik → Motor → Getriebe/Differential → Räder.

Station 8 – Video prüfen statt nur ansehen

Video laden

YouTube

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Video: DW Deutsch – „Wie funktioniert ein Elektroauto?“

Prüfauftrag:

1. Stoppe nach jedem genannten Teilsystem.
2. Ordne es in Deine Funktionskette ein.
3. Notiere eine Aussage, die Du mit einem Wikimedia-Bild dieses aiMOOCs belegen kannst.
4. Formuliere eine offene Frage, die das Video nicht vollständig beantwortet.

Wiederholung in 60 Sekunden

Traktionsbatterie: speichert Energie. Leistungselektronik: steuert und wandelt elektrische Energie. Elektromotor: macht aus elektrischer Energie Drehbewegung. Getriebe/Differential: passt Drehzahl und Drehmoment an und verteilt es. Rekuperation: gewinnt beim Verzögern einen Teil der Bewegungsenergie zurück. Ladeleistung: bestimmt mit, wie schnell Energie übertragen werden kann.

Prüfungskette: Batterie → Leistungselektronik → Motor → Getriebe/Differential → Räder.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Aufgabe hat die Traktionsbatterie im E-Antrieb? (Sie speichert Energie und stellt elektrische Energie für den Antrieb bereit) (!Sie verteilt das Drehmoment auf die Räder) (!Sie erzeugt ausschließlich mechanische Energie) (!Sie ersetzt das Differential)

Welche Aufgabe hat die Leistungselektronik? (Sie steuert und wandelt elektrische Energie für den Motor) (!Sie speichert den gesamten Energieinhalt des Fahrzeugs) (!Sie verbindet die Reifen mechanisch mit der Straße) (!Sie kühlt nur den Fahrgastraum)

Welche Energieumwandlung findet im Elektromotor beim Fahren hauptsächlich statt? (Elektrische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt) (!Mechanische Energie wird vollständig in Wärme umgewandelt) (!Chemische Energie wird direkt in Licht umgewandelt) (!Bewegungsenergie wird direkt in Kraftstoff umgewandelt)

Was bedeutet Rekuperation? (Rückgewinnung eines Teils der Bewegungsenergie beim Verzögern) (!Vollständige Rückgewinnung aller Energie ohne Verluste) (!Ausschließlich mechanisches Bremsen ohne Generatorwirkung) (!Erwärmung der Batterie beim Parken)

Welche Funktionskette ist beim Beschleunigen richtig? (Batterie → Leistungselektronik → Motor → Getriebe → Räder) (!Batterie → Räder → Motor → Leistungselektronik) (!Motor → Batterie → Räder → Getriebe) (!Räder → Batterie → Leistungselektronik → Motor)

Was beschreibt die Ladeleistung? (Wie schnell elektrische Energie übertragen wird) (!Wie schwer die Batterie ist) (!Wie viele Räder angetrieben werden) (!Wie groß der Kofferraum ist)

Welche Einheit wird für Ladeleistung verwendet? (kW) (!kWh) (!km) (!kg)

Was geschieht mit dem Elektromotor bei Rekuperation? (Er kann als Generator arbeiten) (!Er wird vollständig von den Rädern getrennt) (!Er speichert die Energie chemisch) (!Er wird zum Ladeanschluss)

Warum ist eine reale Ladezeit oft länger als Energie geteilt durch Nennleistung? (Weil Ladeleistung nicht immer konstant ist und Verluste auftreten) (!Weil kW und kWh dieselbe Einheit sind) (!Weil der Motor während des Ladens immer antreibt) (!Weil eine Batterie keine Energie speichern kann)

Warum untersucht man bei einer Fehlersuche die Funktionskette schrittweise? (Weil sich so die unterbrochene Energie- oder Signalübertragung eingrenzen lässt) (!Weil dadurch alle Fehler automatisch verschwinden) (!Weil nur die Räder Fehler verursachen können) (!Weil Teilsysteme unabhängig voneinander nie zusammenwirken)

Memory

Traktionsbatterie	Energiespeicher des Antriebs
Leistungselektronik	Steuert und formt elektrische Energie um
Elektromotor	Erzeugt mechanische Drehbewegung
Rekuperation	Energierückgewinnung beim Verzögern
Ladeleistung	Übertragene Energie pro Zeit
Wechselrichter	Wandelt Gleichstrom in gesteuerten Wechselstrom
Differential	Verteilt Drehmoment auf Antriebsräder
Generatorbetrieb	Motor erzeugt beim Verzögern elektrische Energie

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Traktionsbatterie	speichert Energie für den Antrieb
Leistungselektronik	steuert und wandelt elektrische Energie
Elektromotor	wandelt elektrische in mechanische Energie
Rekuperation	führt beim Verzögern Energie zurück
Ladeleistung	beschreibt die Geschwindigkeit der Energieübertragung

Kreuzworträtsel

Batterie	Welches Bauteil speichert Energie für den elektrischen Antrieb?
Inverter	Wie wird ein Wechselrichter auch genannt?
Motor	Welches Bauteil erzeugt aus elektrischer Energie eine Drehbewegung?
Rotor	Wie heißt der drehende Teil eines Motors?
Stator	Wie heißt der feststehende Teil eines Motors?
Rekuperation	Wie heißt die Energierückgewinnung beim Verzögern?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Die speichert die Energie für den Fahrzeugantrieb. Die steuert und wandelt die elektrische Energie für den Motor. Der wandelt elektrische Energie in mechanische Drehbewegung um. Beim Verzögern kann der Motor als arbeiten. Die Rückgewinnung eines Teils der Bewegungsenergie heißt . Die beschreibt, wie schnell elektrische Energie übertragen wird. Beim Beschleunigen fließt Energie von der Batterie über die Leistungselektronik zum . Beim Rekuperieren fließt ein Teil der Energie in Richtung zurück.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Systemskizze Elektroauto: Zeichne die Funktionskette Batterie → Leistungselektronik → Motor → Getriebe → Räder und ergänze Energieformen.
2. Fachbegriffe Elektromobilität: Gestalte fünf Begriffskarten zu Traktionsbatterie, Leistungselektronik, Elektromotor, Rekuperation und Ladeleistung.
3. Medienbeobachtung Elektroauto: Wähle zwei Bilder aus diesem aiMOOC und notiere jeweils drei technisch wichtige Beobachtungen.
4. Fehlerkette Elektroantrieb: Erfinde eine falsch sortierte Funktionskette und lasse sie von einer Mitschülerin oder einem Mitschüler korrigieren.

Standard

1. Ladezeit berechnen: Erstelle drei eigene Rechenbeispiele mit kWh und kW. Gib jeweils die idealisierte Ladezeit und einen realistischen Hinweis zu Verlusten an.
2. Rekuperation erklären: Produziere eine einminütige Audioerklärung mit den Begriffen Räder, Motor, Generator, Leistungselektronik und Batterie.
3. 3D-Bauraum Elektrofahrzeug: Nutze das 3D-Modell und erstelle eine beschriftete Draufsicht mit sinnvollen Einbauorten der Hauptkomponenten.
4. Technische Entscheidung E-Modellfahrzeug: Entscheide für ein Modellfahrzeug zwischen größerem und kleinerem Akku. Begründe mit mindestens vier Kriterien.

Schwer

1. Energieflussdiagramm Elektrofahrzeug: Erstelle drei Flussbilder für Beschleunigen, Rekuperieren und Laden. Verwende unterschiedliche Pfeilrichtungen und Fachbegriffe.
2. Fehlerdiagnose Elektroantrieb: Entwickle drei Störungsszenarien. Zeige jeweils, an welcher Stelle der Funktionskette die Energieübertragung unterbrochen ist.
3. Vergleich Antriebssysteme: Vergleiche einen batterieelektrischen Antrieb mit einem Verbrennungsmotor nach Energieumwandlungen, Bauteilen, Wirkungsgrad und Umweltwirkungen. Trenne technische Fakten von Bewertungen.
4. Prüfungsaufgabe Elektromobilität: Entwickle eine eigene M-Niveau-Prüfungsaufgabe zur Funktionskette mit Erwartungshorizont und sechs Punkten.

Lernkontrolle

1. Funktionskette erläutern: Erläutere den vollständigen Energiefluss beim Beschleunigen und erkläre die Aufgabe jedes Teilsystems.
2. Energiefluss umkehren: Erkläre, welche Teile der Funktionskette bei Rekuperation ihre Rolle ändern und warum der Energiefluss nicht vollständig verlustfrei ist.
3. Technische Diagnose: Ein Fahrzeug hat eine geladene Batterie, aber am Motor kommt keine passende elektrische Leistung an. Entwickle eine schrittweise Fehlersuche auf Systemebene.
4. Ladeentscheidung: Zwei Ladepunkte bieten 11 kW und 50 kW. Erkläre, welche weiteren Fahrzeug- und Batteriedaten Du kennen musst, bevor Du die tatsächliche Ladezeit beurteilst.
5. Systemvergleich: Vergleiche Fahren und Laden danach, welche Bauteile aktiv am Energiefluss beteiligt sind.
6. Technische Begründung: Begründe, warum eine hohe Rekuperationsleistung allein kein Beweis für ein insgesamt verlustfreies oder besonders effizientes Fahrzeug ist.
7. Transfer Modellfahrzeug: Übertrage die Funktionskette eines echten Elektroautos auf ein sicheres Kleinspannungs-Modellfahrzeug. Nenne mindestens zwei Vereinfachungen.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen können:

1. die fünf Fachbegriffe Traktionsbatterie, Elektromotor, Leistungselektronik, Rekuperation und Ladeleistung korrekt zu erklären,
2. die Funktionskette eines E-Antriebs in richtiger Reihenfolge darzustellen,
3. Energieformen und Energiefluss beim Fahren zu erläutern,
4. den umgekehrten Energiefluss bei Rekuperation zu erklären,
5. kW und kWh sicher zu unterscheiden,
6. einfache idealisierte Ladezeiten mit Energie ÷ Leistung zu berechnen,
7. Grenzen vereinfachter Rechnungen zu benennen,
8. technische Entscheidungen anhand mehrerer Kriterien zu begründen,
9. Sicherheitsregeln für elektrische und praktische Arbeiten einzuhalten,
10. ein unbekanntes Fehlerbild mithilfe der Systemkette strukturiert zu analysieren.

OERs zum Thema

Weitere freie Medien und Quellen

1. Wikimedia Commons: Electric car diagram.svg: Systemdiagramm eines Elektroautos.
2. Wikimedia Commons: Battery pack of an EV.jpg: Foto eines Batteriepakets.
3. Wikimedia Commons: Electric motor.gif: freie Motoranimation.
4. Wikimedia Commons: AnimationPWM.gif: Animation zur Pulsweitenmodulation.
5. Wikimedia Commons: Regenerative brake.png: Energiefluss bei Rekuperation.
6. Wikimedia Commons: CCS Type2 Combo Charging Plug: Ladeanschluss.
7. Bildungspläne Baden-Württemberg: Kompetenzbezug Technik und Mobilität.
8. ADAC: Rekuperation: ergänzendes Erklärvideo.
9. DW Deutsch: Wie funktioniert ein Elektroauto?: Überblicksvideo.

Hinweis zu Medienrechten: Die eingebundenen Wikimedia-Commons-Dateien stehen unter den jeweils auf ihrer Dateiseite angegebenen freien Lizenzen. Das eingebundene Sketchfab-Modell ist auf seiner Modellseite mit CC Attribution gekennzeichnet. YouTube-Videos werden direkt von den offiziellen Angebotsseiten eingebettet.

Verknüpfte Lernbereiche

T9 M - Elektromobilität als System Elektromobilität Elektroauto Traktionsbatterie Leistungselektronik Elektromotor Rekuperation Ladeleistung Energieumwandlung Technisches System Mobilität