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Ein umfassender Überblick über die Schlüsseltechnologien für reine Elektrofahrzeuge

Zhenhe Li, Amir Khajepour, Jinchun Song

PII: S0360-5442(19)31190-9

DOI: 10.1016/j.energy.2019.06.077

Referenz: ONE 15560

Erscheint in: Energie

Eingangsdatum: 30. Dezember 2018

Annahmedatum: 08. Juni 2019

Bitte zitieren Sie diesen Artikel als: Zhenhe Li, Amir Khajepour, Jinchun Song, Ein umfassender Überblick über die Schlüsseltechnologien für reine Elektrofahrzeuge, Energy (2019), doi: 10.1016/j.energy.2019.06.077

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Ein umfassender Überblick über die Schlüsseltechnologien für reine Elektrofahrzeuge

Zhenhe Li a,*, Amir Khajepour b, Jinchun Song c

• ^a Fakultät für Maschinenbau und Elektrotechnik, East China University of Technology, Nanchang, 330013, China
• ^b Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik, University of Waterloo, Ontario, N2L3G1, Kanada
• ^c School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang, 110819, China

ARSTRACT

Heutzutage tragen die Emissionen konventioneller Fahrzeuge erheblich zu immer schwerwiegenderen Umweltproblemen bei. Darüber hinaus bieten die Energiekrise und die geringe Energieeffizienz konventioneller Fahrzeuge auch gute Chancen für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen. Hybrid-Elektrofahrzeuge haben im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugen einen geringeren Kraftstoffverbrauch, sie sind jedoch nur ein Zwischenschritt in der Fahrzeugentwicklung und reine Elektrofahrzeuge sind das ultimative Ziel. Derzeit sind die Technologien von Hybrid-Elektrofahrzeugen in zahlreichen Literaturübersichten zu finden, es mangelt jedoch an veröffentlichten Artikeln, die einen umfassenden technischen Überblick über reine Elektrofahrzeuge geben könnten. In dieser Studie werden zunächst die Eigenschaften und typischen Modelle der Energiequellen reiner Elektrofahrzeuge beschrieben. Anschließend werden die vorhandenen reinen Elektrofahrzeugtypen dargestellt und die Umweltauswirkungen der typischen reinen Elektrofahrzeuge bewertet. Darüber hinaus werden Energiemanagementstrategien für reine Elektrofahrzeuge und Ladetechnologien untersucht. Die wichtigsten Herausforderungen für reine Elektrofahrzeuge und entsprechende Lösungen werden diskutiert und die neuesten Entwicklungen reiner Elektrofahrzeuge vorgestellt. Das Bewusstsein für Umweltprobleme und die Energiekrise sowie die Anreize der Regierungen vieler Länder fördern kontinuierlich die rasante Entwicklung reiner Elektrofahrzeuge.

Schlüsselwörter:

Reine Elektrofahrzeuge; Energiespeicher; Energieerzeugungssysteme; Energiemanagementstrategie; Ladetechnologien

1. Einführung

Die herkömmlichen Fahrzeuge, die nur einen Verbrennungsmotor verwenden, verbrauchen fossile Brennstoffe und stoßen Gase wie Kohlenoxide, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide aus [1]. Um die Umwelt- und Energiekrisenprobleme zu überwinden, zu denen konventionelle Fahrzeuge beitragen, wurden in den letzten Jahren Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs) entwickelt und eingesetzt. HEV-Technologien sorgen für eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und ermöglichen, dass HEVs im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (ICEVs) weniger Emissionen ausstoßen, HEVs können die oben genannten Probleme jedoch nicht vollständig lösen. Somit sind HEVs nur ein vorübergehender Schritt in der Entwicklung von ICEVs zu reinen Elektrofahrzeugen (PEVs). Aus den folgenden Hauptgründen ist es wichtig und zwingend erforderlich, PEVs zu entwickeln.

Der wichtigste Grund ist, dass Umweltprobleme derzeit immer ernster werden. Abgasemissionen von Fahrzeugen sind vor allem in dicht besiedelten Gebieten zur Hauptquelle der Luftverschmutzung geworden. Laut dem China Vehicle Environmental Management Annual Report (CVEMAR) aus dem Jahr 2018 tragen Fahrzeugemissionen zu 52,1 % der Quellen der Luftverschmutzung durch Feinstaub (PM2,5) in Shenzhen, China, bei, gefolgt von 45 % in Peking [2]. Die Luftverschmutzung ist in vielen Teilen der Welt gefährlich hoch und stellt ein großes Umweltrisiko für die menschliche Gesundheit dar. Jedes Jahr kommt es weltweit zu fast 6,5 Millionen vorzeitigen Todesfällen aufgrund schlechter Luftqualität, und etwa 3 Millionen Menschen sterben an den Folgen der Außenluftverschmutzung. Fahrzeugemissionen sind einer der drei Hauptfaktoren für die Luftverschmutzung im Freien [3]. Andererseits beeinträchtigt die globale Erwärmung, die durch Treibhausgasemissionen (THG) verursacht wird, bei denen CO₂ (90 %) dominiert, das Leben und die Gesundheit der Menschen, wobei der Transportsektor einer der größten Verursacher von Treibhausgasemissionen ist. Den Daten der Internationalen Energieagentur (IEA) zufolge erreichten die weltweiten CO₂-Emissionen im Jahr 2015 32,3 Gigatonnen (Gt) CO₂, während der Verkehr 24 % der Gesamtemissionen ausmachte und drei Viertel auf den Straßensektor entfielen [4]. Die globale Erwärmung erhöht nicht nur die menschliche Sterblichkeit aufgrund von Hitzestress, Krankheiten und Naturkatastrophen, sondern kann auch den Standort rentabler Landwirtschaft verschieben, Ökosysteme und Tierlebensräume schädigen und den Zeitpunkt und das Ausmaß der Wasserversorgung verändern [5]. Die globale Erwärmung hat den Menschen Alarm gegeben. Es wurde berichtet, dass die Temperatur am Polarkreis im Sommer 2018 32 °C erreichte und es weltweit zu Todesfällen durch das extrem heiße Wetter kam, beispielsweise in Europa, Japan und Kanada. Möglicherweise argumentieren einige Forscher, dass die Erzeugung von Strom zum Laden von Batterie-Elektrofahrzeugen (BEVs) oder die Erzeugung von Wasserstoff für Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs) große Treibhausgasemissionen verursachen kann, die nach einer gleichwertigen Bewertung nicht einmal geringer sind als die von ICEVs. Dies basiert jedoch auf der Hypothese, dass fossile Brennstoffe wie Kohle und Öl zur Stromerzeugung verwendet werden. Tatsächlich hängen die Treibhausgasemissionen bei der Strom- oder Wasserstofferzeugung laut einer Well-to-Wheel-Analyse (WTW) stark von den Primärenergiequellen ab [6]. Wenn der Strom durch Kernkraft, Wasserkraft oder erneuerbare Energiequellen wie Biomasse, Solar- und Windenergie erzeugt wird, sind die WTW-THG-Emissionen für BEVs viel geringer als die für ICEVs. Mit Solarelektrolyse-Wasserstoff können die Treibhausgasemissionen von FCEVs im Vergleich zu Benzin-ICEVs um etwa 99,2 % reduziert werden. Es ist erwähnenswert, dass die wichtigsten Länder der Welt, darunter die Vereinigten Staaten, China und die Europäische Union, alle Pläne haben, den Anteil erneuerbarer Energien an ihrer Stromerzeugung zu erhöhen, was die positiven Auswirkungen von PEVs auf die Umwelt erheblich verstärken wird [7,8]. Dadurch wird das Ergebnis der Argumentation deutlich und PEVs können ICEVs bei der Reduzierung der Treibhausgasemissionen durch die Entwicklung von Technologien und Richtlinien völlig übertreffen. Ein weiterer wichtiger Faktor

Die Entwicklung von PEVs ist darauf zurückzuführen, dass die Energiekrise, die durch die Erschöpfung der fossilen Ressourcen verursacht wird, zu einem dringenden Problem wird. Die IEA berichtete, dass der weltweite Ölbedarf im Jahr 2017 durchschnittlich bei fast 97,7 Millionen Barrel pro Tag lag, während die verbleibenden technisch förderbaren Rohölressourcen nur etwa 60 Jahre lang genutzt werden können. Die Weltenergiebilanz zeigt, dass der Transportsektor mit Abstand der wichtigste Ölverbrauchssektor ist und 56 % des weltweiten Ölverbrauchs ausmacht [3]. Daher ist es für den Menschen unerlässlich, im Voraus wirksame Maßnahmen zu ergreifen, um das soziale und wirtschaftliche Chaos zu vermeiden, wenn der Tag der Energieerschöpfung kommt. Darüber hinaus ist die Energieeffizienz der PEVs deutlich höher als die der herkömmlichen ICEVs. Unter Berücksichtigung der Komponentenwirkungsgrade wie Batterien und Elektromotor, Ladeeffizienz und regenerative Bremsenergie liegt die Gesamtenergieeffizienz von BEVs bei etwa 60 % bis 70 %. Bei FCEVs liegt der durchschnittliche Umwandlungswirkungsgrad zwischen 35 % und 55 %, während die Kraftstoffeffizienz herkömmlicher ICEVs lediglich 15–18 % beträgt [9]. Darüber hinaus bieten PEVs im Vergleich zu ICEVs und herkömmlichen HEVs mit einer kleinen Batterie einen weiteren potenziellen Vorteil: Sie können als verteilte Energiespeichersysteme zur Verbindung mit einem Smart Grid genutzt werden. Der Leistungsfluss dieser Verbindung kann bidirektional sein. Die überschüssige Energie in den Energiespeichern von PEVs könnte während der Spitzenlastzeit oder zum Ausgleich der Schwankungen bei der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen in das Netz zurückgespeist werden. Die überschüssige Energie aus dem Netz kann durch Aufladen der Batterien oder durch Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff gespeichert werden. Diese Vehicle-to-Grid-Option (V2G) kann Hilfsdienste und Lastausgleich bereitstellen und dazu beitragen, die Stromqualität und Zuverlässigkeit des Netzes zu verbessern und die Auswirkungen von Unterbrechungen bei der Erzeugung erneuerbarer Energien zu reduzieren [10–14].

Den Daten der Website der China Association and Automobile Manufacturers zufolge beliefen sich die weltweiten Verkäufe von leichten Nutzfahrzeugen im Jahr 2017 auf etwa 96,8 Millionen und es wird geschätzt, dass die Zahl zwischen 2018 und 2022 um 3,2 % steigen wird. Die oben genannten Probleme werden gravierender werden. Die Frage, wie mit diesen Problemen umgegangen werden soll, hat die Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit auf sich gezogen und viele Regierungen und Automobilunternehmen entwickeln neue Technologien und Produkte. Im September 2017 gab China bekannt, dass die Herstellung und der Verkauf konventioneller ICEVs in naher Zukunft eingestellt werden, während einige Länder wie die Niederlande und Norwegen, Deutschland und Indien sowie England und Frankreich angekündigt haben, den Verkauf konventioneller ICEVs im Jahr 2025, 2030 bzw. 2040 zu verbieten. Daher ist die Entwicklung von Elektrofahrzeugen der unvermeidliche Trend. Obwohl Elektrofahrzeuge im Produktions- und Herstellungsprozess immer noch Emissionen verursachen, produzieren sie im Betrieb viel weniger Schadstoffe als ICEVs. Vor allem sind PEVs absolut umweltfreundlich unterwegs. Es gibt zahlreiche Literaturübersichten zu den Technologien von HEVs und einige Arbeiten zu PEVs haben sich im Allgemeinen auf Konfigurationsdesign, Modellierungsansätze und/oder Energiemanagement eines bestimmten PEV konzentriert. Es mangelt jedoch an veröffentlichten Artikeln, die einen umfassenden Überblick über PEVs bieten. Dieses Papier ist die erste Studie, die die Schlüsseltechnologien von PEVs umfassend untersucht.

Das Papier ist wie folgt aufgebaut: In Abschnitt 2 werden die Eigenschaften der Energiequellen für PEVs vorgestellt und die Modelle der Energiespeicher- oder -erzeugungssysteme erstellt. Abschnitt 3 klassifiziert und stellt den vorhandenen PEV-Typ in der vorliegenden Literatur dar. In Abschnitt 4 werden Energiemanagementstrategien (EMS) untersucht, die für PEVs eingesetzt werden. Zuvor werden die für HEVs verwendeten EMS zunächst kategorisiert und diskutiert, da einige EMS sowohl in HEVs als auch in PEVs angewendet werden können. Abschnitt 5 beschreibt die Ladetechnologien für PEVs mit Elektrospeichern. In Abschnitt 6 werden die größten Herausforderungen bei der Verbreitung von PEVs auf dem öffentlichen Markt angesprochen und die Lösungen für die Probleme aufgezeigt, während die neuesten Entwicklungen im Zusammenhang mit PEVs vorgestellt werden. Abschließend werden in Abschnitt 7 Schlussfolgerungen gegeben.

2. Eigenschaften und Modelle von Energiequellen für PEVs

Es gibt verschiedene Energiesysteme zur Speicherung elektrischer Energie (Batterien, Superkondensatoren, supraleitender Magnet), zur Erzeugung elektrischer Energie (BZ, Photovoltaikzellen, Windturbinen) und zur Speicherung mechanischer Energie (Schwungräder, Pumpspeicherkraftwerk, Hydrospeicher) [15]. Einige von ihnen eignen sich jedoch aufgrund der Installationsanforderungen, sei es aufgrund des technologischen Niveaus oder der extrem hohen Kosten, nicht als Bordenergiequellen für PEVs. Die folgenden Energiequellen können für PEVs verwendet werden.

2.1. Energiespeichergeräte

2.1.1. Batterie

Eine Batterie ist das am weitesten verbreitete Energiespeichergerät in Energiesystemanwendungen mit der Fähigkeit, die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Heutzutage gibt es drei Haupttypen von Batterien, die für den Straßentransport geeignet sind: Blei-Säure-Batterien, Batterien auf Nickelbasis und Batterien auf Lithiumbasis (Li-Basis). Es gibt außerdem drei ungewöhnliche Batterietypen auf dem Markt: Natrium-Schwefel-Batterien (NaS), Metall-Luft-Batterien und Durchflussbatterien.

Blei-Säure-Batterien sind die ältesten wiederaufladbaren elektrochemischen Geräte für Haushalts- und Gewerbeanwendungen. Die Vorteile der Blei-Säure-Batterien bestehen darin, dass sie niedrige Kapitalkosten (60–200 $/kWh), hohe Energieeffizienz (63 %–90 %), schnelle Reaktion und geringe Selbstentladungsraten mit etwa 2 % der Nennkapazität pro Monat (bei 25 °C) aufweisen. Dennoch haben Blei-Säure-Batterien eine niedrige spezifische Energiedichte (25–50 Wh/kg) und eine relativ kurze Zyklenlebensdauer (500–1.500 Zyklen). Es verursacht auch Umweltprobleme bei der Herstellung oder Entsorgung dieser Batterien. Diese ungünstigen Faktoren schränken die breitere kommerzielle Anwendung von Blei-Säure-Batterien ein [15–17].

Nickelbasierte Batterien bestehen aus vier Typen: Nickel-Eisen-, Nickel-Cadmium- (NiCd), Nickel-Metallhydrid- (NiMH) und Nickel-Zink- (NiZn) Batterien. Die Nickel-Eisen-Batterie weist im Vergleich zu anderen Batterien auf Nickelbasis eine höhere Stabilität, eine längere Lebensdauer und vergleichsweise geringere Kosten auf. Allerdings weist die Nickel-Eisen-Batterie auch Nachteile wie eine geringe Leistungsdichte, eine hohe Selbstentladungsrate, ein hohes Gewicht und hohe Wartungskosten auf. Der NiCd-Akku verfügt über eine schnelle Ladeleistung, eine lange Lebensdauer bei Überladung/Entladung und eine gute Anpassungsfähigkeit an einen großen Temperaturbereich. Allerdings hat der NiCd-Akku beim Lade- und Entladevorgang einen Memory-Effekt und ist aufgrund seiner giftigen Materialien umweltschädlich, weshalb er in der Anwendung digitaler Elektrogeräte nahezu veraltet ist. Der NiMH-Akku hat im Vergleich zu anderen Akkus auf Nickelbasis eine höhere Energiedichte und eine höhere Entladegeschwindigkeit, erzeugt jedoch beim Laden viel Wärme. Die NiZn-Batterie ist umweltfreundlich und sicher, das größte Problem ist derzeit jedoch die kurze Zyklenlebensdauer, die die kommerzielle Anwendung erheblich einschränkt. Im Jahr 2018 wurde berichtet, dass den Forschern der Dalian University of Technology der Durchbruch beim Kathodenmaterial der NiZn-Batterien gelungen sei und die Zyklenlebensdauer um das Zehnfache auf frühe 10.000 Zyklen erhöht werden könne. Insgesamt sind Batterien auf Nickelbasis den Blei-Säure-Batterien in Bezug auf höhere Energiedichte und Zyklenlebensdauer im Allgemeinen überlegen, während sie auch höhere Kosten (von 100 bis 300 \$/kWh) und eine geringere Energieeffizienz von weniger als 80 % haben [1,16].

Li-basierte Batterien werden aufgrund ihrer Vorteile wie hoher Energiedichte, geringem Gewicht, keinem Memory-Effekt und keinen Umweltproblemen zu den vielversprechendsten und beliebtesten Speichergeräten. Es gibt vier Haupttypen: Li-Ion, Li-Ion-Polymer, Li-Eisensulfid und Li-Eisenphosphat. Unter diesen Batterien ist die Li-Eisenphosphat-Batterie die teuerste, verfügt jedoch über eine viel höhere Leistungsdichte (2–4,5 kW/kg) und eine hohe Zyklenlebensdauer von mehr als 2.000 Zyklen. Die Li-Eisensulfid-Batterie hat eine höhere Energiekapazität bei geringem Gewicht, während ihre Zyklenlebensdauer nur mehr als das 1.000-fache beträgt. Das Li-Ionen-Polymer weist eine gute Zuverlässigkeit und Robustheit auf, seine Leitfähigkeit ist jedoch schlecht und die Leistungsdichte ist vergleichsweise geringer. Der Li-Ionen-Akku ist hinsichtlich des Kosten-Leistungs-Verhältnisses die beste Wahl, da er eine hohe spezifische Energiedichte (bis zu 250 Wh/kg), eine hohe Leistungsdichte (im Bereich von 0,5 bis 2 kW/kg) und eine hohe Energieeffizienz (90–100 %), geringe Selbstentladung und lange Lebensdauer bei moderaten Kosten aufweist. Bemerkenswert ist jedoch, dass sich die Lebensdauer des Li-Ionen-Akkus durch die Auswirkungen der hohen Temperatur und Tiefentladung schlagartig verkürzen kann, während für den sicheren Betrieb eine Schutzschaltung erforderlich ist [1,16,17,18].

Die ungewöhnlichen Batterien können wie folgt kurz beschrieben werden. Die NaS-Batterien zeichnen sich durch hohe Energiedichte (150–300 Wh/L), gute Energieeffizienz (89–92 %), lange Zyklenlebensdauer (2.500 Zyklen bei 90 % Entladungstiefe) und hohe Pulsleistungsfähigkeit mit schnellen und präzisen Reaktionen aus. Für die NaS-Batterien ist jedoch ein zusätzliches System erforderlich, um die Betriebstemperatur sicherzustellen. Ihre Betriebskosten pro Jahr sind etwas hoch, weshalb sie nur für stationäre Großanwendungen geeignet sind [17,19]. Metall-Luft-Batterien nutzen ein elektropositives Metall wie Zink und Aluminium in einem elektrochemischen Paar mit Sauerstoff aus der Luft, um Strom zu erzeugen. Diese Batterien sind kompakt und kostengünstig, die Einschränkungen liegen jedoch in der geringen Energieeffizienz (50 %), der kurzen Lebensdauer (einige hundert Zyklen) und den begrenzten Betriebstemperaturbereichen [17]. Die Flow-Batterien, unterteilt in Redox-Flow-Batterien und Hybrid-Flow-Batterien, zeichnen sich durch eine sehr geringe Selbstentladung aus, da die Elektrolyte in den separat verschlossenen Tanks gespeichert werden. Sie haben jedoch Nachteile wie hohe Anschaffungskosten, komplexe Systemstruktur und geringe Leistung, die sie von kommerziellen Anwendungen abhalten [19].

Da Li-Ionen-Batterien in PEVs weit verbreitet sind, hat sich hier das Batteriemodell am Beispiel von Li-Ionen-Batterien etabliert. Die Umwandlungseigenschaften von Li-Ionen-Batterien können unter Berücksichtigung des Innenwiderstands und der entladenen Batterieleistung beschrieben werden kann ausgedrückt werden als [20,21]:

Dabei sind , und der Innenwiderstand, die Leerlaufspannung bzw. der Batteriestrom. Beachten Sie, dass Gl. (1) gilt auch im Lademodus und die Richtung und das Vorzeichen der Batterieleistung und des Batteriestroms sind negativ. Lösen der quadratischen Gleichung. (1) kann der Strom abgeleitet werden

(2)

Der Ladezustand (SOC) der Batterie, nämlich SOC_bat, zeigt die verbleibende Menge an elektrischer Energie an, die in der Batterie gespeichert ist, und kann als [22,23] definiert werden.

(3)

Dabei ist der anfängliche Ladezustand der Batterie und die Nennenergiespeicherkapazität der Batterie, die die maximale elektrische Gesamtladung darstellt. Um eine übermäßige Entladung/Ladung zu vermeiden und die Batterielebensdauer zu verlängern, sind das Maximum und das Minimum von normalerweise auf 0,9 bzw. 0,2 vordefiniert.

2.1.2. Superkondensator

Superkondensatoren (SCs), auch Ultrakondensatoren genannt, haben einen ähnlichen Aufbau wie herkömmliche Kondensatoren, speichern jedoch Energie mittels einer Elektrolytlösung zwischen zwei massiven Leitern. Die Kapazität von SCs ist viel größer als bei herkömmlichen

Kondensatoren, wodurch ihre Energiespeicherkapazitäten bis zu 20-mal höher sind als bei herkömmlichen Kondensatoren. Es gibt drei Arten von SCs: elektrische Doppelschichtkondensatoren (EDLCs), Pseudokondensatoren und Hybridkondensatoren. Obwohl ihre Energiespeichermechanismen und Elektrodenmaterialien unterschiedlich sind, weisen sie ähnliche Eigenschaften wie Leistungsdichte, Lebenszyklus und Energieeffizienz auf. Es sollte erwähnt werden, dass EDLCs eine geringere spezifische Energiedichte (5–7 Wh/kg) im Vergleich zu den anderen beiden (10–15 Wh/kg) haben. Eine hohe Lebensdauer (1×10⁵ Zyklen für etwa 40 Jahre) ist das besondere Merkmal von SCs im Vergleich zu anderen Energiespeichergeräten. Darüber hinaus verfügen SCs über eine hohe Leistungsdichte (1.000–2.000 kW/kg) und Energieeffizienz (~84–97 %). Dadurch können sie schnell aufgeladen werden und eine große Menge Energie ohne übermäßige Energieverluste abgeben. Die Hauptprobleme von SCs sind die kurze Lebensdauer und die hohe Selbstentladungsrate, die auch der Grund dafür sind, dass SCs nicht allein als Energiequelle für Fahrzeuge verwendet werden können. Ein weiteres herausforderndes Problem für SCs sind ihre hohen Kapitalkosten (mehr als 6.000 \$/kWh). Daher eignen sich SCs sehr gut als Hilfsenergiequelle für kurzfristige Energiespeicheranwendungen [15,17,19,24].

Ein SC-Modell kann durch eine Ersatzschaltung beschrieben werden, da seine elektrischen Eigenschaften im Vergleich zu einem herkömmlichen Kondensator komplexer sind. Das klassische Ersatzschaltbild der SC-Einheit besteht aus einer Kapazität (C), einem äquivalenten Serienwiderstand (ESR, R) und einem äquivalenten Parallelwiderstand (EPR). Der ESR stellt den Lade- und Entladewiderstand dar, während der EPR die Selbstentladungsverluste im Stromkreis darstellt [25].

Die effektive Entladespannung einer RC-Schaltung lässt sich wie folgt beschreiben:

Dabei ist die SC-Spannung, die Anfangsspannung vor dem Entladen, t die Zeit und R, C die Widerstands- bzw. Kapazitätswerte.

Die von der SC-Bank freigesetzte Energiemenge ist direkt proportional zu den Kapazitäts- und Spannungsänderungen während der Entladung. Der Beziehungsausdruck der freigesetzten Energie kann wie folgt dargestellt werden:

Dabei ist die von der SC-Bank abgegebene Energie und die Endspannung.

In praktischen Anwendungen kann die von den Systemen benötigte Energiemenge durch die Reihen- und Parallelschaltung mehrerer SCs gewonnen werden. Die Klemmenspannung und die Gesamtkapazität hängen von der Anzahl der in Reihe bzw. parallel geschalteten Kondensatoren ab. Der Gesamtwiderstand und die Gesamtkapazität der SC-Bank können als [25,26] berechnet werden.

wobei und die Anzahl der in Reihe bzw. parallel geschalteten Kondensatoren darstellen.

2.1.3. Schwungrad

Schwungräder speichern Energie im Drehimpuls einer mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Masse (Rotor) in einer Hochvakuumumgebung, wodurch sie die Windwiderstandsverluste minimieren und die Rotorbaugruppe vor äußeren Störungen schützen können [15]. Während der Ladephase wird der Rotor durch einen integrierten Motor/Generator (M/G) im Motorbetrieb beschleunigt, um eine bestimmte hohe Drehzahl zu erreichen. Während der Entladephase bremst der Rotor ab und überträgt die kinetische Energie des Rotors über den integrierten M/G im Generatorbetrieb in elektrische Energie [17]. Basierend auf der Drehzahl können Schwungräder in zwei Gruppen eingeteilt werden: Schwungräder mit niedriger Drehzahl und Schwungräder mit hoher Drehzahl. Die Schwungräder mit niedriger Drehzahl aus Stahlmaterial und weniger als U/min werden typischerweise für kurzfristige und mittlere/hohe Lastanwendungen verwendet. Die Hochgeschwindigkeitsschwungräder, die fortschrittliche Verbundwerkstoffe verwenden und bis zu U/min drehen, werden hauptsächlich für Hochleistungsanwendungen und Dauerleistungsanwendungen in der Traktions- und Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt [27].

Die Hauptstärken von Schwungrädern sind niedrige Wartungskosten, lange Lebensdauer, hoher Wirkungsgrad (90–95 %), kein Tiefentladungseffekt, Umweltfreundlichkeit, großer Betriebstemperaturbereich und die Fähigkeit, unter rauen Bedingungen zu überleben [28,29]. Dennoch halten die Probleme im Zusammenhang mit der Sicherheit und dem Kreiselkraftmanagement sowie die Schwächen wie niedrige Energiedichte und hohe Selbstentladungsverluste Schwungräder von Fahrzeuganwendungen ab. Bei Hochgeschwindigkeitsschwungrädern beträgt die spezifische Energiedichte weniger als 100 Wh/kg, während die Niedergeschwindigkeitsschwungräder nur 5 Wh/kg erreichen können. Aufgrund von Reibungsverlusten kann die Selbstentladung bis zu 20 % der gespeicherten Energiekapazität pro Stunde betragen. Folglich sind Schwungräder für Langzeitspeicheranwendungen nicht gut geeignet [15,30,31].

Das Prinzip der Energiespeicherung eines Schwungrades basiert auf einer rotierenden Masse, wobei die gespeicherte Energie durch das Trägheitsmoment und die Winkelgeschwindigkeit bestimmt wird. In einem praktischen Schwungradsystem hat die Winkelgeschwindigkeit normalerweise einen Betriebsbereich, um zu große Spannungsschwankungen zu vermeiden und das maximale Drehmoment des M/G zu begrenzen. Die Speicherkapazität eines praktischen Schwungrads kann durch die folgende Gleichung [32,33] ermittelt werden.

Dabei ist die in einem Schwungrad gespeicherte Energie, J das Trägheitsmoment und , die maximale bzw. minimale Winkelgeschwindigkeit.

Die erzeugte Leistung eines Schwungrads hängt von der Rate der umgewandelten Energie ab, die wie folgt angegeben werden kann [32]:

Dabei ist die erzeugte Leistung eines Schwungrads, die Zeit während der Änderung der Winkelgeschwindigkeit und , die Winkelgeschwindigkeiten vor bzw. nach der Änderung.

Für eine momentane Winkelgeschwindigkeit kann die Drehmomentabgabe durch die folgende Gleichung berechnet werden.

2.1.4. Hydrospeicher

Hydraulikspeicher (HACCs) werden verwendet, um hydraulische Energie zu speichern und anschließend über eine Hochdruckpumpe/einen Hochdruckmotor (P/M) mit variabler Verdrängung abzugeben. Wenn das P/M als Pumpe arbeitet, wird die Hydraulikflüssigkeit aus einem Tank in den Druckspeicher gepumpt und das Gas (normalerweise Stickstoff) in der Kammer des Druckspeichers komprimiert. Gleichzeitig wird die mechanische Energie in die im Akkumulator gespeicherte hydraulische Energie umgewandelt. Wenn die externe Last Energie benötigt, wird die hydraulische Energie aus dem Speicher abgegeben, um den als Motor arbeitenden P/M anzutreiben [34,35]. Basierend auf der Membran zwischen der Gas- und der Flüssigkeitsseite des Druckspeichers werden die gängigen Druckspeicher in drei Typen unterteilt: Blasenspeicher, die häufig in Industrieanlagen zu finden sind, Membranspeicher, die häufig in der Automobilindustrie zu finden sind, und Kolbenspeicher, die häufig in der Offshore- und Chemieindustrie zu finden sind [36].

HACCs zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte (ca. 5 kW/kg), einen hohen Energieumwandlungswirkungsgrad (93–97 %) und niedrige Kosten aus. Darüber hinaus sind sie in der Lage, außergewöhnlich hohe Lade- und Entladeraten zu akzeptieren, was eine effektive Regeneration und Wiederverwendung von Energie für Fahrzeuganwendungen erleichtert, insbesondere in städtischen Städten mit häufigen Stopp- und Startbedingungen auf der Straße [37–39]. Die relativ geringere spezifische Energiedichte verhindert jedoch eine Nutzung als eigenständige Energiequelle [38,40]. Obwohl HACCs und SCs ähnliche Eigenschaften aufweisen, sind die Kapitalkosten von SCs viel höher als die von HACCs. Darüber hinaus kann der Ladungsverlust von SCs zu Umweltproblemen führen [38]. Daher scheint es bei Fahrzeuganwendungen eine wettbewerbsfähigere Option zwischen HACCs und SCs zu sein.

Wenn die HACCs die gespeicherte hydraulische Energie entladen, strömt die Hochdruckflüssigkeit in den P/M, der als Motor zum Antrieb des Fahrzeugs fungiert. Wenn das Fahrzeug abbremst, speichern die HACCs die Bremsenergie, indem das P/M als Pumpe fungiert. Der Zusammenhang zwischen Druck und Volumen des Gases in den HACCs ist wie folgt [35]:

wobei , und den minimalen, maximalen Vorladedruck der HACCs bezeichnen, während , und das entsprechende Gasvolumen in den HACCs sind; n stellt den Polytropenexponenten dar und sein Wert ist 1, da der gesamte Änderungsprozess der Gaskompression und -expansion langsam ist. Der SOC der HACCs, nämlich , ist definiert als das Verhältnis des momentanen Flüssigkeitsvolumens in den HACCs zur maximalen Flüssigkeitskapazität [41].

(12)

wobei V, und das momentane, maximale bzw. minimale Gasvolumen in den HACCs bezeichnen. Das Maximum und das Minimum von sind 0 und 1, was die HACCs als leer bzw. voll darstellt. Die Werte des variieren zwischen dem Maximum und dem Minimum.

2.1.5. Wasserstoffspeicherung

Wasserstoffenergie ist aufgrund seiner speicherbaren, transportierbaren und sauberen Natur eine der beliebtesten Energien [17]. Die Nebenprodukte sind im Wesentlichen Wasser und Wärme, unabhängig davon, ob das Wasserstoffgas in einem Verbrennungsmotor verbrannt wird, um es in mechanische Energie umzuwandeln, oder in einer Brennstoffzelle (FC) oxidiert wird, um Strom ohne Schadstoffe zu erzeugen. Der Energieumwandlungswirkungsgrad von Wasserstoff in einer Brennstoffzelle kann mehr als 70 % erreichen, während der Wirkungsgrad der Wasserstoffverbrennung in einem Verbrennungsmotor nur etwa 30 % beträgt [42]. Daher ist die Nutzung der Wasserstoffenergie in einer Brennstoffzelle zur direkten Stromerzeugung vielversprechender.

Wasserstoff kann durch Elektrolyse von Wasser erzeugt werden und der Umwandlungswirkungsgrad liegt bei etwa 60 % [17]. Die Methode ist sehr umweltfreundlich, allerdings sind die Kosten erheblich hoch, da sie viel Strom verbraucht. Erneuerbare Energiequellen (Sonne, Wind, Geothermie usw.) können ebenfalls saubere und nachhaltige Energie für die Elektrolyse von Wasser liefern, allerdings sind die aktuellen Kosten ebenfalls etwas hoch. Gegenwärtig wird der größte Teil des weltweiten Wasserstoffs aufgrund der geringen Kosten und der höheren Effizienz (85 %) durch Reformierung von Erdgas mithilfe von Dampf und Katalysator hergestellt. Der Nachteil dieser Methode besteht jedoch darin, dass das zusätzliche Produkt CO₂ entsteht [43]. Darüber hinaus scheint die direkte Herstellung von Wasserstoff durch photokatalytische Wasserspaltung auf Basis der Nanotechnologie vielversprechend. Dennoch befindet sich die Technologie noch im Forschungsstadium [42].

Bei der Speicherung von Wasserstoff besteht die weit verbreitete Lösung darin, Wasserstoff unter hohem Druck (normalerweise 7.000-facher Atmosphärendruck) in versiegelten Wasserstofftanks zu komprimieren. Eine andere Speichermethode ist die Verwendung eines kryogenen Systems (bei -253 C) zur Verflüssigung von Wasserstoff, aber die Verflüssigung erfordert etwa 30 % der Energie im Wasserstoff. Darüber hinaus ist es möglich, Wasserstoff durch Absorption auf Oberflächen oder in einigen absorbierenden Materialien zu speichern, aber die Methode hat Nachteile wie hohe Temperatur- oder Druckanforderungen, eine lange Zeit bis zur Freisetzung des Wasserstoffs und die Schwierigkeit beim Materialrecycling [1,43,44].

2.2. Energieerzeugungssysteme

2.2.1. Brennstoffzellensysteme

Brennstoffzellensysteme wandeln chemische Energie durch chemische Reaktionen zwischen Wasserstoff (oder Kohlenwasserstoffen wie Methanol, Erdgas) und Sauerstoff (aus Luft) mithilfe von Katalysatoren in Elektrizität um. Der Umwandlungsprozess besteht darin, dass der FC Wasserstoff in Elektronen und Protonen spaltet und die Elektronen in einen Stromkreis gezwungen werden, um einen elektrischen Strom zu erzeugen, wenn Protonen durch die Elektrolyte strömen. Im Allgemeinen ist der Prozess der Stromerzeugung mithilfe von Brennstoffzellen leise, äußerst zuverlässig, schadstofffrei und hocheffizient. Abhängig von der Wahl der Brennstoffe und Elektrolyte können Brennstoffzellen in sechs Hauptgruppen eingeteilt werden: Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC), Alkalielektrolyt-Brennstoffzellen (AFC), Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC), Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC), Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) und Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) [45]. Die DMFC haben eine hohe Energiedichte, aber einen geringen Wirkungsgrad und emittieren CO₂. MCFC und SOFC haben eine hohe Betriebstemperatur (600–1.000 °C) und werden normalerweise in Stromversorgungsunternehmen und dezentraler Stromerzeugung eingesetzt. DMFC, PEMFC, AFC und PAFC werden aufgrund ihrer normalen oder moderaten Betriebstemperatur häufig im Transportwesen eingesetzt. Im Vergleich zu anderen FCs verfügen die PEMFC über die höchste Leistungsdichte und Stärken wie lange Lebensdauer, Betrieb bei niedrigen Temperaturen und schnelle Reaktion. Daher sind die PEMFC für Transportanwendungen sehr attraktiv [1,18]. Obwohl FCs derzeit mit hohen Kapitalkosten zu kämpfen haben, sinken die Kosten dank des expandierenden Marktes und der besseren Skaleneffekte.

Die PEMFC sind die vielversprechendsten FC-Quellen für die Anwendung in PEVs, und viele empirische PEMFC-Modelle werden durch die Nernst-Gleichung abgeleitet. Die ideale Spannung, die von einer einzelnen Zelle eines typischen FC erzeugt wird, kann wie folgt beschrieben werden [46]:

(13)

Dabei ist die Leerlaufspannung der Zelle bei Standarddruck, R die universelle Gaskonstante, F die Faradaysche Konstante, T die absolute Betriebstemperatur, , und die Partialdrücke von Wasserstoff, Sauerstoff und Gaswasser innerhalb der Zelle.

Allerdings liegt die Ausgangsspannung einer einzelnen Zelle aufgrund einiger Faktoren, die Spannungsverluste verursachen, darunter Aktivierungsverluste, interne Stromverluste, Widerstandsverluste und Konzentrationsverluste, unter dem idealen Potenzial. Infolgedessen kann die Ausgangsspannung des FC-Stacks ausgedrückt werden als [46,47]:

(14)

Dabei ist N die Anzahl der Zellen im Stapel, der Standarddruck und die Spannungsverluste.

2.2.2. Photovoltaik-Zellensysteme

Photovoltaik (PV)-Zellen (oder Solarzellen genannt) können Sonnenlicht direkt in Strom umwandeln. Eine einzelne PV-Zelle hat eine sehr geringe Leistungsabgabe (nur etwa 1 oder 2 Watt). Im Allgemeinen werden PV-Zellen (in Reihen- und/oder Parallelketten) miteinander verbunden, um Module oder Panels zu bilden, und PV-Module können zu PV-Arrays für größeren Strombedarf gruppiert werden [48]. Neben PV-Modulen besteht eine PV-Anlage aus einem Solarwechselrichter zur Umwandlung des elektrischen Stroms von Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) sowie Montage, Verkabelung und anderem elektrischen Zubehör. Während des Betriebs erzeugen PV-Anlagen keine Umweltverschmutzung und keine Treibhausgasemissionen, während diese Systeme Vorteile wie geräuschlosen Betrieb, lange Lebensdauer und geringen Wartungsaufwand bieten [49,50]. Die Hauptnachteile von PV-Anlagen sind jedoch die hohen Anfangsinvestitionskosten und die unvorhersehbare Verfügbarkeit aufgrund der Wetterbedingungen [51,52].

Die wichtigsten Herstellungsmaterialien für PV-Zellen auf dem Markt sind kristallines Silizium und Dünnfilme. Die kristallinen Silizium-PV-Zellen, also die PV-Zellen der ersten Generation, gehören zu den am häufigsten verwendeten Zellen und machten in den letzten Jahren rund 90 % der weltweiten Produktion aus. Diese kristalline Silizium-PV-Zelle umfasst monokristallines Silizium (Mono-Si) und multikristallines Silizium (Multi-Si). Die Mono-Si-PV-Zellen haben einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 14,0 %, was relativ höher ist als die Multi-Si-PV-Zellen mit durchschnittlich 13,2 %, aber die Multi-Si-PV-Zellen verfügen über einfachere und kostengünstigere Herstellungstechniken [53]. Bei den Dünnschicht-PV-Zellen handelt es sich um PV-Geräte der zweiten Generation, die aus amorphem Silizium oder Nicht-Silizium-Materialien wie Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) hergestellt werden. Im Allgemeinen haben die dünnfesten PV-Zellen Vorteile wie relativ geringere Kosten und ein geringeres Gewicht. Der CdTe-Typ ist eine der am schnellsten wachsenden Dünnschicht-PV-Zellen und der höchste Wirkungsgrad der Energieumwandlung kann 21 % erreichen [54]. Für die PV-Zellen der dritten Generation werden neue Materialien wie Solartinten mithilfe herkömmlicher Druckmaschinentechnologien, Solarfarbstoffe und leitfähige Kunststoffe entwickelt

Verbessern Sie die Energieeffizienz und senken Sie die Kapitalkosten von PV-Zellen.

PV-Systeme finden in der Praxis weit verbreitete Anwendungen, beispielsweise zur Stromversorgung von Gebäuden, Raumfahrzeugen, Warmwasserbereitern und Straßenlaternen. Sie können auch über Parkplätzen gebaut werden, um Pendlerfahrzeugen tagsüber Lademöglichkeiten zu bieten [55]. Aufgrund des begrenzten Platzangebots und der geringen Stromerzeugung bleibt es jedoch weiterhin eine Herausforderung, PV-Systeme direkt in kommerziellen Elektrofahrzeugen einzusetzen. Allerdings können PV-Systeme verwendet werden, um die Effizienz des Fahrzeugs zu verbessern (10–20 %) oder um das Fahrzeug durch den Betrieb der Klimaanlage in einem angenehmen Temperaturbereich zu halten [56].

Das PV-Modell lässt sich über ein Ersatzschaltbild beschreiben und der Ausgangsstrom eines PV-Moduls lässt sich wie folgt darstellen [57-59]:

(15)

wobei und den PV-Strom und den Sättigungsstrom des Moduls darstellen; q bezieht sich auf die Elektronenladung; V bezeichnet die Spannung an der Diode; und sind der äquivalente Serienwiderstand und Parallelwiderstand des Moduls; , K, T und a geben jeweils die Anzahl der Zellen, die Boltzmann-Konstante, die Modultemperatur und den Idealitätsfaktor der Diode an.

In Gl. (15) hat der PV-Strom den folgenden Zusammenhang mit der Sonneneinstrahlung und der Temperatur.

(16)

wobei der Strom ist, der vom PV-Modul bei Nennbedingungen der Sonneneinstrahlung bei 1000 W/m² und einer Temperatur von 25 °C erzeugt wird; gibt den Temperaturkoeffizienten des Kurzschlussstroms (A/°C) an; T und bezeichnen die Ist- und Solltemperaturen (K); G und sind die tatsächliche und nominelle Sonneneinstrahlung (W/m²).

Der Sättigungsstrom , der stark von der Temperatur abhängt, kann ausgedrückt werden durch:

(17)

Dabei sind und der Kurzschlussstrom (A) und die Leerlaufspannung (V) bei Nennbedingungen, während und die Strom- bzw. Spannungskoeffizienten sind.

2.2.3. Regenerative Bremssysteme

Regenerative Bremssysteme können Fahrzeuge mit Energie versorgen, indem sie die kinetische Energie der Fahrzeugverzögerungsphase zurückgewinnen und in den Energiespeichergeräten speichern. Wenn am Fahrzeug keine regenerativen Bremssysteme vorhanden sind, wird die kinetische Energie des Fahrzeugs in der Verzögerungsphase durch das mechanische Bremsen in Wärme umgewandelt. Derzeit gibt es vier Methoden, um die Funktionen regenerativer Bremssysteme zu realisieren. Die erste gängige Methode ist die Verwendung eines elektrischen M/G und Batterien oder eines SC. Bei der Fahrzeugverzögerung fungiert der M/G als Generator, um die kinetische Energie in Elektrizität umzuwandeln und diese in den Batterien oder im SC zu speichern. Wenn das Fahrzeug beschleunigt, arbeitet der M/G als Elektromotor und gibt die Energie ab. Eine weitere weit verbreitete Methode ist die Verwendung eines hydraulischen P/M und HACCs. Im Bremsmodus pumpt das P/M die Hydraulikflüssigkeit aus einem Niederdruckbehälter zu den HACCs, die die kinetische Energie in hydraulische Energie umwandeln. Wenn das Fahrzeug Energie benötigt, kann die gespeicherte hydraulische Energie durch den P/M-Betrieb als Hydraulikmotor abgegeben werden, um die Last als Hilfskraft anzutreiben. Drittens kann die kinetische Energie eines Fahrzeugs als Rotationsenergie in einem Schwungrad gespeichert werden. Darüber hinaus kann die Bremsenergie auch über Federn als potentielle Energie gespeichert werden [60,61]. Im Vergleich zu anderen Methoden weisen die hydraulischen und regenerativen Schwungradsysteme eine höhere Energieeffizienz auf. Darüber hinaus verfügen die hydraulischen Rekuperationssysteme über eine schnellere Lade- und Entladefähigkeit, eine höhere Leistungsdichte und eine große Kapazität zur Rückgewinnung der maximal möglichen regenerativen Bremsenergie. Im Gegensatz dazu sind die batterieregenerativen Systeme nicht dafür geeignet, häufig geladen und entladen zu werden, um eine Überhitzung, eine Verkürzung der Lebensdauer oder sogar eine Zerstörung zu vermeiden. Der Hauptnachteil der SC-Regenerativsysteme sind die hohen Kosten, während die Feder-Regenerativsysteme eine sehr geringe Energieeffizienz aufweisen [23,62,63].

3. Bestehende Arten von PEVs

3.1. PEVs aus einer Hand

Die Single-Source-PEVs verfügen nur über eine einzige Energiequelle zum Antrieb der Fahrzeuge. BEVs wurden 1828 erfunden und sind die frühesten Single-Source-PEVs, wie in Abb. 1(a) dargestellt. Doch die begrenzte Reichweite und die lange Ladezeit der Batterien von BEVs schränkten zeitweise deren weitreichende Anwendung auf dem Markt ein, während die herkömmlichen ICEVs aufgrund der Fortschritte bei der dynamischen Leistung und der niedrigen Kraftstoffkosten vergleichsweise beliebter waren. BEVs haben die Aufmerksamkeit von wiedererlangt

Hersteller und Verbraucher sind in den letzten Jahren aufgrund der schwerwiegenden Umweltprobleme und der Energiekrise, die sich aus ICEVs ergeben, zurückgegangen. Die Vorteile von BEVs sind Emissionsfreiheit, hohe Effizienz und weniger Lärm. Darüber hinaus kann der Elektromotor bei der Fahrzeugverzögerung als Generator arbeiten, wodurch BEVs die regenerative Bremsenergie zurückgewinnen können [64,65]. Allerdings ist zu beachten, dass häufiges Laden und Entladen zu einer Überhitzung der Akkus führen und deren Lebensdauer verkürzen kann.

Ein weiterer Single-Source-PEV-Typ sind FCEVs, wie in Abb. 1(b) dargestellt, deren Antriebsstrang aus einem FC-Stack (mit einem Wasserstofftank), einem Leistungswandler, einem Wechselrichter und einem Elektromotor besteht. Der FC-Stack ist die Kernkomponente für die Stromversorgung von FCEVs und die PEMFC sind aufgrund der niedrigen Betriebstemperatur, der hohen Leistungsdichte und der Möglichkeit des konventionellen Luftbetriebs die vielversprechendsten für Fahrzeuganwendungen [66]. Die FCEVs nutzen elektrische Energie, die direkt aus Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt wird, während ihr chemisches Produkt reines Wasser ist. Daher zeichnen sich FCEVs durch hohe Effizienz, Recycling und nachhaltige Energieversorgung sowie einen leisen Betrieb aus. Darüber hinaus ist der flüssige Wasserstoff ähnlich wie der Kraftstofftank herkömmlicher ICEVs bequem tragbar. Allerdings sind FCEVs im Vergleich zu BEVs nicht in der Lage, die Bremsenergie zurückzugewinnen, da der Leistungsfluss des Antriebsstrangs nicht bidirektional ist [65].

3.2. Dual-Source-PEVs

Die Dual-Source-PEVs kombinieren zwei Energiequellen im Fahrzeugantriebssystem und können die Nachteile der Nutzung einer einzigen Energiequelle überwinden. In der Literatur gibt es mehrere Kombinationen von Dualquellen, darunter Batterie und SC, Batterie und Schwungrad, Batterie und HACC, Batterie und FC sowie FC und SC. Bei den Batterie-SC-PEVs, wie in Abb. 2(a) dargestellt, fungiert die Batterie als Hauptenergiequelle zur Bereitstellung von Traktionsenergie, während der SC als Hilfsenergiequelle den Leistungsbedarf zur Erfüllung der dynamischen Leistung des Fahrzeugs bereitstellen und die regenerative Energie zurückgewinnen kann [67,68]. In ähnlicher Weise wird in dem in Abb. 2(b) dargestellten Hybrid-Energiespeichersystem aus Batterie und Schwungrad die Batterie als Hauptenergiequelle zur Deckung des Strombedarfs und das Schwungrad als Hilfsenergiespeicher zur Speicherung der regenerativen Energie in Transienten verwendet. Das Schwungrad speichert die Bremsenergie beim Abbremsen und gibt beim Beschleunigen des Fahrzeugs Energie ab. Dadurch kann die Batterielebensdauer verlängert und die Fahrzeugleistung sowie die Effizienz verbessert werden [69]. Anders als der SC und das Schwungrad kann der HACC als Hilfsenergiequelle die kinetische Energie beim Abbremsen des Fahrzeugs direkt in Fluidkraft umwandeln und die Energie dann freigeben, wenn das Fahrzeug sie benötigt. Die Batterie und der HACC-Antriebsstrang können als parallele und serielle Konfigurationen konzipiert werden, die in Abb. 2(c) bzw. Abb. 2(c1) dargestellt sind. Durch die Serienkonfiguration kann die Batterie das HACC laden, wodurch das Potenzial des HACC ausgeschöpft und die dynamische Leistung des Fahrzeugs sichergestellt werden kann. Dennoch kann eine stärkere Energieumwandlung in der Reihenschaltung zu zusätzlichen Energieverlusten führen und die Effizienz des gesamten Systems verringern [70]. Bei dem in Abb. 2(d) dargestellten Antrieb mit integrierter Batterie und BZ liefert der BZ im Allgemeinen die konstante Leistung, während die Batterie dazu dient, das Defizit auszugleichen oder den Überschuss an BZ-Leistung zu absorbieren. Darüber hinaus kann die Batterie auch die Bremsenergie während der Verzögerung speichern [71,72]. Die Konfiguration von PEVs, die FC und SC kombinieren, ist in Abb. 2 (e) dargestellt. Der FC fungiert als Hauptenergiequelle und stellt die Haupttraktionsleistung bereit, während der SC die Hilfsenergie während der Beschleunigung liefert und die regenerative Energie während der Verzögerung aufnimmt [73,74].

(a) Hybridantriebsstrang aus Batterie und SC

(b) Hybridantriebsstrang aus Batterie und Schwungrad

(d) Hybridantriebsstrang aus Batterie und FC

(e) Hybridantriebsstrang des FC und SC

Abb. 2. Antriebsstrangkonfigurationen der Dual-Source-PEVs

3.3. PEVs aus mehreren Quellen

Die Multi-Source-PEVs bestehen aus mindestens drei Energiequellen im Fahrzeugantriebsstrang. Die Integration mehrerer Energiequellen kann ihr jeweiliges Potenzial vollständig ausschöpfen und eine bessere dynamische Leistung ermöglichen. Die Kombination aus mehreren Quellen erhöht die Energiespeicherfähigkeit und kann ihre jeweiligen Vorteile voll ausnutzen, um die Systemeffizienz, Haltbarkeit und Lebensdauer der Komponenten zu verbessern. Darüber hinaus bietet das optimierte Design aller Energiequellen die Möglichkeit, die Kosten zu minimieren und übergroße oder übergewichtige Komponenten zu vermeiden. Folglich bietet die Kombination mehrerer Energiequellen eine kostengünstige Lösung für die praktische Anwendung von PEVs. Die in der Literatur vorhandenen Multi-Source-Antriebsstrangkonfigurationen sind in Abb. 3 dargestellt [75-80]. In diesen Konfigurationen wird der FC-Stack im Allgemeinen als Hauptenergiequelle zur Bereitstellung von Traktionsenergie genutzt, während der SC als Hilfsenergiequelle zur Speicherung der regenerativen Energie im Verzögerungs- und Bremsvorgang eingesetzt wird. Die Batterie kann als Hauptenergiequelle verwendet werden, wie in Abb. 3(c) dargestellt, und sie kann auch als Hilfsenergiequelle zum Speichern der überschüssigen regenerativen Energie verwendet werden. Es ist zu beachten, dass die PV-Zelle als Hilfsenergiequelle zur Stromerzeugung und Energieeinsparung eingesetzt wird.

Abb. 3. Antriebsstrangkonfigurationen der Multi-Source-PEVs

3.4. Umweltauswirkungen von PEVs

Die Umweltauswirkungen von PEVs können durch eine Lebenszyklusanalyse (LCA) bewertet werden, die den Ressourcenverbrauch und die Umweltfreisetzungen während des gesamten Lebenszyklus eines Produkts explizit quantifizieren kann. Eine typische Anwendung der Ökobilanz ist die WTW-Analyse, die ein Gesamtbild des Energieverbrauchs und der Emissionen vom Punkt der ersten Energiegewinnung (Brunnen) bis zum Punkt der Nutzung (Räder) liefert. Um den Vergleich verschiedener Antriebsstränge intuitiver zu gestalten, müssen einheitliche Bewertungsstandards formuliert werden. Obwohl Kilometer nicht die beste Funktionseinheit für die Ökobilanz sind, wird die Funktionseinheit in der Literatur am häufigsten verwendet. Dadurch kann der Energieverbrauch in „Liter Benzinäquivalent/100 km (l_gas_eq/100 km)“ bewertet werden. Darüber hinaus sind CO₂-Emissionen der am häufigsten gemessene Output, der zur Bewertung der Umweltauswirkungen verwendet wird, und andere Emissionen wie Wasserdampf werden in dieser Bewertung nicht berücksichtigt. Daher werden die Emissionen in „Gramm CO₂ Äquivalent/km (g_CO₂_eq/km)“ bewertet [81,82].

Die Single-Source-PEVs sind der am weitesten verbreitete Fahrzeugtyp in kommerziellen Anwendungen und andere PEVs werden auf Basis der Single-Source-PEVs entwickelt. Daher diskutieren und vergleichen wir in dieser Studie nur die Umweltauswirkungen von BEVs und FCEVs. Darüber hinaus sind Li-Ionen-Batterien aufgrund der hohen spezifischen Energiedichte, des fehlenden Memory-Effekts und der langsamen Selbstentladungsraten eine sehr geeignete Wahl für BEVs, während PEMFCs unter den Brennstoffzellen das größte Potenzial für Fahrzeuganwendungen haben. Daher werden in diesem Artikel BEVs auf Li-Ionen-Batteriebasis und FCEVs auf Wasserstoffbasis für die WTW-Bewertung berücksichtigt.

Obwohl Lithium-Ionen-Batterie-BEVs und wasserstoffbasierte FCEVs keine lokalen Emissionen verursachen, verursachen die Materialbeschaffung, die Produktion, die Lieferung und sogar die endgültige Entsorgung der Energiequellen, die nach der Umrüstung für die oben genannten Fahrzeuge Energie liefern, einen Energieverbrauch und damit verbundene Emissionen. Aufgrund seiner geringen Kosten wird Erdgas häufig zur Herstellung von Wasserstoff verwendet. Um einen intuitiven Vergleich zu ermöglichen, nutzen die BEVs den aus Erdgas umgewandelten Strom. Darüber hinaus können auch erneuerbare Energiequellen wie Solar- und Windenergie für die Wasserstoff- und Stromproduktion genutzt werden. Der Vergleich von Li-Ionen-Batterie-BEVs und Wasserstoff-FCEVs, deren Energie jeweils aus Erdgas bzw. Solar-/Windenergie als Ausgangsenergiequellen stammt, mit herkömmlichen ICEVs ist in Tabelle 1 dargestellt [82]. Wie aus den Ergebnissen hervorgeht, sind sowohl der WTW-Kraftstoffverbrauch als auch die Emissionen der mit reinem Wasserstoff betriebenen FCEVs höher als die der BEVs, unabhängig davon, ob die Energieversorgung mit Erdgas oder Solar-/Windenergie erfolgt. Dies liegt daran, dass BEVs den umgewandelten Strom direkt nutzen, die Wasserstoffproduktion jedoch häufiger Energieumwandlungen erfährt und einen hohen CO2-Fußabdruck hat. Allerdings haben sowohl BEVs als auch FCEVs im Vergleich zu ICEVs einen erheblich geringeren WTW-Kraftstoffverbrauch und -Emissionen. Es fällt auf, dass die Nutzung erneuerbarer Energien den BEVs und FCEVs extrem niedrige WTW-Emissionen ermöglicht und die größten Vorteile für die natürliche Umwelt bietet. Insbesondere die BEVs, die den aus Solar-/Windenergie umgewandelten Strom nutzen, sind emissionsfrei. Darüber hinaus ist zu beachten, dass der WTW-Kraftstoffverbrauch der auf Solar-/Windenergie basierenden FCEVs fast dreimal so hoch ist wie der der BEVs. Dies ist auf die geringen Wirkungsgrade der Brennstoffzelle und des Elektrolyseprozesses zurückzuführen, bei dem durch Sonnen-/Windenergie erzeugter Strom zur Herstellung von Wasserstoff genutzt wird. Dennoch bieten die FCEVs im Vergleich zu BEVs auch in anderer Hinsicht technische Vorteile wie eine längere Reichweite pro Aufladung, eine kürzere Betankungs-/Ladezeit und die Möglichkeit, Abwärme zum Heizen im Winter zu nutzen.

Tabelle 1. Vergleich von Li-Ionen-Batterie-BEVs und H₂-FCEVs, die von verschiedenen anfänglichen Energiequellen mit Energie versorgt werden [82]

4. Energiemanagementstrategien

Energiemanagementstrategien (EMS) spielen in Energiesystemen mit mehreren Energiequellen eine entscheidende Rolle, da sie den Leistungsfluss in den Antriebssträngen steuern und die Fahrzeugleistung, Effizienz sowie die Lebenserwartung der Komponenten bestimmen können [83]. Es gibt eine große Anzahl veröffentlichter Arbeiten, die die in HEVs eingesetzten EMS vorstellen, während die Forschungspublikationen zu den in PEVs eingesetzten EMS noch sehr begrenzt sind. Einige EMS für HEVs können jedoch auch in PEVs angewendet werden. Daher werden die in HEVs verwendeten EMS kurz vorgestellt, bevor die EMS in PEVs näher erläutert werden.

4.1. EMS in HEVs

Die EMS von HEVs können grob in zwei Hauptkategorien unterteilt werden, wie in Abb. 4 dargestellt: regelbasierte Strategien und optimierungsbasierte Strategien.

4.1.1. Regelbasierte Strategien

Regelbasierte (RB) Strategien sind die gebräuchlichsten Überwachungskontrollstrategien für HEVs und die Regeln basieren oft auf Heuristik, Intuition, menschlichem Fachwissen und sogar mathematischen Modellen [84]. Diese Strategien können weiter in deterministische und Fuzzy-RB-Methoden unterteilt werden. Die deterministischen RB-Methoden, bestehend aus Thermostat (Ein/Aus), Power Follower, Modified Power Follower und Zustandsmaschinen-basierten Strategien, basieren auf der Analyse des Leistungsflusses mit präzisen Regeln. Die Fuzzy-RB-Methoden, einschließlich konventioneller, adaptiver und prädiktiver Steuerungsstrategien, nutzen die Fuzzy-Logik-Theorie, um Näherungsschlüsse zu verarbeiten, und eignen sich besser für die Anwendung in fortschrittlichen oder komplexen Antriebssträngen [85].

Bei den RB-Strategien handelt es sich um Echtzeitstrategien mit Vorteilen wie Einfachheit, guter Zuverlässigkeit, geringerem Rechenaufwand und natürlicher Anpassungsfähigkeit an Online-Anwendungen. Die Entwicklung von RB-Strategien ist jedoch zeitaufwändig, da es schwierig ist, genaue Regeln zu definieren und wiederholte Parameterabstimmungen und -kalibrierungen zur Verbesserung der Fahrzeugleistung erforderlich sind. Insbesondere müssen die Regeln für unterschiedliche Fahrzeugkonfigurationen und neue Fahrbedingungen neu definiert werden. Darüber hinaus beinhalten die RB-Strategien keine Minimierung oder Optimierung und können nicht die beste Kraftstoffeffizienz ermöglichen [85,86].

4.1.2. Optimierungsbasierte Strategien

Um den Kraftstoffverbrauch bzw. die Emissionen durch die Berechnung optimaler Referenzdrehmomente und Übersetzungsverhältnisse zu minimieren, kommen optimierungsbasierte Strategien zum Einsatz [82]. Basierend auf einer Kostenminimierungsfunktion, die den Kraftstoffverbrauch oder die Emissionen über einen bestimmten Zeitraum oder Moment darstellt, gibt es globale Optimierungs- und Echtzeitoptimierungslösungen. Die globale Optimierungslösung zielt darauf ab, den kumulierten Energieverlust während eines gesamten Fahrzyklus zu minimieren, was von vornherein bekannt sein muss. Somit kann die global optimale Lösung nicht im Echtzeit-Energiemanagement angewendet werden, sie sind jedoch als Kontrollbenchmark für Vergleiche mit anderen Strategien nützlich [87]. Globale Optimierungsstrategien können in lineare Programmierung, dynamische Programmierung (D.P.), stochastische D.P., genetische Algorithmen (GA) und Partikelschwarmoptimierung (PSO) eingeteilt werden. Die Echtzeit-Optimierungslösung reduziert globale Optimierungsprobleme in eine Folge lokaler Optimierungsprobleme, wodurch die Notwendigkeit entfällt, zukünftige Fahrinformationen zu erhalten [85]. Daher kann die Echtzeitoptimierungslösung für Online-Implementierungen und -Anwendungen verwendet werden. Die Echtzeit-Optimierungsstrategien können in Strategien zur Minimierung des äquivalenten Kraftstoffverbrauchs (EFC), modellprädiktive Steuerung (MPC), intelligente Steuerung, robuste Steuerung und Entkopplungssteuerungsstrategien unterteilt werden [87,88].

Abb. 4. Klassifizierung der im HEV eingesetzten EMS

4.2. EMS in PEVs

Ob in HEVs eingesetzte RB-Strategien oder optimierungsbasierte Strategien in den EMS von PEVs zu finden sind. Derzeit sind Fuzzy-Logik-Steuerungsstrategien (FLC) die häufigsten Anwendungen. Li et al. [89] untersuchten ein FC/Batterie-PEV und präsentierten einen Fuzzy-Logic-Controller entsprechend dem Lastleistungsbedarf und dem Batterie-SOC. Gao et al. [90] und Ferreira et al. [91] setzten auch das auf Fuzzy-Logic-Überwachung basierende EMS für Fahrzeuge mit FC/Batterie/SC-Hybridantrieb ein. Die entworfene Strategie ermöglichte den Betrieb jeder einzelnen Energiequelle im hocheffizienten Betriebsbereich, ohne dass die Leistung und Zuverlässigkeit des Fahrzeugs darunter leidet. Die Testergebnisse zeigten die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Strategie. Ahmadi et al. [92] stellten ein optimiertes FLC-basiertes EMS für ein FC/Batterie/SC-PEV vor. Die Leistungsaufteilungsmethode wurde auf Basis von FLC konstruiert und implementiert, wobei die Steuerungsparameter durch die GA optimiert wurden. Die Simulationsergebnisse zeigten die Verbesserungen des Kraftstoffverbrauchs, der Fahrzeugleistung und der Fähigkeit, die Batterieladung aufrechtzuerhalten, basierend auf dem vorgeschlagenen EMS. Darüber hinaus haben Trovão et al. [93] schlugen ein mehrstufiges EMS vor, das auf einem integrierten regelbasierten meta-heuristischen Ansatz basiert und zur Aufteilung des Strombedarfs zwischen Batterien und SCs für ein Batterie-/SC-PEV verwendet wurde. Der Ansatz ermöglichte eine bessere Nutzung der Quellen und eine Reduzierung der installierten Stromkapazität. Yan et al. [94] schlugen ein RB-EMS basierend auf der Wavelet-Transformation (WT) für einen Batterie-/SC-Bus vor. Bei der Leistungsaufteilung wurden gemäß der WT-Theorie die hohe Frequenz und die niedrige Komponentenleistung dem SC bzw. der Batterie zugeordnet. Die experimentellen Hardware-in-Loop-Ergebnisse bestätigten die Angemessenheit von

die Strategie. Song et al. [95] schlugen ein Multimodus-EMS vor, das auf einer Fahrzustandserkennungstechnologie für ein FC/Batterie-PEV basiert. Diese Strategie könnte unter bestimmten Fahrbedingungen automatisch auf die GA-optimierte Thermostatstrategie umschalten. Die bessere wirtschaftliche Leistung wurde nach der Simulation im Vergleich zur Single-Mode-Thermostatstrategie erzielt. Darüber hinaus tauchten auch einige optimierungsbasierte Strategien in den EMS von PEVs auf. Capasso et al. [96] beschrieben ein Offline-EMS, das auf nichtlinearer Programmierung für ein Batterie-/SC-PEV basiert, um die Batteriestromvarianz zu minimieren. Anschließend wurde eine auf der Variationsrechnung basierende Online-Strategie zum Vergleich mit der oben genannten Strategie vorgeschlagen. Die Simulationsergebnisse über einen ECE (Economic Commission for Europe) 15-Fahrzyklus zeigten die gute Leistung beider Strategien und die Wirksamkeit bei der Reduzierung der Spitzenstromwerte beim Laden/Entladen der Batterie. Kim et al. [97] entwickelten ein optimales EMS der Unterklasse basierend auf stochastischem D.P. für ein FC/Batterie-PEV. Bei der Optimierung der Regelungsstrategie wurde das Parameterdesign unterschiedlicher Komponentengrößen berücksichtigt, sodass die Regelung nahezu optimal war. Die Studienergebnisse zeigten jedoch, dass eine kombinierte Optimierung den Wasserstoffverbrauch wirksam reduzieren könnte. Rodatz et al. [98] entwickelten eine Echtzeit-EFC-Minimierungsstrategie zur Steuerung der Leistungsverteilung eines Fahrzeugs mit FC/SC-Antrieb. Es wurden sowohl Simulationen als auch Experimente durchgeführt und die Ergebnisse zeigten, dass der Ansatz den Wasserstoffverbrauch optimieren und gleichzeitig die Fahrbarkeit aufrechterhalten konnte. Zheng et al. [99] untersuchten eine optimale Steuerung basierend auf dem Minimalprinzip für ein Fahrzeug mit Brennstoffzellen-/Batterieantrieb. Im EMS wurde ein Costate als äquivalenter Parameter zwischen Kraftstoffverbrauch und Stromverbrauch vorgeschlagen und die Beschränkung des Batterie-SOC als Straffunktion eingeführt. Die Simulation validierte die optimalen Verläufe des Kraftstoffverbrauchs. Ein neuronales Netzwerk als eine Art intelligenter Steuerung wurde von Moreno et al. entwickelt und verwendet. [100] für das Energiemanagement eines Batterie/SC-Kombinationsfahrzeugs. Die Simulationsergebnisse zeigten die Wirksamkeit der Methode bei der Verringerung der Schwankungen des Batteriestroms und der Reduzierung des Energieverbrauchs. Es sollte erwähnt werden, dass die primäre Energiequelle der Batterie gemäß der Untersuchung in diesem Papier durch andere Energiequellen wie einen FC-Stack ersetzt werden könnte. Li et al. [101] präsentierten eine sequentielle quadratische Programmierung basierend auf der EFC-Minimalstrategie für ein FC/SC/Batterie-PEV. Die experimentellen Testergebnisse zeigten, dass der Wasserstoffverbrauch deutlich zurückging und die FC-Verschlechterung im Vergleich zu den Steuerstrategien RB und Hybridbetriebsmodus gemildert werden konnte. Wieczorek et al. [102] schlugen ein neues optimierungsbasiertes EMS mit Gammafunktionen vor, das darauf abzielt, den Energieverbrauch für ein Batterie-/SC-Fahrzeug zu minimieren. Diese Strategie könnte viele Möglichkeiten allein durch die Abstimmung von Funktionskoeffizienten ableiten, ohne einen langen Satz von Regeln zu definieren, und sie könnte aufgrund ihrer Einfachheit, Recheneffizienz und relativ einfachen Kalibrierung in praktischen Anwendungen weit verbreitet sein. Insbesondere Koubaa et al. [103] schlugen ein auf Metaheuristik basierendes EMS für ein FC/SC-betriebenes PEV vor. Die Architektur des EMS integrierte eine RB-Strategieschicht und eine Optimierungsschicht basierend auf dem PSO-Algorithmus oder GA. Die Ergebnisse zeigten, dass der integrierte RB-PSO-Ansatz mit geringem Rechenaufwand den optimalen Wasserstoffverbrauch erzielen und die Haltbarkeit des Brennstoffzellensystems aufrechterhalten konnte. Song et al. [104] schlugen zwei neue EMS auf Basis von FLC und MPC für einen batterie-/SC-betriebenen Bus vor. Die vorgeschlagenen Kontrollstrategien wurden mit den UMS verglichen, die auf der bestehenden RB-Kontrolle (RBC) und der filtrationsbasierten Kontrolle basieren. Die Ergebnisse zeigten, dass die auf FLC und RBC basierenden EMS besser waren als die beiden anderen EMS, wenn sie anhand ihrer jeweiligen besten Leistung verglichen wurden.

Interessanterweise wurden in der vorhandenen Literatur einige EMS vorgestellt, die verschiedene Steuerungstechniken kombinieren, um die Energieverteilung für die PEV-Anwendungen zu verwalten. Zandi et al. [105] schlugen eine Energiemanagementmethode vor, die auf der Flachheitskontrolltechnik (FCT) und FLC basiert. Der FCT wurde zur Steuerung des Energieflusses zwischen dem FC und dem Energiespeichersystem mit Batterie und SC eingesetzt, während der FLC zur Verwaltung der Energieaufteilung zwischen Batterie und SC eingesetzt wurde. Die Versuchsergebnisse bestätigten die Gültigkeit der vorgeschlagenen Strategie. Amin et al. [106] untersuchten ein EMS basierend auf MPC und Hysteresesteuerung für die Hybridquellen bestehend aus FC/Batterie/SC. Der MPC wurde verwendet, um die DC-Busspannung unabhängig von der Lastschwankung konstant zu halten und den Referenzstrom jedes Wandlers zu definieren, während die Hysteresesteuerung verwendet wurde, um den oben genannten Referenzstrom zu verfolgen. Die Simulations- und Versuchsergebnisse bestätigten die Wirksamkeit der Strategie bei der Regelung der DC-Busspannung. Kraa et al. [107] schlugen ein EMS vor, das auf Proportional-Integral-Steuerung (PI) und nichtlinearer Gleitmodussteuerung (SMC) für ein FC/SC-Hybridsystem basiert. Die klassische PI-Steuerung wurde zur Steuerung der DC-Busspannung und zur Bestimmung des Referenzstroms des FC eingesetzt, während die SMC zur Steuerung der Ströme von FC und SC verwendet wurde. Die Simulationsergebnisse bestätigten den Erfolg der Strategie mit stabiler und robuster Leistung. Hajizadeh et al. [108] schlugen ein Online-EMS für ein hybrides Brennstoffzellen-/Batteriesystem vor. Die Methode übernahm einen hierarchischen Hybrid-Controller mit drei Schichten. Diese erste Schicht, die auf einem Überwachungscontroller basiert, wurde von der Stateflow-Toolbox zur Verwaltung der Betriebsmodi entwickelt. Die zweite Schicht mit einem fortschrittlichen Fuzzy-Controller wurde für die Energieaufteilung zwischen FC und Batterie verwendet. Die dritte Schicht einschließlich lokaler Controller wurde verwendet, um die Sollwerte jedes Subsystems zu verfolgen und so die beste Leistung zu erzielen. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass die Betriebseffizienz verbessert wurde und der Ladezustand der Batterie auf einem angemessenen Niveau gehalten wurde

Es ist erwähnenswert, dass einige EMS, die in den HEV-Anwendungen nicht gefunden wurden, in den PEVs vorgeschlagen und eingesetzt werden. Rezzak et al. [109] präsentierte eine Energiemanagementtechnik unter Verwendung eines herkömmlichen PI-Reglers für ein FC/SC-Hybridfahrzeug. Die Simulationsergebnisse sowohl über städtische als auch außerstädtische Zyklen bestätigten die vorgeschlagene Strategie. Gualous et al. [110] schlugen eine Strategie vor, die auf einem Polynomregler für das Energiemanagement eines Batterie-/SC-PEV basiert. Die Strategie wurde zur Regelung der Ströme zweier Stromrichter eingesetzt und mit einer klassischen PI-Regelung verglichen. Die experimentellen Tests zeigten, dass die Polynomsteuerung eine höhere Genauigkeit und Robustheit aufwies als die PI-Steuerung. Zhang et al. [111] schlugen ein auf Wavelet-Transformation basierendes EMS für ein Fahrzeug mit FC/Batterie/SC-Antrieb vor. Die Strategie war in der Lage, den Hochfrequenztransienten- und Echtzeit-Leistungsbedarf des Fahrzeugs zu identifizieren, sodass der Leistungsfluss mit unterschiedlichen Frequenzinhalten zugeordnet werden kann

entsprechend ihrer jeweiligen Eigenschaften den entsprechenden Energieträgern zuzuordnen. Simulations- und Versuchsergebnisse bestätigten, dass die Systemeffizienz und Lebenserwartung deutlich gesteigert werden kann. Jiang et al. [112] untersuchten eine adaptive Steuerungsstrategie für ein Brennstoffzellen-/Batteriefahrzeug. Diese Strategie könnte den FC-Ausgangsstrom entsprechend dem Batterie-SOC regulieren und den Leistungsfluss der Energiequellen angemessen verteilen. Odeim et al. [113] stellten drei EMS für ein FC/Batterie/SC-Hybridsystem für Transitbusanwendungen vor. Zwei Offline-Optimierungsalgorithmen, nämlich D.P. und Pontryagins Minimalprinzip (PMP) wurden zunächst durchgeführt. Die beiden Strategien berücksichtigten lediglich den Wasserstoffverbrauch und die Ergebnisse dienten als Benchmark. Anschließend wurde ein Online-EMS vorgeschlagen, das auf einer GA mit mehreren Zielen basiert und den Wasserstoffverbrauch, die Dynamik des Brennstoffzellensystems und die Batterieleistungsbelastung berücksichtigt. Dadurch könnte durch die Online-Strategie eine deutliche Verbesserung der Systemhaltbarkeit bei etwas mehr Wasserstoffverbrauch erreicht werden. Thounthong et al. [114] schlugen ein ursprüngliches EMS mit drei Regelkreisen für ein FC/Batterie/SC-Fahrzeugsystem vor. Die Studie berücksichtigte die intrinsischen Eigenschaften der drei Quellen und definierte die Spannungsregelkreise als: vom SC geregelte DC-Busspannung, von der Batterie geregelte SC-Spannung und vom FC geregelte Batteriespannung. Die Versuchsergebnisse bestätigten, dass die Strategie die Leistung der Energiequellen optimal verteilen und die Lebensdauer der Leistungskomponenten verlängern kann. Xiong et al. [115] stellten eine Echtzeit-Energieverwaltungsstrategie vor, die auf einem Reinforcement-Learning-Algorithmus für ein PEV mit Li-Ionen-Batterie/SC-Antrieb basiert, und dieser Algorithmus wurde systematisch mit RB und D.P. verglichen. Algorithmus. Die Simulationsergebnisse bestätigten, dass der vorgeschlagene Algorithmus andere übertraf und die Strategie die Lebensdauer des Batteriepakets verlängern und die Systemeffizienz verbessern könnte. Peng et al. [116] schlugen eine Verbundsteuerungsmethode zur Energieverwaltung für ein Batterie-/SC-Antriebssystem vor. Im Verbundsteuerungsrahmen gab es einen aktiven Störungsunterdrückungsregler, zwei Stromregler und zwei Betriebsmodusschalterregler. Diese Controller wurden verwendet, um die Lastfolge des SC, den Batteriestrom und den Ladestrom des SC sowie die Betriebsmodi der Controller zu steuern. Mit Hilfe der Steuerstrategie könnte die Batterie einen gleichmäßigen, gleichmäßigen Strom liefern und der SC könnte einen sich stark ändernden Strom liefern, um die Störung zu unterdrücken. Die Leistung des elektrischen Systems wurde durch die experimentellen Ergebnisse validiert. Ettihir et al. [117] verglichen ein Hysterese-EMS und ein adaptives EMS auf PMP-Basis für ein PEV mit FC/Batterie-Hybridantrieb. Das auf einem Hysteresealgorithmus basierende Hysterese-EMS wurde entwickelt, um den Ladezustand der Batterie aufrechtzuerhalten und den Strombedarf zu decken. Das adaptive PMP EMS wurde basierend auf der Berücksichtigung der optimalen Echtzeit-Betriebspunkte der FCs entwickelt. Die Vergleichsergebnisse zeigten, dass das adaptive PMP-EMS den Wasserstoffverbrauch stärker reduzieren konnte als das Hysterese-EMS. Wang et al. [118] entwickelten ein WT-basiertes EMS für ein batterie-/SC-betriebenes System. Das WT-basierte EMS mit unterschiedlichen Zerlegungsstufen wurde auf der Grundlage einer MATLAB/Simulink-Simulation verglichen und die Ergebnisse zeigten, dass das EMS mit drei Zersetzungsstufen das beste war. Die Machbarkeit des entwickelten EMS wurde durch weitere Simulationen unter drei typischen Fahrzyklen auf einem Hardware-in-the-Loop-Prüfstand validiert. Carignano et al. [119] schlugen ein neuartiges energiebasiertes Schätzungs-EMS für ein FC/SC-PEV vor. Die Strategie zielte darauf ab, den Leistungsbedarf zu decken, maximale Bremsenergie zurückzugewinnen und die maximale Effizienz der Brennstoffzellen aufrechtzuerhalten. Der Wasserstoffverbrauch wurde durch Simulation und Experimente im Vergleich zur EFC-Minimierungsstrategie verbessert. Bendjedia et al. [120] stellten ein EMS vor, das auf Frequenzteilung für ein FC/Batterie-PEV basiert. Im System wurde der gefilterte Strom, der die niederfrequenten Harmonischen darstellt, vom FC-Stack bereitgestellt, während die Batterie als schnelle dynamische Komponente fungierte. Tahri et al. [121] entwickelten ein neues EMS basierend auf Lyapunov-Controllern für ein FC/SC-PEV. Die Steuerungsstrategie wurde gemäß den Lyapunov-Stabilitätstools entwickelt, um unter Berücksichtigung der langsamen Dynamik der FCs und des begrenzten SOC des SC eine gute Leistungsaufteilung zwischen den beiden Quellen zu erreichen. Ettihir et al. [122] schlugen ein adaptives optimales Leistungsaufteilungs-EMS für ein FC/Batterie-Hybridsystem vor. Bei dieser Strategie wurde eine adaptive rekursive Methode der kleinsten Quadrate zur Online-Identifizierung von Modellen verwendet und ein auf PMP basierender Optimierungsalgorithmus zur Minimierung des Wasserstoffverbrauchs eingesetzt. Geng et al. [123] schlugen eine On-Off-Power-Follow-Control-Strategie und eine Power-Follow-Control-Strategie basierend auf einem Fuzzy-Algorithmus für ein BEV mit den FCs als Range Extender vor. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass die

5. Ladetechnologien

Generell verfügen die meisten PEVs über elektrische Speicher, und Ladetechnologien sind auf dem Weg zur Kommerzialisierung der PEVs wichtig, damit die Reichweitenangst der Kunden gemildert werden kann. Es gibt zwei Lademethoden: das induktive Laden und das konduktive Laden. Die Besonderheit des induktiven Ladens liegt vor allem in der Energieübertragung ohne Kontaktmedium. Eine Ladestation erzeugt über eine Induktionsspule ein elektromagnetisches Feld, während das elektronische Gerät mit einer entsprechenden Induktionsspule die Energie aus dem Magnetfeld empfängt und diese wieder in elektrischen Strom umwandelt, um den Akku aufzuladen. Diese Lademethode bietet Vorteile wie Robustheit, Sicherheit, Stromkompatibilität und Langlebigkeit, allerdings nimmt die Effizienz mit zunehmender Entfernung zwischen Gerät und Ladeplatine ab. Beim konduktiven Laden ist eine Metall-Metall-Verbindung zwischen der Stromversorgung und dem Fahrzeug erforderlich. Als Leistungssender dient eine Ladeplatine, die den Strom liefert, der von einem Ladegerät mit eingebautem Empfänger empfangen wird. In

Bei dieser Methode ist ein Leiter erforderlich, um die Ladeplatine und das Ladegerät zu verbinden, wobei Sicherheitsaspekte und Schaltungsschnittstellenkonfigurationen berücksichtigt werden müssen [125].

Die Infrastrukturen, die elektrische Energie zum Aufladen von PEVs liefern, sind Ladestationen. Diese Stationen können in drei Typen eingeteilt werden: private, öffentliche und ultraschnelle Ladestationen. Die in Wohngebieten installierten Ladestationen für Privathaushalte ermöglichen das Aufladen von PEVs nachts, wenn der Energietarif niedrig ist und die Nachfrage zu Spitzenzeiten vermieden werden kann. Die öffentlichen Ladestationen werden an Orten des alltäglichen Lebens wie öffentlichen Gebäuden, Einkaufszentren und Firmenparkplätzen platziert. Diese Stationen werden in der Regel von Energieversorgungsunternehmen bereitgestellt und sind in Zahlungssysteme integriert. Die Ultraschnellladestationen befinden sich typischerweise an Autobahn- und Autobahnraststätten. Diese Stationen verfügen über Steuer- und Schutzfunktionen und können höhere Spannungen und Ströme aus dem Hauptstromnetz bereitstellen, um die PEVs schnell aufzuladen [126].

Beim Laden von PEVs wird viel Strom aus dem Netz entnommen, was die Belastung der Stromversorgungssysteme erhöht. Insbesondere das Laden während der Hauptverkehrszeiten erfordert, dass Verbraucher einen Aufpreis für den Tarif zahlen. Darüber hinaus werden mit der Entwicklung von PEVs und dem steigenden Energiebedarf zunehmend Ladestationen installiert. Um den Druck zu verringern, können erneuerbare Ressourcen wie Solar- und Windenergie zum Laden der PEVs genutzt werden [127]. Heutzutage werden in den Ladestationen häufiger Solar-PV-Systeme eingesetzt. Es gibt zwei PV-Ladeansätze, nämlich PV-Netz und PV-Insel. Die PV-Netzaufladung hat den Vorteil, dass PEVs kontinuierlich über die Netzversorgung geladen werden können, wenn die PV-erzeugte Leistung nicht ausreicht, und die überschüssige PV-Leistung in das Netz eingespeist werden kann. Andererseits ist das PV-Standalone-Laden bequemer und vorteilhafter in abgelegenen Gebieten, in denen keine Stromversorgung verfügbar oder zu kostspielig ist [127,128]. Die Ladesysteme für PV-Netze sind in der Regel auf Parkplätzen in Städten konzipiert, um PEVs während der Arbeitszeit aufzuladen. Eine Energiespeichereinheit (ESU) in Form einer Batteriebank wird aufgrund der Unsicherheiten der Sonneneinstrahlung im Allgemeinen als Energiepuffer verwendet, obwohl das Netz die gleiche Rolle spielen kann. Nach einschlägiger Bewertung kann die optimale ESU-Größe die Netzabhängigkeit um 25 % reduzieren [129-132]. In der Literatur wird auch über eine weitere erneuerbare Ressource, Windenergie, berichtet, die elektrische Energie zum Laden von PEVs erzeugt. Fathabadi [132] schlug eine netzgekoppelte windbetriebene Ladestation vor und stellte eine neuartige MPPT-Technik (Maximum Power Point Tracking) zur Maximierung der Energieumwandlung vor. Dieser Autor stellte auch eine netzgekoppelte solar-/windbetriebene Ladestation vor, die Wind- und Solarenergie miteinander kombiniert. Um die Auswirkungen auf die Stabilität des Netzes zu vermeiden, verwendeten einige Forscher Batterien, die Windkraftanlagen und PV-Module kombinieren, um eigenständige Ladestationen zu entwerfen, was auch die Stabilität der Stromversorgung erhöhen kann [133,134]. Darüber hinaus können auch andere erneuerbare Ressourcen wie konzentrierte Solarenergie, Geothermie, Gezeiten-, Wellen- und Wasserkraft Strom zum Laden von PEVs erzeugen. Die äquivalenten CO₂-Emissionen bei der Umwandlung der oben genannten erneuerbaren Energien in BEVs und FCEVs werden analysiert. Windbetriebene BEVs schneiden am besten ab und haben die geringsten Auswirkungen auf die Umwelt. Es wird geschätzt, dass etwa 32,5–32,7 % der amerikanischen CO₂-Emissionen reduziert und 15.000 Todesfälle pro Jahr aufgrund fahrzeugbedingter Luftverschmutzung im Jahr 2020 vermieden werden können, wenn alle Straßenfahrzeuge in den Vereinigten Staaten (basierend auf den Daten von 2007) auf BEVs umgestellt werden, die mit Windenergie betrieben werden [5].

6. Herausforderungen und Entwicklungen

6.1. Herausforderungen und Problemlösungen

PEVs sind das endgültige Entwicklungsziel der Automobilindustrie, aber es gibt noch einige Herausforderungen, denen wir uns im Entwicklungsprozess stellen müssen. Erstens haben PEVs kurze Reichweiten und Fahrzeuge, die eine einzige Energiequelle nutzen, können keine gute dynamische Leistung erreichen [135]. Die Integration von mindestens zwei verschiedenen Energiequellen in einen Antrieb von PEVs kann ihre jeweiligen Vorteile entfalten, um die spezifischen Anforderungen zu erfüllen und die dynamische Leistung des Gesamtsystems zu optimieren, während die Reichweiten erweitert werden können [19]. Um das Reichweitenproblem zu beseitigen, müssen jedoch entsprechende Infrastrukturen zum Laden oder Betanken von PEVs aufgebaut werden. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass Ladestationen und Wasserstofftankstellen derzeit weniger dicht sind und ein erheblicher Teil davon auf offenen Straßen errichtet werden muss [135]. Jüngsten Berichten zufolge verfügt China als größter Markt für Fahrzeuge mit neuer Energie im Jahr 2018 über 2,57 Millionen Fahrzeuge mit neuer Energie, von denen 85,7 % PEVs sind, während es nur 0,3 Millionen öffentliche Ladepunkte gibt. Ausgehend von einem Gesamtverhältnis von Fahrzeug zu Ladepunkten von 9:1 decken die Ladepunkte den Ladebedarf bei weitem nicht. Darüber hinaus gab es Ende 2017 weltweit lediglich 328 Wasserstofftankstellen, während es in China nur 31 Wasserstofftankstellen gibt, darunter 19 im Bau. Ob der Bau von Ladestationen oder Wasserstofftankstellen, beide erfordern eine enorme finanzielle Investition. Glücklicherweise gewähren die wichtigsten Entwicklungsländer von Fahrzeugen mit neuer Energie ihren Kunden nicht nur beträchtliche Subventionen, sondern führen auch Richtlinien und Pläne durch, um die Entwicklung der Infrastruktur voranzutreiben. China National Grid hat angekündigt, mehr als 100 Milliarden Yuan in den Bau der Ladestationen zu investieren und bis 2020 das ganze Land vollständig abzudecken. Darüber hinaus plant China, den Bau von 300 bzw. 1.000 Wasserstofftankstellen im Jahr 2025 bzw. 2030 abzuschließen. Die dritte Herausforderung besteht darin, dass die Kosten dieser PEVs immer noch hoch sind [47]. Die Kosten hängen hauptsächlich von den Energiespeichertechnologien ab und sind schwer abzuschätzen, da sie von mehreren Faktoren wie dem Speichertyp, den Anwendungsanforderungen, der Größe usw. beeinflusst werden. Die Kapitalkosten der Energiespeicherung können jedoch auf folgende Weise berechnet werden: Kosten pro kW, pro kWh und pro kWh pro Zyklus. Letzteres eignet sich besser zur Bewertung von Systemen mit häufigen Lade-/Entladeanwendungen. Die Kapitalkosten der gängigen Energiespeichertechnologien sind in Tabelle 2 aufgeführt [17]. In

In Bezug auf die Kapitalkosten pro kW weisen Brennstoffzellen die höchsten Kosten auf, gefolgt von Batterien. Tabelle 2 zeigt auch, dass Batterien relativ niedrigere Kosten pro kWh haben, während SCs die niedrigsten Kosten pro kWh und Zyklus haben. Die höheren PEV-Kosten könnten teilweise durch begleitende Maßnahmen einschließlich monetärer und nichtmonetärer Anreize ausgeglichen werden [136]. Derzeit liegt der Preis der PEVs nach Abzug der staatlichen Subventionen nahezu auf dem Niveau der konventionellen Fahrzeuge. Darüber hinaus werden die tatsächlichen Kosten mit der Weiterentwicklung der relevanten Technologien sicherlich kontinuierlich sinken. Darüber hinaus werden die steigende Produktion und die erheblichen Investitionen zu erheblichen Kostensenkungen führen. Eine weitere Herausforderung ist die Entsorgung der elektrischen Geräte in PEVs, da die wichtigsten Energiespeicher, einschließlich Batterien und FC-Stacks, gefährliche Stoffe enthalten können. Beispielsweise enthalten Batterien, die häufig für PEVs verwendet werden, im Allgemeinen gefährliche Schwermetalle wie Blei, Kobalt, Nickel und Lithium. Daher stellt eine unsachgemäße Entsorgung wie die direkte Entsorgung im Müll oder außerhalb der Deponie aufgrund der Metalltoxizität eine Gefahr für die Umwelt und die öffentliche Gesundheit dar [137,138]. Ebenso können die Stapelmaterialien von FCs Umweltverschmutzung und schädliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit verursachen [139]. Die Lösung dieses Problems liegt hauptsächlich in der Entwicklung fortschrittlicher Technologien zum Recycling verbrauchter Energiespeicher und der Suche nach guten Möglichkeiten zur Rückgewinnung der Edelmetalle und anderer Materialien. In der Zwischenzeit sollten die Regierungen Richtlinien und Vorschriften erlassen, um Sammelsysteme einzurichten, das Recycling verbrauchter elektrischer Komponenten in PEVs finanziell zu unterstützen und eine unsachgemäße Entsorgung dieser Komponenten zu ahnden [140,141]. Darüber hinaus stellt auch die Zuverlässigkeit von PEVs beim gegenwärtigen Stand der Technik eine Herausforderung dar. Die kritischen Komponenten wie Batterien, Stromrichter, Elektromotor, Wasserstoffspeicher und FC-Stacks spielen eine wichtige Rolle bei der Zuverlässigkeitsbewertung von PEVs. Um die Zuverlässigkeit zu verbessern, ist es wichtig, neue Materialien oder Materialmodifikationen für Batterien, Wasserstoffspeicher und FC-Membranen zu entwickeln. Ein weiterer Ansatz widmet sich dem robusten Systemdesign [142,143]. Nehmen Sie die Anwendung der PEMFC für PEVs als Beispiel: Die effektive Gestaltung von Stoß- und Vibrationsschutzsystemen kann die Zuverlässigkeit des FC-Stacks erhöhen und zahlreiche Probleme vermeiden, darunter Lockerung des Klemmdrehmoments, Gasleckage sowie strukturelle Schäden oder Brüche unter rauen Straßenbedingungen [144]. Durch die optimale Gestaltung der Klemmkraft und des Dickenunterschieds zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und der Dichtung kann auch die hohe Zuverlässigkeit des Stapels gewährleistet werden [145]. Es ist bemerkenswert, dass auch Software und Informationssysteme von PEVs einen starken Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit haben. Die Prozessschwankungen und Softwarefehler der Steuergeräte beeinträchtigen die Zuverlässigkeit erheblich [146]. Das Design des Wärme- und Energiemanagementsystems zur Erfüllung der Zuverlässigkeitsanforderungen und die Entwicklung fortschrittlicher Technologien zur Erkennung der dynamischen Verschlechterung der Schlüsselkomponenten in PEVs werden für die Zuverlässigkeitsverbesserungen wertvoll sein [147,148]. Die letzte, aber nicht die geringste Herausforderung besteht darin, dass die Hauptkomponenten von PEVs immer noch nicht standardisiert und modularisiert sind [17]. Dies führt zu einer komplexeren Gestaltung der Komponenten im Fahrzeugsystem, während die Modularisierung dazu beitragen kann, die Flexibilität des Systems zu fördern und die Wartung zu erleichtern. Die Lösung dieses Problems liegt in den entsprechenden Richtlinien, die die Regierung und die Unternehmen veröffentlichen.

Tabelle 2. Kapitalkosten verschiedener Energiespeichertechnologien [17]

6.2. Neueste Entwicklungen

Um die Energiesicherheit zu erhöhen und eine bessere Luftqualität, weniger Lärm und eine Reduzierung der Treibhausgasemissionen anzustreben, ergreifen die wichtigsten Entwicklungs- und Industrieländer konkrete Maßnahmen zur Förderung der Entwicklung von PEVs. Im Jahr 2017 erreichte die Zahl der weltweiten Elektro-Pkw vom Typ BEV fast 2 Millionen, was einem Anstieg von rund 60 % im Vergleich zu 2016 entspricht. Bemerkenswert ist, dass sich mehr als 40 % der weltweiten BEV-Pkw in China befinden, gefolgt von der Europäischen Union und den Vereinigten Staaten, die jeweils etwa ein Viertel der weltweiten Gesamtzahl ausmachen. China hat auch den weltweit größten Markt für Elektroautos, auf dem im Jahr 2017 fast 580.000 Elektroautos verkauft wurden, was einem Wachstum von 72 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Abgesehen von elektrischen Personenkraftwagen waren im Jahr 2017 etwa 250.000 elektrische leichte Nutzfahrzeuge (LCVs) auf der Straße. 99 % der elektrischen LCVs sind BEVs und werden häufig in einer Unternehmens- oder Regierungsflotte eingesetzt. Es ist erwähnenswert, dass derzeit in den südostasiatischen Ländern, China und Indien fast 900 Millionen elektrische Zweiräder im Umlauf sind. Bis 2017 gab es in China deutlich mehr elektrische Zweiräder als andere und verfügt auch über rund 50 Millionen elektrische Dreiräder. Darüber hinaus sind mittelschwere und schwere Elektrofahrzeuge wie Stadtbusse und Lkw auch dann attraktiv, wenn sie im gewerblichen und kommunalen Verkehr mit regelmäßigen Linien und Fahrplänen im städtischen Umfeld eingesetzt werden. Den einschlägigen Daten zufolge gab es Ende 2017 in China 370.000 Elektrobusse und in Europa, Japan und den USA sind derzeit nur 2.100 Elektrobusse unterwegs. Der Einsatz von Elektro-Lkw ist derzeit noch begrenzt und bis 2017 wurde eine kleine Anzahl elektrischer Schwerlast-Lkw-Modelle für Pilotprojekte entwickelt [149]. Im November 2017 kündigte Tesla ein schweres rein elektrisches Lkw-Modell „Semi“ mit einem Gesamtgewicht von mehr als 36 Tonnen und einer maximalen Reichweite von 500 Meilen an. Als weitere Art von Elektrofahrzeugen entwickeln sich FCEVs nicht so schnell wie BEVs, die ausgereifter und kostengünstiger sind. FCEVs haben jedoch den Vorteil, dass a

größere Reichweite. Im Jahr 2017 gab es weltweit etwas mehr als 7.200 FCEVs. Auf die USA entfiel mit mehr als 3.500 FCEV-Fahrzeugen fast die Hälfte der weltweiten FCEV-Flotte, gefolgt von Japan und Europa mit 2.300 bzw. 1.200 Einheiten. Darüber hinaus waren im Jahr 2017 weltweit 250 FCEV-Busse unterwegs. Andere PEVs mit mehr als zwei Energiequellen befinden sich noch im Entwurfs- und Testprozess, während ihre praktischen Anwendungen in der Literatur nicht gefunden wurden.

Die Entwicklung von PEVs wird weitgehend von der Regierungspolitik bestimmt. Als finanzielle Anreize werden häufig direkte Kaufzuschüsse und Steuererleichterungen eingesetzt, während es sich bei einigen Maßnahmen wie Straßenvorrang und Zugang zu verkehrsberuhigten Zonen um nichtfinanzielle Anreize handelt [150,151]. Diese Anreize ermöglichen es, PEVs für Kunden attraktiver zu machen, Investoren, die Investitionsrisiken zu reduzieren, und Hersteller, die Produktion auszuweiten, zu ermutigen. Die wichtigsten Länder auf der ganzen Welt haben sich Ziele für den Einsatz von PEVs in der nahen Zukunft, beispielsweise 2025 und 2030, gesetzt. Es ist zu beachten, dass die Kombination aus der hohen Energieeffizienz von Elektromotoren und kohlenstoffarmem Strom es PEVs möglicherweise ermöglicht, die CO₂-Emissionen erheblich zu senken. Im Jahr 2017 wurden weltweit 29,4 Millionen Tonnen CO₂-Emissionen vermieden und PEVs emittieren keine Abgasemissionen mit Luftschadstoffen [149]. Da die Zahl der PEVs mit Unterstützung einschlägiger politischer Maßnahmen kontinuierlich zunimmt, werden die positiven Auswirkungen von PEVs auf die natürliche Umwelt immer deutlicher spürbar.

7. Schlussfolgerungen

Umweltprobleme wie Luftverschmutzung und globale Erwärmung haben schwerwiegende Auswirkungen auf das Leben und die Produktion der Menschen. Auch die Energiekrise wird zu einem wichtigen und drängenden Problem. Aus diesen Gründen werden PEVs mit hoher Effizienz das ultimative Ziel bei der Entwicklung von Fahrzeugen sein, während HEVs nur ein Zwischenschritt im Prozess sind, in dem PEVs ICEVs ersetzen. Dieses Papier bietet einen Überblick über PEVs mit Schwerpunkt auf Energiequellen, PEV-Typen und EMS. Die Eigenschaften und typischen Modelle von Energiequellen werden veranschaulicht. Unter diesen Energiequellen werden Li-Ionen-Batterien und Wasserstoffenergie immer beliebter und vielversprechender. Die aktuellen PEV-Typen werden dargestellt und die Umweltauswirkungen der typischen Single-Source-PEVs anhand der WTW-Methode bewertet. Nachdem die in HEVs verwendeten EMS klassifiziert und kurz vorgestellt wurden, werden die derzeit in PEVs verwendeten EMS aufgeführt. Anschließend werden die Ladetechnologien für PEVs untersucht. Die Analyse und der Entwicklungstrend zeigen, dass erneuerbare Ressourcen sehr vielversprechend sind, um Strom zum Laden von PEVs zu erzeugen. Abschließend werden die größten Herausforderungen, vor denen PEVs für praktische Anwendungen stehen, diskutiert und allgemeine Problemlösungsmethoden bereitgestellt, während die neuesten Entwicklungen im Hinblick auf PEVs vorgestellt werden. Unter dem Druck objektiver Umweltfaktoren und der subjektiven Anreize der Regierungen werden sich PEVs in den nächsten Jahrzehnten rasant entwickeln.

Danksagungen

Die Autoren danken Yanjun Huang und Hong Wang für hilfreiche Diskussionen und Vorschläge zum Manuskript. Diese Arbeit wurde von keiner Interessengruppe, Firma oder Regierungsbehörde finanziert.

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Höhepunkte

• Die Hauptgründe für die Entwicklung reiner Elektrofahrzeuge (PEVs) werden vorgestellt.
• Die Eigenschaften und typischen Modelle von Energiequellen für PEVs werden beschrieben.
• Die bisher vorhandenen Konfigurationen in PEV-Typen werden dargestellt.
• Es wird eine kurze Studie über Energiemanagementstrategien durchgeführt, die in PEVs eingesetzt werden.
• Die größten Herausforderungen für PEVs und allgemeine Problemlösungsmethoden werden diskutiert.