Elektroantrieb: Komponenten und Funktionen

28.2.2019

Wie funktioniert eigentlich ein Elektroauto? Hier erklären wir den Aufbau der Komponenten sowie ihre Vor- und Nachteile: Vom Elektromotor über die Batterie bis zur Skateboard-Architektur.

Ein BMW Elektroauto an der Ladesäule
Die Zukunft fährt elektrisch. Hier: Der BMW i3

Ein Elektroauto ist leise, lokal emissionsfrei und bietet wegen des durchzugsstarken Antriebs Fahrkomfort und Fahrspaß. Die Batterien machen Elektroautos zwar teurer in der Anschaffung als vergleichbare Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, in der Vollkostenrechnung (TCO = total cost of ownership) sind sie aufgrund von geringeren Energie-, Wartungs- und Verschleißkosten in vielen Fällen aber bereits günstiger – zumindest bei durchschnittlicher bis hoher Kilometerleistung.

Mit Problemen müssen die Nutzer derzeit noch an öffentlichen Ladesäulen rechnen. Denn für die Freischaltung und das Bezahlen des Stroms ist meist die Registrierung bei einem bestimmten Energieanbieter notwendig. Erst seit Mitte 2016 ist vorgeschrieben, dass alle neuen öffentlichen Ladesäulen eine Möglichkeit zur Ad-hoc-Freischaltung und Bezahlung anbieten müssen. Allerdings ist das Ad-hoc-Laden vom Komfort, der Zuverlässigkeit und auch den Preisen oft verbesserungswürdig. Immerhin haben einige Service Provider inzwischen die Angebote verschiedener Ladesäulenbetreiber über eine personifizierte Ladekarte gebündelt. Und es werden zunehmend Schnellladestationen an den Fernstraßen aufgestellt.

Gleichzeitig wächst die Zahl der Elektromodelle sowie deren Akkukapazitäten. Mit realistischen Reichweiten zwischen 200 und 450 Kilometern bewältigen Elektroautos heute auch längere tägliche Pendelstrecken. Mit entsprechender Schnellladetechnik und sorgfältiger Planung sind sogar Langstrecken möglich. Als Paradebeispiel hierfür gilt Tesla mit einem Netz von Superchargern in Deutschland und Europa. Die deutschen Hersteller ziehen mit dem Ladenetzwerk von Ionity jetzt nach (bis 350 kW Ladeleistung).

Obwohl Elektrofahrzeuge als lokal emissionsfrei gelten, darf man nicht die Emissionen im Kraftwerk vergessen. Deshalb ist ein Elektroauto tatsächlich nur so sauber wie der geladene Strom. Zudem ist die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien sehr energieintensiv, weshalb ein neues Elektroauto seinen Lebenszyklus im Vergleich zu einem Verbrenner-Pkw mit einem "ökologischen Rucksack" beginnt, der umso größer ist, je mehr Kapazität die Batterie besitzt.

Die ADAC Studie zur Gesamt-CO2-Bilanz verschiedener Antriebsarten zeigt, dass ein Elektroauto trotzdem meist besser abschneidet als ein Auto mit Verbrennungsmotor. Bei den Berechnungen wird der deutsche Strommix zugrunde gelegt. Würde ein Fahrzeug zu 100% mit Strom aus regenerativen Quellen wie Windkraft und Photovoltaik geladen, wäre der CO2-Ausstoß im Betrieb äußerst gering (CO2-Wert von Windkraft ca. 20 g/kWh). Durch den steigenden Anteil regenerativer Energien verbessert sich die Bilanz weiter zugunsten des Elektroautos.  

Die Komponenten

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Eine Skizze eines Elektroantriebs von VW
NIcht nur Volkswagen baut seine E-Autos in "Skateboard"-Architektur 

Das Herz des Elektroautos ist der Akku. Weitere Komponenten sind der Elektromotor, die Leistungselektronik sowie die Kühlsysteme beziehungsweise das Temperaturmanagement. Man könnte das Ganze mit einem Organismus vergleichen: Wird der Akku nicht in einem bestimmten Temperaturfenster gehalten, fühlt er sich nicht wohl und kann nicht gut arbeiten. Ist ihm zu heiß, können die Zellen Schaden nehmen, wird ihm zu kalt, schränkt das Leistung und Kapazität ein.

Bei der Anordnung der Komponenten im Fahrzeug hat sich die sogenannte "Skateboard"-Architektur durchgesetzt: Akku zwischen den Achsen im Unterboden, E-Motor und Leistungselektronik an Vorder- und/oder Hinterachse. Die Karosserie wird sozusagen über dieses Skateboard gestülpt. Eine solche Unterflur-Architektur soll eine etwas bessere Raumausnutzung ermöglichen als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.

Der Elektromotor: Komfort und Effizienz

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Ein Elektromotor
Elektromotor mit Getriebe, Kühlung und Elektronik von ZF

Der Elektromotor wurde bereits 1837/1838 patentiert. Seitdem hat man ihn in unzähligen Bereichen, in der Industrie, im Handwerk und bei der Mobilität (elektrische Bahn) eingesetzt. Und er bewährte sich als ideale Antriebsmaschine – äußerst effizient im Umgang mit Energie, zuverlässig, verschleißarm, nahezu geräuschlos und vibrationsfrei. Vom Start weg steht bei einem Elektromotor das volle Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich zur Verfügung – weshalb für die meisten Anwendungen ein Getriebe mit fester Übersetzung (nur ein Gang) ausreicht.

Insbesondere der Fahrkomfort des geräuscharmen Antriebes ohne lästige Gangwechsel und der Fahrspaß aufgrund der spontanen Drehmomententfaltung begeistern viele Autofahrer bei ihrer ersten Fahrt mit einem Elektroauto. Dabei arbeitet ein Elektromotor mit einem Wirkungsgrad von über 90% und hat nur wenige Verluste in Form von Wärme oder Reibung.

Die große Herausforderung und gleichzeitig der Grund, warum sich der Elektromotor Anfang des 19. Jahrhunderts für den Einsatz als Antriebsmotor in Kraftfahrzeugen nicht gegen den Verbrennungsmotor durchsetzen konnte, war das Problem der Energiespeicherung – also akzeptable Reichweiten zu erzielen.

Weil E-Motoren leise sind, kann es zu ganz eigenen Problemen kommen. Langsam fahrende Elektroautos werden unter Umständen nicht oder zu spät gehört. So kommt es häufig zu "Schreckmomenten" für Fußgänger, etwa auf Parkplätzen oder in verkehrsberuhigten Bereichen. Ab Mitte 2019 müssen neue Elektroautos deshalb serienmäßig mit einem Soundgenerator ausgerüstet werden, der unter 30 km/h ein künstliches (Warn-)Geräusch erzeugt. Über 30 km/h werden E-Autos wie gewohnt über das Reifengeräusch wahrgenommen.

Lithium-Ionen-Akku: Energie, Sicherheit, Haltbarkeit

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Elektroantrieb Akku im Querschnitt
Aufbau und Gehäuse eines Batteriepaketes von Mercedes

Die wichtigsten Anforderungen an die Batterie eines Elektroautos sind hohe Energie- und Leistungsdichte (wichtig für die Fahrleistungen) sowie Sicherheit und Funktionsfähigkeit. Derzeit konzentrieren sich nahezu alle Fahrzeughersteller und Zulieferer auf die Lithium-Ionen-Batterie, da sie diese Anforderungen am besten erfüllt und zudem noch Entwicklungspotenzial hat. Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich außerdem durch hohe Zyklenfestigkeit (Ladung/Entladung) aus. Schon seit geraumer Zeit sind sie daher Standardausrüstung bei elektrischen Kleingeräten wie Mobiltelefonen, Notebooks und Akku-Werkzeugen.

In den letzten Jahren konnten Leistungsdichte, Energiedichte und Zyklenfestigkeit sukzessive verbessert werden. Kritisch betrachten Experten das Stressverhalten von Lithium-Ionen-Batterien, wenn sie etwa durch hohe Belastung extrem heiß werden. Auch ein Kurzschluss durch Deformation kann gefährlich werden. Im schlimmsten Falle können die Zellen "durchgehen" ("thermal runaway"): Hat eine Lithium-Ionen-Batterie Feuer gefangen, ist sie nicht mehr zu löschen.

Eine defekte Antriebsbatterie kann je nach Fahrzeug-Modell zum finanziellen Totalschaden werden, vergleichbar mit einem Motorschaden beim Verbrenner-Pkw. Insofern sollte man auf die Akku-Garantiezeiten des jeweiligen Herstellers achten und sich erkundigen, ob und zu welchen Kosten ein Teilaustausch von Batteriemodulen möglich ist.

Batterie: Herstellung aufwendig und teuer

Die Herstellung von Antriebsbatterien gestaltet sich sehr energieaufwendig und immer noch verhältnismäßig teuer – obwohl sich die Batteriepreise seit 2013 schon mehr als halbiert haben. Mit fortschreitender technologischen Entwicklung und zunehmenden Batteriestückzahlen gehen Experten von weiter fallenden Batteriepreisen aus. Allerdings könnten bei einem Nachfrageboom wiederum die Rohstoffpreise anziehen.

Trotz der hohen Energiedichte bei Lithium-Ionen-Batterien von etwa 0,14 kWh/kg und einer möglichen Verbesserung auf über 0,20 kWh/kg steht dieser Wert einem Liter Dieselkraftstoff mit gut 10 kWh/l (11,9 kWh/kg) erheblich nach – wobei allerdings die Verluste ("Wirkungsgrad") bei einem Verbrennungsmotor etwa dreimal höher ausfallen als bei einem Elektromotor.

Die realistische Reichweite im Alltag ist ein entscheidender Faktor für die Akzeptanz von Elektroautos. Mehr als die Hälfte der vom ADAC Befragten erwartet von ihrem Elektrofahrzeug eine Reichweite von über 300 Kilometer ohne lästige Ladepause. Konnten lange Zeit nur teure Elektroautos der Oberklasse diese Reichweitenwünsche erfüllen, bietet der Markt inzwischen mehrere Fahrzeugmodelle zu günstigeren Preisen.

So kommen der Hyundai Kona Elektro und der Kia e-Niro mit einer Akkuladung laut Hersteller deutlich über 400 Kilometer weit. Käufer sollten jedoch einkalkulieren, dass die Herstellerangaben im realen Fahrbetrieb kaum zu erreichen sind – egal ob nach neuer WLTP- oder nach alter NEFZ-Messmethode

Im ADAC Autotest zeigt sich, dass die Reichweiten im praxisnahen ADAC EcoTest-Mix knapp 20% unter dem WLTP-Wert und 40% unter den NEFZ-Herstellerangaben liegen. Beispiel Hyundai Kona Elektro mit 64 kWh-Akku: Während der Hersteller die Reichweite im Prospekt mit "bis zu 449 Kilometer" angibt, beträgt der Wert im ADAC EcoTest 375 Kilometer – was trotz dieser Differenz immer noch eine sehr gute Reichweite ist.  

Grundsätzlich wird die Höhe des Stromverbrauchs eines Elektroautos durch den Aufwand an Fahrenergie (je nach Einsatzbedingungen), den Wirkungsgrad der Batterie (innere Widerstände, Batterieheizung und -kühlung, Selbstentladung), des Ladegerätes (Ladeverluste) sowie den Bedarf der Nebenaggregate (im wesentlichen Innenraumklimatisierung) bestimmt.

Wie kommt es zum Reichweitenverlust?

Die Heizung bei Elektroautos benötigt viel Strom und reduziert die Reichweite oft erheblich. Der Mehrverbrauch bzw. Reichweitenverlust hängt dabei von der Außentemperatur, dem Fahrprofil und der Heizungstechnologie (Effizienz) des Fahrzeugs ab und kann bei wenigen Prozent bis 50% im Extremfall liegen. Kurzstrecken und jeweils erneutes Aufheizen des Autos treiben den Energiebedarf zusätzlich in die Höhe.

Einige Hersteller bieten ihre Elektroautos deshalb mit einer Wärmepumpe an, die die Batterieenergie bis zu 4 Mal effizienter zum Heizen nutzt als ohne. Die Klimaanlage im Sommer entzieht ebenfalls Strom aus der Batterie. Dieser Energiebedarf ist im Vergleich zur Heizung aber deutlich geringer.

 

Fazit und Ausblick

Hohe Anschaffungspreise, begrenzte Reichweiten und notwendige Ladepausen auf längeren Strecken führen dazu, dass die meisten Autofahrer noch nicht bereit sind, auf den Elektroantrieb umzusteigen. Mit steigenden Stückzahlen werden jedoch die Produktionskosten deutlich sinken. Außerdem wird die Ladeinfrastruktur dichter, und die Ladetechnologie entwickelt sich weiter. Die Energiewende sorgt zudem dafür, dass auch die Ökobilanz mit nachhaltigeren Produktion von Elektroautos und Batterien besser wird – und E-Fahrzeuge damit wettbewerbsfähiger.

 

Fotos: ADAC/Uwe Rattay (1), PR (3).