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Der ADAC

Der Elektroantrieb – so funktioniert ein Elektroauto

BMW i3 beim Laden an der BMWWelt
Die Zukunft fährt elektrisch. Hier der BMW i3 ∙ © ADAC/Uwe Rattay

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

Ein Elektroauto ist leiselokal emissionsfrei und bietet wegen seines durchzugsstarken Antriebs Fahrkomfort und Fahrspaß. Die Batterien machen Elektroautos in der Anschaffung zwar meistens teurer 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.

Die Zahl der Elektromodelle sowie deren Akkukapazitäten wachsen. Mit realistischen Reichweiten zwischen 200 und 450 Kilometern bewältigen Elektroautos heute auch längere tägliche Pendelstrecken. Mit entsprechender Schnellladetechnik und Planung sind auch Langstrecken möglich.

Elektroautos sind nur so sauber wie ihr Strom

Obwohl Elektrofahrzeuge als lokal emissionsfrei gelten, darf man die Emissionen bei der Stromerzeugung im Kraftwerk nicht vergessen. Deshalb ist ein Elektroauto tatsächlich nur so sauber wie der geladene Strom. Zudem ist die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien sehr energieintensiv. Ein neues Elektroauto beginnt seinen Lebenszyklus im Vergleich zu einem Verbrenner-Pkw mit einem "ökologischen Rucksack", dessen Größe von der Batteriekapazität abhängig ist.

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 Prozent 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 am deutschen Strommix verbessert sich die Bilanz weiter zugunsten des Elektroautos.  

Elektroantrieb: Die Komponenten

Skateboardbauweise eines Elektroautos
Nicht nur Volkswagen baut seine E-Autos in "Skateboard"-Architektur ∙ © Volkswagen

Das Herz des Elektroautos ist der Akku. Weitere Komponenten sind der Elektromotor, die Leistungselektronik sowie die Kühlsysteme beziehungsweise das Temperaturmanagement. Aggregate wie Lenkung, Bremsgerät und Heizung/Klimaanlage werden elektrisch betrieben. Auch das 12-Volt Bordnetz wird über einen Spannungswandler aus der Hochvoltbatterie versorgt. Das "Gehirn" der Batterie ist das Batteriemanagementsystem, welches stets den Zustand der Batterie kennt und Ladevorgänge und Leistungen während des Betriebes regelt.

Bei der Anordnung der Komponenten im Fahrzeug hat sich die so genannte "Skateboard"-Architektur durchgesetzt: Der Akku liegt zwischen den Achsen im Unterboden, der Elektromotor und die Leistungselektronik an Vorder- und/oder Hinterachse. Die Karosserie wird dann über dieses Skateboard "gestülpt". Diese Unterflur-Architektur garantiert einen niedrigen Schwerpunkt und ermöglicht eine etwas bessere Raumnutzung als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.

Elektromotor: Fahrkomfort und Effizienz

Elektromotor eines Elektroautos
Elektromotor mit Getriebe, Kühlung und Elektronik von ZF ∙ © ZF

Der Elektromotor wurde bereits 1837/38 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: zuverlässigverschleißarm, nahezu geräuschlos und vibrationsfrei. Vom Start weg steht bei einem Elektromotor das volle Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich zur Verfügung. Deshalb reicht für die meisten Anwendungen ein Getriebe mit fester Übersetzung (nur ein Gang) aus.

Insbesondere der Fahrkomfort des geräuscharmen Antriebes ohne lästige Gangwechsel und der Fahrspaß aufgrund der spontanen Drehmomententfaltung begeistern viele Autofahrer. Physikalisch betrachtet arbeitet ein Elektromotor mit einem Wirkungsgrad von über 90 Prozent 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 die Energiespeicherung für eine akzeptable Reichweite.

Beim Bremsen und Bergabfahren wird der Elektromotor zum Stromgenerator und gewinnt dabei Energie zurück (Rekuperation). Durch vorausschauendes Fahren lässt sich damit ein Elektroauto fast ohne Einsatz der mechanischen Bremse fahren, wodurch die Bremse auch länger hält.

Weil Elektromotoren leise sind, kann es im Straßenverkehr dazu kommen, dass langsam fahrende Elektroautos unter Umständen nicht oder zu spät gehört werden. So kommt es für Fußgänger zu "Schreckmomenten", etwa auf Parkplätzen oder in verkehrsberuhigten Bereichen. Seit Mitte 2019 müssen neue Elektroautos deshalb serienmäßig mit einem Soundgenerator ausgerüstet werden, der bis 20 km/h ein künstliches (Warn-)Geräusch erzeugt. Bei höheren Geschwindigkeiten werden Elektroautos wie gewohnt über das Reifengeräusch wahrgenommen.

Lithium-Ionen-Akku: Energie, Sicherheit, Haltbarkeit

Akku eines Elektroautos
Aufbau und Gehäuse eines Batteriepaketes von Mercedes ∙ © Mercedes

Energieinhalt und Haltbarkeit

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 diese die 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 auch die Standardausrüstung bei elektrischen Kleingeräten wie Mobiltelefonen, Notebooks und Akku-Werkzeugen.

Im Gegensatz zu den dort verbauten Lithium-Ionen-Akkus haben die im Elektroauto eingesetzten Akkus ein ausgeklügeltes Thermomanagement. Dieses sorgt maßgeblich für eine lange Lebensdauer der Batteriezellen. Es stellt einerseits sicher, dass die Zellen nicht überhitzen, und steuert andererseits bei Kälte die Temperierung sowie die Leistungsabgabe, damit die Zellen nicht beschädigt werden.

Lithium-Ionen-Batterie_Funktionsweise Batterie
Beim Laden wandern die Lithium-Ionen (Li+) von der Kathode zur Anode ∙ © ADAC e.V.

Der Vergleich mit einem Organismus liegt auf der Hand: Wird der Akku nicht in einem bestimmten Temperaturbereich (etwa 10 bis 40 Grad Celsius) gehalten, fühlt er sich nicht wohl, kann nicht gut arbeiten oder nimmt sogar Schaden. Jede Zelle wird dabei durch das Batteriemanagementsystem (BMS) und Sensoren hinsichtlich ihrer Spannung, Ströme und Temperaturen überwacht.

Batteriezellen gibt es in drei gängigen Bauformen: Rund, prismatisch (rechteckig) oder als Pouchzelle, vergleichbar einem vakuumierten Kaffeepack. Des weiteren gibt es unterschiedliche Zellchemien, die auch unterschiedliche Stärken und Schwächen bei Energiedichte, Schnellladefähigkeit und Leistungsdichte, Zyklenfestigkeit (Lebensdauer), Sicherheit, Temperaturverhalten, Rohstoffe oder Kosten haben. In den letzten Jahren konnten Leistungsdichte, Energiedichte und Zyklenfestigkeit sukzessive verbessert werden.

Ladeprozess-Lithium-Ionen-Batterie-Schema
Damit die Batterie nicht gestresst wird, bleibt ein Teil als Puffer ungenutzt. ∙ © ADAC e.V.

Für den Autofahrer ist es wichtig zu wissen, dass die Batteriegrößen bzw. deren Energieinhalt auf zwei Arten angegeben wird: der gesamte (brutto) oder der tatsächlich nutzbare (netto) Energieinhalt. Hintergrund: Vom gesamten Energieinhalt der Batterie (brutto) bleibt ein Puffer am oberen und unteren Batterieladestand ungenutzt. Diese Maßnahme dient dazu, eine möglichst lange Lebensdauer der Batterie sicherzustellen: Weil sie nicht an ihre Belastungsgrenzen getrieben wird, ist sie weniger gestresst.

Batterien sind prinzipiell sicher

Die elektrischen Komponenten serienmäßig hergestellter Elektroautos sind eigensicher ausgelegt. Im normalen, bestimmungsgemäßen Betrieb können diese Elektroautos deshalb als sicher angesehen werden.

Kritisch kann es werden, wenn die Antriebsbatterie durch einen Unfall verformt und beschädigt wird. Damit das nicht passiert, sind Hochvoltbatterien in crashgeschützten Bereichen mit einem stabilen Batteriegehäuse aus Stahl oder Aluminium untergebracht. Hält das Batteriegehäuse wegen extremer Belastungen nicht mehr stand, können im schlimmsten Fall Zellen "durchgehen" – der so genannte "thermal runaway". Eine brennende Antriebsbatterie muss dann mit viel Wasser gelöscht werden. Solche Fälle sind aber extrem selten, da der Stromfluss der Batterie bei einem Unfall sofort durch einen Notausmechanismus unterbrochen wird.

Defekte Antriebsbatterien

Eine defekte Antriebsbatterie kann sehr teuer werden, vergleichbar mit einem Motorschaden beim Verbrenner-Pkw. Bei den aktuell erhältlichen Elektroautos ist eine modulare Reparatur der Batterie in den meisten Fällen grundsätzlich möglich, wenn auch nicht in jedem Fall in den Werkstätten durchführbar. 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.

Batterieproduktion ist aufwendig und teuer

Die Herstellung von Antriebsbatterien kostet nach wie vor sehr viel Energie (insbesondere für die Hitzetrocknung der beschichteten Metallfolien), den Einsatz wertvoller Rohstoffe und ist immer noch verhältnismäßig teuer – obwohl sich die Batteriepreise seit 2013 bereits mehr als halbiert haben. Auch wenn Feststoffbatterien als Energiespeicher der nächsten Generation gehandelt werden, steckt Experten zufolge noch viel Potenzial in Lithium-Ionen-Akkus. Mit fortschreitender technologischer Entwicklung und steigenden Batteriestückzahlen sind sowohl weiter fallende Batteriepreise als auch Verbesserungen bei der Energiedichte zu erwarten.

Im Idealfall werden Batterien mit 100 Prozent regenerativem Strom hergestellt. Geschieht das nicht, beginnt ihr Leben schon mit einer entsprechenden CO₂-Belastung. Je größer die Batterie, desto größer ihr CO₂-Rucksack.

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Wie realistisch sind die Reichweiten?

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 Kilometern 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 generell knapp 20 Prozent unter dem WLTP-Wert und 40 Prozent 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" gemäß WLTP angibt, beträgt der Wert im ADAC Ecotest 375 Kilometer – trotz der Differenz immer noch eine sehr gute Reichweite.

Der Stromverbrauch eines Elektroautos ergibt sich aus dem Aufwand an Fahrenergie (je nach Einsatzbedingungen), dem Wirkungsgrad der Batterie (innere Widerstände, Batterieheizung und -kühlung, Selbstentladung), der Leistung des Ladegeräts (Ladeverluste) sowie durch den Bedarf der Nebenaggregate (im wesentlichen Innenraumklimatisierung).

Die im Alltag erzielbare Reichweite hängt maßgeblich vom Fahrverhalten, der Außentemperatur, den Wetterbedingungen sowie der Nutzung von elektrischen Verbrauchern wie zum Beispiel Heizung oder Klimaanlage ab. Im Stadt- und Landstraßenverkehr sind Elektroautos sehr effizient, bei höheren Geschwindigkeiten auf der Autobahn steigt der Stromverbrauch dagegen deutlich an und die Reichweite geht spürbar zurück. Zur Reichweitenoptimierung bieten Elektroautos einen Eco-Fahrmodus an, teilweise sind energiesparende Wärmepumpen erhältlich.

Denn 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. Grundsätzlich gilt, dass Elektroautos im Winter zwischen 10 und 30 Prozent, im Extremfall bis zu 50 Prozent mehr Energie verbrauchen. Die Reichweite reduziert sich entsprechend. 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 viermal effizienter zum Heizen nutzt. Der Energiebedarf für die Klimaanlage im Sommer ist im Vergleich zur Heizung spürbar geringer.

Fazit und Ausblick

Bisher führten hohe Anschaffungspreise, begrenzte Reichweiten und notwendige Ladepausen auf längeren Strecken dazu, dass die meisten Autofahrer in Deutschland noch nicht bereit waren, auf den Elektroantrieb umzusteigen.

Mit steigenden Stückzahlen und technologischer Weiterentwicklung werden jedoch die Kosten zunehmend sinken. Außerdem wird die Ladeinfrastruktur dichter und die Ladetechnologie entwickelt sich weiter. Die Energiewende sowie Bemühungen der Hersteller sorgen zudem dafür, dass auch die Ökobilanz mit nachhaltigerer Produktion von Elektroautos und Batterien besser wird. Durch diese Maßnahmen können Elektroautos wettbewerbsfähiger und auch für eine breitere Zielgruppe stets interessanter werden.