Wie funktioniert ein Elektroauto?

24.03.2023 | Ein E-Auto funktioniert im Grunde genauso, wie unsere bisherigen Autos: Einsteigen, aufs E-Pedal steigen und losfahren. Im Detail offenbaren sich dann aber doch einige Unterschiede, nicht zuletzt aufgrund einiger anderer Bauteile im Aufbau eines Elektroautos, vorrangig dem Elektromotor und dem Energiespeicher, der Batterie. Wie genau ein E-Auto aufgebaut ist und wie es funktioniert, erklärt MeinAuto.de.

Wie funktioniert ein Elektroauto?

Das physikalische Grundprinzip eines E-Autos ist dasselbe wie das eines Autos mit Verbrennungsmotoren: Chemische Energie wird in Bewegungsenergie umgewandelt: konkret dazu genutzt, ein Fahrzeug zu bewegen.

Ein zentraler Unterschied zwischen E-Auto und Verbrennern ist aber: Beim E-Auto ist auch der entgegengesetzte Vorgang möglich – die Bewegungsenergie kann zum Teil wieder in elektrische und dann in chemische Energie umgewandelt werden.

Autos mit Verbrennungsmotoren nutzen die in Benzin oder Diesel gespeicherte chemische Energie. Frei gesetzt wird sie, indem der Kraftstoff verbrannt wird.

Das zentrale Endprodukt der chemischen Reaktion ist Kohlendioxid, CO2. Der in Erdöl gebundene Kohlenstoff, der beim Verbrennen im Motor als CO2 ausgestoßen wird, stammt aus Reservoirs längst vergangener Zeitalter. Im Wesentlichen sind es abgestorbene Algen der Devon- und Kreidezeit (400 bis 100 Millionen Jahren); deren einstige Kohlenstoffkreisläufe existieren längst nicht mehr. Deshalb bleibt jedes von Verbrennungsmotoren ausgestoßene CO2-Molekül auf Jahrtausende in der Atmosphäre.

Die CO2-Konzentration in der Atmosphäre steigt, wo Kohlendioxid als Treibhausgas die Erderwärmung wesentlich verursacht. Diesen Teufelskreis soll der elektrische Antrieb durchbrechen.

Statt Benzin und Diesel nutzt er elektrische Energie, Strom. Lokal ist der E-Antrieb damit emissionsfrei. Wird der Strom nachhaltig oder wenigstens möglichst CO2-arm erzeugt, reduziert sich der Kohlendioxid-Ausstoß erheblich.

Aufbau E-Auto

Die Batterie

Damit ein Elektromotor ein Elektroauto antreiben kann, braucht er elektrische Energie. Dazu muss der Strom von der Steckdose zum Elektromotor gelangen. Da unsere Straßen keine Oberleitungen besitzen, müssen wir die elektrische Energie im Auto mitführen. Es bedarf eines mobilen Stromspeichers: einer Batterie.

Gespeichert wird der Strom Elektroautos gegenwärtig praktisch ausschließlich in Lithium-Ionen-Akkus: das heißt elektrochemisch in einer wiederaufladbaren Batterie. Lithium-Ionen-Batterien in Elektroautos sind modular aufgebaut. Sie setzen sich aus rund einem Dutzend Einzel-Modulen zusammen, die wiederum aus mehreren Zellen bestehen.

Was passiert auf Zellebene?

Die einzelne Lithium-Ionen-Zellen sind galvanische Elemente: Sie wandeln chemische Energie spontan in elektrische Energie, Strom, um. Dazu benötigt sie Pluspol, Minuspol und eine leitende chemischen Substanz, den Elektrolyten.

Wie funktioniert die Umwandlung?

Verlangt der Elektromotor nach elektrischer Energie, gibt die negative Elektrode – konkret ihr Aktivmaterial (Aluminium-Graphit), die Anode – negativ geladene Elektronen ab. Sie fließen zurück zur positiven Elektrode, der Kathode: der Stromkreis ist geschlossen.

Aufgenommen werden sie dort von den Aktivmaterialien – je nach Bauart von einer Nickel-Cobalt-Mangan oder Eisenphosphat-Verbindung. Zum Ausgleich der Spannung fließen in der Zelle, im Elektrolyten, positiv geladene Lithium-Ionen vom Minus- zum Pluspol, von der Anode zur Kathode.

Da sich die Lithium-Ionen stärker zu den Aktivmaterialien der Kathode hingezogen fühlen, wird bei dieser chemischen Reaktion Energie frei. Da die Aktivmaterialien die negativen Elektronen aufnehmen, bleibt die Ladung der Ionen erhalten. Die Reaktion ist umkehrbar, beim Laden wandern die Ionen zurück zur Anode. Einen Kurzschluss verhindert ein Separator im Elektrolyten: Er ist für die Elektronen undurchlässig, die Lithium-Ionen können ihn aber ungehindert durchwandern.

Module und Batterie: Die Spannung steigt

Eine Lithium-Ionen-Zelle erzeugt allein aber nicht die nötige Spannung, die der E-Motor eines Elektroautos benötigt. Die Zellspannungen bewegen sich heute zwischen 2,2 bis 4,2 Volt. Deshalb werden mehrere Zellen in Reihe zu ganzen Modulen geschaltet; und rund ein Dutzend Module zu einer ganzen Batterie.

So wird der elektrische Strom aus der Steckdose oder der Ladestation chemisch gespeichert und bei Bedarf als Elektrizität an den Elektromotor abgegeben.

Drehstrom-Synchronmaschinen

Beim Synchronmotor ist die Drehzahl des magnetischen Feldes im Stator identisch mit der mechanischen Drehzahl des Rotors: beide laufen synchron. Wird die Maschine als Generator genutzt, läuft der Läufer dem magnetischen Drehfeld voraus; arbeitet die Synchronmaschine als Motor, läuft der Rotor dem Drehfeld nach.

Damit Synchronmaschinen laufen, müssen sie – anders als Asynchronmotoren – erregt werden.

• Die Erregung kann permanent erfolgen: in dem Fall besteht der Rotor aus einem Permanentmagneten.
• Alternativ dazu kann der Läufer auch fremderregt werden; in diesem Fall sind im Rotor Elektromagnete verbaut.

So oder so wird im Läufer ein konstantes Magnetfeld erzeugt. Ihm steht das magnetische Drehfeld im Stator gegenüber. Dazu sind im Ständer Kupferwicklungen integriert. Im Motorbetrieb entsteht durch den Stromfluss in ihnen ein Drehfeld, das den Rotor mitzieht. Im Generatorbetrieb baut sich das magnetische Drehfeld im Stator durch die Drehbewegung des Läufer-Magneten auf.

Die Vorteile der Synchronmaschine sind generell ihr sehr hoher Wirkungsgrad von über 90% (bei den besten Verbrennungsmotoren liegt er kaum über 40%), ein hohes Drehmoment und eine hohe spezifische Leistung. Permanenterregte Synchronmotoren sind vollkommen verschleiß- und wartungsfrei; der Permanent-Magnet benötigt aber teure und ökologisch nicht unbedenkliche seltene Erden.

Beim fremderregten Synchronmotor ersetzen Elektromagnete den Permanentmagnet. Das senkt die Kosten, gleichzeitig geringfügig aber auch den Wirkungsgrad. Außerdem kommt es zu einem geringfügigen Verschleiß, weil der Erregerstrom über Schleifringe an die Elektromagnete übertragen werden muss. Deshalb wird diese Bauart seltener eingesetzt, etwa im Renault ZOE und im Smart EQ. Im BMW iX3 überzeugt die fremderregte Synchronmaschine aktuell mit ihrer Effizienz und ihrer verschleißfesten Laufleistung (300.000 Kilometer, 8.000 Betriebsstunden).

Drehstrom-Asynchronmaschinen

In der Asynchronmaschine laufen das magnetische Drehfeld im Ständer und das im Rotor unterschiedlich schnell: asynchron. Im Motorbetrieb dreht sich der Rotor langsamer als das Drehfeld des Stators – im Generatorbetrieb ist es umgekehrt.

Asynchronmotoren sind in den verschiedensten Geräten im Einsatz, von Lüftern über Pumpen bis zu Werkzeugen. Auch einige Elektroautos nutzen sie als Antriebe. Mercedes setzt beim EQC ausschließlich auf Asynchronmotoren. Meist sind sie aber als Zusatzmotoren bei einem elektrischen Allradantrieb am Werk: etwa beim Tesla Model S. Der Grund: Asynchronmotoren sind weniger effizient als Synchronmaschinen, allerdings auch um einiges günstiger. Zumal punkten sie mit einem harmonischen Drehmomentverlauf und haben im Leerlauf kein Bremsmoment.

Vorzüge des Elektromotors im Überblick

• lokal ohne Emissionen
• äußerst hoher Wirkungsgrad
• praktisch verschleißfrei
• keine Vibrationen & minimale Geräuschentwicklung
• enorm breiter, nutzbarer Drehzahl- und Drehmoment-Bereich

Aufbau & Elektroauto

Getriebe, Elektronik, Kühlung

Die zwei wichtigsten Bauteile eines Elektromotors funktionieren – noch arbeiten sie aber nicht zusammen. Damit die elektrische Energie von der Steckdose zur Batterie und von der Batterie zum Motor kommt, braucht ein Elektroauto u.a. Hochvolt-Kabel, ein Ladegerät mit verschiedenen Steckern und diverse Wechsel- und Gleichrichter.

Damit der Elektromotor seine Drehbewegung auf die Räder übertragen kann, benötigt er eine Antriebswelle und ein Getriebe. Gerade beim Getriebe sind E-Maschinen deutlich weniger Anspruchsvoll als Verbrennungsmotoren.

Das Drehzahl- und Drehmomentband ist so breit, dass in der Regel ein einfaches Untersetzungsgetriebe reicht; ein gesondertes Rückwärtsgetriebe kann ebenfalls entfallen – E-Motor laufen in beide Richtungen. Bei besonders schweren E-Autos verbauen die Hersteller dennoch manchmal ein Zweiganggetriebe, um die Effizienz des Antriebs zu steigern.

Das Zusammenspiel all dieser Komponenten regelt die Leistungselektronik: das Gehirn des Elektroautos. Eine zentrale Regelfunktion ist die Kühlung. Der Elektromotor ist aufgrund seiner außergewöhnlich hohen Effizienz weniger anspruchsvoll als Verbrennungsmotoren – die klassischen Kühlöffnungen im Kühlergrill können meist entfallen: ein Gewinn für die Aerodynamik. Die geringe Abwärme des E-Motors ist allerdings ein Problem für die Heizung: sie verbraucht im E-Auto mehr Strom. Abhilfe schafft eine Wärmepumpe, die die Energie der Batterie effizienter nutzt und den Stromverbrauch für die Heizung auf rund ein Viertel senkt.

Höchst anspruchsvoll und entscheidend ist das Thermomanagement der Batterie. Es gilt den Akku bei allen Bedingungen in seinem Wohlfühl-Temperaturbereich von rund 10 bis 40 °C zu halten. Geregelt wird die Temperatur vom Batteriemanagement-System, gekühlt werden die Akkus meist flüssig.

Beschleunigung & Übersetzung: Ein spezielles Erst-Erlebnis

Wer das erste Mal in einem Elektroauto aufs Gaspedal steigt, wird freudig überrascht sein.

Benziner und Dieselmotoren brauchen Zeit, um ihre volle Leistung zu entfalten ein Elektromotor spielt sein ganzes Drehmoment praktisch ab der ersten Umdrehung aus. Vor allem bei E-Autos mit viel Leistung sollte man mit dem Gas- bzw. E-Pedal anfänglich vorsichtig umgehen – nicht zuletzt im Kolonnenverkehr.

Ein zweiter Vorzug des Elektromotors ist, dass a) das Drehmoment über ein enorm weites Drehzahlband abrufbar ist; und b) sehr hohe Drehzahlen möglich sind (in BEVs weit über 10.000 Touren). Elektroautos kommen deshalb mit einem Vorwärts- und einem Rückwärtsgang aus; letzterer benötigt kein eigenes Getriebe. Die Automatik ist im E-Autos Serie – entsprechend hoch ist der Schaltkomfort.

Keine Pflicht, aber ein Bonus ist das E-Kennzeichen. Elektroautos stoßen lokal keine Emissionen aus und sind im Straßen- und vor allem im Stadtverkehr deshalb privilegiert: bspw. durch günstigere Parkmöglichkeiten oder die Ausnahme von Geschwindigkeitsbeschränkungen, die die Luftverschmutzung verringern sollen.

Energierückgewinnung

Das Elektroauto als Generator

Ein grundlegender Unterschied zwischen Verbrennungs- und Elektromotoren ist: Die in E-Autos eingesetzten Drehstrommaschinen können sowohl als Motor wie als Generator arbeiten: Stichwort Rekuperation.

Als Motor treiben Drehstrommaschinen das E-Auto an, als Generator verwandeln sie einen Teil der Bewegungsenergie wieder in Strom; er wird in der Batterie chemisch gespeichert und bei Bedarf wieder als Strom genutzt. Ein Verbrenner verzögert entweder mit der Bremswirkung des Motors oder der Bremsen: die Bewegungsenergie verpufft ungenutzt.

Anders formuliert: Wer sein Elektroauto richtig verzögert, kann einiges an Energie, an Strom sparen.

• Wie stark der Elektromotor rekuperiert und damit verzögert, wenn man vom Gas geht, kann bei den meisten Elektroautos eingestellt werden: über Schaltwippen am Lenkrad oder am Automatik-Hebel.
• In der stärksten Stufe ist die Verzögerung bei vielen E-Autos so stark, dass sie ohne Bremspedal zum Stillstand kommen können (Ein-Pedal-Fahren bzw. One-Pedal-Driving).

Immer häufiger setzen die Hersteller auf adaptive Energierückgewinnungssysteme. Sie arbeiten einerseits mit den Assistenzsystemen zusammen, um den Abstand zum Verkehr über die Rekuperation möglichst energiesparend zu regeln, andererseits beziehen sie in die Energierückgewinnungsstrategie auch die Route und ihre Eigenheiten ein. Wo kann am besten, wo am meisten Energie zurückgewonnen werden, wo braucht der Antrieb mehr Leistung, etc.: als das entscheidet die Elektronik eigenständig

Braucht der Energiespeicher eine Sonderbehandlung?

Kurz und knapp gesagt: Nein, die aktuelle Generation der Lithium-Ionen-Akkus hat keine besonders sensible Behandlung notwendig.

Das Batteriemanagement-System sorgt gemeinsam mit der aktiven Wärmeregulierung (Kühlung) dafür, dass moderne Akkus garantiert mindestens 8 Jahre oder 160.000 Kilometer halten (1.000 Vollladezyklen) – in den meisten Fällen auch deutlich länger. Ein paar Regeln im Umgang mit dem Speicher schaden aber nicht.

Fürs E-Auto-Laden gilt kurz gesagt, Extreme vermeiden.

• Am besten wird die Batterie direkt nach dem Fahren geladen. Die Batterie ist – dank des Batteriemanagement-Systems und der Thermo-Regulieren – auf idealer Betriebstemperatur. Steht das Auto, sind diese Systeme normalerweise nicht mehr aktiv.
• Es empfiehlt sich außerdem, den Akku nicht vollkommen leer fahren und – gerade beim Schnellladen – nicht bis zum Bersten vollzuladen. Im Grunde regelt all das aber das Batteriemanagement-System.
• Wenn möglich, ist das langsame Laden mit Wechselstrom dem Schnellladen mit Gleichstrom vorzuziehen; letzteres beansprucht die Batterie stärker.
• Das E-Auto sollte mit vollgeladenem Akku nie lange stehen gelassen werden – auch das zehrt an der Lebensdauer.
• An kalten Tagen sollte das E-Auto, wenn möglich, geschützt in der Garage oder in einem Carport abgestellt werden – Kälte ist des Lithium-Ionen-Akkus Kryptonit.

Apropos Kälte und Hitze. Lithium-Ionen-Akkus funktionieren am besten und halten am längsten bei moderaten Temperaturen, rund 10 bis 40°C im Betrieb und 10 bis 25 °C für die Umgebung – ähnlich wie wir Menschen. Ist es deutlich heißer oder kühler, heizen oder kühlen wir gerne den Innenraum des Autos. Da ein Elektromotor deutlich effizienter ist als ein Verbrennungsmotor, entsteht bei Elektroautos weniger Abwärme: Der Nachteil. Das Heizen verbraucht viel mehr Energie. Die holen sich die elektrischen Verbraucher aus dem Akku – das verringert die Reichweite. Verhindern bzw. minimieren lässt sich das, indem der Innenraum und die Batterie noch am Stromnetz auf die richtige Temperatur gebracht werden.

Ziehen eines Anhängers

Um die einzelnen Komponenten, den Motor und insbesondere die Batterie nicht zu sehr zu belasten und zu überhitzen, haben die Hersteller in den ersten Jahren für ihre E-Autos keine Anhängelasten freigegeben. Diese Zeiten gehören der Vergangenheit an: mittlerweile können auch Elektroautos Anhänger ziehen, oft mit einem Gewicht weit jenseits der 1.000 Kilo.