Wie funktioniert eigentlich ein Elektroauto?
Schon Ende des 19. Jahrhunderts tüftelten erste Pioniere am Elektromotor. Auf den Durchbruch musste der E-Motor dann aber bis ins 21. Jahrhundert warten. Heute gilt: Die Zukunft ist elektrisch. Deshalb lohnt es sich, einen Blick auf die Technik zu werfen.
Wir schauen unter die Haube und verraten Ihnen, wie ein Elektroauto funktioniert.
Foto: PantherMedia / Leonello Calvetti
Elektromobilität ist keine neue Erfindung. Schon Ende des 19. Jahrhunderts entwickelten die damaligen Pioniere Elektroautos, darunter sogar einen Rennwagen. Der richtige Durchbruch gelang nicht so recht. Vielmehr besetzten Elektroautos bis zu den 1990er Jahren eher eine Nische. Erst stetig zunehmende Umweltbelastungen durch den Straßenverkehr ließen das Interesse für die Umwelt und die effiziente Nutzung von Ressourcen steigen. Das wiederum führte zu einem neuen Aufschwung des Antriebs. 2006 trat dann Tesla Motors an und präsentierte das erste Serien-E-Auto, das aufgrund einer Reichweite von 350 Kilometern langstreckentauglich sein sollte.
Inhaltsverzeichnis
Seit 2013 spielt die E-Mobilität auch in Deutschland und der EU eine große Rolle – vor allem angetrieben durch politische Beschlüsse. Somit ist entschieden: Die Zukunft der Mobilität ist vor allem elektrisch. Das belegen auch die Zulassungszahlen in Deutschland. Waren es im Jahr 2013 noch 0,02 Prozent, lag der Wert 2023 bei 3,85 Prozent – Plug-In-Hybride eingeschlossen. Inzwischen hat nicht nur jeder Automobilhersteller E-Autos im Portfolio, einige haben sich bereits darauf festgelegt, künftig ausschließlich Autos mit elektrischem Antrieb zu produzieren.
So funktioniert ein E-Auto
Ein Elektroauto wird mit einem oder mehreren Elektromotoren angetrieben. Sie gehen effizient mit Energie um, zeigen wenig Verschleiß, sind weitgehend geräuschlos und vibrationsfrei. Die notwendige Energie kommt aus Batterien, die sich wieder aufladen lassen – auch Akku genannt. Sie steht nach dem Starten des Fahrzeugs sofort bereit. Das bedeutet: In der Regel ist ein Getriebe mit meist nur einem Gang ausreichend. Die Energie, die beim Bremsen oder Bergabfahren entsteht, kann das Fahrzeug zurückgewinnen.
Typisch für ein E-Auto ist der Frontantrieb – vorn ist in der Regel auch der Motor platziert. Da das E-Auto ohne Schaltgetriebe auskommt, entfällt auch die Kupplung. Ein E-Motor kann sowohl vorwärts als auch rückwärts laufen. Den eingebauten Rückwärtsgang gibt es in E-Autos hauptsächlich deshalb, weil Autofahrerinnen und Autofahrer daran gewöhnt sind. Ein sogenannter Inverter und Spannungswandler verbindet E-Motor und Batterie. Eine integrierte Leistungselektronik regelt den Motor, wandelt Gleichspannung aus der Batterie in Wechselspannung um, damit der Motor sie verarbeiten kann.
Aufbau eines Elektromotors
Elektromotoren sind das Herzstück moderner Elektrofahrzeuge. Sie wandeln die elektrische Energie aus der Batterie in mechanische Energie um und sorgen so für die Fortbewegung des Fahrzeugs. Im Folgenden wird der Aufbau eines Elektromotors und seine Funktionsweise näher erläutert.
Der Aufbau: Stator und Rotor
Ein Elektromotor besteht im Wesentlichen aus zwei Hauptkomponenten: dem Stator und dem Rotor. Beides sind elektromagnetische Bauteile, die bei Stromzufuhr Magnetfelder erzeugen. Der Stator, der feststehende Teil des Motors, wird mit Gleichstrom versorgt und erzeugt ein konstantes Magnetfeld. Der Rotor hingegen, der sich innerhalb des Stators befindet und beweglich ist, wird mit Wechselstrom versorgt. Dadurch wechselt das Magnetfeld des Rotors ständig seine Pole, was die Rotation bewirkt.
Das Prinzip der Magnetfelder
Das Grundprinzip, nach dem ein Elektromotor funktioniert, ist die Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern von Stator und Rotor. Unterschiedliche Magnetpole (Plus und Minus) ziehen sich an, gleiche Pole stoßen sich ab. Durch dieses ständige Anziehen und Abstoßen zwischen Rotor und Stator dreht sich der Rotor kontinuierlich. Diese Rotation wird direkt auf die Antriebsräder des Fahrzeugs übertragen und sorgt so für den Vortrieb.
Aufgabe der Leistungselektronik
Die Leistungselektronik übernimmt die Steuerung des Elektromotors. Sie ist das „Gehirn“ des Motors, indem sie Ströme und Spannungen regelt. Diese präzise Regelung ist entscheidend für die Effizienz und Leistung des Motors.
Vorteile und Geschichte
Der Elektromotor ist keine neue Erfindung. Das erste Patent wurde bereits 1837/38 angemeldet. Seitdem haben sie sich als besonders effizient, leise und verschleißarm erwiesen. Mit einem Wirkungsgrad von bis zu 99 % und dem sofort verfügbaren vollen Drehmoment bieten sie gegenüber Verbrennungsmotoren deutliche Vorteile, zum Beispiel eine schnellere Beschleunigung. Zudem können sie beim Bremsen oder Bergabfahren Energie zurückgewinnen (Rekuperation), was die Reichweite erhöht.
E-Autos: Die unterschiedlichen Typen
Elektroauto ist nicht gleich Elektroauto. Man unterscheidet zwischen reinen E-Fahrzeugen, auch BEVs genannt, Plug-In-Hybridfahrzeugen (PHEVs) und Brennstoffzellenfahrzeugen (FCEVs). Wie die BEVs funktionieren, haben wir im Kapitel zuvor beschrieben, hier stellen wir die beiden anderen E-Autotypen kurz vor.
Plug-In-Hybridfahrzeugen
Im Unterschied zum reinen Elektroauto werden bei PHEVs Elektro- und Verbrennungsmotor miteinander kombiniert. Die Idee dahinter: Die Vorteile aus beiden Systemen zu nutzen und so ein möglichst effizientes Gesamtsystem zu kreieren. PHEVs sind ebenfalls mit Batterie und E-Motor ausgestattet. Ihre Energie erhalten sie von der überschüssigen Leistung des Verbrennungsmotors, zusätzlich lassen sie sich auch per Stecker zum Beispiel an einer Wallbox aufladen.
Auch bei diesen Fahrzeugen wird die kinetische Energie, die beim Bremsen entsteht, zurückgewonnen und genutzt. Kurze Strecken zwischen 40 und 60 Kilometer lassen sich mit dem PHEV rein elektrisch fahren. Neben den PHEVs gibt es auch noch sogenannte Mild- und Vollhybride. Ein Mild-Hybrid bedeutet, dass der E-Motor lediglich unterstützt. Beim Vollhybrid kann das Auto bis rund 50 km/h auch ausschließlich mit dem E-Motor fahren.
Brennstoffzellenfahrzeuge
Brennstoffzellenfahrzeuge funktionieren in Kombination mit Wasserstoff. Dieser erzeugt mittels Umkehrung der Elektrolyse den für die Fahrt notwendigen Strom. Die beim Beschleunigen entstehenden Lastspitzen werden durch eine kleine Batterie abgedeckt. Diese kann auch die kinetische Energie, die beim Bremsen entsteht, aufnehmen. Während in E-Autos vor allem die Batterien den meisten Platz einnehmen, sind es beim Brennstoffzellenfahrzeug die Wasserstofftanks. Grundsätzlich gehören diese Fahrzeuge auch in die Kategorie E-Autos. Klarer Nachteil für Brennstoffzellenfahrzeuge: Es gibt kein flächendeckendes Tankstellennetz.
Ohne Batterie läuft beim E-Auto gar nichts
Gerade auf die Batterie kommt es bei E-Autos an. Vom Grundprinzip her funktioniert die Batterie im E-Auto ähnlich wie bei Tablet, Smartphone und Laptop. Das bedeutet: Sie verliert ihre Leistungsfähigkeit, weil sie durch Ladevorgänge altert und aufgrund der zeitlichen Komponente.
Aktuell dominieren in der Batterietechnologie Lithium-Ionen-Akkus. Ihre Lebensdauer wird mit mindestens 1.000 kompletten Ladezyklen beschrieben. Umgerechnet in eine Kilometerlaufleistung entspricht das gemäß den Angaben von TÜV Nord mindestens 300.000 Kilometer. Allerdings kann man davon ausgehen, dass ein Akku realistisch betrachtet durchaus deutlich länger hält. Das liegt vor allem daran, dass ein Akku von einem E-Auto in der Regel nicht komplett leer gefahren wird, sondern immer zwischendurch geladen wird. Das verringert die Belastung und sorgt gleichzeitig für eine längere Lebensdauer.
Ohne intelligentes Batteriemanagement geht es im E-Auto nicht. Es sorgt dafür, dass Temperatur und Spannung immer optimal geregelt sind. Denn Batterien sollten weder überhitzen noch zu kalt werden, da beide Extreme die Leistungsfähigkeit negativ beeinflussen. Somit leistet auch das Batteriemanagement einen wichtigen Beitrag zu einer langen Lebensdauer.
Hochvolt- und Niedervoltbatterie: Unterschiedliche Energiespeicher im Elektroauto
Entscheidend für den Durchbruch der Elektromobilität war die Entwicklung leistungsfähiger Batterien. Obwohl es den Elektromotor schon lange gibt, sind Elektroautos mit Reichweiten von mehreren hundert Kilometern erst seit kurzem Realität. Dabei spielen Hochvolt- und Niedervoltbatterien eine zentrale Rolle. Beide Systeme erfüllen unterschiedliche, aber wesentliche Aufgaben im Elektrofahrzeug.
Hochvoltbatterie: Herzstück der Elektromobilität
Die Hochvoltbatterie, oft auch einfach Batterie genannt, ist der Hauptenergiespeicher eines Elektroautos. Sie ist vergleichbar mit dem Tank eines herkömmlichen Verbrennungsmotors. Mit Spannungen von 400 bis 800 Volt versorgt sie den Elektromotor mit Energie und bestimmt maßgeblich die Reichweite und den Preis des Fahrzeugs. Qualität und Kapazität der Batterie sind entscheidend, denn sie ist die teuerste Komponente im Elektroauto.
Aufgeladen wird die Hochvoltbatterie entweder zu Hause oder an öffentlichen Ladestationen. Verglichen mit den Kosten für Diesel oder Benzin ist das Aufladen deutlich günstiger. Ein weiterer Vorteil ist der niedrige Fahrzeugschwerpunkt, der durch die Platzierung der Batterie im Unterboden erreicht wird. Diese so genannte „Skateboard-Architektur“ sorgt für eine hervorragende Straßenlage und Fahrstabilität.
Temperatur- und Batteriemanagement
Um die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit der Hochvoltbatterie zu maximieren, ist ein ausgeklügeltes Temperatur- und Batteriemanagement erforderlich. Dieses überwacht kontinuierlich die Temperatur und Spannung jeder einzelnen Batteriezelle und sorgt bei Bedarf für Kühlung oder Heizung. So wird verhindert, dass die Batteriezellen durch extreme Temperaturen geschädigt werden.
Die Niedervolt-Batterie für die Versorgung der Bordelektronik
Neben der Hochvoltbatterie gibt es im Elektroauto noch die Niedervoltbatterie, die mit 12 Volt arbeitet. Sie versorgt alle elektrischen Komponenten, die keinen Hochstrom vertragen, wie zum Beispiel die Bordelektronik, die Klimaanlage oder die Beleuchtung. Außerdem aktiviert die Niedervoltbatterie beim Starten des Fahrzeugs die Hochvoltbatterie. Sie kann bei Elektroautos auch einen Teil der rekuperierten Energie speichern, ähnlich wie bei konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.
E-Auto laden
Die notwendige Energie beziehen Batterien beim Laden. Das funktioniert am besten an einer Ladestation – entweder an einer öffentlichen Ladesäule oder an der eigenen Wallbox zu Hause. Die Wallbox liefert die notwendige Leistung: bis zu 22 kW sind möglich, in der Regel sind 11 kW ausreichend. Öffentliche Ladesäulen bieten eine Leistung zwischen 22 und 350 kW. Wichtig zu wissen: Aktuell gibt es zwei Arten – Laden mit Wechselspannung (AC) und mit Gleichspannung (DC).
DC-Ladestationen sind sogenannte Schnellladestationen mit Leistungen bis 350 kW, AC-Ladesäulen bieten eine Leistung bis 22 kW. Schnellladestationen haben in der Regel integrierte Kabel, die Sie nutzen können, für AC-Säulen benötigen Sie ein Ladekabel mit passendem Stecker – und zwar den genormten Typ 2. Die meisten Hersteller liefern ihre E-Autos schon damit aus. Haben Sie ein älteres Modell, gibt es für die Ladekabel inzwischen Adapter.
Zur Erläuterung: Es gibt vier verschiedene Steckertypen.
- Typ-2-Stecker: Gilt als europäischer Standardanschluss für E-Autos und ist deshalb auch am meisten verbreitet. Funktioniert mit allen öffentlichen Normallladesäulen (AC) in Deutschland. Kann eine Leistung von bis zu 43 kW übertragen, allerdings nur Wechselstrom.
- Typ-1-Stecker: Gibt es vorwiegend im asiatischen Raum. Ein Adapter macht es möglich, auch Typ-2-Ladesäulen zu nutzen. Kann eine Leistung von bis zu 7,4 kW übertragen.
- Combo- oder CCS-Stecker (Combined Charging System): eignet sich für die Schnellladung mit Gleichstrom.
- ChaDeMo-Stecker: ermöglicht Ladeleistungen bis etwa 50 kW. Findet sich meistens bei japanischen Herstellern. Nur für Gleichstrom geeignet.
Batterien aus E-Autos recyceln
Die Reichweite hängt vom Fahrzeug und der verbauten Batterietechnologie ab. Sie variiert nach einem aktuellen ADAC-Test (Januar 2024) zwischen 150 und 610 Kilometer. Die derzeit dominierenden Lithium-Ionen-Akkus enthalten zahlreiche Rohstoffe: unter anderem Aluminium, Stahl, Lithium, Mangan, Kobalt und Nickel. Da sie nicht in unendlicher Menge vorhanden sind, werden sie als entsprechend wertvoll eingestuft und sollen durch adäquates Recycling wieder genutzt werden.
Sie können allerdings auch ohne Recycling weiter zum Einsatz kommen: zum Beispiel in Produktionsanlagen oder als Stromspeicher im privaten Haushalt. Im sogenannten stationären Betrieb findet das Laden und Entladen nicht nur gleichmäßiger, sondern auch langsamer statt. Das schont die Batterie und so kann sie nach ersten Studien insgesamt rund 20 Jahre genutzt werden.
Das Recycling der Batterien ist aktuell noch recht aufwändig und zum Teil sehr teuer. Die Forschung arbeitet mit Hochdruck an praktikablen Lösungen. Sind die Materialien voneinander getrennt, kann ein großer Teil wieder in den Batteriekreislauf zurückfließen. Allerdings gibt es derzeit noch nicht so viele Akkus, die recycelt werden können, um daraus einen industriellen Maßstab aufzubauen. Zahlreiche Firmen in Deutschland haben sich bereits auf das Recycling eingestellt und halten entsprechend Kapazitäten vor. Aktuell gehen Expertinnen und Experten davon aus, dass in Deutschland bis 2030 insgesamt 90.000 Tonnen recyceltes Material zur Verfügung stehen wird.
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