E-Mobilität

Ein Blick auf die Technik der Elektromobilität

Die elektrischen Komponenten eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs sind überschaubar. Abhängig vom Preisrahmen steckt jedoch weit mehr dahinter, als man auf den ersten Blick denkt. Besonders die Dauerthemen Stromverbrauch und Reichweite hängen entscheidend von der verbauten Technik und dem Zusammenspiel zwischen Elektromotor und Akku ab.

Im Zentrum der Technik eines Elektroautos stehen leistungsfähige Akkus (als Energiespender) und mindestens ein Elektromotor (als Antrieb) sowie eine Menge Software (SW). Auf ein Getriebe wird in den allermeisten Fällen verzichtet, da eine Übersetzung ausreicht. Eine der wenigen Ausnahmen bildet der Porsche Taycan, bei dem zwei Gänge zur Spreizung der Drehzahlen, Erhöhung der Fahrleis-tungen und zur Senkung des Stromverbrauchs dienen. Immerhin erreicht das sportliche Elektromobil abgeregelte 250 km/h – doch dazu später.

Aufbau eines Elektromotors

Das Innere eines Elektromotors besteht aus einem magnetischen, feststehenden Stator und einem sich bewegenden Rotor, der letztendlich die Antriebswelle (sofern vorhanden) und damit die Antriebsräder in Bewegung setzt. Der Rotor verfügt über ein eigenes Magnetfeld, das wiederum vom Magnetfeld des stillstehenden Stators angezogen wird, wodurch sich der Rotor überhaupt erst bewegt. Kurz bevor sich die beiden Magnetfelder treffen, wandert das Stator-Magnetfeld in Rotationsrichtung weiter. Dies zwingt den Rotor dazu, sich ebenfalls zu bewegen.

 

Drei Arten von Elektromotoren haben sich in Elektroautos und Hybriden etabliert:

Permanenterregter Synchronmotor (PSM)

Fremderregte Synchronmotor (FSM)

Asynchronmotor (ASM)

Permanenterregter Synchronmotor (PSM)

Geht es um Leistungsdichte und Effizienz, führt im Grunde kein Weg am PSM vorbei. Bei ihm wird das Magnetfeld durch einen Elektromagneten erzeugt, dessen Stärke durch intensive Materialforschung (besonders in China) in den letzten zehn Jahren bedeutend zugenommen hat, ohne an Umfang und Gewicht nennenswert zuzunehmen. Die Fertigung einer permanenterregten Synchronmaschine verursacht zwar höhere Kosten als bei anderen Motorvarianten, besitzt jedoch praxisrelevante Vorteile.

So erreichen Elektroautos mit PSM dank des sparsameren Umgangs mit elektrischer Energie eine höhere Reichweite. Zudem ist der PSM vergleichsweise kompakt gebaut, was vor allem beim Einsatz in Hybridautos von Vorteil ist, weil dort neben dem Verbrennungsmotor nur wenig Platz für den Elektromotor ist. Aber auch reine Elektroautos wie zum Beispiel VW ID.3/ID.4, Porsche Taycan oder BMW i3 verwenden einen PSM.

Fremderregter Synchronmotor (FSM)

Wie beim PSM weisen auch hier die Magnetfelder von Rotor und Stator einen identischen Takt auf. Die Drehzahl des FSM wird einzig durch die Höhe des eingespeisten Stroms gesteuert, was man von elektrisch betriebenen Maschinen aus der Industrieproduktion kennt. Somit handelt es sich beim FSM um eine simple und bewährte Technik, welcher durch Verzicht auf teure Permanentmagneten zudem deutlich günstiger herzustellen ist als ein PSM. FSMs kommen daher in besonders preissensiblen Fahrzeugen zum Einsatz, von denen keine sportlichen Fahrleistungen erwartet werden. Gute Beispiele dafür liefern der Renault Zoe und der e-Smart.

Asynchronmotor (ASM)

Beim ASM sind Rotor und Stator stets verschieden gepolt. Aber auch hier sorgt der Verzicht auf teure Permanentmagnete und aufwendige Regeleinheiten für tiefere Kosten als beim PSM. Der ASM ist allerdings rund 30 % grösser, daher schwerer als ein FSM und läuft vergleichsweise laut. Seine Konzeption hat aber auch Vorteile: So kann man einen ASM jederzeit komplett deaktivieren, etwa beim sogenannten «Segeln» in der Ebene. Dabei läuft er im Freilauf mit, ohne Energie zu verbrauchen – im Gegenteil: Er wirkt beim Segeln wie ein Dynamo und rekuperiert permanent Energie. Der ASM ist daher besonders auf Langstrecken vorteilhaft, weil er die Reichweite erhöht.

Zudem kann ein ASM über einen kurzen Zeitraum mit Überlast arbeiten, was einen Boost-Effekt erzeugt und z. B. bei Überholmanövern nützlich sein kann. Diesen Vorteil nutzen besonders die Premiumhersteller für sportlich ausgelegte Elektroautos, etwa im Audi e-tron oder Mercedes EQC. Bei Tesla geht man noch einen Schritt weiter und setzt bei den Allradversionen an der Vorderachse einen PSM und an Hinterachse einen ASM ein. Damit hat man das Beste aus beiden Welten mit dem Nachteil höherer Kosten aufgrund des technischen Mehraufwands.

Radnaben- oder Felgenmotor

Bereits um das Jahr 1900 baute Ferdinand Porsche Elektrofahrzeuge und konstruierte  dazu Radnabenmotoren (auch «Felgenmotor» genannt). Auch dabei handelt es sich um einen magnetlosen ASM. Diese platzsparende Bauform mit Integration des Motors ins Rad hat den Vorteil, dass der Schwerpunkt des Fahrzeugs sinkt und auch die ungefederten Massen kleiner werden. Damit verbessert sich das Handling, weshalb Radnabenmotoren gerne in der Formel E eingesetzt werden.

Nun haben Forscher der Technischen Hochschule Köln einen Ford Focus Electric umgebaut und mit vier solcher Felgenmotoren ausgestattet. Diese wurden mitsamt ihrer Leistungselektronik in den engen Raum zwischen Bremsanlage und Felge integriert, wodurch ein allradgetriebenes Fahrzeug entstand. Jeder der Motoren besteht aus einem statischen Teil mit 20 Spulen und einem rotierenden Teil mit 24 Zähnen. Wird eine Spule unter Strom gesetzt, zieht sie den nächstgelegenen Zahn des Rotors an. Indem die Spulen der Reihe nach aktiviert werden, gerät der äussere Teil des Motors in Rotation und erzeugt so den Vortrieb der Räder.

Lithium = reaktiv und sensitiv

Die in Elektroautos verbauten Akkus nutzen eine ähnliche Technik wie jene in Notebooks und Smartphones. Dabei handelt es sich um Lithium-Ionen-Akkus, welche eine hohe Energie- und Leistungsdichte aufweisen. Generell besteht ein Akku aus zwei Elektroden, der Kathode und der Anode, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Beim Entladen gibt die Anode Elektronen ab, die durch den äusseren Stromkreis zur Kathode wandern und wodurch Strom fliesst. Als Ausgleich wandern positive Lithium-Ionen aus der Anode in den Elektrolyten und strömen zur Kathode, wo sie eingelagert werden.

Beim Laden wird von aussen eine Spannung angelegt, wodurch an der Anode ein Elektronenüberschuss entsteht. Die Lithium-Ionen wandern nun von der Kathode zur Anode und lagern sich in der Anode ein. Bei Raumtemperatur ist das Metall Lithium das leichteste der festen Elemente, sehr reaktionsfreudig und leicht brennbar. So neigen Lithium-Ionen-Akkus zum «thermischen Durchgehen», falls sie zu heiss werden. Diese Wärme entsteht bei jedem Ladevorgang, dies sowohl beim Auf- wie beim Entladen. Die kritische Grenztemperatur liegt je nach Akkutyp zwischen 150 und 250 °C.

Heikle Akkutechnik

Bei deren Überschreitung reagiert das Lithium mit den anderen Bestandteilen der Akkuzelle, wobei noch grössere Wärme entsteht. Ab 300 °C beginnt der flüssige Elektrolyt zu brennen. Um dies zu verhindern, bedarf der Akku einer permanenten Temperaturüberwachung und einer automatischen Abschaltung, falls die Betriebstemperatur von etwa 60 °C überschritten wird. Dazu reicht bereits eine Autobahnfahrt bei hohem Tempo. Dem geordnet und schonend ablaufenden Lade- und Entladevorgang in einem bestimmten Temperaturfenster gehört somit die volle Aufmerksamkeit der Hersteller.

Im wörtlichen Sinn brandgefährlich ist die Beschädigung von Lithium-Ionen-Akkus. Werden die extrem dünnen Zellwände durch äussere Einwirkung beschädigt, etwa durch einen Unfall, das Aufsetzen des Fahrzeugs auf harte Gegenstände oder durch einen zu hohen Ladestrom, reagiert das Lithium sofort mit dem einströmenden H2O und verbrennt explosionsartig. Dadurch geraten der gesamte Akku und das Elektroauto sehr schnell in Vollbrand.

Lebensdauer …

Abhängig von der Leistung des Motors und dem Stromverbrauch des Autos (der natürlich auch vom Gewicht und von der Fahrweise abhängt) wird die Reichweite des Elektrofahrzeugs wesentlich von der Akkukapazität bestimmt. Die Hersteller geben oft nur die Bruttokapazität des Akkus an, nutzen in der Praxis davon aber nur 85–90 %, was der Erhöhung der Lebensdauer dienen soll. Aus demselben Grund wird zudem empfohlen, ihn weder auf 100 % zu laden noch ganz zu entladen, bis der Abschleppwagen kommen muss.

Ein Akku übersteht bei pfleglicher Behandlung zwischen 500 und 1000 Ladezyklen, was in der Regel für eine Haltedauer von acht bis zehn Jahren ausreicht. Meist unerwähnt bleibt jedoch die Tatsache, dass mit zunehmendem Alter des Akkus dessen Ursprungswert absinkt. Moderne Lithium-Ionen-Akkus sollen bis zu 3000 Ladezyklen schaffen und dann immer noch 70 % ihrer Ursprungskapazität haben.

… und Reichweite

Wie weit man damit kommt, hängt natürlich vor allem vom Verbrauch des Fahrzeugs ab. Ähnlich wie bei den Verbrennungsmotoren werden die offiziellen Verbrauchsangaben nach WLTP-Norm unter optimierten Bedingungen ermittelt, d. h. weder im Hochsommer noch im Tiefwinter, sondern in einem optimalen Temperaturfenster des Akkus. Während der Messungen sind jegliche Verbraucher wie Heizung, Sitzheizung, Klimaanlage oder Entertainment ausgeschaltet sowie alle Fenster geschlossen. Schliesslich werden vorgewärmte und möglichst rollwiderstands­optimierte Reifen vor den Messungen montiert.

Ein konkretes Beispiel liefert nicht nur das Tesla Modell S mit theoretisch mehr als 600 km Reichweite im Schleichmodus, sondern auch der bereits erwähnte Porsche Taycan, welcher die markentypische Dynamik in die «Null-Emissionswelt» transponieren soll. Während die leichtere Grundversion mit kleinerem Akkus und mit Heckantrieb auf den Markt kommt, bietet der Taycan 4S mit optionaler «Performance Plus Batterie» 435 PS, konstant 640 Nm sowie 83,7 kWh Akkukapazität (netto) und Allrad. Gemäss WLTP-Testzyklus solle er damit 408 km weit kommen und schafft im praxis­nahen Alltagstest akzeptable 386 km. Wird er jedoch markentypisch bewegt, schrumpft die Reichweite lt. Sportauto auf nur noch 178 km.

Aufwendig, schwer und teuer

Im Gegensatz zum Elektroauto sind E-Bike-Akkus unmittelbar Hitze und Kälte ausgesetzt, z. B. wenn sie den ganzen Tag am Bahnhof stehen. Hinzu kommen permanente Erschütterungen im Fahrbetrieb. Akkus in bestens gefederten Elektroautos sind im Fahrzeuginneren wesentlich besser geschützt und werden im Betrieb in besseren Fahrzeugen zudem «vorkonditioniert», d. h. gekühlt oder vorgewärmt und immer im optimalen Temperaturfenster gehalten, was zwar Energie kostet und die Reichweite mindert, aber die Lebensdauer verlängert.

Lithium-Ionen-Akkus zeichnen sich durch eine hohe Kapazität und eine kompakte Bauform aus. In den letzten 15 Jahren wurde die Energiedichte der Akkus immer weiter vergrössert, was immer engere Zellen mit höherer Wärmeentwicklung und ein höheres Gewicht mit sich bringt. Eine Elektroauto-Batterie wiegt in der Regel etwa 250 bis 1000 Kilogramm. So hat der besonders kleine VW e-Up einen 36,8-kWh-Akku an Bord, der nur 248 kg wiegt, während der im Tesla Model 3 eingesetzte Akku mit 75 kWh 478 kg auf die Waage bringt. Neben der Energiedichte als die im Akku gespeicherte Energie pro kg Gewicht (in Wh/kg) geben die Hersteller auch die Leistungsdichte als Leistungsabgabe pro kg Gewicht (W/kg) an.

Die Physik gilt weiterhin

Eine Mehrzahl der Anbieter bietet gegen Aufpreis grössere Akkus zur Reichweitenverlängerung an, die jedoch meist an noch stärkere Elektromotoren und Allradantrieb gekoppelt sind. Ein solches Gesamtpaket aus Gewicht und Antriebswiderstand treibt den Energieverbrauch nach oben, wodurch der Reichweitengewinn durch den grösseren Akku wieder zunichtegemacht wird. Oft ist die Reichweite in der Praxis sogar tiefer als beim schwächeren Grundmodell mit nur einer angetriebenen Achse. Man gewinnt den Eindruck, dass grössere Akkus nur dazu dienen, rasante Fahrleistungen trotz hoher Leistung und Gewicht mit knapp genügender Reichweite zu bieten. Dies verdeutlicht das Dilemma der Elektromobilität. Der Umwelt würden kleine Fahrzeuge mit weniger Leistung mehr dienen als grosse Akkus und Allradantrieb.