E-Auto: Das ist die Technik im Elektroauto

Das fängt an mit dem Wesen des Elektroantriebs und seiner Energiequelle, des Fahrakkus – und endet mit der Funktionsweise von Elektromotoren, die sich in mehreren Eigenschaften von Verbrennungsmotoren unterscheiden. Aus welchen Komponenten besteht ein Elektroantrieb überhaupt? Wie kommt der Strom ins Auto, wie wird er gespeichert, und wie wird er genutzt? AUTO BILD gibt Antworten auf die wichtigsten Fragen zur Funktion eines E-Autos und die finanziellen Vorteile, die sich während der Nutzung ergeben!

Der Antrieb eines Elektroautos besteht im Wesentlichen aus Akku, einem oder mehreren Motoren sowie dem Lade- und Leistungsmanagement. So wie beim Modularen E-Antriebs-Baukasten (MEB) von Volkswagen wird meist die sogenannte "Skateboard-Architektur" verwendet. Dabei liegt die Batterie gut geschützt und platzsparend im Unterboden, die anderen Komponenten sitzen an Vorder- und Hinterachse.

Der praktische Nutzen: Elektroautos haben durch ihr hohes Gewicht und die ausgewogene Gewichtsverteilung immer eine sehr gute Straßenlage. Kleiner Nachteil: Das Gewicht des Akkus verlangt einen stabilen Unterbau – da die Hersteller hier noch Erfahrungen sammeln, verschleißt bei manchen Modellen das Chassis schneller als bei vergleichbaren Verbrennern. Hier sollte speziell bei einem Elektrogebrauchtwagen-Check besondere Aufmerksamkeit liegen.

Alle Teile sind durch dicke Hochvolt-Kabel miteinander verbunden, durch meist orangefarbene Ummantelung erkennbar. Im System liegen meist 408 Volt Spannung an, also deutlich mehr als an der heimischen Steckdose (230 V). Daher ist es lebensgefährlich, hier selbst Hand anzulegen! Bei ganz modernen Typen können es bis zu 800 Volt sein, wie beim Porsche Taycan, bei Hyundai Ioniq 5 und Kia EV6.

Zwar funktionieren alle E-Autos grundsätzlich gleich, doch es gibt große Unterschiede. Während Cityflitzer wie der Smart EQ oder der Honda e eher für Großstädter und Pendler geschaffen sind, gibt es E-Autos wie KIA EV6, Ioniq 5, VW ID.4 oder Tesla Model Y, die auch für die Langstrecke ausgelegt sind. Speziell Tesla bietet Langstreckenversionen mit besonders großem Akku an, als "LR" (für Long Range) gekennzeichnet. Doch viele Hersteller bieten mehrere Akkugrößen an – je größer der Akku, um so größer die Reichweite.

Da die technische Entwicklung speziell bei neuen Akkus sehr rasch abläuft, finden sich in älteren Elektroautos eher kleine Akkus. Ein Beispiel ist der Renault Zoe: Der elektrische Kleinwagen auf Basis des Clio kam 2012 mit einer Reichweite von 210 km auf den Markt. Die aktuelle Baureihe kommt auf ordentliche 395 km (nach Prüfnorm WLTP).

Zwar kann man die meisten Elektroautos an einer Haushaltssteckdose Wechselstrom (AC mit 2,3 kW) laden, der im Fahrzeug per Gleichrichter zu Gleichstrom (DC) umgewandelt wird. Der dient zum Antrieb des Motors.

Deutlich schneller und praktikabler ist das Laden von Gleichstrom an einer Wallbox (lesen Sie hier alles Wissenswerte, inklusive Wallbox-Test). Mit einer Wallbox ist eine Ladeleistung von 11 oder 22 kW (400 Volt, 32 Ampere) üblich, das Laden geht also deutlich schneller als an der Netzsteckdose.

Da das Schuko-Laden am Hausnetz langsam ist, hohe Ladeverluste für ruinöse Mehrkosten sorgen und gewisse Risiken für die Infrastruktur (Überhitzung etc.) bestehen, wird es von Autoherstellern und Stromversorgern nicht empfohlen. Die ideale Haus-Tankstelle für Elektroautos ist immer die Wallbox – im besten Fall gespeist von der eigenen Photovoltaik-Anlage.

An öffentlichen Ladesäulen mit Wechselstrom können es auch 43 kW (400 Volt, 63 Ampère) sein. Noch schneller geht es an Schnellladesäulen (ab 50 kW) oder gar mit besonders leistungsstarken HPC-Ladern (High Power Charger; aktuell bis zu 350 kW), die mit Gleichstrom (DC) und gekühlten Kabeln arbeiten. Allerdings muss auch die Ladeleistung des Autos dafür ausgelegt sein. Achtung: Wer unterwegs an Schnellladesäulen lädt, zahlt in der Regel deutlich mehr für den Strom, oft das Zweifache.

Geladen wird wie Smartphone, Laptop & Co. per Stecker (in Europa meist ein dreiphasiger Typ-2-Stecker; beim Schnellladen das armdicke CCS-Kabel). Mit einem bidirektionalen Ladeanschluss ist inzwischen bei vielen E-Autos auch die Rückführung der im Auto gespeicherten Energie zu angeschlossenen Geräten (Vehicle-to-Load/V2L oder Vehicle-to-Device/V2D) und in den Haushalt (Vehicle-to-Home/V2H) möglich. Mittelfristig soll auch das gesamte Stromnetz für bidirektionales Laden taugen (Vehicle-to-Grid/V2G)

Dank der Rekuperation (Rückgewinnung der Bremsenergie) können die meisten E-Autos ihren Akku während der Fahrt zumindest teilweise wieder aufladen. Diese Eigenschaft erhöht den Wirkungsgrad der Antriebsart. Denn anders als beim Verbrenner, wo die Bewegungsenergie beim Bremsen als nutzlose Abwärme in die Umgebung abgegeben wird, wird ein Teil davon bei elektrischen oder teilelektrischen Fahrzeugen im Akku gespeichert. Es schont auch die mechanischen Bremsen.

Der Akku ist der Tank des Elektroautos – und die teuerste Komponente seines Antriebs. Eine ausgeklügelte Management-Software sorgt für die richtige Temperatur und gleicht Spannungsschwankungen aus. Meist handelt es sich um einen Lithium-Ionen-Akku, da diese Bauart derzeit am schnellsten, am häufigsten (Stichwort Zyklenfestigkeit) und mit dem größten Volumen aufladbar ist.

Der Akku eines E-Autos besteht aus einzelnen Modulen (je mehr, desto höher die Reichweite des Autos), die einzeln ausgetauscht werden können und sich wiederum aus vielen Batteriezellen zusammensetzen. Moderne Systeme setzen auf sogenannte "Pouch-Zellen", die von ihrer Bauart her Handy-Akkus ähneln.

Gebräuchlich ist auch die prismatische und die zylindrische Bauweise, die zum Beispiel Tesla bevorzugt. Zusätzlich zu dieser sogenannten Hochvoltbatterie gibt es noch eine 12-Volt-Niedervoltbatterie, die die Bordelektronik (Radio, Heizung etc.) und Schließanlage mit Energie versorgt. (Wie ein Akku aufgebaut ist, erfahren Sie hier.)

Energiedichte und Ladeleistung von Lithium-Ionen-Akkus werden zwar permanent verbessert, doch gegenüber den konventionellen Energieträgern Benzin oder Diesel kann der schwere Stromspeicher vorläufig nicht mithalten. Das führt zu geringen Reichweiten oder, wenn entsprechend schwere Akkus eingebaut sind, hohem Fahrzeuggewicht.

Die Hoffnung vieler E-Auto-Interessenten ruht daher auf Neuentwicklungen wie dem Natrium-Ionen-Akku, der Graphen-Aluminium-Ionen-Batterie oder dem Feststoff-Akku. Der chinesische Hersteller Nio geht einen anderen Weg: Anstatt zu tanken, tauscht man an Akkustationen den Stromspeicher in wenigen Minuten. Ob sich dieses Verfahren durchsetzt, ist noch ungewiss.

Die Leistungselektronik ist das "Gehirn" des E-Antriebs. Sie erzeugt aus dem in der Batterie gespeicherten Gleichstrom den Wechselstrom, der für die aktuelle Fahrsituation benötigt wird. Sie überwacht als Batterie-Managementsystem (BMS) auch Antrieb und Akku, um Überlastung und daraus resultierende Überhitzung zu vermeiden.

Mithilfe intelligenter Frequenz- und Amplitudensteuerung (Begrenzung der Spannung) regelt der Wechselrichter die Leistung der E-Maschine. Während die Frequenz des Wechselstroms die Geschwindigkeit des Autos regelt, ist die Amplitude für die Leistung verantwortlich.

Der Motor eines E-Autos ist eine im Vergleich zum Verbrenner sehr simple Maschine. Im Elektromotor werden wechselnde Magnetfelder in Bewegung umgewandelt. Es gibt nur ein bewegliches Teil, den sogenannten Rotor – er dreht die Welle für die Antriebsräder. Diese Einfachheit macht ihn besonders effizient. Elektromotoren haben einen rund doppelt so hohen Wirkungsgrad wie Verbrenner.

Und während beim Verbrenner die bewegten Kolben, Pleuel und Kurbelwelle aufwändig geschmiert und gekühlt werden müssen, ist ein Elektromotor nahezu wartungsfrei und entsprechend langlebiger.

Auch die Vibrationen im Betrieb sind erheblich geringer. Zudem wird viel Gewicht eingespart, das beim Verbrenner entsteht, um etwa Vibrationen mit Ausgleichswellen etc. zu reduzieren. Schallemission ist beim Elektromotor ebenfalls vernachlässigbar.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass komplette Baugruppen fehlen: Elektroautos besitzen keinen Auspuff, keine Spritanlage, keine Fahrtluft abhängige Motorkühlung, keine Zündanlage und kein Schaltgetriebe. Weil diese Komponenten nicht vorhanden sind, entfallen Inspektionen und Teile- und Reparaturkosten, die beim Ausfall entstehen würden.

Während Verbrennungsmotoren ihre Zugkraft erst bei 800 bis 1000 Umdrehungen pro Minute erreichen, liegt beim E-Motor von Beginn an das volle Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich an.

Schaltvorgänge sind beim E-Auto nicht erforderlich, weswegen es ohne ein mehrstufiges Getriebe und ohne eine klassische Kupplung auskommt. Allerdings verfügen Hochleistungs-E-Autos (wie der Porsche Taycan) aus Effizienzgründen über zwei Fahrstufen. Hier sind Tipps, was Sie tun sollten, wenn ein E-Auto liegen bleibt.

Elektromotoren für E-Autos werden überwiegend in zwei Bauweisen hergestellt: Die fremderregten und die permanenterregten Synchronmaschinen. Mit "erregt" ist das Magnetfeld im Kern, dem beweglichen Stator, gemeint. Wird es durch Permanentmagneten erzeugt, ist der Stator "permanenterregt". Wird es durch einen induzierten Strom über Kupferspulen erzeugt, ist der Stator "fremderregt".

Permanenterregte Motoren haben den höchsten Wirkungsgrad, sie sind aber auch am teuersten wegen der hochwertigen Dauermagnete. Ein weiterer Nachteil: In Magneten sind Seltene Erden enthalten, insbesondere das Element Neodym. Es kann beim Abbau hohe Umweltbelastung verursachen. Außerdem entsteht eine wirtschaftliche Abhängigkeit von China, wo ca. 90 Prozent der globalen Vorkommen gewonnen werden.

Aus Wirtschaftlichkeit sind viele Elektroautos mit einer Kombination aus fremd- und permanenterregtem E-Motor ausgestattet, wie zum Beispiel Teslas. Auch der Audi e-tron Q4 quattro ist so motorisiert. Porsche baut in den Taycan dagegen zwei permanenterregte Synchronmotoren ein, um höchste Leistung zu erreichen.

Eine dritte Variante ist die sogenannte Asynchronmaschine. Sie ist immer fremderregt und technisch simpler als die Synchronmaschine, daher auch leichter. Nachteil: Sie ist weniger effizient. Beispiel: Renault Zoe.

In jüngster Zeit machten zwei Zulieferer mit vielversprechenden Innovationen beim E-Motor von sich reden, die beide einen geringeren Energieverbrauch wie auch den Einsatz von umweltschonenden Ressourcen erlauben. 

So hat ZF kürzlich einen neuen E-Motor namens I²SM vorgestellt, der ohne Seltene Erden auskommt, weil er auf strombasierten Magnetismus setzt (also fremderregt ist). Der Antrieb ist außerdem besonders kompakt und sparsam. Eingesetzt wird das Motorenprinzip im Leistung-Spektrum zwischen 100 bis 350 kW, als 400- wie auch als 800-Volt-Variante. Schon 2027 soll der neue Motor marktreif sein. 

Ähnlich arbeitet der etwas früher präsentierte Motor MCT von Mahle, der auf Schleifbürsten verzichtet, indem der zum Rotor fließende Strom per Induktion übertragen wird. Das ermöglicht einen noch verschleißärmeren Betrieb und einen auf über 95 Prozent gesteigerten Wirkungsgrad. Das liegt im Bereich von elektrischen Rennsport-Antrieben. Wie der ZF-Motor verzichtet der Mahle-Antrieb namens "Mahle Contactless Transmitter" (MCT) auf Dauermagneten, und kommt somit ebenfalls ohne Seltene Erden aus.