E-Auto: Wie Akku und Motor im Zusammenspiel funktionieren

Noch sind erst gut eine Million Elektroautos in Deutschland unterwegs, der Anteil der Neuzulassungen liegt unter 15 Prozent. Grund genug, zu erklären, wie ein Elektroauto eigentlich funktioniert. Aus welchen Komponenten besteht ein Elektroantrieb? 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 welchen Preisvorteil es hat!

Der Antrieb eines Elektroautos besteht im Wesentlichen aus einem Akku, einem Motor (oder auch mehreren) sowie einem 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.

Alle Teile sind durch dicke Hochvolt-Kabel miteinander verbunden, durch rote Ummantelung erkennbar. Im System liegen meist 408 Volt Spannung an, also deutlich mehr als an der heimischen Steckdose (230 V). Es können aber aktuell bei modernen Typen bis zu 800 Volt sein, wie beim Porsche Taycan, beim Hyundai Ioniq 5 oder beim Kia EV6.

Überhaupt funktionieren alle E-Autos zwar grundsätzlich gleich, doch es gibt große Unterschiede in der Ausrichtung. Während Cityflitzer wie der Smart EQ oder der Honda e eher für Großstädter und Pendler geschaffen sind, gibt es auch E-Autos wie der Ioniq 5, VW ID.4 oder die meisten Tesla, die eher für die Langstrecke ausgelegt sind. Bemerkenswert sind Modelle wie der Renault Zoe, der mit einer Reichweite von 210 km 2012 auf den Markt kam. Die aktuelle Baureihe kommt schon auf 395 km (nach Prüfnorm WLTP).

Zwar kann mit den meisten Elektroautos an einer Haushaltssteckdose Wechselstrom (AC mit 2,3 kW) "getankt" werden, im Fahrzeug formt ihn ein Stromwandler, der Gleichrichter, zu Gleichstrom (DC) um. Nur der ist für den Antrieb des Motors geeignet.

Deutlich schneller und praktikabler ist jedoch 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.

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.

Angeschlossen wird ein Stecker (in Europa meist ein dreiphasiger Typ-2-Stecker; beim Schnellladen CCS), der Strom fließt durch ein Mode-3-Kabel zum Ladeanschluss an der Außenseite des Fahrzeugs. Mit einem bidirektionalen Ladeanschluss ist bald auch die Rückführung der im Auto gespeicherten Energie in den Haushalt (Vehicle-to-Grid/V2G oder Vehicle-to-Home/V2H) möglich.

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.

Der Akku ist quasi 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.

Daneben gibt es noch die prismatische und die zylindrische Bauweise. Zusätzlich zu dieser sogenannten Hochvoltbatterie gibt es noch eine 12-Volt-Niedervoltbatterie, die die Bordelektronik (Radio, Heizung etc.) versorgt. (Wie ein Akku aufgebaut ist, erfahren Sie hier.)

Energiedichte und Ladeleistung von Lithium-Ionen-Akkus steigen zwar permanent, doch gegenüber den konventionellen Energieträgern Benzin oder Diesel kann der schwere Stromspeicher vorläufig nicht mithalten. Die Hoffnung vieler E-Auto-Interessenten liegt daher auf Erfindungen wie dem Natrium-Ionen-Akku, der Graphen-Aluminium-Ionen-Batterie oder dem Feststoff-Akku. Auch der Akkuwechsel in wenigen Minuten wird inzwischen von chinesischen Herstellern wie Nio angeboten.

Die Leistungselektronik ist das "Gehirn" des E-Antriebs. Sie erzeugt aus dem in der Batterie gespeicherten Gleichstrom genau den Wechselstrom, der für die aktuelle Fahrsituation benötigt wird.

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 am Ende 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. Ein Elektromotor ist zweiteilig: Ein fester Teil, Stator genannt, besteht aus Dauermagneten. Weil diese Magneten anders als Kupferdraht-Spulen die magnetische Kraft dauerhaft besitzen, spricht man von permanent erregten Antrieben.

Innerhalb des Stator befindet sich der drehbare Rotor. Für gewöhnlich besteht er aus eine Kupferdraht-Spule, die durch Umpolung des hindurchführenden Stroms (über den Kommutator) den Plus- und den Minuspol permanent tauschen kann. Durch Abstoßung und Anziehung der sie umgebenden Stator-Pole wird der Rotor in Drehbewegung versetzt, dabei treibt er eine Welle an - so wie die Kurbelwelle beim Verbrennungsmotor. Schon dieser Vergleich lässt erkennen, dass die Kraftübertragung beim Elektroantrieb direkter und folglich effizienter vor sich geht.

Eine Schwachstelle des Elektromotors ist die Stromversorgung des Rotors: Durch die ständige Drehbewegung zwischen den wechselnden Polen kann der Kontakt nicht fix sein, zumeist werden schleifende Kohlebürsten genutzt. Das führt neben Reibungsverlusten zu regelmäßigem Wartungsaufwand, andererseits zu leichter Staubentwicklung im Motor, die wiederum Verschleiß bewirkt. Der schwäbische Zulieferer Mahle hat kürzlich einen Elektromotor vorgestellt, der dieses Manko elegant ausmanövriert: Er verzichtet auf Schleifbürsten, weil der Strom zum Rotor per Induktion übertragen wird. Dabei wird ein Wirkungsgrad von über 95 Prozent erreicht; ein um gut fünf Prozent besser Wert als bei herkömmlichen Elektromotoren.

Ein weiterer Fortschritt des "Mahle Contactless Transmitter" (MCT): Er verwendet keine Dauermagneten mehr, ist also kein permanent erregter Antrieb. Das spart Kosten: Für leistungsfähige Dauermagneten sind unter anderem Seltene Erden notwendig, die unter ökologisch bedenklichen Umständen und vielfach menschenunwürdigen Bedingungen gefördert werden. Ohne sie auszukommen, heißt außerdem vom Weltmarkt unabhängiger zu werden. Ganz nebenbei hat die "elektrisch erregte Synchronmaschine" laut Hersteller den Vorteil, dass in nahezu jedem Drehzahlbereich Leistungsabgabe und Energieverbrauch gleichermaßen effizient seien.

Mahle zufolge haben Prototypen des MCT bereits zigfach in erfolgreichen Tests ihre Stärken gezeigt. Derzeit werden die Motoren, die im Leistungsbereich fast grenzenlos skalierbar sein sollen, in Projekte mit diversen Autoherstellern zur Serienreife gebracht.

Der Elektromotor hat neben einem fehlenden CO2-Ausstoß im Betrieb viele weitere Vorzüge. Anders als Verbrenner arbeiten E-Motoren reibungs- und verschleißarm, energieeffizient, vibrationsfrei und erheblich leiser. Sie sind auch weitgehend schmierungsfrei, was Rohstoffe und Instandhaltungsaufwand spart.

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.