Technik-Serie: So funktioniert ein E-Auto. Der Akku.

Technik: Elektroauto, Akku, Funktion, VW ID.3

So funktioniert ein E-Auto-Akku

Der Akku ist der Tank des Elektroautos. Aber wie ist so eine Batterie aufgebaut? AUTO BILD erklärt die Technik des Stromspeichers für E-Autos!
Der Tankinhalt von Autos wird im Zeitalter der E-Mobilität von der Akkukapazität abgelöst. Sie bestimmt zusammen mit dem Stromverbrauch des E-Antriebs die Reichweite eines Elektroautos. Aber wie ist eine solche Batterie aufgebaut? AUTO BILD erklärt die Funktionsweise von E-Auto-Batterien auf Basis des VW ID.3-Stromspeichers!

Aufbau einer E-Auto-Batterie

Beim VW ID.3 bilden viele Module den eigentlichen Akku. Er befindet sich im Fahrzeugboden.

Den "einen Akku" gibt es im Auto nicht. Der Stromspeicher besteht aus vielen einzelnen Modulen, die sich wiederum aus vielen einzelnen Zellen zusammensetzen. Die Batteriezelle ist die kleinste Einheit im Akkusystem. Moderne Systeme setzen auf sogenannte Pouch-Zellen, die von ihrer Bauart her Handy-Akkus ähneln. Beim ID.3 ergeben 24 solcher Zellen ein Akku-Modul. Bis zu zwölf Module ergeben am Ende ein Akku-Paket im elektrischen VW. Aber auch mehr oder weniger Module sind möglich und bestimmen die Kapazität des Akkus.
Durch das Hinzufügen von Modulen wird die Reichweite vergrößert, während durch das Weglassen der Aktionsradius des E-Autos beschnitten wird. Die Grundkonstruktion bleibt immer gleich: Die Zellmodule nehmen in einem Akkugehäuse Platz, das die einzelnen Module vor Beschädigungen schützen soll. Alle wichtigen Bauteile finden ihren Platz innerhalb des massiven Grundträgers, der als Crashrahmen dient. Beim MEB (Modularer Elektrifizierungs-Baukasten) von Volkswagen findet sich in der Bodenplatte außerdem das Kühlsystem für die Batterien. Verbunden werden alle Bauteile durch Hochvolt-Kabel.

Steuerung

E-Auto Batterien arbeiten mit hohen Spannungen. Beim ID.3 liegen im System beispielsweise 408 Volt an, ein Porsche Taycan arbeitet sogar mit 800 Volt, annähernd dem 3,5-Fachen der klassischen Haushaltsspannung. Um bei diesen hohen Spannungen den Energiefluss zu steuern, bedarf es einer Leistungselektronik. Die dient neben dem Energiemanagement auch als Wechselrichter, der den im Akku gespeicherten Gleichstrom in Wechselstrom für den E-Motor umwandelt. Für die Bereitstellung des klassischen 12-Volt-Bordnetzes sorgt ein Gleichstrom-Wandler.

Leistungselektronik

Der Begriff Leistungselektronik taucht im Zusammenhang mit E-Autos immer wieder auf, wird aber selten genauer beschrieben. Im Grunde stellt sie das Gehirn des E-Antriebs dar. 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. Die Leistungselektronik im E-Auto erzeugt also aus dem in der Batterie gespeicherten Gleichstrom genau den Wechselstrom, der für die aktuelle Fahrsituation benötigt wird.

So funktioniert ein Akku im Allgemeinen

Akkus sind Stromspeicher und wandeln chemische in elektrische Energie um. Im Gegensatz zu klassischen Batterien können Akkus das in beide Richtungen. Sie können Elektrizität aufnehmen und später wieder abgeben.

Der ID.3 ist der erste Serien-VW auf der neuen MEB-Elektroplattform.

Jeder Akkumulator besteht aus zwei Elektroden, die sich in einem Elektrolyt (leitendes Medium) befinden. Das Elektrolyt muss nicht immer flüssig sein, sondern kann, je nach Akkutyp, auch ein Gel oder Feststoff sein. Die beiden Elektroden (Anode und Kathode) werden durch eine poröse Wand, den Separator, voneinander getrennt. Dadurch wird ein Kurzschluss vermieden. Während an der Anode ein Elektronenüberschuss herrscht, befinden sich auf der Kathode zu wenig Elektronen. Diese Differenz beschreibt die elektrische Spannung.
Wird ein Verbraucher zugeschaltet, wandern die überschüssigen Elektronen über Kabel von der Anode zur Kathode – es fließt Strom. Moderne Lithium-Ionen-Akkus nutzen Kathoden aus Lithium-Metalloxid, während die Anode gerne aus Graphit besteht. Durch den Wechsel der Elektronen zwischen den Elektroden entstehen Ladungsunterschiede an Anode und Kathode. Diese werden durch die Lithium-Ionen ausgeglichen. Sie bewegen sich vom Elektrolyt getragen durch den Separator. Wird der Akku geladen, dreht sich das Prinzip um: Der Ladestrom "schiebt" die gewanderten Elektronen und Ionen wieder zurück zur Anode. Lithium-Ionen-Akkus zeichnen sich durch eine kompakte Bauform bei gleichzeitig hoher Kapazität aus.

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