Wie funktioniert der Antrieb eines Elektroautos?

Vollelektrische Fahrzeuge

Das Prinzip eines Elektrofahrzeugs ist einfach: Ein Elektromotor treibt die Räder an und die dazu nötige Energie wird in einer aufladbaren Batterie gespeichert. Der einfache Aufbau macht mehrere Antriebsvarianten möglich: zum Beispiel können statt eines zentralen Elektromotors mehrere Radnabenmotoren direkt in den Rädern verbaut oder eine Achse mittels radnaher Elektromotoren angetrieben werden.

Hybridfahrzeuge

Ein Hybridfahrzeug hat neben einem Elektromotor einen zusätzlichen Verbrennungsmotor – und kombiniert so die Reichweite eines Verbrenners mit der Effizienz eines Elektrofahrzeugs. Zu unterscheiden sind dabei parallele und serielle Hybride. Ein paralleler Hybrid kann sowohl vom Verbrenner- als auch vom Elektromotor angetrieben werden. Beide Motoren wirken zusammen oder unabhängig voneinander auf den Antrieb. Der Elektromotor kann z. B. beim Anfahren zugeschaltet werden, um die optimale Effizienz zu erreichen. Bei einem seriellen Hybrid hat der Verbrenner keine Verbindung zur Antriebsachse. Nur der Elektromotor treibt das Fahrzeug an. Der Verbrennungsmotor treibt im optimalen Drehzahl- und Lastbereich einen Generator an, der als Stromlieferant die Batterie speist oder den Elektromotor direkt versorgt. Ein „leistungsverzweigter Hybrid“ oder „Mischhybrid“ kombiniert beide Konzepte. Beim Mischhybrid wird mittels einer oder mehrerer Kupplungen - je nach Bedarf - gewählt, ob der Verbrennungsmotor lediglich einen Generator antreibt oder direkt für den Vortrieb sorgt.

Die Batterie eines Plug-in-Hybrids kann zusätzlich über das Stromnetz aufgeladen werden, z. B. an einer einfachen Haushaltssteckdose oder einer Ladestation. Die Batterie ist größer, sodass längere Strecken elektrisch zurückgelegt werden können.

Bei einem Mild Hybrid unterstützen die elektrischen Antriebskomponenten den Verbrennungsmotor beim Anfahren und Beschleunigen. Mild Hybride sind fast immer parallele Hybride und meist nicht in der Lage, rein elektrisch zu fahren. Vollhybridfahrzeuge können kurze bis mittlere Strecken auch rein elektrisch fahren.

Brennstoffzellenfahrzeuge

Ein Brennstoffzellenfahrzeug erzeugt seinen Strom direkt an Bord. In der Brennstoffzelle (BSZ) wird chemisch gebundene Energie unter Zugabe von Luftsauerstoff in elektrische Energie umgewandelt. Der Energieträger ist meistens Wasserstoff. Ein BSZ-Fahrzeug lässt sich fast genauso schnell mit Wasserstoff betanken, wie ein Verbrenner mit Benzin – und eine Tankfüllung reicht für 500 bis 600 Kilometer Fahrt. Die Herstellung von Wasserstoff erfolgt bisher vor allem aus fossilen Energieträgern – vorrangig Erdgas – und damit nicht CO₂-neutral. Für eine bessere Umweltbilanz sollten zur Gewinnung vor allem erneuerbare Energien genutzt werden – oder Wasserstoff, der in der chemischen Industrie häufig als Abfallprodukt anfällt.

Ist die Reichweite ausreichend?

Viele Studien zeigen, dass etwa 70% der Autofahrerinnen und Autofahrer in Deutschland pro Tag weniger als 50 Kilometer fahren, weitere 20% zwischen 50 und 100 Kilometer - Entfernungen, die ein reines Elektrofahrzeug also leicht leisten kann. Die Batterieentwicklung der letzten Jahre hat zudem dazu geführt, dass sich die Kapazitäten der Batterien sowie die Reichweite der Fahrzeuge bei ähnlicher Baugröße stark verbessert haben. Dabei konnten die Kosten bei gleicher Leistung durch höhere Stückzahlen und Lernkurven (Economies of Scale) reduziert werden. Neben der Batterietechnik beeinflussen auch das Fahrzeuggewicht, ein effizientes Energie- und Thermomanagement sowie der Fahrstil den Stromverbrauch.

Wie hoch sind die Kosten?

Neben der Reichweite stellen vor allem auch die Kosten der Elektromobilität immer wieder eine Hürde zur Anschaffung eines Elektrofahrzeugs dar. Dabei schneidet das Elektroauto Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren zunehmend besser im ab. Elektrofahrzeuge sind weniger wartungsintensiv verursacht geringere Energie-Kosten. Dazu kommen Steuervorteile und eine Reihe von derzeit verfügbaren Förderprogrammen zur Anschaffung eines Elektroautos – nicht nur für Privatnutzer, sondern auch für Unternehmen und Kommunen.

Ob und für wen sich der Kauf lohnt, hängt dabei von vielen Faktoren ab. Zur Erfassung der Gesamtkosten eignet sich am besten der sogenannte TCO-Rechner (Total Cost of Ownership). Er berechnet die Gesamtkosten, die für das Elektrofahrzeug anfallen. Hierzu zählen die Kosten für die Anschaffung von Fahrzeug und Ladeinfrastruktur, Kraftstoff und Strom, Werkstattbesuche, Steuern und Versicherung, die Abschreibung für die Abnutzung sowie der Fahrzeugwert.

• Kostenrechner des Öko-Instituts für angewandte Ökologie e.V.
  Vergleichsrechner von Hybrid-, Benzin-, Diesel- und Elektrofahrzeugen

Komponenten Elektrofahrzeuge

Elektrofahrzeuge haben im Vergleich zu verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen eine Vielzahl anderer Komponenten an Bord. Dazu zählen der Elektromotor, die Batterie inklusive Batterie-Management-System (BMS) sowie die Leistungselektronik.

Elektromotor

Bei der Schlüsselkomponente Elektromotor wird das zum Antrieb eines Elektrofahrzeugs erforderliche Drehmoment ausschließlich durch eine elektrische Maschine erzeugt. Deren Aufgabe ist es, elektrische in mechanische Energie (Motorbetrieb) bzw. mechanische in elektrische Energie (Generatorbetrieb) umzuwandeln.
Grundsätzlich werden elektrische Maschinen in Gleich- und Wechselstrommaschinen unterteilt. Die Gleichstrommaschinen finden aufgrund ihrer geringeren Wirkungsgrade bei erhöhtem Wartungsaufwand als Traktionsmotoren bei Elektrofahrzeugen keinen Einsatz. Die Wechselstrommaschinen werden zusätzlich in Synchronmaschinen, bei denen sich der Läufer synchron mit dem Drehfeld dreht, und in Asynchronmaschinen, bei denen sich der Läufer asynchron mit dem Drehfeld dreht, klassifiziert. Gleichstrom- und
Synchronmaschinen können sowohl über Magnetmaterial permanent erregt, als auch über eine Erregerwicklung elektrisch (fremd-)erregt werden. Gegenwärtig werden vorwiegend Asynchronmaschinen sowie fremd- und permanenterregte Synchronmaschinen in Elektrofahrzeugen verwendet. Die Synchronmaschinen besitzen das geringste Leistungsgewicht, was aus dem hohen Wirkungsgrad bei geringem Gewicht und Volumen resultiert. Diese sind daher neben den Asynchronmaschinen für den mobilen Einsatz besonders geeignet. Insbesondere die permanenterregte Synchronmaschine weist
durch die Verwendung von Magnetmaterialien ein nochmals geringeres Gewicht auf und ist gegenwärtig als Traktionsmotor bei elektrifizierten Antriebskonzepten besonders verbreitet. Nachteilig sind bei diesem Motorkonzept allerdings die hohen Kosten der eingesetzten Permanentmagnete, die u.a. auf die vergleichsweise geringe Rohstoffverfügbarkeit zurückzuführen sind.

Traktionsbatterie

Die Schlüsselkomponente Batterie ist als Energielieferant das zentrale Bauteil, da sie entscheidend sowohl die Reichweite als auch die Fahrzeugkosten beeinflusst. Grundsätzlich besteht eine Batterie aus einzelnen Zellen, die in Reihe und parallel zu Zellmodulen geschaltet werden. Die einzelnen Zellmodule werden über das Zellmanagement überwacht und geregelt. Das Batteriesystem setzt sich aus mehreren Zellmodulen zusammen, die mit einer entsprechenden Isolierung in einem Batteriegehäuse verbaut werden. Die Überwachung und Regelung der gesamten Batterie erfolgt durch das Batteriemanagementsystem (BMS). Es schützt die Batterie vor Beschädigungen. Zudem verfügt jedes Batteriesystem für den automobilen Einsatz über ein Kühlsystem, da die Betriebstemperatur der Batterie einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und die Haltbarkeit einer Batterie hat. Die wichtigsten Bewertungsparameter einer Batterie im Hinblick auf den Einsatz im Automobil sind Energiedichte, Leistungsdichte, Lebensdauer, Kosten und Sicherheit.

Leistungselektronik

Die Schlüsselkomponente Leistungselektronik umfasst die Aufgabe der verlustarmen Umformung und Schaltung elektrischer Energie und der Steuerung des Leistungsflusses. Bei Elektrofahrzeugen ist eine Umformung der elektrischen Energie in Bezug auf das Spannungsniveau, die Frequenz sowie die Polarität und den Spannungsverlauf erforderlich. Dazu werden verschiedene Stromrichter bzw. Wandler eingesetzt, die sich hinsichtlich ihrer Funktion unterscheiden. Der Gleichrichter wandelt einen Wechselstrom (AC, alternating current) in Gleichstrom (DC, direct current) um und wird bei Elektrofahrzeugen im Ladegerät verwendet. Dabei wird der Wechselstrom des Stromnetzes zur Speicherung in der Traktionsbatterie in Gleichstrom umgewandelt. Zum Antrieb des Elektromotors muss der Gleichstrom der Batterie wieder über einen sogenannten Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden. Aufgrund unterschiedlicher Spannungsniveaus von Elektromotor und Batterie wird in der Regel ein Gleichstromsteller (DC/DC-Wandler) benötigt. Ein aktueller Entwicklungsschwerpunkt im Bereich der Leistungselektronik für elektrische Fahrzeugantriebe besteht in der Erhöhung der Leistungsdichte zur Reduzierung des Bauraums und des Gewichts. In diesem Zusammenhang wird auch die Integration von Bauteilen wie Leistungselektronik und Elektromotor verfolgt.

Luftreinhaltung

Elektrofahrzeuge stoßen im Betrieb keine Luftschadstoffe wie Ruß, Feinstaub oder Stickoxide aus. Die Emissionen treten bei der Herstellung und an den Kraftwerken auf. Daher erweist sich die Nutzung im innerstädtischen Verkehr als uneingeschränkt positiv. Ein immissionsseitig messbarer Effekt tritt jedoch nur ein, wenn viele Verbrenner- durch viele Elektrofahrzeuge ersetzt werden.

Um den Beitrag der Elektromobilität zur Luftreinhaltung zu steigern, ist auch eine weitgehend emissionsarme Herstellung der Fahrzeuge und ein Betrieb mit Strom aus regenerativen Energien (Ökostrom) anzustreben.

Lärmschutz

Ein Pkw emittiert je nach Form und Größe, Geschwindigkeit, Fahrdynamik und in Abhängigkeit vom Fahrbahnbelag und der Steigung unterschiedliche Geräusche, die in der Summe von Passanten oder Anwohnern als mehr oder wenig störend empfunden werden.

Das Antriebsgeräusch entfällt bei Elektrofahrzeugen so gut wie ganz. Ab etwa 30 km/h ist das Elektrofahrzeug durch Wind-, Roll- und sonstige Geräusche hörbar. Die ruhige Fahrt bei niedrigen Geschwindigkeiten kann in Städten eine Entlastung beim Lärm herbeiführen, im Umfang ist das natürlich abhängig von der Anzahl der Elektroautos auf den Straßen.

Ein Sicherheitsrisiko für andere Verkehrsteilnehmer durch den akustisch kaum wahrnehmbaren Antrieb ist zu beachten, aber durch umsichtiges Verhalten aller Verkehrsteilnehmer – wie andere Gefahren auch – minimierbar.

Emissionen der E-Mobilität

Strommix in Düsseldorf

Neben dem Ausbau und der Integration der Erneuerbaren Energien gilt der Einsatz von Wärme aus hocheffizienten Erdgaskraftwerken als besonders klimaschonend. Diese modernen Kraftwerke arbeiten mit Kraft-Wärme-Kopplung und sind anderen konventionellen Erzeugungsanlagen überlegen: Sie sind emissionsarm, erreichen hohe Wirkungsgrade, sind flexibel regelbar und gelten daher als ideale Ergänzung für die Strom- und Wärmeproduktion aus Erneuerbaren Energien.
Im Frühjahr 2016 ging das neue Erdgaskraftwerk "Block Fortuna" der Stadtwerke Düsseldorf auf dem Gelände des Kraftwerks Lausward in Betrieb. Es leistet einen wertvollen Beitrag zum Klima- und Umweltschutz für Düsseldorf und die Region sowie zur Versorgungssicherheit. "Block Fortuna" spart im Zusammenspiel mit der Düsseldorfer Fernwärme insgesamt über 600.000 Tonnen Kohlendioxid im Jahr ein, im Jahr 2025 werden es sogar über eine Million sein.

Betankungszeiten

Das Laden von Elektrofahrzeugen kann über Nacht geschehen. Dabei spielt eine Ladedauer von 6 bis 8 Stunden – wie bei "Normalladen" benötigt wird – keine Rolle. In Autobahnnähe, auf Rastplätzen und Autohöfen werden vermehrt Schnellladestationen eingerichtet. Das E-Fahrzeug ist dann in kurzer Zeit wieder fahrbereit. Es dauert bis zu 30 Minuten ein E-Fahrzeug nahezu voll zu beladen, wenn der Akku leer war.

Anschaffungspreis

Die Elektrofahrzeuge sind in der Regel teurer als Verbrenner. Hierzu gibt es für Privatpersonen und Unternehmen den Umweltbonus von 4.000 Euro für reine Elektrofahrzeuge und 3.000 Euro für Hybridfahrzeuge, wobei sich Bund und Automobilhersteller die Kosten teilen.