Fahrzeugtechnik

Technische Informationen zu Elektrofahrzeugen und Batterie

Was ist ein Elektrofahrzeug?

Die Bandbreite bei Elektrofahrzeugen reicht von vollelektrischen Fahrzeugen (BEV = Battery Electric Vehicle) bis zu nur teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen –  sogenannten Hybriden, einer Mischform von Verbrennungs- und Elektromotor. Hybridfahrzeuge, die über einen Stecker geladen werden können, nennt man Plug-in-Hybride (PHEV = Plug-in-Hybrid Electric Vehicle). Beide Fahrzeugtypen  sind im elektrischen Fahrbetrieb effizient, leise und stoßen vor Ort keine Schadstoffe aus – ein großer Vorteil in von Smog und Lärm betroffenen Innenstädten. Werden Elektroautos zudem mit regenerativ erzeugtem Strom aufgeladen, verbessert sich die Umweltbilanz des Fahrzeugs noch erheblich.

Definition Elektrofahrzeug

Elektrisch betriebene Fahrzeuge sind laut Elektromobilitätsgesetz alle reinen Batterieelektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge sowie Plug-in-Hybride, die maximal 50 g/km CO2 ausstoßen oder im reinen Elektro-Betrieb eine Mindestreichweite von 40 km erreichen. Diese Definition ist wichtig für gesetzlich festgelegte Privilegien sowie eventuelle finanzielle Förderung beim Kauf.


Wie funktioniert der Antrieb eines Elektroautos?

Es gibt unterschiedliche Antriebskonzepte für Elektrofahrzeuge – je nach Bauart und Grad der Elektrifizierung

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.

Langstreckenfahrten ohne Nachladen – wie 700 Kilometer in den Urlaub fahren – wird allerdings auch längerfristig mit rein elektrisch angetrieben Fahrzeugen nur in Ausnahmefällen möglich sein. Daher spielt die Verbindung verschiedener Verkehrsmittel - die sogenannte „Intermodalität“ - eine große Rolle. Eine Möglichkeit könnte sein, lange Strecken mit dem Zug zurückzulegen und vor Ort  den ÖPNV oder CarSharing zu nutzen

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.

Eine bespielhafte Berechnung können Sie mit einem Rechner des Ökoinstitut e.V. hier durchführen.


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

E-Autobatterie.

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.

Weitere Informationen finden Sie auf unserer Themenseite Batterien.

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.