Elektroautos sind eine immer beliebtere Alternative zu Benzin- und Dieselautos. Sie sind umweltfreundlicher und kostengünstiger im Unterhalt. Hier erkläre ich verschiedene Aspekte der Technik im Elektroauto. Dieser Abschnitt wird kontinuierlich um technische Themen erweitert. Zunächst habe ich mich der Batterie und dem Antrieb gewidmet, der CO₂-freies und emissionsfreies Fahren erst ermöglicht und die Basis der nachhaltigen Mobilität bzw. der Elektromobilität darstellen.
Grundsätzlich funktionieren alle Elektrofahrzeuge gleich. Der Elektroantrieb eines Elektroautos besteht im Wesentlichen aus einer Batterie, einem Elektromotor (oder mehreren) sowie dem Lade- und Leistungsmanagement. Wie beim „Modularen E-Antriebsbaukasten“ (MEB) von Volkswagen kommt in der Regel eine sogenannte Skateboard-Architektur zum Einsatz: Die Batterie liegt gut geschützt und platzsparend unten, weitere Komponenten befinden sich an Vorder- und Hinterachse. Alle Teile sind durch Hoch-Voltkabel miteinander verbunden. Die Systemspannung beträgt in der Regel 400 Volt und ist damit deutlich höher als die Steckdose zu Hause (230 V). Aber es können bereits bis zu 800 Volt sein.
Elektroauto – Die Batterie
In E-Autos sind verschiedene Batterietypen verbaut. Hier erkläre ich grundsätzliches und Batterietyp-spezifisches, mit den Vorteilen und Nachteilen der verschiedenen Batterietechnologien.
„Batterie“ oder „Akku“
„Batterie“ ist der Sammelbegriff für einen Energiespeicher. Ist dieser Energiespeicher wiederaufladbar, dann ist es auch ein „Akku“. Da die Batterie in Elektroautos wiederaufladbar ist, sind beide Bezeichnungen korrekt.
Aufbau und Funktion einer Batterie
Eine Lithium-Ionen-Batterie setzt sich aus vielen Einzelzellen zusammen. Jede dieser Zellen ist immer gleich aufgebaut und enthält folgende Bestandteile:
- Positive Elektrode / Kathode
- Negative Elektrode / Anode
- Elektrolyt (in Lösungsmittel gelöste Salze wie Lithiumhexafluorophosphat)
- Separator (Vlies oder polymeren Folien)
Die Elektrolyte liegen zwischen den Polen und tragen Sorge dafür, dass die Ionen beim Laden oder Entladen zwischen Anode und Kathode hin- und herwandern.
Lithium-Batterien
In den meisten verfügbaren Elektroautos werden zur Zeit (2023) Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Polymer Batterien verbaut. Den Vorteilen dieser Batterien, wie zum Beispiel hohe Leistungsfähigkeit und hohe Lebensdauer, stehen jedoch negative Eigenschaften wie höhere Produktionskosten und ein aufwendigeres Batteriemanagement gegenüber. Ausserdem muss man die Bedingungen der Rohstoffgewinnung, die für diese Batterien benötigt werden, aus umwelttechnischer und menschenrechtlicher Sicht zum Teil sehr bedenklich. Es wird eine grosse Menge an Wasser benötigt und der Abbau der Rohstoffe wird oft mit Kinderarbeit und sozialer Ungleichheit in den Ländern, in denen diese abgebaut werden, in Verbindung gebracht. Alle Hersteller sind sich dieser Missstände bewusst und drängen Zulieferer, sich hohen Umweltstandards zu unterwerfen und für bessere Arbeitsbedingungen und Löhne zu sorgen.
Vorteile der Lithium-Ionen und Lithium-Polymer Batterien:
+ Energiedichte
+ Lebensdauer
+ Gewicht
Nachteile der Lithium-Ionen und Lithium-Polymer Batterien:
– Produktionskosten
– Batteriemanagement
– Entflammbarkeit
– Hitzeentwicklung
– Rohstoffgewinnung
Autohersteller wie Mercedes beginnen, auf eine spezielle Variante des Lithium-Ionen Akkus zu setzen: der LFP-Akku, welcher einige spezielle Eigenschaften aufweist.
Lebensdauer einer Batterie
Batteriezellen altern zyklisch – nach der Zahl der Ladevorgänge – und kalendarisch, also mit den Jahren. Die typische Lebensdauer von NMC-Zellen ist 2000 Zyklen und zwölf Jahre. Bei LFP-Zellen sind es 3000 Zyklen und 19 Jahre. Zellen, die Natrium statt Lithium verwenden, könnten das Doppelte davon erreichen. Multipliziert man die Zahl der Zyklen mit der Reichweite, erhält man die kilometrische Lebenserwartung. Bei NMC also zum Beispiel:
2000 Zyklen mal 300 Kilometer = 600.000 km.
Bestimmte Umstände können die Dauerhaltbarkeit drastisch mindern: Das schnelle Laden bei Kälte etwa ruiniert die Zyklenfestigkeit. Gute Elektroautos haben darum aufwendige Heiz- und Kühlsysteme, die die Zellen schonen.
Tipps zur Schonung der Batterie
Beim Laden der Batterien sollte man einige Dinge beachten, um das teuerste Bauteil des Elektroautos, die Batterie, möglichst zu schonen und somit für eine längere Lebensdauer mit hoher Kapazität zu sorgen. Siehe dazu auch das Unterkapitel „Laden“.
Auch mit einer moderaten und gleichmässigen Fahrweise kann die Lebensdauer der Batterie positiv beeinflusst werden. Besonders zu Beginn einer Fahrt, d. h. solange die Batterie noch kalt ist, sollte man eher „defensiv“ fahren. Ganz nebenbei erhöht sich dadurch natürlich die Reichweite des Elektroautos.
Hitze und Kälte mindern ebenfalls die Kapazität der Batterie erheblich. Im Sommer sollte das Elektroauto also möglichst nicht länger in der prallen Sonne stehen. Ein schattiger Parkplatz ist daher den heissen Monaten sehr zu empfehlen. Geht wiederum das Thermometer in Richtung Gefrierpunkt und darunter, ist ein kältegeschützter Abstellplatz wie eine Garage ein grosser Vorteil.
Steht ein Elektroauto längere Zeit, ohne benutzt zu werden, gibt es auch ein paar Dinge zu beachten, damit die Batterie diese Ruhephase unbeschadet übersteht. Grundsätzlich ist bei längerem Stillstand ein trockener, vor Witterung geschützter Stellplatz und eine mittlere Batterieladung zu empfehlen. Bleibt das Elektroauto sogar noch länger, eventuell sogar für mehrere Monate unbewegt, ist ein Ladestand von 60 % ratsam. Dieser sollte dann circa alle zwei bis drei Monate überprüft und bei Bedarf entsprechend nachgeladen werden.
Elektroautos haben erheblich weniger Verschleissteile als Benzin- oder Diesel-Fahrzeuge verbaut, das Elektroauto ist also insgesamt wesentlich wartungsärmer. An dem teuersten Bauteil – der Batterie – sollte regelmässig eine jährliche Inspektion durchgeführt werden.
Batterie-Recycling
Die Batterien der Elektroautos werden am Ende ihres Lebenszyklus fachgerecht recycelt. Diese werden in ihre einzelnen Module zerlegt und ihre Restenergie wird für den Schredder genutzt, welcher die einzelnen Rohstoffe der Batterien wie z. B. Aluminium, Lithium, Kobalt und Kupfer in ein Granulat zerkleinert.
Die Elektrolytflüssigkeit verdampft, wird gesammelt und von der chemischen Industrie weiterverwendet. So werden bis zu 96 % der Batteriemodule stofflich wieder- oder weiterverwertet und ca. 40 % des CO₂-Fussabdrucks bei der Produktion neuer Batterien eingespart.
Zukunft der Batterietechnologie für Elektroautos
Die Forschung arbeitet an neuen Batterietechnologien, die die Reichweite und die Ladezeiten von Elektroautos weiter verbessern sollen. Dazu gehören unter anderem:
- Festkörperbatterien, die eine höhere Energiedichte und eine kürzere Ladezeit bieten als Lithium-Ionen-Batterien.
- Schwefel-Luft-Batterien, die eine hohe Energiedichte und eine niedrige Kosten bieten.
- Lithium-Schwefel-Batterien, die eine hohe Energiedichte und eine lange Lebensdauer bieten.
Die Entwicklung dieser neuen Technologien befindet sich noch in einem frühen Stadium, aber sie könnten in Zukunft die Elektromobilität revolutionieren.
Technik – Der Antrieb
Der Elektromotor ist das Herzstück eines Elektroautos. Er wandelt die elektrische Energie in mechanische Energie um, die die Räder antreibt. Moderne Elektroautos werden mittels eines synchronen Wechselstrommotors angetrieben. Dieser besteht aus einem feststehenden Stator sowie einem Rotor, es handelt sich bei dem Stator und dem Rotor um Elektromagneten. Der Stator erzeugt ein konstantes Magnetfeld, sobald Gleichstrom durch seine Spulen fliesst. Auch der Rotor produziert ein Magnetfeld, allerdings durch Wechselstrom. Durch abwechselndes Anziehen und Abstossen der Elektromagneten dreht sich der Rotor und das bewirkt schliesslich die Bewegung des Fahrzeugs.
Wirkungsgrad eines Elektromotors
Ein Elektromotor hat heute schon einen Wirkungsgrad von 85 bis 90 Prozent, d. h. 85 – 90 Prozent der Energie, die als Strom in den Elektromotor gelangt, wird in Bewegungsenergie umgesetzt. Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie bei einer Umwandlung in die gewünschte Energieform umgewandelt wird. Heute verwendete Elektromotoren gelten als nahezu verschleiss- und wartungsfrei sowie als hocheffizient. Der hohe Wirkungsgrad ist beim Elektromotor ein wichtiger Unterschied zu den heute noch weitverbreiteten Benzin- bzw. Dieselmotoren, denn diese setzen unter optimalen Bedingungen nur maximal 40 % bis 50 % der im Treibstoff enthaltenen Energie in Bewegung um, oft sogar noch weniger. Der Rest geht zum grössten Teil als Wärme verloren. Häufig besitzen Elektroautos zwei Elektromotoren – einen an der Vorder- und einen an der Hinterachse. Alternativ werden manche Modelle von in den Rädern verbauten Radnabenmotoren angetrieben.
Generell lassen sich die Elektromotoren von Elektroautos in zwei verschiedene Typen unterscheiden, die in ihrer Funktionsweise unterschiedlich sind. Die beiden häufigsten Motortypen sind die Permanenterregte Synchronmaschine (PSM) sowie die Asynchronmaschine (ASM).
Permanenterregte Synchronmaschine (PSM)
Permanenterregte Synchronmaschinen bieten einen höheren Wirkungsgrad sowie eine höhere Leistungsdichte, denn im Rotor dieses Typs befinden sich Permanentmagnete mit einem Magnetfeld, das sich synchron zum magnetischen Drehfeld im Stator bewegt. Dadurch können PSM eine grössere Menge der eingespeisten Energie in Bewegungsenergie umwandeln. Zusätzliche Vorteile dieses Motorentyps sind die einfachere Steuerung und der geringere Platzbedarf, da ein zusätzliches schaltbares Untersetzungsgetriebe wegen der niedrigen Drehzahlen und hoher Drehmomentabgabe bei diesem Typ nicht notwendig ist. Leider ist die Produktion dieses Motorentyps teurer, da seltene Neodym-Erden für die Rotoren-Magnete benötigt werden. Dieser Motortyp ist in den Modellen Hyundai Ioniq, Kia e-Niro und Nissan Leaf verbaut (Stand 2022).
Asynchronmaschine (ASM)
Der Aufbau der sogenannten Asynchronmaschine gleicht dem des Induktionsmotors: Im Rotor sind elektrische Kupfer- oder Aluminium-Leiterstäbe verbaut. Wenn dann durch diese Leiterstäbe Strom fliesst, treibt das Magnetfeld des Stators den Rotor an. Die Induktionseffekte erhöhen den Erregerstrom im Rotor, sodass sich eine höhere Kraft der sich abstossenden Magnetfelder ergibt. Die Magnetfeld-Erzeugung zwischen Rotor und Statoren geschieht leicht zeitverzögert und die Rotation läuft mit geringerer Drehzahl, daher nennt man diesen Typ Asynchronmotoren. Asynchronmaschinen benötigen zwar eine aufwendigere Steuerung, dafür ist diese Bauart günstiger und weniger verschleissanfällig, als bei den Synchronmotoren. Dieser Motortyp ist in den Modellen Audi e-tron und Mercedes EQC verbaut (Stand 2022).
Elektroautos sind eine gute Wahl für umweltbewusste Autofahrer. Sie sind sauberer, leiser und kostengünstiger im Unterhalt als Benzin- und Dieselautos.
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