Wie funktioniert ein Elektroauto?

Auf den ersten Blick lassen sich E-Autos wohl von außen kaum von einem herkömmlichen Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor unterscheiden. Bei einem Blick auf das Herzstück eines Elektroautos – den Motor – lassen sich sowohl hinsichtlich der Größe, als auch der Anordnung der Komponenten wesentliche Unterschiede im Innenleben feststellen: Einige Bauteile, die ein Diesel oder Benziner zwingend benötigt, kommen im Elektroauto nicht vor. Ob dies nun ein Katalysator, die Zündkerzen oder auch der Anlasser ist – das und vieles mehr erübrigt sich bei einem elektrisch angetriebenen Mobil. Stattdessen sind andere Bauteile gefragt.

Warum die Antriebstechnologie so zukunftsweisend ist und wie ein E-Auto überhaupt funktioniert – das erfährst du in dieser Übersicht.

1.  Grundprinzip der Motoren von Elektroautos

Damit sich ein E-Auto in Bewegung setzen kann, benötigt es zwei Bestandteile, die als essenziell zu verstehen sind. Das ist zum einen der Akku als Energielieferant und der Elektromotor, der das Antriebselement verkörpert. Anstelle des Akkus wird auch oftmals von einer Batterie gesprochen, was letztlich auf die gleiche Komponente abzielt. Diese speichert die zuvor zugeführte elektrische Energie, damit sie vom Motor in mechanische – also in Bewegungsenergie – umgewandelt werden kann.

Zunächst fließt die Energie des Akkus in Richtung des Motors. Ein integriertes Management-System reguliert die Batteriezellen und gewährleistet somit, dass sie alle die gleiche Spannung aufbieten und die erforderte Leistung bereitstellen. Auf diese Weise ist dieser Regler dazu in der Lage, die Lebenszeit des im Auto verbauten Akkus zu verlängern und dafür zu sorgen, dass dieser möglichst wirtschaftlich und verlässlich arbeitet.

Im Motor befinden sich zwei verschiedene Typen von Magneten. Die Statoren sind – wie es ihre Bezeichnung bereits zu erkennen gibt – fest integriert. Dazu gibt es einen Rotor, welcher sich dreht. Bekanntermaßen ziehen sich zwei Magneten bei ungleichen Polen an, bei gleichen Polen stoßen sie sich indes ab. Durch die aus dem Akku stammende Energie verändern die Statoren ihre Pole permanent. Der in der Mitte befindliche Rotor wird derweil von den übrigen Magneten wechselseitig angezogen und abgestoßen, wodurch er sich um seine eigene Achse dreht. Die Folge ist eine Rotation, eine Drehbewegung. Sie sorgt dafür, dass sich letztlich die Räder des E-Autos in Gang setzen.

Damit während der Fahrt stets die geforderte Energie bereitgestellt wird, befinden sich zwischen dem Gaspedal und dem Regler sogenannte Potentiometer. Sie übermitteln die Information, wie viel elektrische Energie die Batterie freigeben soll. Weit verbreitet ist bei E-Autos zudem ein regeneratives Bremssystem. Alternativ lässt sich auch von einer Nutzbremse sprechen. Sie dient der Rekuperation, was nichts anderes als Rückgewinnung bedeutet. Und rückgewonnen wird dabei die bereits erzeugte Bewegungsenergie. Wenn das E-Auto bremst, kann ein Teil davon wieder in elektrische Energie verwandelt werden.

Elektromotoren haben den ganz entscheidenden Vorteil, dass sie bereits im Stand ihr volles Drehmoment zur Verfügung stellen können. Die komplette Zugkraft steht demnach von Beginn an bereit. Das erlaubt einen enormen Komfort beim Anfahren. Verbrennungsmotoren erreichen ihre Zugkraft unterdessen erst im Bereich zwischen 800 bis 1.000 Umdrehungen pro Minute. Schaltvorgänge sind beim E-Auto nicht mehr erforderlich, weswegen es ohne ein mehrstufiges Getriebe und eine klassische Kupplung auskommt.

Des Weiteren ist wichtig zu erwähnen, dass der Elektromotor ausgesprochen reibungsarm und somit ohne wirkliche Energieverluste arbeitet. Der Wirkungsgrad ist eine physikalische Größe, die das Verhältnis zwischen zugeführter und tatsächlich genutzter Energie beschreibt. Motoren von E-Autos besitzen einen sehr hohen Wirkungsgrad, der oftmals bei 80 bis 90 Prozent liegt. Teilweise ist sogar von 95 Prozent die Rede. Das heißt, nur eine sehr geringe Menge der zugeführten Energie wird nicht für das Fahren genutzt. Deutlich schlechter zeigt sich die Bilanz bei Verbrennungsmotoren. Im Schnitt erreichen Benziner einen Wirkungsgrad von etwa 30 Prozent, während er bei Dieselfahrzeugen mit 40 Prozent noch etwas höher angesiedelt ist. Der Rest wird in Wärme umgewandelt, die für das Fahren selbst keine Rolle spielt.

Eine Besonderheit von E-Autos ergibt sich aus den unterschiedlichen Hersteller-Konzepten wo im Fahrzeug die Motoren verbaut werden. Einige haben den E-Motor klassisch unter der Motorhaube, andere verfügen über zwei Elektromotoren, jeweils einen für jede Achse. Daraus ergibt sich, dass E-Autos oftmals über Allradantrieb verfügen. Dritte und letzte Variante – beispielsweise im Model S von Tesla realisiert – jedes einzelne Rad erhält zum Antrieb einen separaten Elektromotor, wobei jeder einzelne von einem großen Akku gespeist wird. Diese Variante eröffnet eine komplett neue Platzaufteilung und ermöglicht ein sportlicheres Fahrverhalten. Besagtes Model S hat beispielsweise Kapazität für einen Kofferraum vorn und einen hinten, da die Motoren direkt an den Reifen sitzen. Zudem hat die Bauweise einen extrem niedrigen Fahrzeugschwerpunkt zur Folge, was die Traktion und somit sportliches Fahrverhalten begünstigt.

2.  Motorentypen

Neben dem Akku als Energiespeicher ist der Motor das wichtigste Teil eines E-Autos. Elektromotoren gelten als zukunftsweisend, da sie völlig ohne fossile Brennstoffe auskommen und dadurch keinerlei Abgase erzeugen. Dann wird davon gesprochen, dass sie emissionsfrei sind.

Grundsätzlich teilen sich die Motoren elektrisch angetriebener Mobile in zwei Kategorien auf, die hier einmal etwas näher vorgestellt werden sollen.

2.1 Gleichstrommotoren

Ihre Bezeichnung haben Gleichstrommotoren aufgrund des Stromflusses erhalten. Dieser bewegt sich konstant in eine Richtung. Der Motorentyp ist durch ein vergleichsweise hohes Gewicht und große Abmessungen gekennzeichnet. Damit ist klar: Motoren dieses Typs verfügen nicht über die idealen Eigenschaften, um in einem E-Auto verbaut zu werden. Einerseits würde dadurch das Gesamtgewicht des Fahrzeugs steigen, was die Reichweite schmälert. Andererseits könnten E-Autos wegen des Volumens des Motors weniger kompakt konzipiert werden.

2.2 Wechselstrommotoren

Anstelle der Gleichstrommotoren sind Wechselstrommotoren die erste Wahl in E-Autos. Sie zeigen weitaus mehr Vorzüge und haben somit eine klare Daseinsberechtigung. Wie es die Bezeichnung zu erkennen gibt, besteht bei diesen Maschinen die Möglichkeit, die Richtung des Stromflusses zu ändern. Die Folge ist, dass sich verschiedene Spannungen ideal umwandeln lassen. Kompakter fallen Wechselstrommotoren ebenfalls aus, sodass sie weniger Raum im Inneren des E-Autos einfordern. Zugleich ist ihr Gewicht geringer, was besonders für Elektromobilität Relevanz hat. Umso leichter das Fahrzeug schließlich ist, desto weniger Energie muss für den Antrieb aufgewendet werden. Wechselstrommotoren können zudem extrem hohe Drehzahlen bis zu 20.000 Umdrehungen erreichen. Für die Wechselstrommotoren differenzieret man zudem zwischen Asynchronmotoren und Synchronmotoren.

2.2.1 Asynchronmotoren

Die Bezeichnung der Asynchronmotoren ist auf die Erzeugung des Magnetfelds zwischen Rotor und den Statoren zurückzuführen. Sie verläuft mit einer gewissen Zeitverzögerung, weswegen sie als asynchron beschrieben wird. Dieser Motortyp ist durch einen recht simplen Aufbau gekennzeichnet. Der Rotor setzt sich lediglich aus einem Blechpaket sowie einer Kurzschlusswicklung zusammen. Der geringe Verschleiß ist ein Vorteil für den Einsatz von Asynchronmotoren. Außerdem erreicht er hohe Drehzahlen. Nicht unerwähnt soll bleiben, dass der Einsatz sogenannter Seltener Erden nicht vonnöten ist. Als Seltene Erden werden teure und rar vorkommende Industriemetalle bezeichnet, zu denen etwa Dysprosium oder Neodym gehören. Diese kommen als Bestandteile in Magneten vor. Dennoch sind Asynchronmotoren für E-Autos nur noch bedingt relevant.

2.2.2 Synchronmotoren

Gegenüber den Asynchronmotoren konnten sich Synchronmotoren in der Elektromobilität durchsetzen, da sie eine noch höhere Leistungsdichte und einen optimaleren Wirkungsgrad bieten. Sie sind in der Lage möglichst viel der zugeführten elektrischen Energie in tatsächliche, mechanische Energie umzuwandeln. Bei diesen Maschinen bewegt sich der Rotor synchron zum magnetischen Drehfeld – daher entstammt die Bezeichnung. Beinahe alle Hersteller von E-Autos greifen mittlerweile auf Synchronmotoren zurück.

3.  Weitere essenzielle Bestandteile des E-Autos

Grundsätzlich dürfte klar sein: Ein E-Auto benötigt keine fossilen Brennstoffe für den Antrieb, sondern lediglich elektrische Energie. Dadurch entfällt eine ganze Reihe technischer Elemente, ohne die es bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor nicht geht. Angefangen beim Tank, über den Kühler oder auch den Katalysator, bis hin zu einer Auspuffanlage kann das E-Auto auf all diese Bauteile verzichten. Eine andere Antriebsart bedeutet aber auch, dass dementsprechend andere Komponenten im Zusammenspiel für das Funktionieren des Fahrzeugs sorgen. Die davon wichtigsten finden Sie in dieser Übersicht.

3.1 Hochvoltbatterie (Traktionsbatterie)

Die Hochvoltbatterie in einem E-Auto ist vergleichbar mit einem Handy-Akku für Smartphones. Einzig die Größe, die nötige Kapazität und natürlich die Leistung sind signifikant höher. Gewissermaßen ließe sie sich auch als „Tank“ des E-Autos bezeichnen. In aller Regel ist die Hochvoltbatterie das größte Bauteil im Fahrzeug und befindet sich oftmals längs unter der Fahrgastzelle des Autos.

Der Akku besteht aus mehreren, einzelnen Batteriemodulen. In diesen wiederum befinden sich einzelne Zellen in Reihe geschaltet. Sie ergeben in der Summe die Spannung, welche für den Antrieb des E-Autos notwendig ist. Wird die Hochvoltbatterie geladen, erhält sie elektrische Energie, die sie als chemische Energie speichert. Sobald ihre Kapazität für das Fahren gefragt ist, kehrt sich dieser energetische Prozess um und es steht elektrische Energie bereit.

Gegenwärtig haben sich Lithium-Ionen-Akkus für Elektromobile als Ideallösung hervorgetan, sodass nahezu alle Hersteller darauf vertrauen. Der Batterietyp liefert eine Reihe an Argumenten. So bietet er eine hohe Energiedichte, eine große Speicherkapazität, ist lange haltbar und vor allem auch für Schnellladungen geeignet. Letztgenannter Aspekt ist insbesondere für die Alltagstauglichkeit der E-Autos im Hinblick auf die Ladedauer entscheidend.

Die Forschung und Entwicklung für noch leistungsfähigere Akkumulatoren ist lang nicht abgeschlossen – bis zu einem 30-Fachen des aktuellen Leistungsvermögen ist technisch denkbar. Damit ließen sich Reichweiten verlängern oder alternativ die Akkus komprimieren. Die innovativste und vielversprechendste Technologie scheint der Lithium-Sauerstoff-Akku zu sein. Lassen wir uns überraschen, was die Zukunft bereit hält.

3.2 Niedervoltbatterie (Bordnetzbatterie)

Der Akku versorgt das E-Auto mit Energie. Die Niedervoltbatterie mit einer Spannung von 12 Volt versorgt Verbraucher und Geräte im inneren eines E-Autos mit Energie. Durch die wesentlich geringere Energie erhielt diese Komponente ihren Namen. Der Antriebs-Akku verfügt unterdessen mit 350 Volt über eine wesentlich höhere Spannung – wird daher Hochvoltbatterie genannt.

Zurück zur Niedervoltbatterie: Sie erfüllt in erster Linie den Zweck eines Pufferspeichers. Sie versorgt fernab fernab des Motors die Verbraucher in einem Fahrzeug mit Strom. Zu diesen gehören insbesondere:

  • Bordelektronik
  • Beleuchtung innen und außen
  • Sitzheizung
  • Belüftung / Gebläse
  • Fensterheber
  • Türöffner
  • Scheibenwischer
  • Radio und ggf. weitere Multimediageräte

Das auch als Bordnetzbatterie bezeichnete Teil nimmt beim Starten des Fahrzeugs eine wichtige Rolle ein: Es überprüft das gesamte System des E-Autos und aktiviert den Hochvoltspeicher. Dafür genügen bereits geringe Ströme. Die Niedervoltbatterie existiert auch in Wagen mit Verbrennungsmotor. Dort wird sie bekanntermaßen über die Lichtmaschine während der Fahrt aufgeladen. Beim E-Auto fließt ein Teil der Rekuperationsenergie, also der beim Bremsen gewonnenen Energie, in die 12 Volt Batterie.

Erwähnenswert ist an dieser Stelle noch, was im Falle eines Unfalls geschieht. Aus Sicherheitsgründen wird bei einem E-Auto die Hochvoltbatterie umgehend deaktiviert. Explosionen oder Brandgefahren sind somit kategorisch ausgeschlossen. In Betrieb bleibt jedoch weiterhin die Niedervoltbatterie, um die Bordelektronik zu versorgen. Somit lassen sich die Fenster und Türen des Fahrzeugs öffnen und schließen.

3.3 Leistungselektronik

Als Bindeglied zwischen dem Elektromotor und dem Akku wirkt die Leistungselektronik. Ihre essenzielle Aufgabe lässt sich vereinfacht zusammenfassen: Sie wandelt den Strom je nach Bedarf hinsichtlich Form, Stärke sowie Frequenz um. Die Batterie stellt schließlich Gleichstrom zur Verfügung, während die gängigen Motoren von E-Autos jeweils nach einer Wechselspannung verlangen. An dieser Stelle kommt die Leistungselektronik ihrer Aufgabe ebenso nach, wie in den Fällen, in denen das Fahrzeug mit dem öffentlichen Netz zum Aufladen verbunden ist: Den eingehenden Wechselstrom transformiert sie wiederum zu Gleichstrom für die Batterie.

Wird die Bremsenergie durch eine Rekuperation zu elektrischer Energie umgewandelt, erzeugt die Leistungselektronik daraus einen Gleichstrom für die Batterie. Sie ist eine Art Zentrale für das Hochvolt-Bordnetz, da dort alle Verbindungen zusammenlaufen.

3.4 Ladeanschluss

Was der Tankdeckel für die Benziner und die Dieselfahrzeuge ist, verkörpert der Ladeanschluss für die E-Autos. Meist befindet sich dieser an einem der hinteren Kotflügel oder direkt frontal an der Motorhaube unter dem Markenemblem. Der Ladeanschluss stellt die Schnittstelle zwischen dem Wagen und dem Stromnetz dar. Das Aufladen mit Strom ist sowohl an dafür vorgesehenen Ladesäulen, als auch an Wallbox (Wand-Ladestationen) oder herkömmlichen Steckdosen möglich. Es gibt jedoch auf Fahrzeugseite und auf Seiten der Ladestation verschiedene Steckertypen. Oftmals muss dementsprechend mit Adaptern für die Kompatibilität gearbeitet werden. Weitere Infos dazu finden Sie in unserem FAQ-Bereich mit dem Schwerpunkt Batterie und Aufladen.

4.  Nebenaggregate

Hilfsaggregate erfüllen verschiedene Aufgaben. Bei Verbrennungsmotoren sind sie beispielsweise für die Abgasreinigung zuständig. Für E-Autos entfällt dieser Job selbsterklärend, dafür kommen jedoch trotzdem Aggregate vor. Je nach ihrer Aufgabe werden Sie durch die Hoch- bzw. Niedervolt-Batterie des Fahrzeuges gespeist. Sie sind für die Sicherheit, den Komfort oder auch die Gewährleistung des Fahrzeugbetriebs zuständig:

  • Beleuchtung des Fahrzeugs innen und außen
  • Heizung bzw. Klimaanlage
  • Klimatisierung des Akkus
  • Bremsunterstützung
  • Lenkunterstützung

Der E-Motor verfügt im klassischen Sinne nicht über einen Leerlauf wie er von einem gewöhnlichen Auto bekannt ist. Im Leerlauf werden dort die Temperatur und Energie erzeugt, um die oben genannten Funktionen zu betrieben und die Motoren-Temperatur zu regulieren. Bei einem Elektroauto wird im Stand keinerlei Strom für den Motor verbraucht, jedoch greifen alle sonstigen Verbraucher wie etwa Heizung und Licht auf die gespeicherte Energie des Akkus zu. Die Klimatisierung ist im Übrigen die energieaufwendigste Thematik. Dabei geht es einerseits um die Temperatur für die Fahrgäste im Auto, aber andererseits vor allem auch um die Temperaturregulierung des Akkus. Bei besonders kalten Außentemperaturen muss diese gewärmt werden, bei hoher Beanspruchung und heißen Außentemperaturen muss eine Kühlung einsetzen. Das alles kostet die Batterie natürlich Strom und letztlich Reichweite. Besonders in diesen Bereichen arbeiten Ingenieure mit Hochdruck an Lösungen und Effizienzverbesserungen.

5.  Karosserie

Der Karosserie ist bei E-Autos ein hohes Maß an Aufmerksamkeit zu schenken. Ohnehin spielt sie bei allen Arten von Fahrzeugen eine wichtige Rolle, wenn es darum geht, die Insassen und alle im Inneren verbauten Komponenten bestmöglich zu schützen. Andererseits trägt sie als Formgeber zur Optik und Ästhetik des Fahrzeuges bei, um einen hohen Wiedererkennungswert zu schaffen und eine Differenzierung gegenüber anderen Modellen zu bieten. Hier ist in den vergangenen Jahren ein sichtlicher Sprung im Design der E-Autos gelungen. Während die ersten E-Autos die Geschmäcker der Autoliebhaber wenig trafen, gibt es mittlerweile von sportlich bis luxuriös alle Designvariationen. Der Grund dieser anfänglich kuriosen Korosserieformen von E-Autos ist einfach der Luftwiderstand und Gewicht, Genaueres geht aus den folgenden Zeilen hervor:

5.1 Conversion Design

Der englische Begriff conversion bedeutet ins Deutsche übersetzt so viel wie eine Umwandlung oder auch einen Umbau. Übertragen auf die Karosserie eines elektrisch angetriebenen Pkws, zielt diese Idee darauf ab, dass schlichtweg das Design eines bereits vorhandenen Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor herangezogen wird. Das ursprüngliche Modell verwandelt sich dann gewissermaßen in ein E-Auto, indem es nur zu einer Anpassung der für den Betrieb erforderlichen Bauteile kommt.

Für den Hersteller selbst ist dieses Prinzip sinnvoll und kostenoptimierend. Der Aufwand und Kostenfaktor für eine Neuentwicklung wäre wesentlich höher. Falls ein cCnversion Design es nicht in die Serienreife schafft, ist der Schaden verkraftbar. Weniger Probleme entstehen auch bei Reparaturen an der Karosse da die Blaupausen und Ersatzteile adaptiert werden können, somit ändert sich auch das Handling in den Werkstätten für die ausführenden Mechaniker nicht sonderlich.

Nachteilig an diesem Modell ist die Grundkonzeption des Fahrzeuges für einen Verbrennungsmotor. Die Möglichkeiten Elektromotoren und Akkus zu platzieren sind wesentlich vielfältiger als ein Verbrennungsmotor und der dazugehörige Tank. Vorgefertigte Platzaussparungen für Getriebe, Auspuffanlage oder auch der Schaltknauf im Innenraum sind plötzlich überflüssig. Es ist somit ein kompromissbereites Verschmelzen von Alt und Neu.

5.2 Purpose Design

Während beim Conversion Design Bestehendes angepasst wird, zielt das Purpose Design darauf ab, das Fahrzeug komplett optimiert für die Elektromobilität zu kreieren. Es ist das konsequente Konzipieren eines E-Autos ohne Kompromisse mit den Gegebenheiten aus der Verbrenner-Technologie eingehen zu müssen.

Das Design wird in Form und Material darauf ausgerichtet möglichst wenig Fahrwiderstand zu erzeugen. Dieser entsteht durch:

  • Luftwiderstand
  • Steigungswiderstand
  • Rollwiderstand
  • Beschleunigungswiderstand

Purpose Design brachte die Verwendung geeigneterer Materialien zum Vorschein wie diverse Kunststoffe oder Kohlefaser.

Für die Hersteller ist das das Purpose Design ein höheres Risiko. Nicht nur die Investitionen für ein komplett neues Konzept-Car inklusive der dafür benötigten Zeit und Ressourcen sind aufwendig, sondern auch der komplette Herstellungsprozess bis hin zum Teileeinkauf bei Zulieferern muss neu entstehen.

6.  Wartung eines E-Autos

Das E-Auto gilt im Allgemeinen als wesentlich weniger anfällig und wartungsärmer gegenüber einem Diesel oder Benziner. Der Grund dafür liegt auf der Hand: Eine Vielzahl technischer Komponenten kommt schlichtweg im Fahrzeug nicht vor. Zu diesen gehören etwa die Kupplung, die Zündkerzen, der Katalysator, der Ölfilter, die Auspuffanlage, die Lichtmaschine, der Vergaser oder auch die Luftfilter. Gleichzeitig muss kein Ölwechsel vorgenommen werden und die Bremsbeläge eines E-Autos sind einem deutlich geringeren Verschleiß ausgesetzt, da die Rekuperation (Energie-Rückgewinnung beim Bremsen) das Fahrzeug bereits verzögert.

Nichtsdestotrotz muss ein E-Auto ebenso regelmäßigen Service-Intervallen und Checks unterzogen werden. Analog herkömmlicher Fahrzeuge ist die Herstellergarantie daran gebunden. Besonders ist jedoch, dass nicht jeder Hersteller auf eigene Vertragswerkstätten besteht, sondern es auch sogenannte Service-Provider geben kann. Insbesondere Start Up-Unternehmen, die Fahrzeuge entwickelt haben und auf kein eigenes, flächendeckendes Netz an Service-Punkten zurückgreifen können, setzen Externe Partner dafür ein. Als Beispiel soll das Fahrzeug „e.Go life“ von einem neu gegründeten Unternehmen aus Aachen (GER) dienen, der an Bosch Car Service ausgelagert wurde.

Welche Teile müssen nun bei einem E-Auto regelmäßig überprüft und gewartet werden? Vorrangig Lager und Naben, Leuchten inklusive der Scheinwerfer, die Spiegel und Scheiben, Wischwasser und natürlich Bremsbelege, Bremsscheiben bzw. Bremstrommeln. Der Ladestand der Niedervoltbatterie sollte kontrolliert werden. Offensichtlich ist bei dieser Aufzählung, dass es sich um wesentlich weniger wartungsintensive Komponenten handelt. Sollten diese Teile defekt sein, ist eine Reparatur zudem recht kostenarm und schnell realisierbar.

Unter dem Gesichtspunkt der Wartung ist noch eine Untersuchung des Instituts für Automobilwirtschaft (IFA) erwähnenswert. Sie hat die Wartungs- und Reparaturkosten für E-Autos mit Benzin und Dieselfahrzeugen verglichen. Als Grundlage diente ein Kleinwagen, der über den Zeitraum von acht Jahren betrachtet wurde. Das Endergebnis lautete, dass die entstehenden Kosten bei einem E-Auto etwa 35 Prozent geringer ausfielen.