Elektroautos gelten längst als das Auto der Zukunft: Das liegt vor allem an ihrer Funktionsweise, die einige Vorteile bietet. Denn statt eines mit Benzin oder Diesel betriebenen Motors kommt in den Stromern ein Elektroantrieb zum Einsatz. Da E-Autos also keinen Kraftstoff benötigen, stoßen sie beim Fahren auch kein CO₂ aus. Das macht die elektrischen Fahrzeuge verglichen mit Benzinern im Betrieb deutlich umweltfreundlicher.
Aber wie genau funktioniert ein E-Antrieb und aus welchen Komponenten setzt er sich zusammen? Wir haben für Sie die wichtigsten Fakten rund um Elektroautos und ihre Motoren zusammengestellt.
Was ist ein Elektroantrieb?
Ein Elektroantrieb sorgt dafür, dass sich ein Fahrzeug ohne Kraftstoffe, wie Benzin oder Diesel, allein durch elektrische Energie fortbewegen kann. Dabei wird über den Elektromotor, der ein Teil des Elektroantriebs ist, elektrische Energie in mechanische Bewegung umgesetzt.
Wie funktionieren Elektroautos?
Im Zentrum jedes Elektroautos steht ein Elektromotor, der mit Strom aus einer Hochvoltbatterie betrieben wird. Dabei übernimmt diese Batterie die Rolle des Energiespeichers. Sie liefert die Grundlage für Antrieb und Reichweite. Der Motor wandelt die gespeicherte Energie mithilfe von Magnetfeldern in mechanische Kraft um: Anziehende und abstoßende Kräfte bringen die Achsen in Bewegung und das Fahrzeug fährt los.
Drückt der Fahrer auf das „Gaspedal“, genauer genommen auf das „Strompedal“, gelangt mehr Strom aus der Batterie in den Motor. Die Folge ist ein schnelleres Drehen des Motors und die Beschleunigung des E-Autos. Bei diesem Vorgang verwendet der Elektromotor Magnete und Spulen. Die gemeinsame Arbeit dieser Teile sorgt dafür, dass sich das E-Auto bewegt: entweder vorwärts oder rückwärts.
Aus welchen Komponenten besteht der Elektroantrieb?
Die Batterie, also der Akku, ist die zentrale Komponente eines jeden E-Autos. Sein aktueller Ladezustand wird vom Batteriemanagementsystem erfasst, das während der Nutzung des Fahrzeugs nicht nur dessen Leistung, sondern auch eventuelle Ladevorgänge verwaltet. Der Akku ist für den elektrischen Betrieb von Heizung und Klimaanlage sowie die für die Lenk- und Bremsvorgänge zuständigen Nebenaggregate verantwortlich. Darüber hinaus versorgt er auch das 12-Volt Bordnetz mit Strom.
Weitere Bestandteile eines elektrisch betriebenen Autos sind neben dem Elektromotor auch die Leistungselektronik sowie die Kühlsysteme und das Temperaturmanagement.
Verglichen mit klassischen Verbrennern bieten E-Autos einen niedrigeren Schwerpunkt. Denn die einzelnen Komponenten sind nach der „Skateboard“-Architektur angeordnet: Während der Elektromotor und die Leistungselektronik an der Vorder- und/oder der Hinterachse installiert sind, befindet sich der Akku zwischen den Achsen im Unterboden. Die Karosserie deckt diese Skateboard-Struktur ab.
Die Batterien in E-Autos
Zu den wichtigsten Bestandteilen eines E-Autos gehören zwei Batterien, die unterschiedliche Funktionen erfüllen.
Hochvoltbatterie
Hochvoltbatterien speichern Energie in Form von Strom. Die aktuell verwendeten Lithium-Ionen-Batterien sind zwar in der Herstellung kostspielig, dafür aber auch besonders leistungsstark und langlebig. Ihre Stromspeicher-Kapazität ist entscheidend für die Reichweite eines E-Autos. Informieren Sie sich immer, wie groß die Batterie in Ihrem Elektroauto sein sollte.
Die beim Fahren zurückgewonnene Energie durch Rekuperation wird ebenfalls in der Hochvoltbatterie gespeichert. Dabei nutzt der Elektromotor beim Bremsen seine Fähigkeit als Generator: Bewegungsenergie geht nicht als Reibungswärme verloren, sondern wird stattdessen in elektrische Energie umgewandelt und zurück in die Hochvoltbatterie eingespeist. Dadurch werden die Reichweite und die Effizienz des Fahrzeugs ebenfalls gesteigert.
Niedervoltbatterie
Zusätzlich ist in Elektroautos noch eine kleinere Niedervoltbatterie verbaut. Diese liefert Energie für die gesamte Bordelektronik wie Beleuchtung, Scheibenwischer, Tempomat oder das Entertainment-System. Die Niedervoltbatterie versorgt zudem die Steuerelektronik. Sie sorgt dafür, das Relais und Systeme hochfahren können, bevor der Hochvoltspeicher hinzugeschaltet wird. Ohne die Niedervoltbatterie ließe sich das Auto somit nicht “einschalten”.
Leistungselektronik
Da sie der Steuerung des Elektroantriebs dient, steht die Leistungselektronik im Mittelpunkt der Antriebstechnik. Die Leistungselektronik stellt die passende Stromart bereit und wandelt den Strom um – beispielsweise Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom, mit dem der Motor arbeitet. Konkret wandelt ein Wechselrichter (Inverter) Gleichspannung (DC) aus der Batterie in Wechselspannung (AC) für den Elektromotor um.
Eine weitere Komponente der Leistungselektronik ist der Laderegler, der den Ladeprozess des Akkus steuert und die Ladeleistung optimiert.
Weitere Funktionen der Leistungselektronik:
- Motorsteuerung: Anpassung der Drehzahl und des Drehmoments des Elektromotors
- Energieeffizienz: Maximierung der Energieumwandlung und Minimierung der Verlustleistung
- Rekuperation: Umwandlung der Bremsenergie in elektrische Energie sowie Rückspeisung in den Akku
- Temperaturmanagement: Überhitzung vermeiden und Leistung optimieren
Welche Bestandteile hat der Elektromotor eines E-Autos?
E-Autos werden durch einen synchronen Wechselstrommotor angetrieben. Dieser besteht aus einem feststehenden Stator sowie dem Rotor, bei denen es sich um Elektromagneten handelt. Der Stator erzeugt ein konstantes Magnetfeld, sobald Gleichstrom durch seine Spulen fließt. Der Rotor produziert ebenfalls ein Magnetfeld, allerdings durch Wechselstrom. Durch abwechselndes Anziehen und Abstoßen der Elektromagneten dreht sich der Rotor und erzeugt die Bewegung des Fahrzeugs.
Bei Elektroautos wird die Antriebskraft des Motors über ein einfaches Getriebe mit nur einer festen Übersetzung weitergeleitet. Anschließend verteilt das Differenzial diese Kraft gleichmäßig auf die Antriebsräder, sodass das Fahrzeug stabil und effizient in Bewegung gesetzt wird. Alternativ werden manche E-Auto-Modelle von in den Rädern installierten Radnabenmotoren angetrieben.
Für die Beschleunigung des Antriebsmotors ist unterdessen die Leistungselektronik verantwortlich, die den über den Akku eingespeisten Gleichstrom in Drehstrom mit der benötigten Frequenz und Spannung umwandelt.
(1) Antriebswellenflansche , (2) Leistungselektronik, (3) Getriebe und Differenzial, (4) Elektromotor
Was sind die häufigsten Motorarten?
Motoren von E-Autos lassen sich zwei verschiedenen Kategorien zuordnen, deren Funktionsweise sich voneinander unterscheidet. Die beiden häufigsten Motorarten sind die Permanenterregte Synchronmaschine (PSM) sowie die Asynchronmaschine (ASM).
Permanenterregte Synchronmaschine
Permanenterregte Synchronmaschinen bieten, verglichen mit Asynchronmaschinen, einen höheren Wirkungsgrad sowie eine besonders überzeugende Leistungsdichte. Denn im Rotor dieser Version befinden sich Permanentmagnete inklusive eines Magnetfeldes, das sich synchron zum magnetischen Drehfeld im Stator bewegt. Auf diese Weise können Synchronmotoren hohe Mengen der durch Strom eingespeisten Energie in mechanische Energie umwandeln.
Ein weiterer Vorteil dieser Motorenart ist neben der simpleren Steuerung, dass sie relativ platzsparend ist. Denn ein schaltbares Untersetzungsgetriebe ist aufgrund niedriger Drehzahlen und hoher Drehmomentabgabe bei dieser Bauart nicht notwendig.
Die Produktion dieser Motoren ist allerdings etwas teurer, da seltene Neodym-Erden als Bestandteil der Rotoren-Magnete benötigt werden.
Unter anderem sind die Modelle Hyundai Ioniq, Porsche Taycan und Nissan Leaf mit Synchronmotoren ausgestattet. Diese werden gerne verbaut, weil sie eine hohe Effizienz bei der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie bieten.
Ein Asynchronmotor wie er zum Beispiel im Audi e-tron verwendet wird. (© Audi).
Asynchronmaschine
Der simple Aufbau der sogenannten Asynchronmaschine gleicht dem des Induktionsmotors. Im Rotor sind elektrische Kupfer- oder Aluminium-Leiterstäbe verbaut. Fließt durch diese Strom, setzt das Magnetfeld des Stators den Rotor in Bewegung. Induktionseffekte verstärken zusätzlich den Erregerstrom im Rotor. Dadurch werden die abstoßenden Magnetfelder kräftiger und die Antriebsleistung steigt.
Da die Magnetfeld-Erzeugung zwischen Rotor und Statoren leicht zeitverzögert ist und die Rotation mit geringerer Drehzahl läuft, spricht man bei dieser Bauweise von Asynchronmotoren.
Asynchronmaschinen haben zwar eine aufwendigere Steuerung, dafür ist die Bauart günstiger und weniger verschleißanfällig als bei Synchronmotoren. Verbaut werden ASM beispielsweise im Audi e-tron sowie im Mercedes EQC.
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Woher kommt die Energie für den E-Antrieb?
Elektrisch betriebene Fahrzeuge ziehen Energie aus Strom, der über den Ladeanschluss des E-Autos eingespeist wird. Statt eines Tankdeckels bei Autos mit Verbrennungsmotor befindet sich an der Seite von E-Autos eine Klappe, hinter der sich der Anschluss zum Aufladen befindet. Die Energie wird nach dem Ladevorgang im Akku gespeichert, der als Energielieferant für die Antriebskraft des Elektromotors dient.
Aufladen können Sie Ihr E-Fahrzeug über eine Wallbox oder an Säulen von öffentlichen Ladestationen. Die Modelle sind allerdings mit unterschiedlichen Steckertypen ausgestattet.
Die Vorteile von Elektroantrieben
Vor allem im Hinblick auf Energiewende und Klimaschutz hat der Elektroantrieb in der Mobilität eine zentrale Bedeutung. Die Technologie dieser Antriebsart hat dabei viele Vorteile.
Das Wichtigste im Überblick:
- Umweltfreundlich im Betrieb: Elektrofahrzeuge stoßen keine Abgase aus und können mit Ökostrom betrieben werden. Eine Reduzierung der CO₂-Emissionen sowie die Verbesserung der Luftqualität sind positive Folgen.
- Hoher Wirkungsgrad und Energieeffizienz: Ein Großteil der eingesetzten Energie wird direkt für den Antrieb genutzt: Der Wirkungsgrad liegt bei 80 bis über 90 Prozent. Herkömmliche Verbrennungsmotoren arbeiten deutlich ineffizienter.
- Geringe Betriebskosten: Reparatur- und Wartungskosten sind bei Elektroautos meist unkomplizierter und geringer, da der Elektroantrieb mit weniger beweglichen Teilen auskommt. Auch die Ladekosten fallen oft niedriger aus – besonders dann, wenn das Fahrzeug zuhause geladen wird.
- Lärmemission: Dank des leisen Betriebs der Fahrzeuge sinkt die Lärmbelastung.
- Förderungen und steuerliche Vorteile: In Deutschland kann man als E-Auto-Fahrer*in von staatlichen Zuschüssen, Steuererleichterungen und anderen Anreizen profitieren.
Fazit
Der Elektroantrieb ist zukunftsweisender Standard der Mobilität – technisch überzeugend und zugleich ein Gewinn für die Umwelt. Er zeichnet sich durch hohe Effizienz, geringe Wartungsanfälligkeit und leises Fahren aus. Es werden völlig neue Möglichkeiten für eine nachhaltige, komfortable und innovative Fortbewegung eröffnet.
Die wachsende Ladeinfrastruktur und die fortschreitende Ladetechnologie tragen dazu bei, dass sich Elektrofahrzeuge und ihr benötigtes Umfeld kontinuierlich weiterentwickeln und verbessern.