In diesem Beitrag:
- Geschichte des Elektroautos
- Akkutechnik im Vergleich
- Funktionsweise der Motoren
- Alternativen zur heutigen Motorentechnik
- Antriebs-Varianten in Elektroautos
- Ausblick auf die Zukunft des Elektroautos
Geschichte des Elektroautos
Neuland? Sicher nicht. Das Elektroauto ist älter als der Verbrennungsmotor. Lange bevor Carl Friedrich Benz seinen Motorwagen Nummer 1 auf Testfahrt schickte, rollten bereits batteriebetriebene Elektrofahrzeuge über die Straßen Europas und vor allem der USA. Lange Jahre entwickelte sich die Technik der beiden Antriebsarten friedlich nebeneinander, bis ausgerechnet ein Elektromotor den Stromern das Licht ausknipste. Denn neben dem seinerzeit in scheinbar unerschöpflichen Mengen verfügbaren Benzin war es vor allem die Entwicklung des US-Ingenieurs Charles F. Kettering, die den Siegeszug des Verbrennungsmotors in der Neuzeit einläutete. Kettering entwarf 1912 den elektrischen Anlasser für die Serienproduktion. Er sozialisierte damit das Autofahren, nachdem die Motoren nicht mehr mühsam von Hand angekurbelt werden mussten.
Die Elektroantriebe zogen sich in der Folge in die Nische zurück, treiben seitdem vor allem kleine Liefer- und Flurförderfahrzeuge sowie den Schwerverkehr mit externer Stromversorgung an, zum Beispiel in Lokomotiven.
Akkutechnik im Vergleich
Die jetzt bevorstehende Zeitenwende dieser Entwicklung steht und fällt mit dem Speicher: Wie erfolgreich das Elektroauto sein wird, entscheidet sich nicht so sehr an seiner möglichen Fahrdauer pro Ladung, sondern am Kosten/Nutzen-Verhältnis. Letztendlich ist nur ein sehr begrenzter Teil der potentiellen Benutzer bereit, hohe Aufpreise für die Stromspeicher zu bezahlen. Ein preiswertes E-Mobil für den Kurzstreckenverkehr mit rund 150 Kilometer Reichweite hätte ebensolches Potential wie ein Pkw mit 4 – 500 Kilometer Reichweite, der nicht mehr kostet als ein konventionell angetriebenes Modell.
Bei der Akkutechnik sind momentan Lithium-Ionen-Zellen das Mittel der Wahl. Die günstigeren Nickel-Metallhydrid-Akkus spielen im Automobilbereich nur noch bei Toyotas Hybridmodellen eine nennenswerte Rolle, andere Techniken wie LiFePO4-Akkus sind aktuell zu teuer und aufwendiger in Produktion und Batteriemanagement. Bei den Projekten für Batteriefabriken, wie sie in der Autobranche derzeit allerorten geprüft und forciert werden, geht es jedoch nicht vorrangig um die Produktion solcher Akku-Zellen. Diese werden preisgünstig zugekauft, beispielsweise in Form standardisierter Akkus des Typs 18650, wie sie etwa auch in Taschenlampen Verwendung finden. Allerdings hat Tesla jüngst bekannt gegeben, auch in die Batteriezellenproduktion einsteigen zu wollen.
Dennoch: Das wesentliche Know-How der Firmen und die Hauptaufgabe der Batteriefabriken liegt darin, die einzelnen Zellen zu großen sogenannten Stacks zu verbinden und eine entsprechende Lade- und Management-Technik zu entwickeln. Letztere ist unabdingbar, um unterschiedliche Ladezustände der einzelnen Zellen auszugleichen, das sogenannte „Balancing“.
Stromverbrauch von Elektroautos
Den tatsächlichen Verbrauch und die Reichweite alleine aus den technischen Daten für die Traktionsbatterien und den Antrieb herzuleiten, ist nicht ohne weiteres möglich. Als Traktionsbatterie wird die Batterie zum Antrieb eines Elektro- oder Elektro-Hybridfahrzeugs bezeichnet, da gleichzeitig noch eine handelsübliche, vom Verbrenner-Pkw bekannte Bordnetzbatterie verbaut wird. Um die im Pkw-Bereich extremen Temperaturschwankungen im Winter- und Sommerbetrieb bestmöglich auszugleichen, sind Kühlung und im Idealfall auch eine Heizung der Traktionsbatterien nötig, um sie in einem für den Wirkungsgrad optimalen Betriebsbereich zu halten. Dies begrenzt bei entsprechenden Systemen die nutzbare Energie für den eigentlichen Antrieb. Weiterhin werden die Traktionsbatterien zur Erhöhung der Dauerhaltbarkeit nur in einem gewissen Teil ihrer Kapazität betrieben, also nie komplett entladen und in aller Regel auch nicht maximal aufgeladen. Deshalb spricht man hier von einem sogenannten Ladefenster.
Durch dieses Batteriemanagement lassen sich Kundenbefragungen von Nissan und Tesla zufolge Laufleistungen von 150.000 bis 200.000 Kilometer bis zu einer Restkapazität von rund 80 Prozent erzielen, dies wird allgemein als die Grenze angesehen, bei der eine Traktionsbatterie als verbraucht gilt. Für ein Recycling nicht mehr voll leistungsfähiger Antriebsbatterien entwickeln außerdem mehrere Autohersteller derzeit Konzepte, um diese als Stationärspeicher zum Beispiel für Haushalte mit Photovoltaik-Anlagen einzusetzen.
Zusätzlichen Einfluss auf die Effektivität eines Elektroautos hat die Ladetechnik. Einerseits ist mit höheren Ladeströmen der Ladeverlust größer, andererseits setzen Schnellladungen die Lebensdauer der Akkus in einem gewissen Maße herab. Auch die Temperatur beeinträchtigt den Verbrauch eines Elektroautos. Im Winter können Ladeverluste von bis zu 30 Prozent entstehen – so werden dann beispielsweise bei einem Tankvorgang von 15 kWh Akkukapazität über 19 kWh Strom verbraucht. Und auch hier wird es an den Herstellern liegen, über möglichst effektives Laden Kompetenzvorsprünge zu erzielen, um sich vom Wettbewerb abzuheben.
Funktionsweise der Motoren in Elektroautos
Antriebsseitig werden in praktisch allen Elektroautos Drehstrommotoren eingesetzt. Drehstrom, korrekt bezeichnet als „Dreiphasenwechselspannung“, kennen wir im Haushalt beispielsweise vom „Starkstrom“-Anschluss eines Küchenherdes. Die im Fachterminus „umrichtergeführte permanentmagneterregte Dreiphasen-Synchronmaschine“ genannte Bauart hat gegenüber Gleichstrommotoren unter anderem Vorteile durch geringeren Verschleiß, da keine Schleifkontakte benötigt werden. Der Umrichter hat dabei zwei Aufgaben: Im Schubbetrieb wandelt er die Energie aus der Traktionsbatterie in Wechselstrom um, während der Rekuperation, wo der Elektromotor als Generator arbeitet, dient er wiederum als Gleichrichter für den Ladestrom zur Batterie hin.
Andere Motorkonzepte (Gleichstrommotor, umrichtergeführter Asynchronmotor) spielen derzeit so gut wie keine Rolle im Elektroauto. Der Unterschied zwischen Synchron- und Asynchronmotoren liegt in der Arbeitsweise des „Läufers“, also des rotierenden Teils des Motors. Bei Asynchron-Motoren folgt der Rotor je nach Funktion als Generator oder Motor dem Statordrehfeld zeitverzögert, also asynchron. Beim Synchronmotor läuft der Rotor entsprechend sofort synchron zum Statordrehfeld.
Seltene Erden und das Elektroauto
Der bereits seit längerem diskutierte Einsatz von fremderregten Synchronmotoren, wie ihn beispielsweise ZF bereits 2012 in einem Prototyp vorstellte, könnte vor allem durch den Verzicht auf die umstrittenen seltenen Erden für die Permanenterregung künftig eine gewisse Rolle spielen. Zum Verständnis: Die Erregung eines Elektromotors bezeichnet natürlich nicht seine Gemütslage, sondern die Herstellung des benötigten Magnetfeldes. Bei permanenterregten Elektromotoren wird dies über starke Magnete erzielt, für die beispielsweise das zu den seltenen Erden zählende Neodym benötigt wird. Da sowohl die Liefersituation (fast ausschließlich aus China) als auch der sehr umweltbelastende Abbau der seltenen Erden stark in der Kritik steht, besteht entsprechendes Interesse an fremderregten Motoren. Deren Nachteile gegenüber permanenterregten Elektromotoren sind ihre systembedingt höhere Drehzahl mit der Notwendigkeit eines zusätzlichen Untersetzungsgetriebe, ihre größere Bauform sowie ein schlechterer Wirkungsgrad, also ein höherer Stromverbrauch.
Antriebsarten in Elektroautos
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal von Elektroautos kann deren Antriebssystem sein. Hier gibt es in der Hauptsache den bei Pkw inzwischen als Quasi-Standard etablierten Frontantrieb mit Kraftableitung direkt aus dem Abtrieb der E-Maschine, weiterhin ist für Allradantriebe der Einsatz von zwei Motoren (einer pro Achse) möglich. Dabei müssen die beiden E-Motoren nicht zwingend identisch leistungsstark sein, weil sich über eine entsprechende intelligente Steuerung sämtliche Fahr-Szenarien abbilden lassen. Ein gutes Beispiel hierfür sind die Allradsysteme der Hybrid-Elektrofahrzeuge von Toyota und Lexus, wo der Hinterachs-Elektromotor eher als Hilfsantrieb zur Traktionsverbesserung ausgelegt ist.
Eine andere Variante ist der Einsatz von Radnabenmotoren, die eine maximal exakte Ansteuerung der Antriebskraft pro Rad und damit entsprechende fahrdynamische Vorteile versprechen. Ihr Nachteil liegt einerseits in den hohen ungefederten Massen pro Rad, andererseits in ihrer ungeschützten Platzierung direkt im Schmutzbereich der Räder, was eine entsprechend aufwendige Kapselung erfordert.
Die Zukunft des Elektroautos aus heutiger Sicht
Abschließend lässt sich sagen: Dass die Elektromobilität in den Startlöchern steht, ist unbestreitbar. Wohin der Weg führt, entscheidet in erster Linie die Preisentwicklung vor allem bei den Stromspeichern. Zumindest mittelfristig wird es wahrscheinlich auf ein Neben- und Miteinander hinauslaufen. Für den gewerblichen und privaten Langstreckenverkehr in Form von Verbrennermotoren sowie Hybridsystemen mit Stromerzeugung durch Benzinmotoren oder Brennstoffzellen. Im Nutzfahrzeugbereich weiterhin mit Diesel, eventuell auch mit Gasturbinen-Hybriden.
Im Kurz- und Mittelstreckeneinsatz der immer weiter wuchernden Ballungszentren hingegen stehen die Zeichen ganz auf Strom, wobei hier künftig auch das Car-Sharing eine wesentliche Rolle für die flächendeckende Verbreitung der Stromer spielen wird. Entscheidend gerade im urbanen Bereich wird hier jedoch auch die Entwicklung der Lade-Infrastruktur sein. Möglich wäre die Installation von Ladeterminals beispielsweise an Lichtmasten, auch die kontaktfreie Induktionsladetechnik ist ein Feld, an dem intensiv geforscht wird.
