Seitenansicht eines roten VW ID.4 GTX.

Antriebstechnik in E-Autos: Wo Elektromotoren noch Potenzial haben

Geht es um die Weiterentwicklung von Elektroautos, rückt meist der Akku in den Fokus. Doch was tut sich beim Antrieb des Fahrzeugs? Wir sagen, wie der Elektromotor funktioniert und was ihn in Zukunft noch leistungsstärker machen könnte.

Elektromotoren führten lange ein Nischendasein in Industrie, Handwerk oder im Bahnverkehr. Und eigentlich galten sie als ausgereift – bis moderne Elektroautos neue Herausforderungen schufen. Nun soll der elektrische Antrieb der Autos noch effizienter und leistungsstärker werden.

1.
ID.4 GTX: Stromverbrauch (kombiniert) 18,2–16,3 kWh/100 km; CO2-Emission in g/km: 0; Effizienzklasse: A+

Geht es um die Weiterentwicklung von Elektroautos, rückt meist der Akku in den Fokus. Doch was tut sich beim Antrieb des Fahrzeugs? Wir sagen, wie der Elektromotor funktioniert und was ihn in Zukunft noch leistungsstärker machen könnte.

Elektromotoren führten lange ein Nischendasein in Industrie, Handwerk oder im Bahnverkehr. Und eigentlich galten sie als ausgereift – bis moderne Elektroautos neue Herausforderungen schufen. Nun soll der elektrische Antrieb der Autos noch effizienter und leistungsstärker werden.

Elektrisch betriebene Fahrzeuge …

  • … kommen meist mit einem einzigen Gang aus.
  • … benötigen bisher ein Untersetzungsgetriebe.
  • … könnten durch neue Technik bei der Kühlung in Zukunft mehr Reichweite erzielen.

Wie funktioniert der Motor in einem Elektroauto?

Elektroautos fahren mit Strom, der in der Regel in Lithium-Ionen-Akkus mitgeführt wird. Spezielle Leistungselektronik stellt die Verbindung zwischen Motor und Batterie her. Es folgt die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie. Das geschieht mittels eines feststehenden Stators und eines beweglichen Rotors, der, je nach Maschine, auf unterschiedliche Weise in Bewegung gesetzt wird.

Wer etwa einen ID.3 von Volkswagen fährt, tut das mit Hilfe eines sogenannten permanenterregten Synchronmotors (PSM). Darin fließt Strom durch die Kupferdrahtspulen des Stators, was ein umlaufendes Magnetfeld erzeugt. Der aus seltenen Erden wie Neodym gefertigte Rotor verfügt selbst über ein permanentes Magnetfeld. Das zwingt ihn, den Feldern des Stators synchron zu folgen und sich zu drehen. Anders ist es bei Autos mit fremderregten Synchronmotoren (FSM). In diesen Elektrofahrzeugen besteht das Magnetfeld des Rotors nicht permanent, sondern wird durch einen Elektromagneten zeitlich begrenzt erzeugt. 

Schematische Darstellung eines Antriebs in einem durchsichtigen Auto
Der Antrieb eines Elektroautos ist deutlich weniger komplex als gängige Verbrennungsmotoren.

Elektroautos: Ein Gang reicht

Das volle Drehmoment eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs steht mit dem Tritt aufs Fahrpedal augenblicklich zur Verfügung. Seine Leistung ruft es über einen recht großen Drehzahlbereich hinweg ab. Das macht Schaltgetriebe in Elektroautos normalerweise überflüssig, es sei denn, man verlangt seinem Auto sowohl eine extreme Beschleunigung als auch eine sehr hohe Endgeschwindigkeit ab. Dann sind zwei Gänge für das Fahrzeug durchaus angebracht. Ein Rückwärtsgetriebegang ist in E-Autos dagegen nicht erforderlich – E-Motoren laufen in beide Richtungen. 

Üblich ist dagegen ein Untersetzungsgetriebe in E-Autos. Elektromotoren erreichen ihre höchste Effizienz erst bei einer gewissen Drehzahl und arbeiten mit mehreren Tausend Umdrehungen pro Minute. In diesem Zeitraum rotieren die Räder aber meist nur höchstens 2.500 Mal. Abhilfe schafft ein Untersetzungsgetriebe, das die Drehzahl des Motors um den gewünschten Faktor verringert. 

Die Vorteile von Elektromotoren

Reine Elektroautos punkten nicht nur mit hohem Fahrspaß über einen breiten Drehzahlbereich hinweg. Die elektrischen Motoren der Fahrzeuge verrichten ihre Arbeit nahezu geräuschlos. Sie erzeugen so gut wie keine Vibrationen und bestehen aus weniger Teilen als Verbrennungsmotoren, wodurch sie bei gleicher Leistung kleiner bleiben können. Ihr relativ simpler Aufbau macht sie verschleißarm. Und durch Rekuperation, also die Energiegewinnung beim Bremsen und Bergabfahren, werden Elektroautos zu Stromgeneratoren. Weitere Argumente für Elektromobilität muss man im Gesamtbild betrachten.

Effizienter als Verbrennungsmotoren 

Erreichen Verbrennungsmotoren moderner Autos einen Wirkungsgrad von etwa 45 Prozent, liegt der von Elektromotoren bei rund 90 Prozent. In der Spitze beträgt der Wert sogar 95 Prozent. Bei der Stromgewinnung für Elektrofahrzeuge in Kohle-, Gas- oder Kernkraftwerken geht bereits viel Primärenergie verloren, anders als bei der Herstellung von Benzin oder Diesel. Deutlich besser ist daher die Nutzung von erneuerbarer Energie für Elektrofahrzeuge. 

Keine CO2-Emissionen

Elektromobilität ist lokal CO2-frei. Das heißt, die Fahrzeuge verursachen lokal keine weiteren CO2-Emissionen. Ihren vollen Vorteil für das Klima spielen sie aus, wenn sie mit GrünstromOpens an external link geladen werden.

Wie sieht die Zukunft des Elektromotors aus?

Es liegt auf der Hand, dass die Hersteller von E-Autos der Weiterentwicklung von Akkus eine große Bedeutung zumessen. Doch auch der Antrieb der Fahrzeuge bietet noch Spielraum für Verbesserungen. 

Grafik des E-Antriebs eines ID.3 in seinen verschiedenen Bestandteilen
Ein Elektromotor ist relativ simpel im Aufbau.

Bereits jetzt setzt Volkswagen im Motor seines ID.3 auf eine sogenannte Hairpin-Technologie. Bei diesem Herstellungsverfahren bestehen die Kupferdrahtspulen des Stators aus flachen Formspulen, die an Haarnadeln erinnern. Sie erlauben eine optimale Nutzung des verfügbaren Platzes. Gegenüber gewickelten Spulen verschafft der zusätzliche Kupferdraht den Hairpins einen Vorsprung in Sachen Leistung und Drehmoment. 

Vom Windrad ins E‑Auto

Natürlich gibt es bereits Forschungen, die auf einen noch höheren Wirkungsgrad des Antriebs für Elektrofahrzeuge abzielen, zum Beispiel durch das US-amerikanische Start-up „Linear Labs“Opens an external link. Eigentlich wollten die Texaner einen Lineargenerator für die Welle eines Windrades entwickeln, um bei niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment Strom zu erzeugen. Dieses Prinzip haben sie umgekehrt und auf Elektromobilität übertragen. Dort arbeitet der Motor im Auto besonders effizient, wenn dessen Drehzahlbereich möglichst nah an dem der Raddrehzahl liegt. Das soll die Hunstable Electric Turbine (HET) gewährleisten. Stellt sie das nötige Drehmoment bei weniger als 3.000 Umdrehungen pro Minute zur Verfügung, würde das auch ein schweres Untersetzungsgetriebe im Fahrzeug überflüssig machen. So möchte der Hersteller eine um bis zu 20 Prozent erhöhte Reichweite der Autos erzielen. 

Kühlung von innen

Einen anderen Ansatz zur Leistungsoptimierung in der Elektromobilität verfolgt man bei dynamic E flowOpens an external link. Das deutsche Unternehmen setzt auf Hohldrahtspulen in Elektromotoren. Diese müssen nicht mehr von außen gekühlt werden – das Kühlmittel fließt gleich durchs Innere der Spulen. Das erspart eine gesonderte Kühlvorrichtung und ist, laut Hersteller, bis zu 1.000 Mal effizienter. Zudem kann die Maschine im Vergleich zu aktuellen Elektromotoren vom bis zu Fünffachen des Stroms durchflossen werden. Und da die produzierte Hitze vollständig abgeführt wird, erhöht sich die Lebensdauer von Komponenten wie Isolation oder Magneten.

Wie leistungsstark die aktuellen Elektromotoren von Volkswagen heute schon sind, erleben Sie am besten bei einer Probefahrt mit einem Modell aus der ID. Familie

2.
ID.4: Stromverbrauch kombiniert: 17,5–15,5 kWh/100 km (NEFZ); CO2-Emission in g/km: 0; Effizienzklasse: A+
3.
Bildliche Darstellungen können vom Auslieferungszustand abweichen.
5.
Tiguan eHybrid: Kraftstoffverbrauch in l/100 km: kombiniert 1,6; Stromverbrauch in kWh/100 km: kombiniert 13,8; CO₂-Emission in g/km: kombiniert 35; Effizienzklasse: A+

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Volkswagen AG Disclaimer

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Die angegebenen Verbrauchs- und Emissionswerte wurden nach den gesetzlich vorgeschriebenen Messverfahren ermittelt. Seit dem 1. September 2017 werden bestimmte Neuwagen bereits nach dem weltweit harmonisierten Prüfverfahren für Personenwagen und leichte Nutzfahrzeuge (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure, WLTP), einem realistischeren Prüfverfahren zur Messung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen, typgenehmigt. Ab dem 1. September 2018 wird der WLTP schrittweise den neuen europäischen Fahrzyklus (NEFZ) ersetzen. Wegen der realistischeren Prüfbedingungen sind die nach dem WLTP gemessenen Kraftstoffverbrauchs- und CO2-Emissionswerte in vielen Fällen höher als die nach dem NEFZ gemessenen. Dadurch können sich ab 1. September 2018 bei der Fahrzeugbesteuerung entsprechende Änderungen ergeben. Weitere Informationen zu den Unterschieden zwischen WLTP und NEFZ finden Sie unter www.volkswagen.de/wltp.

Aktuell sind noch die NEFZ-Werte verpflichtend zu kommunizieren. Soweit es sich um Neuwagen handelt, die nach WLTP typgenehmigt sind, werden die NEFZ-Werte von den WLTP-Werten abgeleitet. Die zusätzliche Angabe der WLTP-Werte kann bis zu deren verpflichtender Verwendung freiwillig erfolgen. Soweit die NEFZ-Werte als Spannen angegeben werden, beziehen sie sich nicht auf ein einzelnes, individuelles Fahrzeug und sind nicht Bestandteil des Angebotes. Sie dienen allein Vergleichszwecken zwischen den verschiedenen Fahrzeugtypen. Zusatzausstattungen und Zubehör (Anbauteile, Reifenformat usw.) können relevante Fahrzeugparameter, wie z. B. Gewicht, Rollwiderstand und Aerodynamik, verändern und neben Witterungs- und Verkehrsbedingungen sowie dem individuellen Fahrverhalten den Kraftstoffverbrauch, den Stromverbrauch, die CO2-Emissionen und die Fahrleistungswerte eines Fahrzeugs beeinflussen.

Weitere Informationen zum offiziellen Kraftstoffverbrauch und den offiziellen, spezifischen CO2-Emissionen neuer Personenkraftwagen können dem „Leitfaden über den Kraftstoffverbrauch, die CO2-Emissionen und den Stromverbrauch neuer Personenkraftwagen“ entnommen werden, der an allen Verkaufsstellen und bei der DAT Deutsche Automobil Treuhand GmbH, Hellmuth-Hirth-Str. 1, 73760 Ostfildern-Scharnhausen (www.dat.de/co2) unentgeltlich erhältlich ist.
  • Die in dieser Darstellung gezeigten Fahrzeuge und Ausstattungen können in einzelnen Details vom aktuellen deutschen Lieferprogramm abweichen. Abgebildet sind teilweise Sonderausstattungen der Fahrzeuge gegen Mehrpreis. Bitte beachten Sie auch unseren Konfigurator für eine Übersicht der aktuell verfügbaren Modelle und Ausstattungen.

    Die Angaben beziehen sich nicht auf ein einzelnes Fahrzeug und sind nicht Bestandteil des Angebots, sondern dienen allein Vergleichszwecken zwischen den verschiedenen Fahrzeugtypen.

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