So funktioniert ein Elektroauto

Hier erfahren Sie, dass …

• … Akkus, Elektromotor und Kühlsystem die wichtigsten Komponenten eines E-Autos sind.
• … die einzelnen Bauteile über die Leistungselektronik effizient zusammenwirken.
• … der Akku zusätzlich von einem Batterie-Management-System überwacht wird. 

Äußerlich lassen sich nicht alle E-Autos auf einen Blick von Autos mit konventionellem Antrieb unterscheiden. Aber unter der Karosserie gibt es große Unterschiede zu entdecken. Bauteile, die bei einem Benziner oder Diesel für den Betrieb benötigt werden, werden in einem Elektrofahrzeug nicht gebraucht. Dazu zählen neben dem Katalysator oder dem Anlasser auch so triviale Dinge wie eine Ölwanne oder die Zündkerzen.

Bei E-Autos sind dafür andere Komponenten notwendig: Akkus, Elektromotoren, die Leistungselektronik oder auch ein angepasstes Kühlsystem. Einige Nebenaggregate von E-Autos wie beispielsweise jene zur Brems- oder Lenkkraftunterstützung unterscheiden sich kaum von denen eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Sie werden entweder von der Hochvolt- oder von einer Niedervoltbatterie mit elektrischer Energie versorgt.

Damit aus Strom Mobilität wird, müssen die verschiedenen Komponenten möglichst effizient zusammenwirken. Wir geben einen Überblick über die wichtigsten Bauteile von Elektroautos:

In aktuellen Elektrofahrzeugen ist die Batterie das größte und wertvollste Bauteil – und wird daher häufig auch als Herz bezeichnet. Um eine bestmögliche Gewichtsverteilung zu erzielen, befindet sich der Stromspeicher meist im unteren Bereich des Autos. Höchste Ansprüche an Sicherheit und Funktionsfähigkeit zeichnen Akkus für reine Elektroautos und Plug-in-Hybride aus. Hinzu kommt als weitere wichtige Anforderung eine möglichst hohe Energie- und Leistungsdichte – damit sowohl bei der Fahrleistung als auch bei der Reichweite optimale Werte erreicht werden. 

Lithium-Ionen-Batterien haben aktuell als mobile Stromspeicher die Nase vorn. Ihre vergleichsweise hohe Zyklenfestigkeit (Laden und Entladen) erlaubt eine lange Lebensdauer und hat sie im Bereich der Kommunikations- und Unterhaltungselektronik – oder auch bei E-Bikes – bereits für viele Menschen zu alltäglichen Begleitern gemacht.

Der Lithium-Ionen-Akku für ein Elektroauto besteht aus mehreren Modulen, in denen wiederum einzelne Batteriezellen in Reihe geschaltet sind. Je nach gewünschter Reichweite unterscheidet sich die Anzahl der Module. Im Batteriesystem der ID. Familie von Volkswagen kommen sogenannte „Pouch-Zellen“ zum Einsatz. Sie haben eine hohe Formflexibilität und können optimal an die bestehenden Anforderungen angepasst werden. Darüber hinaus ermöglichen sie durch ihre glatte Oberfläche eine hohe Wärmeableitung.

Und was kommt nach dem Lithium-Ionen-Akku? Die Forschungen an Feststoffbatterien sind bereits weit fortgeschritten. Sie gelten als der aussichtsreichste Ansatz für die Elektromobilität der übernächsten Generation – mit nochmals deutlich verkürzten Ladezeiten. Bei gleichen Abmessungen eines aktuellen Akku-Packs sollen Feststoffbatterien im Elektrofahrzeug Reichweiten ermöglichen, die auf dem Niveau von konventionellen Antrieben liegen.

Auch Autos, die elektrisch fahren, haben einen Motor. Der Elektromotor wird aus mehreren Gründen als ideale Antriebsmaschine bezeichnet: Er arbeitet effizient, verschleißarm, vibrationsfrei und nahezu geräuschlos. Sein volles Drehmoment steht vom Start weg über ein großen Drehzahlbereich bereit, weshalb häufig ein festes Getriebe (also nur ein Gang) ausreicht. Es gibt Elektroautos mit mehreren E-Maschinen. Der ID.4 GTX (Stromverbrauch in kWh/100 km: kombiniert 18,2–16,3; CO₂-Emission in g/km: 0; Effizienzklasse: A+) hat beispielsweise zwei Motoren: einen an der Vorder- und einen an der Hinterachse. In den meisten Fahrsituationen kommt der Motor an der Hinterachse zum Einsatz. Soll es sportlicher werden oder mehr Grip nötig sein, schaltet sich in Sekundenbruchteilen der Elektromotor an der Vorderachse dazu.  

In einem Elektromotor werden die Anziehungs- und Abstoßungskräfte, die Magnetfelder aufeinander ausüben, dazu genutzt, um eine Bewegung zu erzeugen. Häufig kommt in Elektroautos ein permanent erregter Synchronmotor zum Einsatz. Seine wichtigste Stärke ist die Effizienz: In den allermeisten Fahrsituationen liegt der Wirkungsgrad deutlich über 90 Prozent.

Aufgrund seines sehr hohen Wirkungsgrads und der Tatsache, dass er – anders als etwa Verbrennungsmotoren – ganz ohne fossile Brennstoffe auskommt, gilt der elektrische Antrieb als zukunftsweisend. Lokal liegt der CO₂-Ausstoß bei Null.

Die Leistungselektronik ist eine Art Zentrale des Hochvolt-Bordnetzes, da hier alle Verbindungen zusammenlaufen. Sie kann auch als eine Art Bindeglied zwischen Batterie (Gleichstrom) und E-Motor (Drehstrom) bezeichnet werden: Der Strom wird je nach Bedarf hinsichtlich Form, Stärke sowie Frequenz umgewandelt.

Beim Tritt auf das Bremspedal – oder bei Auswahl der entsprechenden Fahrstufe auch schon, wenn das „Gaspedal“ verlassen wird – wird im E‑Auto elektrische Energie zurückgewonnen: Während dieser so genannten Rekuperation erzeugt der E-Motor als Generator Strom. Die Leistungselektronik wandelt diesen in Gleichstrom für den Akku.

Anders als bei Smartphones wird bei E-Fahrzeugen ein ausgeklügeltes Thermomanagement für einige Bauteile betrieben. Dadurch wird beispielsweise sichergestellt, dass die Batteriezellen einerseits nicht überhitzen und andererseits nicht aufgrund von allzu großer Kälte beschädigt werden. Die Wohlfühltemperatur von Lithium-Ionen-Akkus liegt bei etwa 10 bis 40 Grad Celsius.

Sensoren des so genannten Batterie-Management-Systems überwachen jede einzelne Batteriezelle – hinsichtlich Spannung, Ströme und Temperatur. Bei den Mitgliedern der ID. Familie temperiert eine Bodenplatte mit integrierten Wasserkanälen, die an einen Kühlkreislauf samt Klimakompressor und elektrischem Heizer angeschlossen ist, die Zellmodule.

Der Ladeanschluss verkörpert für E-Autos das, was bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor der Tankdeckel ist. Bei den meisten Autos mit Elektroantrieb befindet er sich auf der Seite am vorderen oder hinteren Kotflügel oder an der Front unter dem Markenlogo.

Sowohl am Fahrzeug als auch an der Ladestation gibt es unterschiedliche Steckertypen. In Europa weit verbreitet sind Ladekabel mit dem so genannten Typ-2-Stecker.

Immer mehr Hersteller setzen auf originäre E-Plattformen, die sich durch eine gewisse Flexibilität in Bezug auf Fahrzeuggröße und Karosseriedesign auszeichnen. Ein Antriebsstrang mit konventionellen Motoren hat darin keinen Platz mehr.

Die technische und wirtschaftliche Basis der Elektro-Offensive von Volkswagen ist der Modulare E-Antriebsbaukasten (MEB). Diese speziell für den Elektroantrieb konzipierte Fahrzeugarchitektur bietet zahlreiche Vorteile: hohe Reichweiten, viel Platz im Innenraum und eine vorzügliche Leistung. Bereits während der Entwicklung der MEB-Architektur wurde großer Wert darauf gelegt, dass sich der Aufbau des elektrischen Antriebs für möglichst viele verschiedene Fahrzeugtypen eignet. Dadurch kann die ID. Familie in den nächsten Jahren weiterwachsen.