Wie funktioniert ein Elektroauto?

Elektroautos sind in aller Munde: leise, geringe Betriebskosten, niedriger Verschleiß, keine Abgase. Schnelles Anfahren, ohne Gangwechsel, bietet zudem insbesondere im Stadtverkehr einen angenehmen Fahrkomfort. Darüber hinaus gelten die E-Autos als die Hoffnung, um den Klimawandel auszubremsen. Doch wie gut ist die Ökobilanz eines Elektroautos wirklich? Die Elektrofahrzeuge haben bisher recht hohe Anschaffungskosten aufgrund der teuren Herstellung der E-Auto-Batterie. Die aktuell hohe Kaufprämie versucht jedoch, den Menschen Elektromobilität schmackhaft zu machen. Doch wie funktioniert ein Elektroauto eigentlich? Und welche Vor- und Nachteile haben E-Autos? Diesen und vielen weiteren Fragen wollen wir in diesem Beitrag gemeinsam auf den Grund gehen.

Inhalt:

1. Elektroantrieb – die einzelnen Komponenten und ihre Funktionsweise
2. Wie werden E-Autos geladen?
3. Elektromobilität: Vor- und Nachteile
4. Wie ist die Ökobilanz eines Elektroautos?
5. Wie groß ist die Reichweite eines Elektroautos?
6. Kostencheck: Elektroauto und Verbrenner im Vergleich
7. Ausblick: Haben Elektroautos Zukunftspotenzial?

Beim Aufbau eines Elektroautos hat sich die „Skateboard-Architektur“ als Basis bewährt, da fast jede Karosserie auf das Skateboard gesetzt werden kann. Dadurch wird lediglich eine Basis für mehrere Fahrzeugmodelle benötigt, was eine Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten zulässt.

Zudem besitzt die Skateboard-Architektur einen niedrigen Schwerpunkt und ist sehr platzsparend, wodurch der vorhandene Raum optimal genutzt werden kann. Alle einzelnen Komponenten sind durch Hochvolt-Kabel mit einer Spannung zwischen 408 bis 800 Volt miteinander verbunden. Doch wie funktioniert ein Elektroauto möglichst einfach erklärt?

Wie funktioniert ein Elektroauto hinsichtlich des Motors?

Der Elektromotor und die Leistungselektronik liegen an der Vorder- und/oder Hinterachse eines E-Autos und treiben die Räder mithilfe von Strom aus der Hochvoltbatterie direkt an. Meistens wird ein synchroner Wechselstrommotor eingesetzt, der aus zwei Elektromagneten, dem Stator und dem Rotor besteht. Während der Stator mithilfe von Gleichstrom ein konstantes Magnetfeld erzeugt, stellt der Rotor sein Magnetfeld mit Wechselstrom her. Dabei wandelt der Elektromotor die elektrische Energie durch Magnetfelder in mechanische Energie um. Deren anstoßende und abstoßende Kräfte setzen durch den drehenden Motor das Auto in Bewegung. Der Motor bezieht seine Energie durch die Leistungselektronik und wandelt den gespeicherten Strom aus der Hochvoltbatterie in die benötigte Form, Stärke und Frequenz um. Die Frequenz des Wechselstroms reguliert die Geschwindigkeit des E-Autos, die Amplitude hingegen steuert die Leistung des Motors.

Wie wird ein Elektroauto angetrieben?

Das Herzstück und teuerste Bestandteil eines Elektroautos, der Akku, befindet sich zwischen den Achsen gut geschützt im Unterboden. Vorwiegend werden als Akku Lithium-Ionen-Batterien verwendet, da diese besonders langlebig sind, schnell laden und eine größere Speicherkapazität als andere Batterien haben. Außerdem zeichnen sie sich durch eine hohe Zyklenfestigkeit (Ladung/Entladung) aus. Das Batteriemanagementsystem (BMS), sozusagen das Gehirn der Batterie, überprüft ihren Zustand und regelt Ladevorgänge sowie Leistungen während des Betriebs. Es ist außerdem für die Temperaturregelung zuständig und gleicht Spannungsschwankungen aus. Somit ist das Batteriemanagementsystem für eine lange Lebensdauer der Batterie verantwortlich.

Nachdem die Frage Wie funktioniert ein Elektroauto? beantwortet wurde, widmen wir uns der Nächsten: Wie werden E-Autos geladen? Elektroautos werden meist mit einem Stecker angeschlossen - in Europa ist ein dreiphasiger Typ-2-Stecker gebräuchlich -, der den Strom über ein Mode-3-Kabel zum Ladeanschluss des Elektrofahrzeugs leitet. Über den Ladeanschluss kann das E-Auto entweder über eine herkömmliche Steckdose geladen werden oder über eine Wallbox, was eine Ladestation fürs Elektroauto zu Hause ist. Wird das E-Auto über eine Haushaltssteckdose (2, 3 kW) geladen, muss der „getankte“ Wechselstrom mithilfe eines Stromwandlers im Fahrzeug zu Gleichstrom umgewandelt werden. Da die hohen Dauerleistungen jedoch eine Gefahr für die häusliche Elektrik darstellen können, sollte das E-Auto nur in Ausnahmefällen darüber geladen werden.

Eine ungefährlichere und deutlich schnellere Lademöglichkeit ist die Wallbox mit einer Ladeleistung von 11-22 kW (400 Volt, 32 Ampere). Die Wallbox ist ein Steuergerät für das Aufladen von E-Autos und enthält Schutzvorrichtungen gegen Fehlströme und Überlastungen. Elektro-Ladestationen mit einer Ladeleistung von 43 kW (4009 V, 63 A) und mehr an öffentlichen Plätzen haben häufig eine Schnellladefunktion, jedoch muss die Ladeleistung des Elektroautos ebenfalls dafür ausgelegt sein.

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Vorteile von Elektroautos:

• Kein CO₂-Ausstoß
• Verschleißarm
• Vibrationsfrei und nahezu geräuschlos
• Energieeffizient
• Von Anfang an volles Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich
• Ohne mehrstufiges Getriebe und ohne klassische Kupplung (aus Effizienzgründen haben Hochleistungs-E-Autos zwei Fahrstufen)

Nachteile von Elektroautos:

• Geringe Reichweite durch begrenzte Speicherkapazität; notwendige Ladepausen
• Gefahrensituationen im Straßenverkehr durch leisen Elektromotor
• Batterie kann bei Unfall anfangen zu brennen und ist schwer zu löschen
• Batterieherstellung energieintensiv, teuer und unter Einsatz wertvoller Rohstoffe

Nachdem wir uns intensiv mit der Frage Wie funktioniert ein Elektroauto? beschäftigt haben und was die wesentlichen Vor- sowie Nachteile sind, werfen wir nun einen Blick auf die Ökobilanz. Ein Elektrofahrzeug ist lediglich so sauber wie der Strom, den es bezieht. Erfolgt die Stromerzeugung durch erneuerbare Energien, ist der CO₂-Ausstoß äußerst gering. Allerdings ist die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien energieintensiv. Ihr Leben beginnt bereits mit einem CO₂-Rucksack, dessen Umfang von der Batteriegröße abhängt und deutlich größer ist als bei Autos mit einem Verbrennungsmotor. Daher ist ein Elektroauto nicht, wie häufig angenommen, gänzlich emissionsfrei. Dieser CO₂-Nachteil wird erst ab einer Fahrleistung von 50.000 bis 100.000 Kilometern ausgeglichen.

Die E-Auto-Reichweite ist ein wichtiger Punkt, der bei der Frage Wie funktioniert ein Elektroauto? nicht außer Acht gelassen werden sollte. Bei der Elektroauto-Reichweite spielen das Fahrverhalten, die Außentemperatur, Wetterbedingungen und die Nutzung der Heizung oder Klimaanlage eine ausschlaggebende Rolle. Im Winter kann zwischen zehn und 50 Prozent mehr Energie verbraucht werden, um das Auto aufzuheizen. Allerdings gibt es einen Eco-Fahrmodus oder energiesparende Wärmepumpen, durch welche die Reichweite optimiert werden kann. Die Reichweite eines Elektroautos ist aber auch von der Größe des Akkus und vom Stromverbrauch abhängig. Diese kann ganz einfach mit einer Faustformel errechnet werden. Wenn beispielsweise von einem Verbrauch von 20kWh/100km ausgegangen wird, sähe das wie folgt aus: Akkukapazität / 20 x 100 = Reichweite.

Dabei ist nicht nur die Energieeffizienz des Elektromotors von Bedeutung. Beim Tanken ergeben sich zusätzlich Ladeverluste, bei denen mehr Energie verbraucht wird, als in der Batterie tatsächlich ankommt. Das heißt die Ladestation fürs E-Auto zeigt einen höheren Verbrauch (brutto), als der Bordcomputer (netto) angibt. Grund dafür ist, dass die Batterie weniger gestresst ist, wenn sie nicht an ihre Belastungsgrenze getrieben wird und ein Teil am unteren und oberen Batterieladestand als Puffer ungenutzt bleibt. Dadurch ist sie langlebiger. Ladeverluste können je nach Elektroauto zehn bis 25 Prozent betragen. Elektrofahrzeuge können eine Distanz zwischen 200 und 400 Kilometern ohne Ladestopp zurücklegen. Im Stadt- und Landstraßenverkehr sind E-Autos sehr effizient, bei höheren Geschwindigkeiten steigt der Stromverbrauch jedoch rapide an. Deswegen eignen sich Elektrofahrzeuge eher weniger für lange Autobahnfahrten. Mit einer Schnellladetechnik und etwas Planung im Voraus sind jedoch auch Langstrecken möglich.

Die Anschaffungskosten und Betriebskosten bei einem E-Auto sind nicht ganz unerheblich bei unserem Thema Wie funktioniert ein Elektroauto?. Möchten Sie die Kosten eines Elektroautos mit einem Verbrenner vergleichen, sollten Kaufpreis, Wartung, Reparaturkosten, Versicherung und Wertverlust einkalkuliert werden. Grundsätzlich gilt: Je leistungsstärker die Elektroauto-Batterie desto teurer das Auto.

Zwar sind die Kosten für Kundendienst, Verschleiß und Wartung eines E-Autos geringer als bei einem Benziner oder Diesel. Jedoch sind die Anschaffungskosten sehr hoch und sie sind nur durch die momentan hohen Förderungen von Elektroautos im direkten Vergleich zu den Verbrennern konkurrenzfähiger geworden. Bei einem Umstieg auf ein E-Auto erhalten Sie bis zu 9.000 Euro Fördermittel, um den Kaufpreis zu reduzieren.

Um das Thema Wie funktioniert ein Elektroauto? abzuschließen, wollen wir das Stichwort Zukunftspotenzial von Elektroautos nicht unberührt lassen. Bisher sind der hohe Anschaffungspreis, die begrenzte Reichweite und die zeitintensiven Ladestopps Grund dafür, dass die Autofahrenden in Deutschland noch nicht auf Elektroautos umgestiegen sind. Der Trend geht jedoch aufwärts, denn die Zahl der Elektromodelle sowie die Akkukapazitäten der E-Autos steigen zunehmend. Auch die Kosten werden durch die hohe Kaufprämie und die technologische Weiterentwicklung überschaubarer. Darüber hinaus verbessert sich die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge, sodass die nächste Ladesäule schneller erreichbar ist. Mittlerweile besteht das Ladenetz aus über 35.000 Normal- und 5.700 Schnellladestellen. Die Ladetechnologie wird ebenfalls immer weiter optimiert und die Herstellung von E-Auto-Batterien nachhaltiger gestaltet. Elektromobilität entwickelt sich rapide zu einem lukrativen Wachstumsmarkt, an dem immer mehr Unternehmen, auch jenseits der Automobilindustrie, teilhaben wollen.