Elektromobilität: Batterie und Co. – Was steckt hinter der Technik?

Aufbau unter der Motorhaube: Was bringt ein Elektrofahrzeug zum Laufen?

Der Motor im Elektrofahrzeug wird durch Magnetkraft angetrieben, diese wiederum wird durch Strom erzeugt. Es gibt verschiedene Maschinentypen bei den Elektromotoren, zum Beispiel den Gleichstrommotor und den Drehstrommotor. Der Gleichstrommotor ist für Elektromobile allerdings nicht leistungsfähig genug und verschleißt zu schnell. Daher verwenden die Hersteller in Elektroautos normalerweise Drehstrommotoren, die mit sogenannter Dreiphasenwechselspannung betrieben werden.

Drehstrommotoren lassen sich wiederum in Asynchron- und Synchronmaschinen unterteilen. Am effizientesten sind die Synchronmaschinen, genauer: umrichtergeführte permanentmagneterregte Dreiphasen-Synchronmaschinen. Wie diese aufgebaut sind und funktionieren, erfährst du im Folgenden.

Die wesentlichen Bestandteile dieser Synchronmaschinen sind:

• Stator oder Ständer (fest mit dem Motorgehäuse verbundener Magnet)
• Rotor oder Läufer (beweglicher Magnet)
• Umrichter oder Regler
• Stromquelle (Batterie beziehungsweise Akku)

Der Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Die Synchronmaschine benötigt Wechselstrom, der Akku liefert jedoch nur Gleichstrom. Daher ist ein Umrichter oder Regler zwischen Stromquelle und Motor geschaltet: Er wandelt den Gleichstrom zu Wechselstrom um, bevor die elektrische Energie den Motor erreicht.

Der Rotor oder Läufer besteht meist aus einem Dauermagneten, der ein statisches Magnetfeld erzeugt. Er benötigt also keinen Stromfluss dazu. Es gibt zwar auch sogenannte fremderregte Elektromotoren, deren Rotor ein Elektromagnet ist. Sie verbrauchen aber mehr Strom als die permanentmagneterregten Rotoren.

Der Stator oder Ständer ist in der Regel ein Elektromagnet. Er besitzt drei einzelne Spulen, durch die der Wechselstrom fließt. Diese drei Stromkreise sind im Kreis, um jeweils 120 Grad versetzt, im Stator angeordnet. Sobald Wechselstrom durch die Spulen fließt, erzeugt jede von ihnen ein wechselndes Magnetfeld, das heißt, Nordpol und Südpol des Magnetfelds wechseln sich ab.

Der Nordpol des Dauermagneten im Rotor wird von einem Nordpol des Stators abgestoßen, gleichzeitig von einem Südpol des Stators angezogen. So kommt der Rotor allmählich in Bewegung. Da die Stator-Magnetfelder wechseln, dreht sich der Rotor immer weiter. Erst, wenn die Spulen nicht mehr mit Strom versorgt werden und der Stator kein wechselndes Magnetfeld mehr erzeugt, bleibt der Rotor stehen.

Wie funktioniert eine Batterie?

In der Elektromobilität werden Batterien als Stromquelle verwendet. Dabei handelt es sich um elektrochemische Energiespeicher. Sie speichern chemische Energie und geben elektrische Energie (Strom) ab. Damit du dein Elektrofahrzeug immer wieder neu aufladen kannst, braucht es eine Sekundärzelle. Sie sind im Gegensatz zu Primärzellen, den „echten“ Batterien, wiederverwendbar. Da Sekundärzellen die Fähigkeit besitzen, Energie aufzunehmen und zu sammeln, also zu akkumulieren, nennt man sie auch Akkumulatoren – kurz: Akku.

Wenn du den Akku deines Elektrofahrzeugs auflädst, wandelt dieser die elektrische Energie in chemische Energie um. Fährst du mit deinem Elektromobil, wandelt der Akku die chemische Energie wieder in elektrische Energie um. Ist der „Speicher“ leer, beginnt der Lade- und Entladezyklus von vorn. Um die Leistung des Energiespeichers in Elektrofahrzeugen zu verbessern, schalten die Hersteller mehrere Zellen nebeneinander. Das nennt sich dann eine Traktionsbatterie.

Welche Batterietypen gibt es im Bereich Elektromobilität?

Grundsätzlich sind drei verschiedene Akkus als Elektromobilität-Batterie geeignet: Blei-Gel-Akkus, Nickel-Metallhydrid-Akkus und Lithium-Ionen-Akkus. Die Hersteller müssen bei der Eignung eines Energiespeichers verschiedene Aspekte beachten, damit sich Kosten und Nutzen die Waage halten. Dazu gehören:

• Energieinhalt / Energiedichte (Größe des Speichers, Menge an gespeicherter Energie pro Masse)
• Leistungsverhalten (Wie effizient wird Energie aufgenommen und abgegeben?)
• Lebensdauer (Wie viele Ladezyklen und Jahre übersteht die Batterie?)
• Kosten
• Sicherheit
• Umweltverträglichkeit (Wie gut lässt sich der Akku entsorgen oder recyceln? Wie umweltfreundlich sind Herstellung und Materialien?)

Blei-Gel-Akkus sind kostengünstig in der Herstellung und robust. Temperaturschwankungen machen ihnen wenig aus. Allerdings warten sie auch mit einer geringen Lebensdauer und Energiedichte auf. Letztere sowie das Leistungsverhalten ist bei Nickel-Metallhydrid-Akkus deutlich besser. Ihr Nachteil: hohe Anschaffungskosten und eine hohe Selbstentladerate. Das bedeutet, dass Energie abgegeben wird, selbst wenn du dein Elektrofahrzeug nicht benutzt. Bei Lithium-Ionen-Akkus ist hingegen keine hohe Selbstentladerate zu verzeichnen, sie besitzen aber ebenfalls eine hohe Energiedichte und ein gutes Leistungsverhalten – bei derzeit noch recht hohen Anschaffungskosten.

E-Mobility in Deutschland.

Von der historischen Entwicklung bis zur Reichweite verschiedener Modelle: Unsere Infografik zum Thema E-Mobility fasst alle Infos zusammen:

Hier kannst du unsere Infografik herunterladen.

Was können Batterien in Elektrofahrzeugen leisten?

Die Lebensdauer des Blei-Gel-Akkus ist mit 350 Ladezyklen recht niedrig. Da er zudem keine gute Energiedichte hat, musst du ihn vergleichsweise oft wieder aufladen. Der Nickel-Metallhydrid-Akku kann zwar in der Hinsicht mehr leisten, entlädt sich aber auch bei Nichtbenutzung relativ schnell, sodass die 1.000 möglichen Ladezyklen verhältnismäßig rasch erreicht sind. Der Lithium-Ionen-Akku übersteht zwischen 1.000 und 1.500 Ladezyklen, muss jedoch nicht so oft aufgeladen werden.

Die Akkus sind in sogenannte Batteriemanagementsysteme (BMS) eingebettet. Dabei spielen verschiedene Elemente zusammen, um die Akkuleistung möglichst hoch zu halten und die Lebensdauer zu erhöhen. So sorgt etwa eine Temperaturüberwachung mit Kühlsystem dafür, dass der Akku nicht überhitzt. Zudem wird der Ladezustand der Batterie überwacht sowie der Lade- und Entladevorgang gesteuert. Das BMS protokolliert zudem die Ladezyklen und identifiziert fehlerhafte Zellen.

Heutzutage gibt es zumeist intelligente Batteriemanagementsysteme, die beispielsweise ein Überladen des Akkus verhindern und mit Schnellladevorgängen gut zurechtkommen, sodass die letzten beiden Punkte einen geringen Einfluss auf die Lebensdauer des Akkus haben. Die anderen Aspekte kannst du aber gut selbst im Auge behalten. Lade dein Auto etwa bei jeder Gelegenheit auf, damit sich der Akku nicht vollständig entlädt. Während der Fahrt schaltest du zusätzliche Stromverbraucher wie Klimaanlage oder Heizung nur ein, wenn es unbedingt notwendig ist. Ein umsichtiger Fahrstil und ein gemäßigtes Tempo belohnen dich ebenfalls mit einer längeren Batterielebensdauer.

Versuche außerdem, dein Fahrzeug nur in Ausnahmefällen schwer zu beladen, damit sich der Energieverbrauch im Rahmen hält und du es nicht so oft aufladen musst. Bei hohen Umgebungstemperaturen – etwa im Sommer – suchst du dir für dein Auto am besten einen schattigen, kühlen Parkplatz. Im Winter hingegen ist eine leicht beheizte Garage sinnvoll. So brauchst du die Heizung nicht voll aufzudrehen, wenn du mit dem Wagen fahren willst. Einige Elektrofahrzeuge bieten auch die Möglichkeit, zeitgesteuert die Heizung bereits vor Fahrtantritt aufzudrehen, solange das Auto noch an der Steckdose hängt. Damit sparst du wertvolle Kilowattstunden nach Beginn deiner Winterfahrt.

Elektromobilität und Batterien: Wie ist der Stand in Deutschland?

Das größte Weiterentwicklungspotenzial sehen Experten bei den Lithium-Ionen-Akkus. Die Nationale Plattform Elektromobilität (NPE) in Deutschland ist bestrebt, die Produktion von Batterien in der Bundesrepublik anzukurbeln und voranzutreiben. Zu diesem Zweck hat die NPE die „Roadmap 2020“ auf ihrer Webseite veröffentlicht. Auch Bundeskanzlerin Angela Merkel begrüßt das Vorhaben, die Batterieproduktion in Deutschland aufzubauen, wie sie im Mai 2017 in einem ihrer Videopodcasts betonte.