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

Die technische Entwicklung in Sachen Elektromobilität, Batterie und Antrieb ist schon einen weiten Weg gegangen. Aber es bleibt spannend: E-Mobility-Experten arbeiten mit Hochdruck an neuen und verbesserten Methoden, um Elektrofahrzeuge noch alltagstauglicher und für Normalverbraucher erschwinglich zu machen. Hier erfährst du, wie genau ein Elektroauto funktioniert und welche Entwicklungen in Zukunft zu erwarten sind.

Aufbau unter der Motorhaube: Was bringt ein Elektroauto 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 Spannung 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, elektrische Kapazitäten aufzunehmen und zu sammeln, also zu akkumulieren, nennt man sie auch Akkumulatoren – kurz: Akku.

Wenn du den Akku deines Elektroautos auflädst, wird der einfließende Strom in chemische Energie umgewandelt. Sobald du mit deinem Wagen fährst, kehrt sich dieser Prozess wieder um. Ist der „Speicher“ leer, beginnt der Lade- und Entladezyklus von vorn. Um die Kapazität von Elektroautos 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 Batterien in der Elektromobilität 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 (effiziente Aufnahme und Abgabe)
• 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 sich die Leistung reduziert, 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.

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

E-Mobility in Deutschland.

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

Ausblick: Zukunftsperspektiven in der E-Mobility-Technik 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.

Darin werden einige Forschungsthematiken beschrieben, mit deren Hilfe die E-Mobility-Technik weiter verbessert werden soll. Alternativen zu Lithium-Ionen-Akkus könnten beispielsweise Polymerbatterien, Metall-Schwefel- oder Metall-Luft-Batterien sein. Generell gilt es, die Batterien leistungsfähiger, dauerhafter, sicherer und umweltfreundlicher sowie kostengünstiger zu machen. Eine Massenproduktion in Deutschland könnte etwa die Kosten jeder einzelnen Batterie erheblich senken, sodass sich mehr Menschen für ein Elektrofahrzeug entscheiden.

Newsletter: Nissan verbessert Batteriekapazität in der neuen E-Flotte.

2019 bringt Nissan mit dem Leaf 3.ZERO e+ Limeted Edition die verbesserte Version seiner Batterien auf den Markt. Die nun 62-kWh-starke Lithium-Ionen-Batterie arbeitet mit einer 25 Prozent höheren Energiedichte und überzeugt mit einer erweiterten Speicherkapazität von 55 Prozent im Vergleich zum Serienfahrzeug mit der 40-kWh-Batterie. Damit erhöht sich maßgeblich die Reichweite um 40 Prozent. Im Gegensatz zum Leaf 3.ZERO der, der bereits mit einer Reichweite von 270 Kilometern glänzte, kommt der Neue 385 km weit. Das Besondere: Bei fast gleichbleibender Größe des Akkus erhöht sich die Kapazität um gut die Hälfte. Der Preis für das Sondermodell, dass europaweit auf eine Stückzahl von 5000 Stück limitiert ist, liegt bei mindestens 46.500 Euro. Wer sich dieses Elektroauto leisten will, sollte sich jedoch beeilen, da bei der Vorbestellung bereits 2/3 vergriffen sind. Die Auslieferung beginnt im Sommer 2019.