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.
Auch das eigene Verhalten kann dazu beitragen, die volle Lebensdauer und Reichweite eines Elektrofahrzeugs auszunutzen. Die folgenden Verhaltensweisen erhöhen den Verbrauch und lassen die Batterie in deinem Elektromobil durch häufigeres Laden schneller altern:
- Niedrige Umgebungstemperaturen
- Hohe Fahrgeschwindigkeit
- Hohes Gewicht des Autos
- Eingeschaltete Klimaanlage oder Heizung
- Eingeschaltetes Radio
- Vollständiges Entladen
- Überladen des Akkus
- Häufiges Schnellladen
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 Stromspeichers haben. Die anderen Aspekte kannst du aber gut selbst im Auge behalten. Lade dein Elektromobil 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.
Entladung vermeiden: Lade dein Elektroauto bei jeder Gelegenheit auf.
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 Elektroauto 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 Elektroautos bieten auch die Möglichkeit, zeitgesteuert die Heizung bereits vor Fahrtantritt aufzudrehen, solange es noch an der Steckdose hängt. Damit sparst du wertvolle Kilowattstunden nach Beginn deiner Winterfahrt.
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.
Der Sion ist die Antwort auf einen weiteren spannenden Ansatz für die Elektromobilität der Zukunft. Das Münchner Start-up „Sono Motors“ stellte den Prototyp im März 2017 vor. Der familienfreundliche Minivan Sion ist mit einer Solarzellenkarosserie ausgestattet und damit weltweit das erste Solar-Electric-Vehicle. Der benötigte Strom wird von diesem Elektroauto zum Teil selbst erzeugt, was die Reichweite erhöht und dich als Fahrer von Ladestationen unabhängiger macht. Das Ziel: Die Solarzellen ermöglichen eine zusätzliche Reichweite von bis zu 34 km pro Tag. Das spart nicht nur Zeit, sondern auch den einen oder anderen Euro. Eine von vielen Innovationen die Menschen begeistert, denn „Sono Motors“ verzeichnet aktuell eine Vorbestellung von 10.000 Elektroautos mit Solarkarosserie. Die Entwicklung läuft auf Hochtouren und die Produktion, die nach Schweden verlegt wurde, ist für die zweite Jahreshälfte in 2020 geplant. Die verbaute Lithium-Ionen-Batterie wird in Deutschland gefertigt, hat eine Kapazität von 35kWh und ist mit einer Wasserkühlung ausgestattet. Eine Aufladung hat eine Reichweite von bis zu 255 Kilometer. Mit Höchstgeschwindigkeiten bis zu 140 km/h bist du mit dem 163 PS Motor sicher unterwegs. Der Preis besticht im Vergleich mit anderen Elektroautos: Der Grundpreis liegt bei 16.000 Euro, zuzüglich 9.500 Euro für die Batterie.
i) zum Motor:
– Bei den Bestandteilen des Elektromotors wurde ein Gleichstrommotor beschrieben, nur dieser benötigt einen Kommutator und Schleifkontakte. In Elektroautos werden jedoch keine solchen Gleichstrommotoren eingesetzt, da die Schleifkontakte, insbesonders bei hohen Spannungen und Strömen, viel zu schnell verschleißen würden. Aus diesem Grund werden in Elektroautos Synchron- und Asynchronmotoren, die an Wechselspannung betrieben werden, verwendet.
Quelle: https://www.springerprofessional.de/automobil—motoren/elektromotor/antriebe-fuer-elektrofahrzeuge-welcher-elektromotor-ist-der-opti/6562428
Oder http://www.auto-motor-und-sport.de/news/elektro-auto-technik-erklaert-747506.html
Abschnitt „Funktionsweise der Motoren in Elektroautos“
– Die Schleifkontakte sind nicht positiv oder negativ „aufgeladen“ (geladen werden können nur Energiespeicher wie Kondensatoren oder Batterien), sondern mit dem positiven bzw. negativen Pol der Spannungsquelle verbunden und haben dadurch ein positives oder negatives Potential.
ii) zum verbrauchsarmen Fahren:
– Eine hohe Umgebungstemperatur erhöht nicht, sondern senkt sogar den Verbrauch, da Lithium-Ionen Akkus bei hohen Temperaturen einen niedrigeren Innenwiderstand haben. Gleichzeitig altern sie auch schneller, das stimmt.
Quelle: https://www.tesla.com/de_DE/models, Abschnitt „Reichweite pro Ladung“, einfach ein wenig an der Außentemperatur rumspielen und die Reichweite angucken.
– Eine geringe Geschwindigkeit kann den Verbrauch sogar steigern. Der geringste Verbrauch pro Strecke ist nämlich nicht bei Schrittgeschwindigkeit, sondern bei etwa 30km/h (etwa 20mp/h), er variiert je nach Auto und der Leistung elektrischer Nebenverbraucher.
Quelle: http://a.img-zemotoring.com/media/reviews/2010/tesla-roadster-sport-2.5/range-range-speed.gif oder http://www.klausolafzehle.de/teslablog/wp-content/uploads/2014/03/Tesla-Verbrauch-zu-konstante-Geschwindigkeit.jpg
In Wahrheit ist der Elektromotor, solange es keinen Ökostrom für ihn gibt eine wahre Umweltsau, verglichen mit hochmodernen und abgasoptierten Verbrennungsmotoren; und den umweltfreundlichen Ökostrom für die Elektromobilität gibt es noch auf Jahrzehnte hinaus nicht, denn lediglich etwa 10% unseres Energiebedarfs wird heute in Deutschland durch sauberen Strom gedeckt, 90 % kommen weiterhin aus Dreckschleudern und Atommeilern. Die wenigen Prozent an sauberem Strom, die wir also haben, setzen wir deshalb besser in den vorhandenen Stromnetzen für unseren sonstigen Energiebedarf ein als für die Elektromobilität; denn wenn wir den vorhandenen Ökostrom für völlig alltagsuntaugliche Elektromobilkrücken verbraten, würde der für unseren sonstigen Energiebedarf fehlen und man müsste diese fehlende Energiemenge dort wiederum in unseren Kraftwerken durch Öl oder andere fossilen Ressourcen erzeugen.
Ein Null-Summen-Spiel ! Wenn wir also für die Menge sauberen Stroms, den wir aus unseren vorhandenen Netzen für die Elektroautos abziehen, dann andererseits die gleiche Menge Strom in den Kraftwerken wieder durch Verbrennen von Öl und Gas erzeugen müssen, dann Verbrennen wir doch weiterhin viel sinnvoller dieses Öl oder Gas in unseren vorhandenen hochentwickelten Verbennungsmotoren, und müssen uns dafür dann nicht einer alltagsuntauglichen Elektromobilität herumschlagen, für die es zudem keine Infrastruktur gibt,
Die Zukunft der Mobilität liegt im Übrigen wohl viel eher in der Wasserstofftechnologie, also weiter bei leicht aufzutankenden verbrennungsmotorgetriebene Fahrzeugen, wobei man solarthermisch allein in der Sahara ein Vielfaches des gesamten Energiebedarfs der Erde gewinnen könnte; auch kann Wasserstoff als Speicher für Energie betrachtet und überall eingesetzt werden.
2 Seltene Erden sind nur begrenzt vorhanden (Umweltverschmutzung durch seltene Erden ist enorm und wird vernachlässigt)
3 Alterung der Akkus nicht abstreiten
4 Hybrid-Fahrzeuge sind die größten Umweltverschmutzer
5 Für Millionen von Fahrzeugen reichen die Resorcenen nicht aus
6 Verlegung und Millionen von Stromkabeln sind nötig
7 Elektroautos sind nur im Stadtverkehr interessant
8 Reichweiten von hunderten Kilometern sind nicht notwendig