Elektro­antrieb beim Auto – Aufbau & Funktions­weise

Betrachtet man die Kohlenstoffdioxid-Emissionen von Elektroautos im Vergleich zu Benzinern und Diesel-Fahrzeugen, wird bereits heute deutlich, dass E-Autos einen wesentlich geringeren CO2-Ausstoß haben. Lokal fahren Elektrofahrzeuge sogar emissionsfrei. In Zukunft könnten E-Motoren normale Verbrennungsmotoren ablösen.

Doch der Aufbau und die Funktionsweise eines Elektromotors in Autos ist vielen nicht präsent, denn anders als bei Verbrennern lässt sich beim E-Auto nicht einfach unter die Motorhaube schauen. Um den Elektroantrieb und das gesamte E-Auto zu schützen, ist es empfehlenswert, eine spezielle Elektroauto-Versicherung abzuschließen.  

Die wichtigsten Komponenten

Betrachtet man Elektroautos, bestehen äußerlich wenige Unterschiede zu Autos mit Verbrennungsmotoren. Beide haben ähnliche Formen, Türen, ein Lenkrad und Pedale. Doch die nicht sichtbaren Bauteile und die Technik unterscheiden sich grundlegend. Der Aufbau von Elektromotoren in E-Autos ist wesentlich simpler als der eines Verbrennungsmotors, zudem bestehen E-Autos aus deutlich weniger Komponenten. Die wichtigsten Komponenten sind: der Elektromotor für den Antrieb und der Akku als Energielieferant eines Elektroantriebs.  

Damit der Antrieb des E-Motors funktioniert, ist im Auto das Zusammenspiel von Motor und Akku entscheidend. Denn Elektroautos werden mit Strom betrieben, dieser stammt aus dem Akku und wird an den Motor weitergeleitet. Häufig wird der Akku auch als Batterie bezeichnet. Bei Elektroautos hat sich als Anordnung der Komponenten die sogenannte „Skateboard-Architektur“ durchgesetzt. Hierbei liegt der Akku zwischen den Achsen im Boden des Fahrzeuges und der Elektroantrieb kann frei im Auto platziert werden, beispielsweise an den Vorder- und/oder Hinterachsen. Das Skateboard-Modell ist bereits voll fahrtauglich, die Karosserie muss nur noch aufgesetzt werden.

Der größte und deutlichste Unterschied zwischen Elektrofahrzeugen und Verbrennern ist, dass Elektromotoren für Fahrzeuge mit Strom anstatt mit fossilem Brennstoff betrieben werden. Ohne den Strom kann das Auto nicht fahren, daher ist die Stromquelle genauso wichtig wie der Antrieb des Motors. Der Strom wird in der Batterie bzw. dem Akku gespeichert. Wird dieser benötigt, befördert eine Technik ihn zum Elektromotor.

Im E-Auto ist die Batterie der größte Bestandteil, daher befindet er sich platzsparend im Boden des Fahrzeuges. Sie besteht nicht aus einem Teil, sondern aus mehreren einzelnen Modulen, die gemeinsam die Spannung erzeugen. Dadurch ist die Batterie auch der teuerste Bestandteil. Der Akku ist eine Hochvoltbatterie (Traktionsbatterie), deren Funktionsweise mit dem Akku eines Handys vergleichbar ist. Wird an einer E-Auto Ladestation das Fahrzeug mit Strom aufgeladen, erhält die Batterie elektrische Energie, die als chemische Energie im Akku gespeichert wird. Beim Fahren benötigt man die Energie, dafür wird der Prozess umgekehrt und die chemische Energie fließt als elektrische Energie zum Motor.

Die meisten Hersteller von Elektroautos nutzen Lithium-Ionen-Akkus, da sie sich zum aktuellen Zeitpunkt am effektivsten erwiesen haben.

Diese Vorteile haben Lithium-Ionen-Akkus in Elektrofahrzeugen

Am Elektroantrieb für PKWs, aber vor allem an der Technik der Akkus wird stetig weiter geforscht, damit eine Leistungsverbesserung möglich wird. Dadurch können in Zukunft die Reichweiten von E-Autos gesteigert werden.  

Antrieb durch den Elektromotor im E-Auto

Für ein Auto mit Elektroantrieb ist der Elektromotor genauso wichtig wie die Batterie. Da E-Autos weniger Komponenten besitzen, sind die einzelnen Bauteile umso wichtiger. Die Technik des Elektromotors wurde bereits 1838 patentiert und wird seitdem nicht nur für PKWs, sondern in den verschiedensten Branchen eingesetzt.

Elektromotoren sind elektromechanische Wandler. Sie wandeln die elektrische Ladung aus der Batterie in mechanische Leistung um, so entsteht der Antrieb der Räder. Für Autos unterscheidet man in zwei Arten von E-Motoren: Gleichstrom- und Wechselstrommotoren.

Der Unterschied der Elektromotoren liegt im Stromfluss. Gleichstrom bewegt sich konstant in eine Richtung, bei Wechselstrom hingegen kann die Richtung des Stroms geändert werden. Dadurch können die Spannungen effektiver umgewandelt werden. Elektromotoren mit Wechselstrom liefern nicht nur eine effektivere Umwandlung, sondern erreichen auch höhere Drehzahlen und können durch eine kompaktere Größe und ein geringeres Gewicht leichter als Elektroantrieb in Autos verbaut werden. Außerdem können Wechselstrommotoren Wirkungsgrade über 90 Prozent erreichen. Das bedeutet, der größte Anteil der zugeführten Energie (Strom) kann in Leistung (Antrieb) umgewandelt werden. Daher kommen bei E-Autos in den meisten Fällen Elektromotoren mit Wechselstrom anstatt Gleichstrom zum Einsatz.  

Aufbau von Elektromotoren im Auto

Eine Besonderheit am Aufbau des Elektroantriebs eines E-Autos ist der Einbau des Motors. Denn der Elektromotor eines E-Autos hat keinen festen Platz im Fahrzeug. Die Platzierung ist vom Hersteller abhängig, je nach Position kann mehr Platz für Stauräume o.Ä. entstehen. Der Elektromotor kann sich im Auto unter der Motorhaube oder an den Achsen befinden. Durch Vorder-, Hinter- oder Allradantrieb können verschiedene Fahrgefühle geschaffen werden.

Trotz der verschiedenen Arten an Elektromotoren ist der grundlegende Aufbau bei allen Modellen ähnlich. Der Motor besteht aus einer beweglichen und einer statischen Komponente, dem Rotor (auch Anker oder Läufer genannt) und dem Stator. Die Namen der Bauteile lassen bereits auf die Zuordnung und die Funktion beim Antrieb schließen: Der Stator ist unbeweglich, also starr und inmitten des Stators rotiert der Rotor. Wird das Elektroauto gestartet, fließt durch Spulen im Stator Wechselstrom und ein umlaufendes Magnetfeld wird erzeugt. Dieses Magnetfeld bringt den Rotor in Bewegung.

Zur Erklärung des Aufbaus eines Elektromotors im E-Auto muss der Wechselstrommotor in Asynchronmotoren und Synchronmotoren unterschieden werden. Der Unterschied bei Asynchronen- und Synchronmotoren ist die Erzeugung des Magnetfeldes zwischen Rotor und Stator.

Bei Asynchronmotoren verläuft die Erzeugung mit einer Zeitverzögerung. Bei Synchronmotoren bewegt sich der Rotor synchron zum magnetischen Drehfeld (Stator), wodurch keine Verzögerung entsteht. Dadurch kann der Synchronmotor eine höhere Leistungsdichte und einen besseren Wirkungsgrad erzielen. Aus Effektivitätsgründen kommt er in E-Autos häufiger zum Einsatz als Asynchronmotoren.

Ein Synchronmotor ist ein Drehstrommotor und besteht daher ebenfalls aus Rotor und Stator. Der Stator ist unbeweglich und meist mit dem Gehäuse des Elektromotors verbunden, er besteht aus einem Dauermagneten oder einem Elektromagneten. Innerhalb des Stators dreht sich der Rotor. Genau befindet sich der Rotor zwischen den Polen des Stators und besteht aus einer Achse, um die eine Spule aus Kupferdraht gewickelt ist. Durch den Strom, der durch die Spule fließt, wird der Rotor zum Elektromagneten.

Durch die synchronen Bewegungen des Stroms im Synchronmotor besitzt der Rotor die gleiche Drehzahl wie der Stator, dadurch kann kein Erregerfeld entstehen. Aus diesem Grund benötigt diese Art Elektromotor eine zusätzliche Erregung, meist in Form eines Permanentmagnetes. Befindet sich der Permanentmagnet im Stator, spricht man von Außenpolmaschinen, sitzt er im Rotor von Innenpolmaschinen. Der Aufbau wird durch die Erklärung der Funktionsweise der Antriebstechnik von E-Autos deutlicher.  

Elektromotoren in E-Autos – die Funktionsweise

Die Funktionsweise des Elektromotors in E-Autos ist wie auch der Aufbau von der Art des Motors abhängig, dennoch ist das grundlegende Prinzip bei Gleichstrom und Wechselstrom gleich. Da in den meisten Elektrofahrzeugen Synchronmotoren mit Wechselstrom verbaut werden, wird hier auch die Funktion dieser Elektromotoren erklärt.

Damit der Elektroantrieb eines E-Autos überhaupt zu arbeiten beginnt und Leistung erzeugt, muss der Strom aus der Batterie Richtung Motor fließen. Der aus der Batterie stammende Gleichstrom erzeugt im Stator ein konstantes Magnetfeld, währenddessen der Rotor den Strom in Wechselstrom umwandelt. Im Fluss des Wechselstroms erzeugt der Rotor so ebenfalls ein Magnetfeld. Durch den umgewandelten Strom aus der Batterie verändert der Rotor permanent seine Pole und folgt den Polen des Stators. Er wird wechselseitig angezogen und abgestoßen, so entsteht die Bewegung des Rotors. Durch die Rotation wird die Energie in Antrieb umgewandelt. Da der Rotor mechanisch mit den Achsen verbunden ist, entweder über Untersetzungsgetriebe und Antriebswellen oder im Rad integriert als Radnabenmotor, werden die Räder in Bewegung gesetzt. Das Elektroauto beginnt zu fahren.  

Das Bindeglied zwischen Motor und Akku: Leistungselektronik

Das Elektroauto kann nur Leistung erbringen, wenn Elektromotor und Akku perfekt zusammenarbeiten und in den richten Momenten Strom geleitet wird. Damit dieses Zusammenspiel funktioniert, wird das Bindeglied Leistungselektronik verbaut. Aufgabe dieser Elektronik ist unter anderem, die chemische Energie bei Bedarf wieder in elektrische Energie zu wandeln und gleichzeitig von Gleichstrom in Wechselstrom zu tauschen. Ebenfalls sorgt die Leistungselektronik dafür, dass die richtige Menge an Strom weitergeleitet wird, so werden Form, Frequenz und Stärke geregelt.

Diese Technik ist auch dafür zuständig, die Geschwindigkeit des Elektrofahrzeuges zu steuern. Wird viel „Gas gegeben“, erhält der Elektroantrieb des PKWs mehr Strom, das führt zum höheren Drehmoment und mehr Leistung kann erzeugt werden. Auch an einer Ladestation sorgt die Leistungselektronik dafür, dass beim Laden des Elektromotors eines E-Autos der aus der Ladesäule stammende Wechselstrom zum Speichern in Gleichstrom umgewandelt wird.  

Das größte Problem der Elektroautos ist immer noch die Reichweite, die möglichen Strecken nach einer Vollladung reichen nicht an die eines Verbrennungsmotors ran. Autos mit Elektroantrieb besitzen jedoch eine Funktion, die das Problem der Reichweite begrenzt: das regenerative Bremssystem (Nutzbremse).

Dieses regenerative Bremssystem funktioniert durch Rekuperation, das bedeutet die Rückgewinnung von Energie bzw. Strom. Auch diese Funktion wird von der Leistungselektronik gesteuert.

Und so funktioniert die Rekuperation bei einem PKW mit Elektroantrieb:

Während des Fahrens wird im Elektromotor die elektrische Energie in Bewegungsenergie gewandelt. Nimmt man den Fuß vom „Gas“, bremst das Auto automatisch ab, ohne dass der Fahrer aktiv bremst, entsteht ein Widerstand. Auch beim aktiven Bremsen oder Bergabfahren entsteht kinetische Energie, welche beim Verbrenner verloren geht. Im Elektroauto betreibt die Leistungselektronik einen Generator, der durch den elektromotorischen Widerstand Strom erzeugt, also Rekuperation betreibt. Der erzeugte Strom kann direkt wieder in Bewegungsenergie gewandelt werden und Ressourcen werden gespart.

Der Vorgang ist mit dem Dynamo eines Fahrrades zu vergleichen. Liegt der Dynamo an den Rädern an, entsteht beim Fahren ein Widerstand, der Strom für z.B. eine Lampe erzeugt.