Technik: Was macht ein Elektroauto aus?

Elektroauto oder Plug-in-Hybrid? Wie funktioniert das eigentlich? Und wie weit komme ich mit einer Aufladung? Wir geben dir Antworten auf wichtige (technische) Fragen rund um das Thema E-Mobilität.


Auf einen Blick

  • Bei Elektrofahrzeugen unterscheidet man zwischen rein elektrischen Fahrzeugen, Hybriden, Brennstoffzellenautos und Range Extendern. >>

  • Elektroautos beziehen ihre Energie hauptsächlich durch externes Aufladen. >>

  • Die Energiedichte der Batterie bestimmt die Reichweite deines E-Autos sowie seinen Preis. >>

  • Der Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um und treibt so das Fahrzeug an. >>

  • Die Reichweite eines E-Autos ist abhängig von verschiedenen Faktoren. Doch dank verbesserter Speicherkapazitäten gehören geringe Reichweiten mittlerweile der Vergangenheit an. >>

  • Elektroautos müssen gewisse Sicherheitsstandards garantieren und stehen Autos mit Verbrennungsmotor somit in Sachen Sicherheit in nichts nach. >>



Good to know: Interessante Facts rund um dein Elektroauto

Elektroautos sind die Zukunft. Doch welches E-Fahrzeug passt am besten zu meinen Bedürfnissen? Ein reines Elektroauto oder doch eher ein Hybridfahrzeug? Welche Faktoren sind entscheidend? Und wie funktioniert eigentlich so ein Elektromotor? Wir zeigen dir auf, welche Unterschiede es gibt und helfen dir bei der Entscheidung für dein neues Traum-Elektroauto.


Wie funktionieren Elektroautos?

Die Nachfrage nach Elektroautos steigt stetig an. Dies ist zum einen den attraktiven Fördermitteln zu verdanken, zum anderen auch den immer leistungsfähigeren technischen Komponenten sowie der verbesserten Ladeinfrastruktur und dem steigenden Umweltbewusstsein. Aber was genau macht so ein E-Auto eigentlich aus?

Zu den wichtigsten Bauteilen eines E-Autos gehören

  • eine Hochvoltbatterie,
  • eine Niedervoltbatterie,
  • ein Elektromotor,
  • die Leistungselektronik,
  • der Ladeanschluss sowie
  • die Kühlsysteme.

Bei der Platzierung dieser Komponenten hat sich vor allem die so genannte Skateboard-Architektur bewährt: Die Batterie wird zwischen den Achsen im Unterboden verbaut, der Elektromotor und die Leistungselektronik befinden sich an der Vorder- und/oder der Hinterachse.

 

Der Antrieb
 

Als Elektroauto bezeichnet man solche Fahrzeuge, die entweder ganz oder auch nur teilweise durch einen Elektromotor angetrieben werden. Dazu gehören, neben Brennstoffzellenfahrzeugen, folgende Varianten:



Rein elektrisch betriebene Fahrzeuge, so genannte Battery Electric Vehicles (BEV), werden durch einen Elektromotor angetrieben, der seine Energie von einer Batterie erhält. Sie benötigen daher keine fossilen Kraftstoffe. Der verbaute Akku wird extern, also von außen, über das Stromnetz aufgeladen – an einer öffentlichen Ladestation, an einem mobilen Ladegerät oder über eine private Wallbox. Zusätzlich kann die Batterie auch Bremsenergie wieder aufnehmen (Rekuperation) und zurück in den Akku leiten.

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Plug-in-Hybride verfügen sowohl über ein konventionelles Antriebssystem als auch über einen elektrischen Antrieb. Die Besonderheit: Ein Plug-in-Hybrid kann auf drei verschiedene Arten geladen werden. Über den Verbrennungsmotor, mittels Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation) oder – wie der Name es bereits treffend formuliert – von außen über einen Stecker. Ein weiterer Pluspunkt: Plug-in-Hybride verfügen über einen recht großen Akku. Somit können sie auch über einen bestimmten Zeitraum rein elektrisch fahren sowie höhere Geschwindigkeiten erzielen. Ein Steuersystem regelt, zu welchem Zeitpunkt welche Antriebsart genutzt wird und wählt dabei automatisch die energiesparendste Lösung.


Verschaffe dir einen Überblick über das aktuelle Angebot an Plug-in-Hybriden und lasse dich beraten, welches Modell am besten zu dir passt.




Weitere Hybridvarianten

Neben der beliebtesten Hybrid-Art, dem Plug-in-Hybrid, gibt es auch noch weitere Hybrid-Varianten:


Micro-Hybrid

Bei Micro-Hybriden wird die Batterie lediglich durch Rekuperation aufgeladen. Anders als bei anderen Hybrid-Varianten kann hier ansonsten keine zusätzliche Energie gewonnen werden. So gibt es zum Beispiel keine externe Lademöglichkeit.

Mild-Hybrid

Bei Mild-Hybriden unterstützt der elektrische Antrieb den Verbrenner. Zudem wird mehr Energie durch regeneratives Bremsen gewonnen als beim Micro-Hybriden. Rein elektrisches Fahren ist nicht möglich.

Voll-Hybrid

Beim Voll-Hybriden unterstützt der Verbrenner den Elektromotor möglichst effizient. Dank seiner großen Batterie ist rein elektrisches Fahren sehr gut möglich. Die Reichweite ist abhängig vom Modell sowie vom Fahrstil. Die Batterie eines Voll-Hybrids ist im Gegensatz zu der eines Plug-in-Hybrids nicht extern aufladbar und speichert weniger Energie.



Ein Range-Extender erhöht die Reichweite deines Elektroautos. Viele E-Fahrzeuge sind mit einer Batterie von kleinerer oder mittlerer Kapazität ausgestattet, um das Auto für den Käufer günstiger zu machen. Der Nachteil: Die Reichweite ist entsprechend geringer. Der Range-Extender, ein kleiner Verbrennungsmotor mit Generator, unterstützt die Leistung der Batterie und ermöglicht eine zusätzliche Reichweite von bis zu 100 Kilometern. Er ist somit vergleichbar mit einem Hybrid-Fahrzeug.



Einteilung nach der Systemstruktur

Bei den verschieden Hybriden gibt es zudem unterschiedliche Antriebssysteme, die sich in der Art der Anordnung der Motoren unterscheiden:

  • Serieller Hybrid-Antrieb
    Beim seriellen Hybrid-Antrieb ist während der Fahrt immer nur ein Motor in Betrieb – der Verbrennungs- oder der Elektromotor.
  • Paralleler Hybrid-Antrieb
    Hier hält der Name, was er verspricht: Beim parallelen Hybridantrieb addiert sich die Leistung beider Motoren – des Verbrenners und des Elektromotors.

  • Mischhybrid-Antrieb (leistungsverzweigter Hybrid)
    Mischhybride oder auch leistungsverzweigte Hybride verbinden einen seriellen mit einem parallelen Hybrid-Antrieb. Der Verbrennungsmotor kann hier je nach Anforderung als Stromgenerator (seriell) oder direkt zum Antrieb dienen (parallel).



Die Entscheidung für oder gegen eine dieser Varianten hängt dabei meist von der Häufigkeit der Nutzung sowie von der Länge der zu fahrenden Strecken ab. Nutzt du dein Auto beispielsweise hauptsächlich für lange Strecken, könnte ein Plug-in-Hybrid die richtige Wahl für dich sein, da hier der Verbrennungsmotor unterstützend wirken kann. Deutlich Energie- und CO2-sparender ist hingegen ein reines Elektroauto. Diese werden zudem großzügig gefördert.




Die Batterie

 

Die Batterie spielt für Elektroautos eine zentrale Rolle. Denn von ihrer Leistungsfähigkeit hängen die Reichweite sowie der Preis deines Fahrzeugs ab.



Die Hochvolt-Batterie ist vergleichbar mit dem Tank eines herkömmlichen Pkw. Dort wird Energie in Form von Strom gespeichert. Für die Batterie werden aktuell meist Lithium-Ionen-Akkus verwendet, da sie langlebig sind, schnell aufgeladen werden können und darüber hinaus viel Strom speichern können.


Die Niedervolt-Batterie dagegen ist für die Bordelektronik verantwortlich, also für das Radio, den Scheibenwischer, die Beleuchtung oder den Tempomat. In der Niedervolt-Batterie kann durch Rekuperation gewonnene Energie gespeichert werden.



Die Technologie von Batterien entwickelt sich stetig weiter. Die Energiedichte beispielsweise hat sich in den letzten Jahren fast verdoppelt – und das bei deutlich sinkenden Preisen. Für dich bedeutet das:

Du bekommst heute für das gleiche Geld weitaus mehr Leistung bei einem geringeren Batteriegewicht als noch vor einigen Jahren.


Um Bestleistungen für dich zu erbringen, muss deine Batterie gewisse Anforderungen erfüllen:

  • Die zuvor erwähnte Energiedichte ist ein wichtiger Faktor. Aber was bedeutet das eigentlich?

    Ein Beispiel: Sagen wir die Batterie eines Elektroautos hat eine Energiedichte von 140 Wattstunden pro Kilogramm. Das Elektroauto selbst verbraucht auf 100 Kilometern etwa 20.000 Wattstunden. Demnach müsste die Batterie also etwa 143 Kilogramm wiegen, um 100 Kilometer weit fahren zu können. Das heißt: Je höher die Energiedichte, desto leichter die Batterie.

    Aber warum ist das so wichtig? Nun, eine schwere Batterie erhöht den Energieverbrauch des Autos und wirkt sich somit negativ auf die Reichweite des Fahrzeugs aus.
     
  • Darüber hinaus muss die Batterie viele Ladezyklen bei einer langsamen Alterung ermöglichen. Denn mit jeder Aufladung verliert die Batterie schrittweise Kapazität. Allerdings geben die Hersteller hier meist eine gute Garantie.

Eine wichtige Komponente der Batterie ist außerdem das so genannte Batterie-Management-System. Seine Aufgabe ist, die Temperatur in den einzelnen Akkuzellen zu kontrollieren und während des Ladens Spannungsschwankungen auszugleichen, um so eine Beschädigung der Batterie zu verhindern.


Der Elektromotor

 

Der Elektromotor bezieht den benötigten Strom über die Leistungselektronik, welche das Verbindungsstück zwischen Motor und Batterie darstellt. Zentrale Bestandteile des Elektromotors sind Stator und Rotor:

  1. Der Stator erzeugt durch Gleichstrom (DC) ein Magnetfeld mit zwei ruhenden Polen.

  2. Der Rotor dreht sich auf einer Lagerwelle in der Mitte des Stators. Durch ihn fließt Wechselstrom (AC).

  3. Dadurch entsteht auch hier ein Magnetfeld.

  4. Da der Rotor wegen des Wechselstroms ständig seine Richtung und somit seine Pole ändert, wirken hier abwechselnd anziehende und abstoßende Kräfte.

  5. Dies erzeugt eine Drehbewegung, welche auf die Achse und somit auch auf die Räder übertragen wird.

Der Elektromotor macht somit aus elektrischer Energie mechanische und wandelt damit den Strom aus der Batterie in eine geeignete Form, Stärke und Frequenz um. Dabei ist er äußerst effizient, zuverlässig und nahezu geräuschlos.

 

Ladeanschluss

 

Als Ladeanschluss bezeichnet man die Steckervorrichtung, über die man das Elektroauto aufladen kann. Die Aufladung erfolgt über eine so genannte Wallbox, über öffentliche Ladesäulen oder an einem mobilen Ladegerät. Dabei erfolgt die Umwandlung des Wechselstroms aus dem Stromnetz in den für das E-Auto benötigten Gleichstrom entweder durch das im Fahrzeug integrierte Ladegerät, auch On-Board Charger genannt, oder durch Gleichstrom-Schnellladestationen. Letztere Variante garantiert einen deutlich schnelleren Ladevorgang.



Ein wichtiger Faktor: die Reichweite

Die Reichweite ist bei der Entscheidung für ein Elektroauto mit das wichtigste Kriterium. Denn noch immer haben viele potenzielle Käufer die Befürchtung, dass die Batterie ihres Fahrzeugs  auf halber Strecke plötzlich leer sein könnte.

Fakt ist jedoch: Rund 80 Prozent der Deutschen legen pro Tag nicht mehr als 40 Kilometer mit dem Auto zurück – und dafür reicht die Reichweite eines Elektroautos allemal! Und dank verbesserter Batteriekapazitäten sind mittlerweile sogar – je nach Fahrzeug – Reichweiten zwischen 200 und 600 Kilometern möglich. Für Kurzstreckenfahrer ist es daher lediglich wichtig, eine Möglichkeit zum Laden in der Nähe zu haben – entweder direkt am oder im Umfeld des Wohnorts.

Damit der Akku auch auf langen Strecken möglichst lang hält, sind drei Faktoren zu berücksichtigen: die Energiedichte der Batterie, der Verbrauch und die Temperatur.

Punkt 1 ist simpel: Eine Batterie mit höherer Energiedichte kann mehr Energie speichern. Mehr Energie heißt mehr Reichweite.

Verbrauch? Klar, je mehr Energie du verbrauchst, desto schneller muss dein Auto wieder aufgeladen werden. Aber wie kann man seinen Verbrauch am besten reduzieren? Hierzu haben wir drei Tipps für dich:



Tipp 1: Vorausschauend fahren.


Wenn du vorausschauend, immer frühzeitig und dabei vorsichtig bremst, kannst du durch Rekuperation die Bremskraft wieder in Strom umwandeln und so deine Reichweite erhöhen.



Tipp 2: Nicht zu schnell fahren.


Langsames Fahren bedeutet ein geringerer Energieverbrauch und damit eine höhere Reichweite. Ideal sind mittlere Geschwindigkeiten zwischen 30 und 100 km/h. Auf Autobahnen solltest du dich an die Richtgeschwindigkeit halten – das tut nicht nur der Batterie gut, sondern ist auch um Einiges sicherer.



Tipp 3: Sinnvoll Heizen und Kühlen.


Im Winter ist es zu kalt im Auto, im Sommer zu warm. Die Patentlösung für viele: übermäßiges Hochheizen bzw. Runterkühlen. Doch das geht nur zu Lasten der Batterie und damit der Reichweite. Daher: Heizen und Kühlen ja, aber bitte in Maßen. Im Winter im T-Shirt im Auto sitzen, muss beispielsweise nicht unbedingt sein. Und im Sommer kann es auch mal helfen, zu lüften und den Fahrtwind zu genießen.

Aber: Geöffnete Fenster und eine laufende Klimaanlage sind ein absolutes No-Go und verringern die Reichweite deines E-Autos völlig unnötig!


Damit sind wir auch schon bei dem so wichtigen Thema Temperatur. Denn die Batterien von Elektroautos funktionieren am besten bei milden Temperaturen. Ist es kälter, entleert sich die Batterie schneller. Und auch das Beheizen des E-Autos belastet die Batterie – die Reichweite fällt bei Kälte im Schnitt um etwa 41 Prozent. Im Hochsommer sinkt die Reichweite aufgrund des erhöhten Energieverbrauchs durch die Klimaanlage um rund 17 Prozent.

Das bestätigen auch Untersuchungen der American Automobile Association. Anhand verschiedener Tests wurden die Reichweiten von E-Autos im Sommer und im Winter bestimmt und eine Faustformel zur Berechnung der tatsächlichen Reichweite aufgestellt:


Herstellerangabe in km – (17 %/41 % der Herstellerangabe in km) = Reichweite Sommer/Winter in km


Die Auswirkungen der Batterietemperatur auf die Reichweite sowie die Lebensdauer deines E-Autos:




Die Sommer- und Winterreichweite eines Elektroautos wird übrigens auch in unserer E-Auto-Kaufberatung berücksichtigt. Mit nur wenigen Klicks findest du genau die E-Fahrzeuge, die am besten zu dir und deinen Fahrgewohnheiten passen.




Sicherheit

Bei all der Technik, die in so einem E-Auto steckt, stellt sich die Frage: Wie sicher ist mein Fahrzeug eigentlich? Generell muss jedes Auto, das eine Zulassung erhält, per Gesetz gewisse Anforderungen erfüllen. Nur so wird ein Höchstmaß an Sicherheit gewährleistet. Dabei spielt es keine Rolle, ob das Fahrzeug mit Benzin, Diesel, Gas oder elektrisch angetrieben wird.

Für E-Autos beispielsweise ist festgelegt, dass sämtliche elektrischen Komponenten "eigensicher" ausgelegt sind. Das bedeutet: Gibt es im System einen Defekt, wird der Stromfluss der Batterie gestoppt, sodass keine Spannung mehr anliegt. Zudem ist die Batterie so im Unterboden des Fahrzeugs verbaut, dass sie gut vor äußeren Einflüssen geschützt ist. Das Brandrisiko ist bei einem E-Auto also nicht höher als bei jedem anderen Fahrzeug.

Aber was passiert bei …

  • einer Panne?
    Bei einer Panne geht von deiner Batterie aufgrund der guten Schutzmechanismen in der Regel keinerlei Gefahr aus. Springt dein Fahrzeug nicht mehr an oder gibt es ein anderes Problem, kann dir ein Pannendienst helfen.

    Wichtig: Arbeiten an Elektroautos dürfen nur Personen ausführen, die dafür ausgebildet sind. Also Finger weg und überlass dies lieber einem Fachmann!
     

  • einem Unfall?
    Dank der sofortigen Unterbrechung des Stromflusses ist dein Auto auch hier meist sehr sicher. Kritisch kann es lediglich werden, wenn sich die Batterie trotz aller Sicherheitsvorkehrungen bei einem sehr schweren Unfall verformt und so die eingebauten Schutzmechanismen beeinträchtigt werden. Mögliche Folge: ein so genannter "Thermal Runaway", also ein Brand der Antriebsbatterie.

    Aber: Auch ein Diesel- oder Benzinfahrzeug kann bei einem schweren Crash in Brand geraten – bei einem Unfall mit einem E-Auto besteht also im Vergleich keine erhöhte Brandgefahr.

Ein E-Auto steht somit einem Verbrenner in Sachen Sicherheit in nichts nach.



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