Elektroauto: Technik und Funktionsweise

Warum verbrennen, wenn man auch "stromern" kann? Elektroautos fahren geschmeidig und sanft. Ganz ohne Explosionen, Verkokungen, Abgasrückführung oder sonstigem Drama. Ihre Technik unterscheidet sich grundlegend vom Prinzip klassischer Automodelle. Wie die Technik der Elektroautos funktioniert, liest Du hier.

Die Technik von Elektroautos: Das Wichtigste in Kürze

• Akku: Lithium-Ionen-Technologie derzeit die beste
• Recycling der Batterien noch nicht vollständig möglich
• Kleine Akkus sind umweltfreundlicher.
• Elektromotoren effizienter als Verbrenner
• Viel Kraft aus dem Stand macht mehrstufige Getriebe unnötig.
• Bei niedrigen Geschwindigkeiten sind künstliche Geräusche vorgeschrieben.
• Unfälle: nicht gefährlicher, aber Besonderheiten bei Löschung und Rettung

Elektroauto-Batterie: Prinzip und Technik

• Lithium-Ionen mit hoher Energiedichte
• Kein Memory-Effekt, 1.000 Ladezyklen Lebensdauer
• Große Fortschritte mit aktueller Technik
• Feststoffbatterien gehört die Zukunft.

Kernstück eines Elektroautos ist der Akku, genannt Traktionsbatterie. Er speichert die zum Fahren benötigte elektrische Energie. Aktuell verwenden alle großen Hersteller von Audi bis Tesla Lithium-Ionen- bzw. Lithium-Polymer-Akkus. Ihr Vorteil: Sie bieten unter allen geeigneten Stromspeichern die aktuell höchste Energiedichte. Sie ermöglichen also bei wenig Gewicht und Raum viel Kapazität (und damit Reichweite). Zudem halten sie viele Jahre und können über lange Zeiträume hohe Ladeströme aufnehmen.

Sie funktionieren in breiten Temperaturbereichen und leiden kaum, wenn man sie nicht vollständig entlädt oder lädt („Memory-Effekt“). Die Lebensdauer beträgt ungefähr 1.000 Aufladungen. Die meisten Hersteller geben eine Garantie über acht Jahre und 160.000 Kilometer. In dieser Zeit verlieren sie in der Regel nicht mehr als 20 Prozent ihrer Kapazität. Wenn es mehr sein sollte, werden sie vom Hersteller ersetzt.

Parallel entwickeln Hersteller und Zulieferer die Akkus weiter. Die Energiedichte steigt deutlich: Zwar behalten die Akkupakete ihre physische Größe, aber die Kapazität nimmt zu. Ein VW E-Golf fuhr zunächst 190 Kilometer. Seit dem Facelift im Jahr 2017 mit modernem Akku erreicht er 300 Kilometer. Im Renault Zoe wurden aus 210 Kilometer 390 Kilometer. Experten sagen, dass Lithium-Ionen-Akkus künftig ihre Effizienz weiter erhöhen.

Allerdings gilt der Lithium-Ionen-Akku als Brückentechnik. Drei seiner wichtigsten Bestandteile – Lithium, Kobalt und Grafit – sind seltene Rohstoffe. Die Gewinnung ist oft umweltschädlich. Forscher arbeiten deshalb an sogenannten Feststoffbatterien aus unproblematischen Materialien, zum Beispiel Magnesium. Weitere Vorteile wären deutlich höhere Reichweiten und schnellere Ladevorgänge. Toyota kündigt an, bis 2025 die Serienreife bei dieser Batterietechnik zu erreichen. Weitere Hersteller forschen auf dem gleichen Gebiet, zum Teil mit hohen Investitionen.

Bis es so weit ist, fahren Elektroautos weiterhin mit Lithium-Ionen-Akkus. Andere Technologien kommen in Vollhybriden zum Einsatz: Zum Beispiel setzt Toyota im Prius und technisch verwandten Autos Nickel-Metallhydrid-Batterien ein. Sie sind leichter verfügbar, unkompliziert in der Verwendung und günstiger. Für rein elektrische Modelle eignen sie sich nicht.

Entsorgung und Recycling der Batterie

• Akkumiete oder Leasing als Option
• Akkurecycling bedeutet aktuell: Verbrennung.
• Zweites Leben als stationärer Stromspeicher
• Langfristig echtes Recycling möglich

Der Akku bleibt ein Risikofaktor in der finanziellen Kalkulation eines Elektroautos. Muss er nach der Garantiezeit (üblicherweise acht Jahre) ersetzt werden, droht ein wirtschaftlicher Totalschaden. Einige Hersteller bieten deshalb Akkumiete oder Akkuleasing an, zum Teil. Je nach Modell lohnt sich das vor allem bei niedrigen Laufleistungen und kurzer Haltedauer finanziell – die Miete ist dann günstiger als der Kauf. Ein weiterer Vorteil: Ist der Akku defekt oder verschlissen, tauscht ihn der Hersteller aus.

Aktuell gibt es noch keine rentable Möglichkeit, große Mengen ausrangierter Elektroauto-Akkus nach dem Ausbau vollständig zu recyceln. Per Gesetz gilt ein Akku als recycelt, wenn 50 Prozent seiner Masse wiederverwertet werden. Ausschlaggebend für diese Berechnung ist das Gewicht. Es genügt also die Wiederverwertung und damit erneute Nutzung der schweren Komponenten einer Batterie. Aktuell werden ausrangierte Akkus verbrannt, um Kobalt, Nickel und Kupfer aus dem Bauteil zu lösen. In diesem Vorgang werden Lithium, Graphit und Aluminium unbrauchbar. Bislang können diese Stoffe nicht wiederverwendet werden.

Bis sich das komplette Recycling von Elektroauto-Akkus lohnt, bekommen viele von ihnen deshalb ein zweites Leben als Stromspeicher in Gebäuden. Die ausrangierten Elektroauto-Akkus mit reduzierter Kapazität halten dort noch einige Jahre durch. Sie verschleißen während ihrer neuen Aufgabe langsamer, weil sie weniger starke Ströme verarbeiten müssen. Autohersteller Skoda schätzt, dass in fünf bis sieben Jahren das Recycling von Traktionsbatterien ökologisch und ökonomisch sinnvoll wird.

Motoren in Elektroautos

• Elektromotor mit hohem Wirkungsgrad
• Viel Kraft aus dem Stand
• Kompakte Bauweise ermöglicht Freiheiten beim Design
• Elektromotoren sind gleichzeitig Generatoren und laden die Batterie.

Elektromotoren schaffen längst, was Verbrenner niemals erreichen können: Sie setzen einen Großteil der eingesetzten Energie in Bewegung um. Während Benziner und Diesel mühsam einen Wirkungsgrad von etwas über 40 Prozent erreichen, setzen Elektromotoren längst mehr als 90 Prozent der verbrauchten Energie um. Dabei entwickeln sie viel weniger Hitze und laufen ruhiger als V12-Motoren in Luxusautos. Zudem sind sie kompakt und leicht.

In Autos funktionieren Elektromotoren prinzipiell genauso wie in anderen Geräten. Fest eingebaute Magnete verändern ihre Pole. Sie bringen einen Rotor durch Abstoßung und Anziehung in Bewegung. Man unterscheidet zwischen vergleichsweise simplen Asynchronmotoren (auch: Drehstrommotoren) und aufwendigeren Synchronmotoren, die über einen höheren Wirkungsgrad verfügen. In Elektroautos werden vor allem Synchronmotoren eingesetzt.

Elektromotoren reagieren sehr schnell auf das Fahrpedal und bieten ein hohes Drehmoment ab der ersten Umdrehung. Zudem können sie ihre Wirkung umkehren. Das bedeutet: Im Generator-Modus wandeln sie die Bewegung des Autos in elektrischen Strom um und laden die Batterie. Der Vorgang nennt sich Rekuperation und tritt immer dann ein, wenn der Fahrer mit Fuß- oder Motorbremse verzögert, also bei jedem Bremsvorgang. Die Elektronik in modernen Elektroautos koordiniert, ob Motor, Reibbremse oder alle Komponenten verzögern.

Um möglichst viel Bremsenergie aufzunehmen, müssen die Motoren über eine gewisse Leistung verfügen. Aufnahme- und Abgabeleistung sind gleich. Aus diesem Grund gibt es kaum schwache Elektroautos: Sie sind weniger effizient, denn sie können beim Verzögern nur einen kleineren Teil der Energie aufnehmen. Elektroautos mit weniger als 100 PS sind deshalb selten.

Ihre kompakte Bauform erlaubt es, die Motoren direkt an der jeweiligen Antriebsachse zu platzieren. Drum herum bleibt oft noch Platz für ein zusätzliches Staufach. Tesla nennt den vorderen Kofferraum „Frunk“ – ein Wortspiel aus Front und Trunk (englisch: Kofferraum). Sollen alle Räder angetrieben werden, bekommen beide Achsen je einen Motor. Das ist effizienter als eine aufwendige Mechanik (wie sie Verbrenner mit Allradantrieb nutzen), die die Kraft durch das Auto leitet, viel Platz kostet und mehr Gewicht bedeutet.

Je nach Auslegung können auch mehrere Motoren pro Achse eingesetzt werden – wie zum Beispiel im Audi E-Tron S Sportback mit insgesamt drei Motoren. Der Vorteil: Die Kraft lässt sich zwischen dem linken und rechten Rad akkurat verteilen. Das sogenannte „Torque Vectoring“ verbessert die Fahreigenschaften in zügig genommenen Kurven.

Eine Alternative sind sogenannte Radnabenmotoren. Sie sind direkt im Rad platziert und treiben es ohne zusätzliche Antriebswelle an. Mercedes rüstete einst einen SLS mit vier dieser Motoren auf und stellte einen Rundenrekord für Elektroautos auf der Nürburgring-Nordschleife auf. Der Nachteil des Prinzips sind hohe, ungefederte Massen, die sich negativ auf die Fahrbarkeit auswirken. In Volumenmodellen kommen sie nicht zum Einsatz.

Getriebe in Elektroautos

Die meisten modernen Elektroautos verfügen nicht über klassische Schalt- oder Automatikgetriebe, wie man sie von Verbrennern kennt. Ihre Motoren liefern viel Kraft über ein breites Drehzahlband. Zudem können sie ihre Drehrichtung ändern. Deshalb genügt es in der Regel, die Motordrehzahl über eine feste Übersetzung anzupassen. Die Hersteller verwenden dafür einstufige Getriebe. Mehrere Fahrstufen oder ein Rückwärtsgang sind nicht nötig. Die Getriebe in Elektroautos sind deshalb viel simpler aufgebaut. Das spart Komponenten und Gewicht. Der Automatik-Wählhebel im Innenraum beeinflusst nur die Fahrtrichtung.

Es gibt allerdings Ausnahmen. Porsche koppelt im Elektroauto Taycan einen der beiden Motoren an ein zweistufiges Getriebe. Der erste Gang mit einer niedrigen Übersetzung ermöglicht einen schnellen Sprint auf Tempo 100 (2,8 Sekunden). Die Endgeschwindigkeit (260 km/h) erreicht der Taycan nur im zweiten Gang. Für die meisten Fahrzeuge lohnt sich das nicht. Autos mit sportlichem Anspruch profitieren aber davon. Im Nutzfahrzeugbereich gibt es ebenfalls Verwendung für dieses System.

Elektroautos machen künstliche und echte Geräusche

Elektromotoren sind prinzipbedingt viel leiser als Verbrenner. In ihnen explodiert kein Kraftstoff, es gibt keine Schwingungen oder Vibrationen der Kolben und Pleuel. Mehr als ein leises Surren geben sie nicht von sich. Der Nachteil: Bewegt sich ein Elektroauto langsam, lässt es sich akustisch kaum wahrnehmen. Besonders für sehbehinderte Menschen ist das ein Problem. Unaufmerksame Passanten sind genauso gefährdet.

Ein Gesetz schreibt deshalb vor, dass sich Elektroautos bemerkbar machen müssen. Für neue Fahrzeugtypen ist seit Juli 2019 ein sogenanntes AVAS vorgeschrieben. Die Abkürzung steht für „Acoustic Vehicle Alerting System“ – etwa: akustisches Fahrzeug-Aufmerksamkeitssystem. Ab 2021 müssen alle Elektroautos damit ausgerüstet sein. Das sind die Vorschriften:

• AVAS: künstliches Geräusch im Bereich bis 20 km/h
• Lautstärke zwischen 56 und 75 Dezibel
• Ton muss zwei Terzbänder enthalten
• Ein Terzband mit einer Frequenz von unter 1.600 Hertz für Hörbehinderte
• Klang ist nicht festgelegt
• Bei höherem Tempo rollen die Reifen laut genug ab.

Theoretisch darf ein Elektro-Kleinwagen den Sound eines Rennmotors nachahmen – nur eben deutlich leiser. Motorsound gehört traditionell zu den besonderen Merkmalen eines Autos. Hersteller achten deshalb genau darauf, wie ihre Elektroautos klingen. BMW verpflichtete für die Geräuschkulisse einer Studie sogar den Starkomponisten Hans Zimmer. Mercedes setzt im Innenraum auf Stille und dämmt die Fahrgastzelle im Elektro-SUV EQC so gut, dass die Passagiere das AVAS nicht hören.

Welche Reichweite sollte ein Elektroauto bieten?

• Reichweiten von mehr als 500 Kilometern möglich
• Je größer der Akku, desto schlechter die Ökobilanz
• Der Einsatzzweck sollte die Akkugröße bestimmen.

Die Reichweite ist in den meisten Fällen das wichtigste Argument für oder gegen das Elektroauto. Interessenten wünschen sich Studien zufolge ungefähr 415 Kilometer Fahrstrecke pro Akkuladung. Mittlerweile fahren einige Modelle mehr als 400 oder 500 Kilometer weit. Autos mit derart großen Akkus sind allerdings nicht unbedingt umweltfreundlicher als Autos mit Verbrennungsmotoren. Bei der Herstellung der Akkus muss viel Energie eingesetzt werden. Dadurch fällt ihre CO2-Bilanz schlecht aus.

So rechnet zum Beispiel Mazda vor, dass ein Fahrzeug mit Dieselmotor bis zu einer Laufleistung von 200.000 Kilometern eine bessere CO2-Bilanz aufweist als ein Elektroauto mit einer großen 95-kWh-Batterie (zum Beispiel ein Audi E-Tron). Das Fraunhofer Institut kommt auf ähnliche Werte: Eine Studie des Instituts sagt aus, dass ein Auto mit einem 90-kWh-Akku erst ab 160.000 Kilometern Laufleistung eine bessere CO2-Bilanz hat als ein Auto mit Dieselmotor. Dabei ist der Energiemix zu beachten: Je größer der Anteil an regenerativer Energie ist, die für Produktion und Fahrt aufgewendet wird, desto besser wird die CO2-Bilanz des Elektroautos.

Der Verwendungszweck eines Elektroautos sollte für den Kauf ausschlaggebend sein. Stadtautos kommen ohne Autobahn-Ausdauer, also hohe Reichweiten, aus. Bietet ein Hersteller mehrere Akkupakete an, ist das kleinere im Zweifel das umweltfreundlichere und günstigere. Mazda installiert im ersten eigenen Elektroauto MX-30 einen Akku mit 35,5 kWh Kapazität für 200 Kilometer Reichweite. Seine Umweltbilanz soll nach 90.000 Kilometern besser sein als die eines Diesels.

Ideal für den Innenstadtverkehr wären winzige Autos mit überschaubarer Elektro-Reichweite. Denn wenn Fahrzeuggröße und -gewicht sinken, genügen kleinere Akkus. In Japan werden sogenannte „Kei Cars“ mit Elektroantrieb bereits angeboten. In Deutschland kommen einige elektrische Kleinwagen auf den Markt an. Autos wie der Honda E, der Opel Corsa E oder der Mini Cooper SE eignen sich gut für die Stadt. Kleinstwagen kommen von Smart, Renault, dem VW-Konzern (VW Up, Seat Mii, Skoda Citigo) oder der RWTH Aachen (e.Go Life). Für lange Strecken sind unverändert vor allem SUV-Modelle mit hoher Reichweite verfügbar.

Umrüstung: Verbrenner zum Elektroauto umbauen

• Umrüstung aufwendig und teuer
• Besonders für klassische Fahrzeuge interessant
• Basisfahrzeug muss in gutem Zustand sein
• Reichweite begrenzt, weil der Akku-Bauraum fehlt

Die meisten neuen Elektroautos sind eigenständige Modelle. Prinzipiell lässt sich aber jedes Auto zum Elektroauto umbauen. Besonders interessant ist das für alte Fahrzeuge, speziell Oldtimer. Sie haben keine komplizierte Vernetzung an Bord, ein Elektromotor kann autark arbeiten und muss nicht mit einem bestehenden System verbunden werden. Jaguar bietet zum Beispiel eine elektrische Version des Klassikers E-Type an. VW unterstützt den Umbau des Käfers oder alter Bulli-Baureihen auf einen elektrischen Antrieb.

Voraussetzung ist ein guter Zustand des Autos. Karosserie, Chassis und Fahrwerk sollten sich in einem tadellosen Zustand befinden, im Idealfall sogar schon modernisiert sein oder werden. Spezialisierte Werkstätten bieten schlüsselfertige Umbauten an. Einige Firmen haben sich zudem auf die Produktion von Umbausätzen spezialisiert, die für erfahrene Schrauber mit einer passenden Werkstatt ausgelegt sind. Ob professionell oder privat: Für einen Umbau sollte man einige Wochen einplanen.

Beim Umbau wird der Verbrenner durch einen Elektromotor ersetzt. Es gibt Ansätze, die das serienmäßige Getriebe beibehalten und den Elektromotor daran anflanschen. Andere Systeme kommen mit einem eigenen Getriebe. Wer alle Komponenten selbst sucht, spart Geld. Komplette Umbausätze sind dafür vollständig und bereits an das Auto angepasst. Enthalten sind zum Beispiel Montagerahmen für den Antrieb. Vor dem Beginn eines selbst durchgeführten Umbaus sollte ein Prüfingenieur in die Pläne eingeweiht werden, damit bei der Abnahme durch die Prüforganisation keine Probleme auftreten.

Ein wichtiger Punkt beim Umbau ist die Wahl des Akkus. Pkw mit Verbrennungsmotor sind nicht für die Aufnahme einer großen Traktionsbatterie konstruiert, es fehlt der Platz. Die Position des Tanks bietet sich an, außerdem die Aussparungen der Abgasanlage. In einigen Modellen gibt es Bauraum unter der Rücksitzbank. Im schlimmsten Fall kommen die Akkus in den Kofferraum – auf Kosten des Laderaums. Das geschieht sogar in Serienautos, zum Beispiel im elektrischen Ford Focus.

Die Kosten für den Umbau eines Verbrenners auf Elektro variieren stark. Elektromotoren mit rund 30 Kilowatt (kW) Leistung beginnen bei etwa 2.000 Euro. Für Akkus kommen 6.000 bis 8.000 Euro hinzu. Komplette Bausätze starten bei ungefähr 10.000 Euro. Mehr Leistung und Reichweite treiben die Kosten nach oben, je nach Umfang steigt der Preis auf 20.000 Euro – bei eigenhändigem Zusammenbau. Fahrzeugspezifische Bauteile kosten noch mehr Geld. Ein komplettes Käfer-Chassis mit Motor, Getriebe, Verkabelung und Akku startet bei 50.000 Euro.

Die Kosten steigen weiter an, wenn ein Unternehmen den Umbau durchführt. Spezialisierte Fachbetriebe haben aber einen großen Vorteil: Das Risiko, dass der Umbau nicht funktioniert beziehungsweise nicht vom TÜV abgenommen wird, liegt nicht beim Besitzer des Autos. Für die Dienstleistung berechnet beispielsweise die Firma Fleck Machines in Pfarrkirchen rund 4.000 Euro – ohne Materialkosten.

Diese Teile benötigst Du für einen eigenen Umbau:

• Elektromotor
• Inverter, DC/DC-Wandler, Steuergerät (Leistungselektronik)
• Traktionsbatterie
• Batteriemanagementsystem
• Vakuumpumpe für das bestehende Unterdrucksystem
• Adapterplatte für die Montage des Motors an ein bestehendes Getriebe
• Elektrisches Gaspedal mit Steuerung
• Halterungen für Motor und Batterien
• Kabelbäume, Hochvoltkabel, Sicherungen
• Ladegerät

Das ist nach einem Unfall mit einem Elektroauto zu tun

Unfälle mit Elektroautos sind generell nicht gefährlicher als solche mit Verbrennern. Im Gegenteil: Die Akkupakete versteifen das Chassis, der niedrige Schwerpunkt erschwert in vielen Fällen ein Überschlagen des Autos. Dennoch müssen die Rettungskräfte die Antriebsart beachten. Das gilt besonders, wenn Passagiere nach einem schweren Aufprall aus dem Auto geschnitten werden. Denn in einem Elektroauto verlaufen Hochvoltleitungen. Bei einem Unfall mit einem Elektroauto sollte man deshalb wie folgt vorgehen:

• Auf die eigene Sicherheit achten
• Die Unfallstelle absichern
• Den Notruf informieren, dass es sich um ein Elektroauto handelt, am besten mit Marke und Modell
• Erste Hilfe leisten
• Im Falle eines Brandes dem Auto fernbleiben
• Sich einem gelöschten Elektroauto erst nähern, wenn die Feuerwehr es freigegeben hat

Eine Rettungskarte hilft der Feuerwehr bei der Arbeit. Sie zeigt an, wo sich kritische Elemente befinden, zum Beispiel die Hochvoltleitungen oder Airbags. An diesen Stellen dürfen die Rettungskräfte nicht in die Karosserie schneiden. Außerdem erfahren sie in der Rettungskarte, wo sie die Hochvoltanlage des Autos abschalten können. Ist sie nicht an Bord, müssen sie die Position des Schalters erst recherchieren. Das kostet wertvolle Minuten.

Gerät das Elektroauto in Brand, muss sich die Feuerwehr auf einen aufwendigen Löschvorgang einstellen. Die Traktionsbatterie muss mit großen Mengen Wasser gekühlt werden, um sich nicht selbstständig erneut zu entzünden.

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