Das richtige Elektroauto finden

Technik im E-Auto – Das gilt es zu beachten

Auf rein technischer Ebene betrachtet, handelt es sich bei Elektroautos um elektrisch angetriebene Fahrzeuge. Die Energiebereitstellung kann dabei über Batterien, Brennstoffzellen, Verbrennungsmotoren oder Oberleitungen erfolgen, wobei Oberleitung praktisch nur für den schienengebundenen Verkehr zum Einsatz kommen. Grundsätzlich unterteilt werden Elektrofahrzeuge in Fahrzeugklassen mit ausschließlich elektrischer Energiequelle und Antriebstrang (beispielsweise batterieelektrische Fahrzeuge) und in sogenannte hybride Varianten – mit mindestens zwei unterschiedlichen Energiespeichersystemen.

Einfacher Aufbau des Antriebstrangs

Im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugantrieben mit Verbrennungsmotor besteht der Antriebsstrang eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs aus wenigen Komponenten. Hierzu zählen insbesondere der Akkumulator, der Elektromotor, die Leistungselektronik sowie das Thermomanagement nebst Kühlaggregat. Aufgrund des von der Motordrehzahl weitestgehend unabhängigen Drehmoments hat das Elektrofahrzeug zudem deutlich geringere Anforderungen an eine Übersetzung von Drehzahl und Drehmoment. Periphere Antriebskomponenten – wie beispielsweise die Kupplung oder das klassische Schaltgetriebe – können weitestgehend entfallen, wenngleich ein Untersetzungsgetriebe den nutzbaren Drehzahlbereich moduliert.

Neben dem Gewicht reduziert sich damit vor allem auch der Aufwand für Wartung und Austausch von mechanischen Verschließkomponenten. Gleiches gilt auch für den Motor selbst: Sowohl hybride Formen eines Reluktanzmotors als auch die Synchron- beziehungsweise Asynchronmaschine benötigen im Vergleich zum Verbrennungsmotor nur einen Bruchteil an Nebenaggregaten. Auch Fahrzeugkomponenten zur Richtungskontrolle und Fahrdynamik – wie beispielsweise Lenkung, Rekuperation und Bremsen – sind meist elektrisch betrieben und integrativ geregelt. Masseintensive mechanische Bauteile werden dadurch weiter reduziert und verbessern damit den Fahrzeugwirkungsgrad insgesamt.

Unterschiedliche Motorenanordnung im Fahrzeug

Als besonders vorteilhaft hat sich die sogenannte Unterflur-Anordnung erwiesen. Die Elektromotoren befinden sich bei der Unterflur-Anordnung auf Höhe der jeweiligen Fahrzeugachsen, während die gewichtsintensive Batterie eher zentrisch und flach am Unterboden verbaut ist. Diese in Fachkreisen auch als Skateboard-Architektur bekannte Anordnung ermöglicht eine gute Raumausnutzung und ist durch den niedrigen Schwerpunkt besonders Vorteilhaft mit Blick auf die Fahrzeugdynamik.

Elektromotoren für Kleinstfahrzeuge können ferner in der Radnabe innerhalb der Felge verbaut sein. Diese Form des Einbaus hat sich jedoch unter anderem aufgrund der begrenzten Fahrdynamik und Umwelteinflüssen für die breite Anwendung im PKW und klassenübergreifend bislang nicht durchgesetzt. Neben der Rekuperation (Energierückgewinnung beispielsweise beim Bremsen) vereinfacht die Anordnung als Radnabenmotor den Antriebsstrang erheblich.

Elektroauto im Detail: Das sind die Fahrzeugvarianten

Grundsätzlich werden Elektrofahrzeuge nach der Art des elektrischen Antriebs unterteilt. Hierzu zählen folgende Fahrzeugkategorien:

• Batterieelektrisch
• Hybridelektrisch
• Brennstoffzelle

Charakteristische Merkmale eines E-Fahrzeugs sind das Antriebsaggregat einschließlich Antriebstrang, der Grad der Hybridisierung sowie die Art der primären Energiebereitstellung

Batterieelektrische Fahrzeuge – Battery Electric Vehicle (BEV)

Die unmittelbarste Ausführungsform eines reinen Elektroautos ist das sogenannte Battery Electric Vehicle (BEV). Energetisch versorgt von einer Batterie erfolgt der Antrieb direkt über Elektromotoren. Sofern ein Rekuperator verbaut ist, kann ein Teil der Bewegungsenergie beim Bremsen des Fahrzeugs über den Elektromotor zurückgewonnen und in der Batterie gespeichert werden. Eine erweiterte Variante des BEV ist der sogenannte Range Extender (BEV-REx).

Ein ergänzendes, mit Kraftstoff betriebenes Aggregat ermöglicht dabei die Bereitstellung von zusätzlicher elektrischer Energie zum fortlaufenden Laden der Batterie. In der Regel handelt es sich dabei um einen entsprechend klein dimensionierten Ottomotor. Eine Kopplung mit dem Antriebsstrang – wie bei klassischen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor üblich – erfolgt nicht. Auch wenn sich das Zusatzgewicht nachteilig in den Verbrauchskosten und dem erhöhten Anschaffungspreis niederschlägt, kann der Vorteil der Reichweitenerhöhung insbesondere im Langstreckenbetrieb überwiegen. Dies gilt umso mehr mit Blick auf die begrenzte Verfügbarkeit von E-Ladestationen.

Hybridfahrzeuge – Hybrid Electric Vehicle (HEV)

Hybridelektrische Fahrzeuge (HEV) verfügen ebenfalls über einen zusätzlichen Verbrennungsmotor. Im Unterschied zum Range-Extender wird dieser jedoch – zumindest beim Vollhybrid – als primäres Antriebsaggregat für den Fahrzeugvortrieb eingesetzt. Gleichzeitig lädt er die Batterie und stellt damit eine von externen Ladestationen autarke Energieversorgung der Elektromotoren sicher. Je nach Ladezustand und vom Fahrerenden angeforderten Leistungsbedarf, erfolgt ein Simultanbetrieb von Elektro- und Verbrennungsmotorantrieb des Fahrzeugs.

Trotz des zusätzlichen Gewichts und dem vergleichsweisen geringen Beitrag des Elektromotors am Gesamtantrieb kann sich ein solches Hybridkonzept insbesondere im urbanen Verkehr durchaus als nachhaltig erweisen – sowohl mit Blick auf die Betriebskosten als auch vor dem Aspekt der Treibhausgasemission. Dies gilt insbesondere für den sogenannten Plug-in Hybrid (PHEV): Die Batterie kann zusätzlich extern geladen werden, was sich in einer deutlichen Zunahme des rein batterieelektrischen Anteils an der Gesamtreichweite äußert und die Bilanz an klimarelevanten Treibhausgasen insgesamt reduziert.

Brennstoffzellenfahrzeuge – Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV)

Eine besondere und zumindest im europäischen Markt bislang eher exotisch anmutende Hybridvariante ist die autarke Bereitstellung von elektrischer Versorgungsenergie durch eine Brennstoffzelle. Im Sinne eines Treibhausgasneutralen Fahrzeugbetriebs kommen dabei in der Regel eine sogenannte Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEMFC) mit Wasserstoffbetrieb zum Einsatz. In der Bipolarplatte der Brennstoffzelle erfolgt eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Der bei dieser Redoxreaktion stattfindende Elektronenaustausch wird genutzt, um beispielsweise die Batterie des Fahrzeugs zu laden.

Als chemisches Reaktionsprodukt entsteht Wasser, was eine besonders günstige Treibhausgasbilanz von FCEV ermöglicht. Weitere Vorteile liegen vor allem in der vergleichsweise hohen Fahrzeugreichweite, der Unabhängigkeit von externen Ladestationen sowie dem raschen Auftanken des Wasserstoffs. Letzter Aspekt stellt ein aus Verbrauchersicht besonders anwendungsfreundliches Kriterium dar: Kraftstofftankstellen können mit entsprechenden Wasserstofftanks eine flächendeckende Versorgung und ein zeitlich rasches Betanken des Fahrzeugs ermöglichen. Als nachteilig anzusehen sind die derzeit hohen Anschaffungskosten, die bislang nur rudimentäre Verbreitung genannter Wasserstofftankstellen und die äußerst eingeschränkte Verfügbarkeit von Brennstoffzellenfahrzeugen auf dem Markt.

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Sofern Sie über die Anschaffung eines Elektrofahrzeugs nachdenken, ist eine individuelle Beratung bezüglich des für Ihre Anforderungen passenden Gefährts anzuraten. Fachkundige Experten und relevante Branchenvertreter finden unter anderem auf den Gelben Seiten. Dort erfahren Sie auch, welche steuerlichen Vergünstigungen und Subventionen grundsätzlich für das von Ihnen favorisierte Fahrzeugmodell gegeben sind.

Vorteile im Überblick: Damit punktet das Elektroauto

Rein auf Fahrzeugebene betrachtet, sind Elektrofahrzeug geräuscharm und weitestgehend emissionsfrei. Sie eignen aufgrund der lokalen Schadstofffreiheit insbesondere für den Einsatz in urbaner Umgebung.

Beitrag zum Klimaschutz – lokale Emission und energetische Effizienz

Zunächst ist die vergleichsweise niedrige Geräuschemission eines Elektroautos hervorzugheben. Abgesehen von Fahrtgeräuschen (Luftwiderstand, Walkarbeit und Reifenabrieb) entwickelt der Elektromotor selbst nahezu keine Geräusche – zumindest im niedrigen Geschwindigkeitsbereich. Aus Gründen der Wahrnehmbarkeit von Elektroautos insbesondere für Fußgänger und Radfahrende werden deshalb künstliche Soundeffekte moduliert. Relevante Geschwindigkeitsbereiche werden von Experten mit bis zu 20 Kilometern pro Stunde beziffert.

Der jeweilige Beitrag zum Klimaschutz hängt vom jeweiligen Bilanzierungsansatz ab. Je nach Systemgrenze (Tank-to-Wheel, Well-to-Wheel, Lebenszyklusanalyse) unterscheiden sich die Szenarien der Gesamtemission teils eklatant. Einflussfaktoren sind dabei der Rohstoff/-abbau, der Aufwand für die Distribution, die primäre Energiewandlung und letztlich auch die Effizienz des Energiespeichers eischließlich Transformator- und Leitungsverluste.

Energetische Effizienz: Im Vergleich zum Verbrennungsmotor als thermischen Energiewandler liegen die Fahrzeugwirkungsgrade von E-Autos in der Größenordnung von 90 Prozent, was insbesondere im städtischen Teillastbetrieb zum Tragen kommt. Die elektrischen und thermischen beziehungsweise reibinduzierten Verluste sind entsprechend gering, was das Elektrofahrzeug als ein insgesamt hocheffizientes Gefährt auszeichnet. Der Bedarf an elektrischer Energie ist fahrzeugspezifisch und wird unter anderem im sogenannten WLTP-Testverfahren sowie angelehnt an europäische Vorgaben [2] ermittelt. Übliche Verbrauchswerte liegen in der Regel zwischen 10 und 20 Kilowattstunden pro 100 Kilometern. Das Höchstmaß an energetischer Effizienz ist anteilig auch auf die sogenannte Rekuperation zurückzuführen: Ein Teil der Bewegungsenergie wird beim Vorzögern des Fahrzeugs elektrisch wieder in die Batterie zurückgeführt.

Vorausschauendes Fahren wird belohnt: Die zur Fahrzeugregelung erforderliche Leistungselektronik unterstützt eine optimierte Energiebereitstellung insgesamt – sowohl beim „Gas geben“ als auch beim Bremsen. Das elektrisch gestützte Bremsen reduziert dabei auch den tribologischen Verschleiß der mechanischen Radbremsen. Ergänzende Verluste, beispielsweise zur Erhaltung einer Leerlaufdrehzahl, entfallen darüber hinaus beim Elektrofahrzeug grundsätzlich.

Fahrspaß garantiert: Das volle Drehmoment aus dem Stand heraus entzückt Fahrerinnen und Fahrer mit einer kräftigen Fahrzeugbeschleunigung und ermöglicht zudem ein Höchstmaß an Agilität und Elastizität – auch im höheren Geschwindigkeitsbereich.

Besserung in Sicht – Das sind (noch) die Nachteile

Im Gegensatz zum Verbrennungsmotor beziehen Elektrofahrzeuge ihre Energie zum Beheizen von Fahrzeugkabine und Motorapplikation nicht unmittelbar aus der Aggregatkühlung selbst. Vielmehr muss hierfür zusätzliche elektrische Energie aus dem Akkumulator bereitgestellt werden. Hinzu kommt der Energiebedarf für das Thermomanagement der Batterie: Wird diese zu kalt, sinkt zusätzlich noch deren Leistungsabgabe. Gesamtwirkungsgradverluste von bis zu 50 Prozent sind deshalb im Winter keine Seltenheit – verbunden mit empfindlichen Einschränkungen bei der Reichweite. Ähnliche Szenarien ergeben sich auch bei zu hohen Außentemperaturen. Zunehmend realisieren Automobilhersteller deshalb die Einbindung von Batterien in sogenannte integrierende Thermomanagementsysteme. Insbesondere bei hybriden Varianten mit Verbrennungsmotor oder Brennstoffzelle führt dies zu einer energieeffizienten Harmonisierung des komponentenspezifischen Betriebstemperaturniveaus – und damit zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades insgesamt.

Fazit: So finden Sie das für Sie richtige Elektroauto

• Technik im E-Auto: Grundsätzlich fällt beim E-Auto der vergleichsweise einfache Aufbau auf. Wartungs- und verschleißintensive Komponenten wie Kupplung, Bremsen und Nebenaggregate sind deutliche minimiert. Je nach Fahrzeug werden unterschiedliche Motorvarianten und Einbauformen verwendet.
• Diese Fahrzeugvarianten gibt es: Grundsätzlich zu unterscheiden sind batteriebetriebene E-Autos von sogenannten Hybridfahrzeugen. Letztere verfügen meist über einen zusätzlichen Verbrennungsmotor. Je nach Grad der Hybridisierung unterstützt diese den Antrieb oder stellt elektrische Energie beispielsweise zur Reichweitenerhöhung bereit. Bislang wenig etabliert sind hingegen Brennstoffzellen. 
• Vor- und Nachteile: Elektroautos überzeugen durch lokale Schadstofffreiheit, ihren Beitrag zum Klimaschutz, niedrige Geräuschemissionen, ausgezeichnete Fahrleistungen und den vergleichsweise geringen Wartungsaufwand. Als zumindest heute noch nachteilig anzugeben sind die begrenzten Reichweiten, insbesondere im winterlichen Betrieb.     

Quellenverzeichnis

[1] https://ehighway.hessen.de/, abgerufen am 19.12.2021

[2] Regelung Nr. 101 der Wirtschaftskommission der Vereinten Nationen für Europa (UN/ECE) — Einheitliche Bedingungen für die Genehmigung der Personenkraftwagen, die nur mit einem Verbrennungsmotor oder mit Hybrid-Elektro-Antrieb betrieben werden, hinsichtlich der Messung der Kohlendioxidemission und des Kraftstoffverbrauchs und/oder der Messung des Stromverbrauchs und der elektrischen Reichweite sowie der nur mit Elektroantrieb betriebenen Fahrzeuge der Klassen M 1 und N 1 hinsichtlich der Messung des Stromverbrauchs und der elektrischen Reichweite, Amtblatt der Europäischen Union, Brüssel, 2012