Geheime Komplexität

Viele Menschen stellen sich den Aufbau eines Elektroautos ähnlich simpel vor wie bei ferngesteuerten Spielzeugautos: Akkus im Bauch, E-Motor nahe der Antriebsachse(n), etwas Steuerung, restlicher Autokram, fertig. Doch da reale, große Elektro-Pkw erstens vergleichbar lange halten sollen wie Verbrennerfahrzeuge (durchschnittliches Verschrottungsalter in Deutschland: über 18 Jahre) und den gleichen Komfort bieten müssen, bestehen sie aus viel mehr Teilen als oft angenommen.

In so riesigen Pixeln wie bei NES-Spielen auf Röhren-TVs skizziert, sieht der Weg der Energie vom Stecker bis auf den Asphalt so aus: Bei über 80 Prozent der Ladevorgänge (nämlich denen am heimischen Stellplatz) fließt Wechselstrom (alternating current, AC) über den Stecker zum Onboard-Ladegerät des Autos. Das enthält einen Umrichter, der Gleichstrom (direct current, DC) in der passenden Spannung an die Batteriepole schickt.

Der Grobüberblick

Je nach Akkugröße und Autopreis nimmt das Ladegerät an ein bis drei spannungsführenden Phasen Wechselstrom an, entsprechend viel oder wenig Gleichrichter-Leistungselektronik muss verbaut und vom Kunden bezahlt werden. Das Ladegerät verliert aufgrund der Gesetze unseres Universums einen Teil der Energie bei der Umwandlung in Wärme. Üblich sind derzeit etwa zehn Prozent, die nächste Generation soll auf die Hälfte kommen. Diese Ladeverluste kann das Auto prinzipbedingt nicht auf dem Tacho anzeigen, sie sind jedoch Teil der Verbrauchsmessung im WLTP-Zyklus (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure).

Beim Laden an einer DC-Schnellladesäule verhandelt diese mit dem Auto über die Eckdaten des Gleichstroms, den sie liefern soll. Den Strom leitet die Ladesteuerung direkt ohne Wandlung in die Batterie. Aufgrund von Wärmeentwicklung kommt es auch dort zu Ladeverlusten. Stecker ab, Fahrt: Jetzt fließt Gleichstrom vom Akku zu einem kräftig dimensionierten, weiteren Umrichter, der daraus den passenden Strom für den jeweils verwendeten Motor macht – also unter anderem die Spannung anhand der Eingaben des Fahrpedals dosiert.

Im Motor entsteht aus elektrischer Energie nun ein Drehmoment, das fast immer über ein Einganggetriebe an die Antriebsräder gelangt. Es gibt im Serienbau nur wenige Ausnahmen. Die Geschwister Porsche Taycan / Audi e-tron GT verwenden auf der Hinterachse zwei Gänge, um die Effizienz bei höheren Geschwindigkeiten zu erhöhen. Bei einfacheren E-Motorrädern gibt es häufig Nabenmotoren direkt in der Felge, weil die sich zwar nachteilig auf das Fahrverhalten auswirken (Stichwort: „ungefederte Massen“), dafür aber billiger zu bauen sind als besser fahrende Konstruktionen. Der Großteil der Fahrzeuge fährt jedoch mit Einganggetriebe. Die von Verbrennern bekannten Ganganzahlen brauchen Elektromotoren aufgrund ihrer hohen Drehmomente ab Stand und hohen Nenndrehzahlen mit mehr als 15.000 U/min nicht.

Da ein Elektromotor prinzipiell ein umgekehrter Generator ist, kann er durch entsprechende Beschaltung die rotatorische Bewegungsenergie der Räder in elektrische Energie umwandeln, die der Umrichter dann als Gleichstromspannung in die Batterie zurückspeist (entsprechende Ladeleistung und Kapazitätsreserven vorausgesetzt). Dieses elektrische Bremsen mit Energierückgewinnung kennen fast alle Autofahrer mittlerweile: „Rekuperation“. An allen Übergängen entstehen Verluste.

Doch mit einer errechneten Effizienz vom Stecker bis zur Straße (Well to Wheel) von 60 bis 70 Prozent schlägt das E-Auto den Verbrenner um ein Vielfaches, was im Laufe der Lebenszeit die Mehremissionen der Akkuherstellung überkompensiert. Aktuelle Studien gehen von rund der Hälfte an CO2-Lebenszeitemissionen gegenüber Benzinantriebsautos aus. Deshalb eignet sich die Technik als Dekarbonisierungsmaßnahme, obwohl der private Pkw (ganz vorsichtig formuliert) nicht die nachhaltigste existierende Lösung im Verkehrssektor ist. Soweit das NES-Pixelbild. Erhöhen wir nun die Auflösung und schauen auf kleinere Details!

Das teuerste Bauteil: der Akku

Alles am Elektroauto dreht sich um die Akkutechnik. Der Elektromotor war schon vor über 100 Jahren vorhanden und dem rappelnden Hubkolben-Ottomotor (und der Dampfmaschine) in jeder Hinsicht überlegen. Womit Bertha Benz bei ihrer 106-km-Fahrt im „Motorwagen“ ihres Mannes nach Mannheim warb, war die einfach erzielbare Reichweite, die den Akkuautos ihrer Zeit außerhalb der Städte fehlte.

Mit dieser durch Benzin angetriebenen Autonomie begann der Siegeszug der Verbrenner. Ermöglicht wurde er durch billige Energie, denn der Großteil der Energie verschwindet im Verbrenner als Abwärme: Ein Ottomotor im Realbetrieb ist mit 80 Prozent Wärme zu 20 Prozent Vortrieb eher eine Heizung als ein Antrieb. Solange Sprit billig war, war das egal.

Das Problem Kfz-Elektroreichweite interessierte kaum jemanden mehr, weil Verbrenner sich durchgesetzt hatten. Als E-Mobilität ihren zweiten Frühling erlebte, stammten die grundsätzlichen Zelltechniken daher aus mobilen Elektronikprodukten – etwa Notebooks und Tablets. Als die externalisierten Kosten von Rohöl stärker zu zwacken begannen, stand mit dem Lithium-Ionen-Akku bereits eine ausreichend gute Technologie zur Verfügung. Sie wird seitdem auch für den Autoeinsatz massiv weiterentwickelt.

Lithium-Ionen-Zellen altern durch die reine Zeit (kalendarische Alterung), durch Ladung und Entladung (zyklische Alterung) sowie durch Leistung und Temperatur. In all diesen Vektoren müssen Fahrzeughersteller Kompromisse finden. Ein maximal geschonter Akku bringt Sie nirgendwohin, weil das Auto dann weder gefahren noch geladen werden sollte.

Für Nordeuropa erhielt zum Beispiel der Nissan Leaf eine Batterieheizung, die zu tiefe Akkutemperaturen vermied. Es gab jedoch aus Kostengründen keine aktive Kühlung, sodass der Leaf Schlagzeilen damit machte, dass sein Akku in der Hitze Arizonas rapide alterte. Nissan baute als erster (und bisher einziger) Hersteller eine Batteriezustandsanzeige in den Tacho ein, die den Kunden die Degeneration täglich unter die Nase rieb.

Ein Jahr früher als die Großserienautos ging ein Start-up mit dem Kleinserienfahrzeug „Tesla Roadster“ an den Start. Tesla setzte schon damals zur Lebenszeitverlängerung auf Flüssigkeitstemperierung, und es stellte sich Schritt für Schritt heraus, dass ohne eine solche die Akku-Dauerhaltbarkeit stark abhängig von den Einsatztemperaturen ist. Es gibt rein passiv luftgekühlte Akkus heute daher nur noch in den immer seltener werdenden kleinen Stadtfahrzeugen (etwa e.Go) und den belüftungstechnisch günstigen Krafträdern.

Komplexität kehrt zurück

Mit der Erkenntnis, dass eine Temperierung meistens sehr sinnvoll ist, stieg die Komplexität der Autos. Typisch heute: Ein Niedertemperaturkreislauf mit einem Kühlmittel auf Wasserbasis temperiert den Akku. Umrichter und Motor erhalten entweder ihren eigenen, per Wärmetauscher angekoppelten Flüssigkeitskühlkreislauf (dann oft auf Ölbasis), oder man hängt sie mit an den Batteriekühlkreislauf. Da Abwärme am Elektroauto nur in so geringem Maß anfällt, ist sie wertvoller als beim in Abwärme schwelgenden Benziner. Schlaue Konstruktionen führen die Abwärme daher der Onboard-Wärmepumpe zu, die sie auf ein Niveau hebt, das die Kabine heizt. Die komplexen Temperierungskreisläufe mit Heizung und Kühlung sind der Hauptgrund für die real nicht-so-groß-wie-erwarteten Wartungskosteneinsparungen gegenüber Verbrennerantrieben. Sie erhöhen – neben dem Akku – zudem die Anschaffungskosten gegenüber Verbrennern.

Eine Steuereinheit (Thermomanagement) kümmert sich um die optimale Regelung. Eine andere Steuerung (Batteriemanagementsystem, BMS) steuert die mögliche Energieabgabe und -aufnahme in Abhängigkeit von Temperatur und Ladestand und kann im selben Rechnerkasten sitzen. Das BMS regelt außerdem, wie viel die Fahrer überhaupt jemals von der Batterie nutzen dürfen, denn ein Laden von nicht ganz leer bis nicht ganz voll ist schonender als das Ausnutzen der kompletten Kapazität. Der sogenannte „Batteriehub“ ist neben Thermomanagement die wichtigste Stellschraube der Alterung. Von Herstellerseite aus sind das normalerweise 90 Prozent der vollen Batteriekapazität.

Mittlerweile kann der Nutzer in den meisten Autos selbst noch weiter heruntergehen, üblich sind im Alltag zum Beispiel 80 Prozent (von den User-zugänglichen 90 Prozent, also 72 Prozent vom Bruttowert). Das passt dazu, dass Kunden gern große Batterien kaufen. Da die maximale Ladegeschwindigkeit von der Zelle vorgegeben wird, laden nämlich große Batterien bei gleicher Chemie grundsätzlich mit höherer Leistung als kleinere. Und wer will unterwegs schon länger laden als nötig?

Was will jeder werden, aber keiner sein?

Akkualterung besteht aus viel „kommt darauf an“. Die Autohersteller geben in seltener Einigkeit acht Jahre und 160.000 Kilometer Garantie auf eine nutzbare Kapazität von mindestens 70 Prozent von netto 90 Prozent. Das sind 63 Prozent der Bruttokapazität der Batterie. Wird sie innerhalb der Garantie unterschritten, stellt der Hersteller die Mindestanforderung der Batterie wieder her, wahrscheinlich durch einen Tausch des schwächsten Moduls. Bei verklebten, nicht modularen Batterien wie im Tesla Model 3 bleibt nur der Tausch des kompletten Akkus.

Bei 63 Prozent Restkapazität liegt der Akku im Autobetrieb nach der Studienlage wohl meistens bereits tief im Bereich beschleunigter Alterung: Die Alterung von Li-Ion-Akkus verläuft bei der vorherrschenden Zellchemie (Nickel-Mangan-Cobalt, NMC) ab etwa 1000 Zyklen und 80 Prozent Restkapazität beschleunigt ab, und dieser Knick in der Alterungskurve ist irreversibel. Auch hier ist es bei ökologisch langer Nutzungsdauer also richtig, eher großzügig Akkukapazität einzukaufen – wenn man es sich leisten kann und das Auto lange fahren will.

Unabhängig von der Batteriegarantie kann der Nutzer selbst für ein längeres Leben sorgen, indem er möglichst geringe Leistungen entnimmt (also schwächer beschleunigt), mit möglichst geringer Leistung und bei einer Akkutemperatur zwischen 20 und 50 Grad Celsius lädt. Da auch der Ladestand die Alterung beeinflusst, hält man den Akku die meiste Zeit auf einer Ladung zwischen 40 und 60 Prozent und vermeidet Ladestände über 70 und unter 30 Prozent.

Überraschend wenig bekannter Fakt übrigens: Alle aktuellen Elektroautos haben eine 12-Volt-Batterie nebst 12-Volt-Netz. Dieses Niederspannungsnetz startet über das BMS das in Ruhe entkoppelte Hochvoltnetz. Wie beim Verbrenner ist die 12-Volt-Batterie die Hauptursache für Defekte. Versuche, E-Autos ohne eine 12-Volt-Batterie zu konstruieren (die allerersten Tesla Roadster), zeigten jedoch, dass das schlicht noch schlechter funktioniert. Tesla rüstete den Roadster ab 2010 mit 12-Volt-Batterie aus. Wenn das Auto also tot scheint: erst einmal per Überbrückungskabel mit 12 Volt versorgen. Das gilt selbst dann, wenn das Auto am Ladekabel hängt, weil nicht jedes BMS schlau genug ist, das 12-Volt-System zu versorgen (siehe entsprechende Probleme beim Tesla Model S).

Aktuell kommen mehr Autos mit Lithium-Eisenphospat-Zellen (LFP) auf den Markt. Ihre Nachteile: geringere Energiedichte, noch höhere Kälteempfindlichkeit. Die Zellen speichern je Masseeinheit weniger Energie, haben also eine geringere Kapazität. Ihre Vorteile: bessere Zyklenfestigkeit, günstigerer Preis, hohe Leistungsdichte, längeres Leben und eine inhärent höhere Sicherheit, weil das „thermische Durchgehen“ von NMC-Akkus hier nicht auftritt. Durch die höhere Leistungsdichte geben die Zellen mehr Leistung ab – etwa beim Beschleunigen des Autos – und altern dabei weniger.

Langfristig wahrscheinlich jedoch wichtiger wird die Natrium-Ionen-Batterie (Na-Ion). Der weltgrößte Batteriezellenhersteller CATL hat bei dieser Technik Durchbrüche erzielt und will bereits 2023 Serien-Elektroautos mit solchen Batterien ausliefern. Zwar sinkt hier die Energiedichte noch weiter, doch der Akku-Preisverfall kann wahrscheinlich nur bei diesen Zellen steil weitergehen, weil der Lithiumpreis noch Jahrzehnte auf hohem Niveau verharren dürfte. Die Hausbatterieszene geiert bereits auf Na-Ion.

Motor, pft, egal

Sie erkennen anhand der Passagenlänge schon: Was beim Verbrenner der Motor, ist beim E-Antrieb der Akku. Der Motor verschwindet aus der Wahrnehmung und wandert in kompakten Baumaßen direkt an die Antriebsachsen. Die sogenannte „E-Achse“ gibt es mittlerweile bei vielen Zulieferern. Sie enthält mindestens den Motor und die Radaufhängungen, oft überdies noch die Umrichtereinheit.

Ein Elektroauto mit Allradantrieb hat also immer mindestens zwei Motoren, nämlich einen pro Antriebsachse. Das ist schlicht einfacher, als eine Kardanwelle längs durchs Blech zu führen. Einige der kräftigsten Autos von Audi und Tesla verwenden drei Motoren an zwei Achsen. Die zwei Motoren an der Hinterachse unterstützen dabei die Lenkung durch ungleiche Drehmomentabgaben in Kurven („Torque Vectoring“), und zwar auch im Schiebebetrieb (also Torque Vectoring auf der elektrischen Bremse). Das herrlich einfache Packaging des E-Motors hat zudem zu einer Renaissance des Hinterradantriebs geführt, der in Sachen Sicherheit, Traktion, Handling und Fahrspaß dem Vorderradantrieb grundsätzlich überlegen ist. Der Frontantrieb war immer nur das freudlose Budget-Zugeständnis an Nutzwert-Lastesel: alle Technik vorn, viel Laderaum hinten.

Es ist schade, dass der E-Motor so versteckt sein Dasein fristet, denn es gibt ihn in einer Vielzahl interessanter, unterschiedlicher Ausgestaltungen. Als Automotor und zum Erklärungseinstieg bietet sich die am weitesten verbreitete Variante an, der Drehstrom-Synchronmotor. „Drehstrom“ bedeutet: Wechselstrom liegt auf drei Leitern an (suchen Sie die drei dicken orangen Kabel an Ihrem Motor). Die Spannungsverläufe der drei Leiter sind zueinander um jeweils 120° verschoben (siehe Grafik).

Im sogenannten Stator (dem Teil, der sich nicht bewegt) verbauen die Hersteller Spulen, aufgrund des Drehstroms in Vielfachen von drei. Die angelegte Spannung baut in diesen Spulen ein Magnetfeld auf. Der Rotor, also der Teil, der sich dreht und die Räder antreibt, ist ein Magnet – in der einfachsten Form ein starker Permanentmagnet (im technischen Datenblatt steht dann „permanenterregt“). Er folgt dem sich drehenden Magnetfeld in genau dessen Geschwindigkeit (deshalb: „synchron“). Solch ein permanenterregter Motor kann sehr einfach zum Rekuperieren als Generator laufen.

Die Seltenen Erden in kräftigen Permanentmagneten (etwa Neodym) fallen weg, wenn der Rotor induktiv oder durch Schleifer als Elektromagnet betrieben wird („fremderregt“). Das kostet die Besten ein bis zwei Prozentpunkte Effizienz, da der Strom für den Elektromagnet aus dem Akku des Autos kommt.

Im Asynchronmotor laufen Eingabemagnetfeld und Rotor, na ja: asynchron. Die Bewegung des Magnetfeldes gegenüber dem Rotor induziert in jenem einen Stromfluss, der zu einem eigenen Magnetfeld führt. Das Drehmoment entsteht also im Zusammenspiel dieser Magnetfelder. Laufen Rotor und Eingabemagnetfeld synchron gleich schnell, befindet sich der Motor im Leerlauf. Bei modernen E-Autos befindet sich der Akku im Fahrzeugboden, was einen niedrigen Schwerpunkt bewirkt. Der oder die Motoren sind an der jeweiligen Achse montiert., Bild: Porsche Bei modernen E-Autos befindet sich der Akku im Fahrzeugboden, was einen niedrigen Schwerpunkt bewirkt.

Asynchronmotoren sind einfach zu bauen und sehr robust, was sie grundsätzlich für den Autobau empfiehlt. Wie bei Drehstrom-Synchronmotoren ist es technisch trivial, sie im Generatorbetrieb laufen zu lassen. Im Vergleich zu Synchronmotoren sind sie jedoch in vielen Betriebsbereichen weniger effizient und haben generell eine geringe Leistungsdichte, weil im Läuferkäfig Abwärme aus dem Stromfluss anfällt.

Als Teslas Model S und X an einer Achse Synchronmotoren erhielten (vorher: Asynchronmotoren an beiden Achsen), stieg die Homologationsreichweite auf dem Prüfstand um 50 Kilometer. BMW verbaute im i3 einen interessanten Hybrid zwischen Synchron- und Asynchronmotor. Etwas Ähnliches bietet der Zulieferer Brusa.

Die Motorentechnik wird sich in der Zukunft weiter interessant entwickeln. Eine komplette Abhängigkeit von Seltenen Erden aus China können sich europäische und amerikanische Motorenhersteller nicht dauerhaft erlauben. Zulieferer ZF etwa begann deshalb schon früh, fremderregte Motoren in seine E-Achsen einzubauen. Um die Vorteile von Asynchron- und Synchronmotoren zu vereinen, arbeiten die Hersteller an Reluktanz-Synchronmaschinen, denn die könnten der Hoffnung nach so günstig herzustellen und robust sein wie ein Asynchronmotor, gleichzeitig aber ähnlich effizient arbeiten wie ein Synchronmotor.

Im Reluktanzmotor dreht sich ein weichmagnetischer Rotor innerhalb eines Stators voller Nuten, hinter denen Spulen ein magnetisches Feld erzeugen können. Der Rotor strebt stets die Position an, in der er parallel zu den magnetischen Feldlinien der jeweils nächsten magnetisierten Nuten steht. Diese werden zur Drehung entsprechend geschaltet. Die zu behebenden Probleme liegen in der welligen Drehmomentabgabe, dem daraus resultierenden Lärm und einer deutlich schwierigeren Steuerung – alle Probleme sind aber klein genug, um von Serieneinsätzen in absehbarer Zukunft ausgehen zu können.

Sie lasen richtig: „Lärm“. Elektromotoren erzeugen ein Betriebsgeräusch, dessen Frequenzen in für Menschen unangenehmen Bereichen liegen. Wie Verbrennermotoren werden sie daher akustisch von der Karosserie entkoppelt, denn sonst raubte ihr Körperschall den Insassen jeden Nerv. Die günstigste Methode sind einfache Gummilager, es gibt jedoch sehr aufwendige Entkopplungen, denn je besser entkoppelt der E-Motor, umso leiser wird es in der Kabine.

Mercedes-Benz etwa montiert den Motor auf einen in zwei Achsen schwingungsentkoppelten Schemel. Entsprechend leise fahren die Modelle von EQA bis EQS. Um die Funktion bestmöglich zu nutzen, montiert Mercedes gleich den lauten Klimakompressor mit auf dem Schemel. Und plötzlich fällt in der Stille auf, wie LAUT turbulente Luft sein kann, wenn sie an Lüftungsauslässen, den Außenspiegeln oder der eigenen Nase verwirbelt. 

Autor: Clemens Gleich

Dieser Beitrag erschien zuerst in der c’t10/2022 (spo@ct.de)