Elektroauto – Die technischen Grundlagen

Im letzten Artikel habe ich über den Weg erzählt, der uns zur Elektromobilität gebracht hat und diesmal möchte ich auf die wichtigsten technischen Prinzipien eingehen.

Inhalt


Strom

Zuerst muss man wissen, dass jede Art von Materie eine elektrische Ladung hat. Das gilt auch für Atome und deren Bausteine, die Elementarteilchen. Ein Atom besteht aus einem Atomkern, der sich wiederum aus Neutronen und Protonen zusammensetzt und einem Atommantel, in dem Elektronen um den Kern kreisen. Neutronen sind elektrisch ungeladen, also neutral, Protonen sind positiv geladen und Elektronen negativ. Manche dieser Elektronen können sich unter Umständen von einem Atom lösen und sich zu einem anderen Atom bewegen. Und diese Bewegung, also den Fluss von Ladungsträgern, nennt man elektrischen Strom.

Dabei kann man die Spannung (in Volt) und die Stromstärke (in Ampere) messen. Vergleicht man das mit dem Fluss von Wasser, so ist die Spannung vergleichbar mit dem Druck und der Strom mit der Durchflussmenge. Multipliziert man das eine mit dem anderen, erhält man die Leistung (in Watt).

Wenn dieser Elektronenfluss jetzt durch einen Verbraucher wie eine Glühbirne oder einen Motor verläuft, dann nimmt dieser dem Fluss seinen Druck (die Spannung), ändert aber nichts an der Durchflussmenge (dem Strom). Und am Ende müssen alle Elektronen wieder an ihrer Quelle ankommen und somit den Stromkreis schließen. Dort werden sie dann wieder „unter Druck gesetzt“ und das ganze beginnt von vorne.

Irgendwann kam jemand auf die Idee, dass die Elektronen ja nicht immer den ganzen Weg zurücklegen müssten, um durch den Verbraucher zu fließen, sondern dass es reichen würde, und sogar verschiedene Vorteile hätte, wenn man sie abwechselnd ein Stück vor und dann wieder zurück bewegen würde. Der Wechselstrom war geboren und er ist heute das, was über unsere Strommasten und Steckdosen fließt. Als Strom-Zeit-Diagramm lässt sich das so darstellen:

Batterie

Eine Batterie ist ein System, in dem auf elektrochemische Art und Weise Energie gespeichert werden kann. Hier ist zwischen Primärbatterien und Sekundärbatterien zu unterscheiden, wobei letztere wiederaufladbar sind und auch als Akkumulator bezeichnet werden.

Hat man also eine geladene Batterie vor sich, so herrscht in ihr ein Ungleichgewicht. An einer Seite, auch Pol genannt, drängen sich haufenweise Atome, die gerne ein Elektron abgeben würden. Auf der anderen Seite hingegen befinden sich haufenweise Atome, die gerne ein Elektron aufnehmen würden. Dazwischen ist eine Schicht, die keine Elektronen durchlässt. Würde man nun eine Verbindung zwischen den Polen herstellen, würden alle Elektronen gleichzeitig so schnell es geht zur anderen Seite reisen. Das nennt man Kurzschluss. Wer genaueres wissen will und die Funktionsprinzipien einer Lithium-Ionen-Batterie erfahren will, möge sich dieses Video ansehen.

Damit dieser ganze Elektronenfluss schön zivilisiert abläuft, stellt man den Elektronen einen Widerstand in den Weg. Zum Beispiel kann man den Weg an einer Stelle so eng machen, dass sich die Elektronen beim Hindurchquetschen an den Wänden reiben, dabei verlangsamt werden und Hitze entsteht. Das nennt man Heizdraht. Wird es dabei so heiß, dass der Draht zu glühen beginnt, hat man eine Glühbirne.

Sind alle Elektronen dort, wo sie sich wohl fühlen, ist der Ladungsunterschied zwischen den Polen ausgeglichen und die Batterie ist leer. Legt man dann von außen eine Spannung an die Pole an, so zwingt man die Elektronen wieder ins Ungleichgewicht und der Akku wird geladen.

Motor

Wenn ein Elektronenfluss, also ein Strom einen Leiter durchfließt, so entsteht um diesen Leiter ein Magnetfeld (=Elektromagnet). Je größer dabei der Strom ist, desto stärker ist das Magnetfeld. Platziert man jetzt einen anderen Magneten in diesem Magnetfeld, passiert das, was jeder von Magneten kennt: Sie stoßen sich ab oder ziehen sich an, je nachdem, welche Pole aufeinandertreffen. Ordnet man jetzt mehrere dieser Elektromagneten in Kreisform an und schaltet diese nach der Reihe ein- und wieder aus, so erhält man ein sich drehendes Magnetfeld. Wenn man jetzt noch einen Permanentmagneten im Zentrum dieses rotierenden Feldes platziert, wird dieser vom Drehfeld mitgenommen und beginnt zu rotieren.

Quelle: https://commons.wikimedia.org

In Elektroautos kommen eigentlich nur Wechselstrommotoren vor, am Grundprinzip ändert das jedoch nicht viel, außer, dass die Magneten nicht ein- und ausgeschaltet werden müssen, da sich die Stromrichtung ohnehin ständig umkehrt. Es ist aber wichtig zu wissen, dass der Gleichstrom aus der Batterie beim Fahren erst in Wechselstrom umgewandelt und beim Rekuperieren wieder zurückgewandelt wird.

In diesem Video erklärt Alexander Bloch die verschiedenen Motorarten. Nach dem Ansehen des Videos versteht man auch, warum Tesla im Model 3 an der Vorderachse einen Asynchronmotor und an der Hinterachse einen permanenterregten Synchronmotor mit hohem Reluktanzanteil verbaut. Letzterer ist ein ganz besonderes Stück Technologie, das ich in einem späteren Beitrag noch behandeln werde.

Laden

Wie oben beschrieben, funktioniert die Batterie immer mit Gleichstrom (Direct Current = DC) und aus dem Netz kommt immer Wechselstrom (Alternating Current = AC). An irgendeiner Stelle muss also beim Laden aus Wechselstrom Gleichstrom gemacht werden. Diesen Job übernimmt eine Kombination aus Transformator, Gleichrichter und anderen Komponenten, zusammen auch Ladegerät genannt.

Von außen betrachtet kann man ein Elektroauto aber auf beide Arten laden: Mit Wechselstrom und mit Gleichstrom. Damit das funktioniert, hat jedes Elektroauto ein kleines Bordladegerät eingebaut, das, wenn man Wechselstrom anschließt, die Batterie mit Gleichstrom versorgt. Schließt man sein Auto an eine Gleichstromladesäule (DC-Schnellader) an, befindet sich das (wesentlich größere und stärkere) Ladegerät in der Säule und das Bordladegerät wird umgangen:

Wallbox

Eine Wallbox ist, genauso wie ein „intelligentes Ladekabel“ oder eine AC-Ladesäule, eigentlich nur ein teurer Schalter. Beim Ladevorgang besteht direkter Kontakt zwischen dem Netz und dem Bordladegerät im Auto. Der eigentliche Sinn dieser Geräte ist es, dem Bordladegerät zu sagen, wie viel Strom es aus dem Netz ziehen darf, die Temperatur der Stecker zu überwachen und manchmal auch den geflossenen Strom zu messen und in Rechnung zu stellen.

Stecker

Das erste, was mich im Bezug auf Elektroautos verwirrt hat, waren die verschiedenen Steckertypen an den Autos und Ladesäulen. Vor allem bei den ersten Elektroautos herrschte hier ein gewisser Wildwuchs. In der Realität sind aktuell aber nur zwei Anschlusstypen übriggeblieben. Bei einem modernen Auto sieht das eigentlich immer so aus:

Ladeanschluss an einem Tesla Model 3
Quelle: Tesla

Es handelt sich dabei um einen CCS/Combo-2-Anschluss, der aus einem Typ-2-Anschluss (oberer Teil) und einem CCS-Anschluss (unterer Teil und Daten und Erdung vom oberen Teil) besteht. Folgende Skizze zeigt die Anschlussbelegung der Buchse am Auto und die zwei passenden Steckertypen.

In der Praxis gibt es also drei Varianten, ein Auto zu laden:

Ladeleistung

Die AC-Ladeleistung eines Autos ist durch die Leistung des Bordladegeräts begrenzt. Meistens erlaubt dieses 11kW, was 16A pro Phase an einem dreiphasigen Wechselstromanschluss bedeutet. Dreiphasiger Wechselstrom (auch als Drehstrom oder Starkstrom bezeichnet) heißt, dass statt einer dieser Wechselstromkurven aus der Grafik im Kapitel „Strom“ drei dieser Kurven, zeitlich leicht versetzt, zur Verfügung stehen. Einige Autos haben aus Kostengründen Ladegeräte, die nur zwei (7,4kW) oder nur eine Phase nutzen können (3,7kW). Andere wiederum können bis zu 32A auf drei Phasen nutzen (22kW). In der Praxis dürfte 11kW ein guter Kompromiss sein, weil das die Maximalleistung der meisten öffentlichen AC-Ladestationen ist und auch die meisten Hausanschlüsse wären mit größeren Leistungen überfordert.

Die DC-Ladeleistung wird hauptsächlich durch die Batterie begrenzt. Pauschal kann man sagen, dass sich größere Batterien schneller laden lassen als kleinere. Auch die Zellchemie und die Software des Batteriemanagementsystems (BMS) hat großen Einfluss. Heute üblich sind jedenfalls DC-Ladeleistungen zwischen 75kW und 250kW.

Gerade beim schnellen DC-Laden wird man feststellen, dass es in der Praxis gewaltige Schwankungen der tatsächlichen Ladeleistung gibt. Was dafür verantwortlich ist und wie man das einplanen kann werde ich im nächsten Artikel erklären.

Wallboxen und Ladekabel

Der prinzipielle Unterschied zwischen Wallboxen und Ladekabeln ist der, dass Wallboxen fest an die Hauselektrik angeschlossen sind und Ladekabel einen Stecker haben und damit mobil sind. Ich habe mich für einen Juice Booster 2 entschieden, der mit ca. 1.100€ zwar teurer ist als die meisten Wallboxen und Ladekabel, aber wirklich alle möglichen Einsatzzwecke bedienen kann. Er kann daheim an einer 16A-Drehstromsteckdose eingesetzt werden, er kann das Auto an einer ganz normalen Schuko-Steckdose laden und dabei, wenn nötig, den Strom auf 10A statt 16A begrenzen, um die Hauselektrik nicht zu überlasten, er kann mit Adaptern für andere Länder ausgestattet werden und außerdem hat er so ziemlich jeden Produkttest gewonnen:

Quelle: https://www.juice-world.com/

Getriebe

Elektromotoren haben im Vergleich zu Verbrennern einen wesentlich größeren nutzbaren Drehzahlbereich, der bei 0 beginnt und (beim Tesla Model S) bei ca. 18.000 Umdrehungen pro Minute endet. Ein Diesel läuft üblicherweise zwischen 900 und 5000 Umdrehungen pro Minute. Das reicht nicht für alle Geschwindigkeiten von Parkhaus bis deutsche Autobahn, daher muss man während der Fahrt die Getriebeübersetzung ändern und braucht dafür ein manuelles oder automatisches Schaltgetriebe. Da der Elektromotor aber den kompletten benötigten Drehzahlbereich problemlos abdecken kann, ist kein Gangwechsel und somit kein Schaltgetriebe erforderlich. Da ein Elektromotor auch aus dem Stillstand anfahren kann, brauche ich außerdem keine Kupplung.

Trotzdem gibt es aber ein Getriebe mit einer festen Übersetzung zwischen dem Elektromotor und den Rädern, da eine Drehzahl von 18.000 Umdrehungen/Minute bei direktem Antrieb der Räder eine Geschwindigkeit von weit über 2.000km/h zur Folge hätte.

Hier ein Video, wo der Heckmotor aus einem Model 3 zerlegt und erklärt wird.

Wartung

Im vorher ewähnten Video sieht man Kühlmittel- und Ölschläuche und auch einen Ölfilter. Da bei einem Elekltroauto aber keinerlei Verunreinigungen aus dem Verbrennungsprozess in das Öl geraten und auch die Temperaturen wesentlich geringer sind, ist dieses Öl praktisch wartungsfrei. Tesla zum Beispiel gibt keine regelmäßigen Wartungen vor. Durch die wenigen beweglichen Teile gibt es auch deutlich weniger potenzielle Fehlerquellen, die ein Service benötigen würden.

Lediglich die Bremsen sind bei Elektroautos speziell zu behandeln. Nachdem Elektromotoren auch als Generatoren betrieben werden können, werden beim Fahren primär die Motoren zum Bremsen benutzt, wobei die Batterie wieder geladen wird. Dieser Vorgang nennt sich Rekuperation. Das hat zur Folge, dass man nur sehr selten die mechanischen Bremsen benutzt und die Scheiben und Beläge mehrere hunderttausend Kilometer halten können. Trotzdem oder gerade deswegen sollten die Bremsen aber regelmäßig geprüft werden. Das kann man im Zuge des Räderwechsels aber leicht selbst machen. Siehe dazu dieses Video.


Im nächsten Beitrag werde ich Details zum Laden und Fahren in der Praxis, zu Ladekarten, zu Strompreisen und zur Routenplanung behandeln.