Elektroauto – Die technischen Grundlagen

Im letzten Artikel habe ich über den Weg erzählt, der uns zur Elektromobilität gebracht hat. Ich habe eine elektrotechnische Ausbildung genossen, weshalb Spannung, Strom, Leistung, Energie und dergleichen nichts neues für mich sind. Ich muss mir daher oft in Erinnerung Rufen, dass das natürlich nicht auf die Masse der Autofahrer:innen zutrifft, weshalb ich in diesmal auf die wichtigsten technischen Prinzipien eingehen möchte.

Hier eine Übersicht aller meiner Artikel zum Thema Elektromobilität.

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.

In aktuellen Elektroautos kommen ausschließlich Lithium-Ionen-Akkus vor. Unterschiede gibt es jedoch bei den Materialien, aus denen die Kathode (Der Minuspol) gefertigt wird. Wegen der hohen Energiedichte wird meistens eine Kombination aus den Metallen Mangan, Nickel, Kobalt oder Aluminium verwendet. Bei kleineren Batterien kommt neuerdings auch Eisenphosphat als Kathodenmaterial vor, das billiger und sicherer ist, aber auch mehr Platz benötigt. Das Anodenmaterial (Pluspol) ist übrigens nahezu immer Graphit.

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.

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.

kWh vs. kW

Selbst im Magazin des österreichischen Tesla-Clubs wurden kW mit kWh durcheinandergeworfen, was ein sehr verbreiteter Fehler ist wenn es um Elektroautos geht. Daher eine kurze Erklärung:

In Kilowattstunden (= 1.000 Wattstunden) wird Energie angegeben, was eine Mengeneinheit ist. Wenn mein Motor also eine Stunde lang ein Kilowatt Leistung abgibt, hat er in dieser Stunde eine Kilowattstunde abgegeben. Das lässt sich genauso auch auf den Akku anwenden: Lade ich den Akku eine Stunde lang mit einem Kilowatt, ist am Ende eine Kilowattstunde mehr im Akku als vorher. Eine Kilowattstunde ist also ein Kilowatt mal einer Stunde also eigentlich kW*h, wobei das Mal-Zeichen nicht geschrieben wird:

In Kilowatt (= 1.000 Watt) wird eine Leistung angegeben und Leistung ist Energie pro Zeit. Ein Kilowatt ist also eine Kilowattstunde pro einer Stunde, wobei sich das „Stunde“ wegkürzt und Kilowatt übrigbleibt:

Das kann zum Beispiel die Nennleistung eines Elektro- oder Verbrennungsmotors sein oder auch dessen momentane Leistung (Mehr „Gas“ = mehr Leistung). Bei Verbrennungsmotoren ist primär die vom Motor abgegebene Leistung interessant (wie viel Energie kommt pro Zeit aus dem Motor). Bei Elektrofahrzeugen ist aber auch die Leistung wichtig, mit welcher die Batterie geladen werden kann (wie viel Energie kann ich pro Zeit in den Akku laden).

Vergleich verschiedener Parameter bei Verbrenner- und Elektrofahrzeugen. Quelle: blog.resch.cloud

*) Nachdem ein Liter keine Energiemenge angibt, kann man bei Liter pro Stunde eigentlich nicht von Leistung sprechen. Würde man die Energiemenge eines Liters eines Treibstoffs in Kilowattstunden heranziehen, könnte man die Tankleistung ebenfalls in Kilowatt angeben.

Hier noch zwei Beispiele, wie diese Werte in der Praxis im Fahrzeug bzw. an einer Ladesäule angezeigt werden:

Die momentane Ladeleistung wird jeweils in kW angegeben (11kW bzw. 93,3kW) und die während der Ladung hinzugefügte Energiemenge in kWh (16kWh bzw. 40,03kWh).

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-Schnelllader) an, befindet sich das (wesentlich größere und stärkere) Ladegerät in der Säule und das Bordladegerät wird umgangen:

Quelle: blog.resch.cloud

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 und Ladegeschwindigkeit

Die AC-Ladeleistung (Langsamladen) 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 Ladegeschwindigkeit ist beim AC-Laden oft nicht wichtig, da das ohnehin in der Standzeit eines Autos, also beispielsweise nachts oder während der Arbeit, passiert und nicht unterwegs.

Die DC-Ladeleistung (Schnellladen) wird hauptsächlich durch die Batterie begrenzt. Pauschal kann man sagen, dass sich größere Batterien mit höherer Leistung laden lassen als kleinere. Auch die Zellchemie und die Software des Batteriemanagementsystems (BMS) haben großen Einfluss. Heute üblich sind jedenfalls DC-Ladeleistungen zwischen 50kW und 250kW. Deise Werte sind aber nur Spitzenwerte, die meist nur bei leerem Akku erreicht werden und, je voller der Akku wird, stetig sinken.

Wer eine aussagekräftigen und vergleichbaren Wert für die Ladegeschwindigkeit in der Praxis haben will, sollte sich die Ladedauer von 10% bis 80% ansehen. Weil ganz leer kommt man nur selten an eine Ladestation und über 80% zu laden dauert oft länger als weiterzufahren und dafür einen zweiten kurzen Ladestopp zu machen. Heutige Autos brauchen von 10% auf 80% zwischen 20 und 40 Minuten.

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, ist enorm robust gebaut und hat außerdem 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 einem Verbrennungsprozess in das Öl geraten und auch die Temperaturen wesentlich geringer sind, ist dieses Öl viel geringeren Belastungen ausgesetzt als in einem Verbrennungsmotor. Tesla zum Beispiel gibt keine regelmäßigen Wartungen vor, was nicht bedeutet, dass man das Öl niemals tauschen sollte, wenn man den Antriebsstrang pfleglich behandeln will. Durch die wenigen beweglichen Teile gibt es aber generell 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.

HV-System und 12V-Bordnetz

Das Hochvoltsystem eines Elektroautos ist ein geschlossenes System, das keinerlei Kontakt zu Karosserie & Co hat. Wenn das Fahrzeug nicht fährt oder lädt, wird die Antriebsbatterie mit Schützen vom restlichen Auto elektrisch getrennt. Auch im Falle einer Airbag-Auslösung oder wenn ein Fehler im HV-System festgestellt wird, wird die HV-Batterie aus Sicherheitsgründen automatisch „abgeklemmt“.

Damit das funktioniert, hat jedes Elektroauto auch eine gewöhnliche 12V-Autobatterie und ein 12V-Bordnetz, das Licht, Notrufsystem, Fensterheber usw. versorgt.

Auch diese Batterie muss wie bei einem Verbrenner alle paar Jahre getauscht werden und ist auch bei Elektroautos die häufigste Pannenursache. Ist sie leer, kann man übrigens wie beim Verbrenner Starthilfe annehmen. Einem Verbrenner damit Starthilfe zu geben, ist aber nicht ratsam, da die Batterie in einem BEV relativ klein und nicht für hohe Ströme beim Anlassen geeignet ist.

Das HV-System ist üblicherweise mindestens nach der Schutzart IP67 ausgeführt und somit wasserdicht. Es besteht also keine Gefahr durch Stromschläge bei Kontakt mit Wasser, auch nicht bei Wasserdurchfahrten. Hierbei hat ein Elektroauto sogar den Vorteil, dass es – im Gegensatz zu einem Verbrenner – keine Luft zum Funktionieren braucht. Auch das Laden ist selbst bei starkem Regen kein Problem, da jeder Pin der Ladebuchse seinen eigenen Abfluss hat und daher ein Kurzschluss höchst unwahrscheinlich ist.


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


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