Wie funktioniert ein Elektroauto eigentlich genau?

Die Nutzung von Elektrofahrzeugen in Kombination mit einer bestehenden Photovoltaikanlage ermöglicht eine effiziente und eigenverbrauchsoptimierte Ladeinfrastruktur am eigenen Hausanschluss. Während Verbrennerfahrzeuge ihre Energie aus der Verbrennung fossiler Kraftstoffe beziehen, basiert das Elektroauto auf einem rein elektrischen Antriebsstrang. Das Verständnis der grundlegenden Bauteile – vom Akkumulator über den Wechselrichter bis hin zum Elektromotor – bildet die Basis für den optimalen Betrieb und die Integration des Fahrzeugs in das heimische Energiesystem. 

In diesem Beitrag erklären wir die Funktionsweise von Elektroautos und ihren Antriebskomponenten im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennerfahrzeugen.  

Funktionsprinzip von batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV)

Das primäre Antriebsorgan eines Elektrofahrzeugs (BEV, engl. Battery Electric Vehicle) ist der Elektromotor. Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren wandelt dieser elektrische Energie direkt in mechanische Bewegungsenergie um.

• Elektromagnetisches Antriebsprinzip: Die Erzeugung der Rotation basiert auf dem Zusammenspiel elektromagnetischer Felder im Stator und Rotor des Motors. Durch die gezielte Ansteuerung dieser Felder entsteht ein Drehmoment mit hohem Wirkungsgrad über einen breiten Drehzahlbereich.
• Energiespeicherung im Traktionsakku: Als Energiespeicher dient eine wiederaufladbare Hochvolt-Batterie (Traktionsbatterie). Sie übernimmt die Funktion des Kraftstofftanks und speichert die elektrische Energie, die über die Ladeinfrastruktur (z. B. eine Wallbox) oder durch Energierückgewinnung im Fahrzeug zugeführt wird.
• Ladevorgang: Das Aufladen der Batterie erfolgt über eine definierte Ladeelektronik, welche den Ladestrom überwacht und das Thermomanagement des Akkus regelt, um eine lange Lebensdauer der Zellchemie zu gewährleisten.
   

Der Elektromotor bezieht seine Energie über die Batterie, die zumeist großflächig zwischen den Achsen im Unterboden verbaut ist, während Motor und Leistungselektronik an der Vorder- und, oder Hinterachse angebracht sind. Diesen Aufbau nennt man auch „Skateboard-Architektur“. Der Akku kann zudem zurückgewonnene Energie (Rekuperation) aufnehmen, wie sie etwa beim Bremsvorgang entsteht. Das erhöht insbesondere innerorts (viel Stop & Go) die Reichweite eines E-Autos.   

Anders als Autos mit Verbrennungsmotor benötigen Elektroautos also keine fossilen Brennstoffe, sodass während der Fahrt kein umweltschädliches CO2 emittiert wird. 

Elektromotor, Batterie und Ladeanschluss

Die zentralen Komponenten eines Elektroautos sind der Elektromotor, die Batterie (oder auch Akku) und der Ladeanschluss. Um die Frage beantworten zu können, wie ein Elektroauto im Detail funktioniert, schauen wir uns die Funktionsweise und das Zusammenwirken dieser Bauteile im Folgenden etwas genauer an. 

Die Funktionsweise des Elektromotors

Ein Elektroauto wird in der Regel mit einem Synchronmotor angetrieben, der die elektrische Energie aus der Batterie in mechanische Energie und somit in Bewegung umwandelt. Die folgende Grafik zeigt die Funktionsweise:

Der Elektromotor wandelt die aus der Traktionsbatterie bereitgestellte elektrische Energie in mechanische Antriebsenergie um.

• Elektromagnetisches Funktionsprinzip: Der Motor besteht im Wesentlichen aus einem feststehenden Teil (Stator) und einem rotierenden Teil (Rotor). In gängigen Traktionsmotoren (wie Synchron- oder Asynchronmaschinen) erzeugt die Leistungselektronik im Stator ein mehrphasiges Wechselstromfeld (Drehfeld). Dieses Magnetfeld versetzt den Rotor durch Anziehungs- und Abstoßungskräfte in Rotation, welche über das Getriebe auf die Antriebsräder übertragen wird.

• Aufgabe der Leistungselektronik: Die Leistungselektronik fungiert als Steuerungseinheit zwischen der Gleichspannung der Batterie und dem Drehstrom des Motors. Sie regelt die Frequenz sowie die Amplitude des Stroms und bestimmt dadurch die Drehzahl und das Drehmoment des Fahrzeugs.

• Wirkungsgrad und Drehmomentverlauf: Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren zeichnen sich Elektromotoren durch einen hohen Systemwirkungsgrad (je nach Betriebspunkt ca. 85–95 %) sowie geringe Reibungs- und Wärmeverluste aus. Zudem steht das maximale Drehmoment technisch bedingt bereits aus dem Stand zur Verfügung, was eine kontinuierliche Kraftentfaltung ohne Zugkraftunterbrechung ermöglicht.

• Energierückgewinnung und Historie: Neben dem Schubbeschleunigen dient der Motor beim Verzögern als Generator zur Rekuperation von Bewegungsenergie. Obwohl das Grundprinzip des Elektromotors seit dem 19. Jahrhundert bekannt ist, ermöglicht erst die moderne Lithium-Ionen-Zellchemie eine ausreichend hohe Energiedichte für praxisgerechte Reichweiten im Straßenverkehr.

Hochvoltbatterie und Niedervoltbatterie 

Die fehlende Speichermöglichkeit für elektrische Energie wurde mit der Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkus gefunden, die gleichsam leistungsstark, langlebig und schnellladefähig sind. Für die Betrachtung der Frage, wie eigentlich ein Elektroauto funktioniert, müssen wir zwischen der Hochvoltbatterie (400 - 800 Volt) und der Niedervoltbatterie (12 Volt) im E-Auto unterscheiden. 

Die Hochvoltbatterie – häufig auch einfach Akku genannt – ist der elektrische Energiespeicher eines Elektroautos, vergleichbar mit dem Tank bei Verbrennerfahrzeugen. Reichweite und Preis eines E-Autos hängen stark von der der Qualität und der Speicherkapazität der Hochvoltbatterie ab, die als das teuerste Bauteil im E-Auto gilt. Sie wird an öffentlichen Ladestationen oder zuhause aufgeladen und versorgt den Elektromotor mit Strom – und das enorm günstig, verglichen mit Diesel und Benzin. 

Elektroautos bieten im Vergleich zu Verbrennerfahrzeugen einen niedrigen Schwerpunkt und somit eine sehr gute Straßenlage. Das liegt an der speziellen Anordnung der Komponenten im Fahrzeug („Skateboard-Architektur“). Der große Lithium-Ionen-Akku befindet sich (flach wie das Skateboard-Trittbrett) zwischen den Achsen im Unterboden, während Elektromotor und die Leistungselektronik an der Vorder- und/oder Hinterachse untergebracht sind. 

Damit die Batteriezellen nicht überhitzen oder durch Kälte beschädigt werden, verfügen E-Auto-Akkus über ein cleveres Temperaturmanagement, das Leistung und Langlebigkeit durch intelligente Beheizung oder Kühlung gewährleistet. Gleichzeitig wird jede Batteriezelle durch das Batteriemanagementsystem (BMS) hinsichtlich Spannung und Temperatur überwacht. 

Die einzelnen Batteriezellen gibt es in unterschiedliche Bauformen und Zelltypen. Für Fahrer*innen ist vor allem wichtig zu wissen, dass die Speicherkapazität von E-Auto-Akkus in Brutto- und Netto-Werten angegeben wird. Brutto beziffert den technisch möglichen, Netto den tatsächlich nutzbaren Energiegehalt, denn zwecks Gewährleistung einer möglichst langen Lebensdauer werden E-Auto-Akkus im Betrieb nie vollends be- oder entladen. 

Neben der großen Hochvolt- gibt es noch die deutliche kleinere Niedervoltbatterie. Sie ist die Bordnetzbatterie und versorgt alle elektrischen Komponenten im Fahrzeug, die den Starkstrom der Hochvoltbatterie nicht vertragen. Das sind zum Beispiel die Bordelektronik, Sitzheizung, Belüftung, Klimaanlage, Beleuchtung oder auch das Radio. Darüber hinaus aktiviert die Niedervoltbatterie beim Fahrzeugstart die Hochvoltbatterie. Diese Bordnetzbatterien gibt es im Übrigen auch in Verbrennerfahrzeugen, allerdings kann sie bei Elektroautos auch einen Teil der rekuperierten Energie aufnehmen. 

Generell gilt, dass Industrie und Forschung auf Hochtouren an der stetigen Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Akkus arbeiten. Insbesondere die Kriterien Energie- und Leistungsdichte für mehr Reichweite und schnellere Ladezeiten sowie eine Reduzierung der Kosten und das Recycling von Lithium oder ein möglicher Lithium-Abbau in Deutschland bergen noch erheblich Optimierungspotenziale.  

 

Ladeanschluss und Ladeoptionen

Der Ladeanschluss bildet die Schnittstelle zwischen der externen Ladeinfrastruktur und dem fahrzeugeigenen Hochvoltsystem:

• Steckertypen und Standards: In Europa hat sich im PKW-Bereich das Combined Charging System (CCS) als Standard etabliert. Es kombiniert den Typ-2-Anschluss für Wechselstrom-Ladevorgänge (AC, z. B. an Wallboxen im privaten Bereich) mit zusätzlichen Kontakten für das Schnellladen mit Gleichstrom (DC, an öffentlichen Ladestationen).

• Ladeoptionen im Überblick:

  • AC-Laden (Wechselstrom): Das Laden erfolgt über die hauseigene Elektroinstallation oder öffentliche Wechselstrom-Ladesäulen. Die Umwandlung des Wechselstroms in Gleichstrom übernimmt der fahrzeugeigene On-Board-Lader.

  • DC-Laden (Gleichstrom): Beim Schnellladen wird der Gleichstrom direkt unter Umgehung des On-Board-Laders in die Traktionsbatterie eingespeist, was höhere Ladeleistungen ermöglicht.

• Bidirektionales Laden: Moderne Fahrzeug- und Infrastrukturkonzepte ermöglichen in Kombination mit geeigneten Steuerungsschnittstellen die Rückspeisung von Energie aus der Hochvoltbatterie. Hierbei wird unterschieden zwischen:

  • Vehicle-to-Load (V2L): Versorgung einzelner elektrischer Verbraucher direkt am Fahrzeug.

  • Vehicle-to-Home (V2H): Einspeisung in das häusliche Energiesystem zur Steigerung des PV-Eigenverbrauchs oder zur Notstromversorgung.

  • Vehicle-to-Grid (V2G): Bereitstellung von Regelleistung und Rückspeisung in das öffentliche Verteilnetz.

Für das Laden von Elektrofahrzeugen stehen unterschiedliche Leistungsklassen und Ladeinfrastrukturen zur Verfügung:

• Öffentliche Normalladestationen (AC): Diese Ladesäulen stellen Wechselstrom mit Ladeleistungen von in der Regel 11 kW bis 22 kW bereit. Der Umwandlungsprozess in Gleichstrom erfolgt über den On-Board-Lader des Fahrzeugs.

• Schnellladestationen und High-Power-Charger (DC / HPC): Gleichstrom-Schnellladesäulen beginnen bei Leistungen ab 50 kW. High-Power-Charging-Systeme (HPC) stellen Ladeleistungen von 150 kW bis zu 400 kW bereit. Die tatsächlich erzielbare Ladeleistung wird durch das fahrzeugeigene Batteriemanagement, die Systemspannung (400 V oder 800 V) sowie die Akkutemperatur begrenzt.

• Laden an Haushaltssteckdosen (Schuko): Das Laden über eine Standard-Schukosteckdose ist technisch als Behelfslösung eingeordnet. Da Haushaltssteckdosen und deren Zuleitungen nicht für dauerhafte Hochanforderungen ausgelegt sind, besteht bei Dauerlast die Gefahr einer thermischen Überlastung. Zudem fehlen bei dieser Ladeart in der Regel die erforderlichen Steuerungsschnittstellen für ein lokales Energiemanagementsystem (EMS) sowie für das netzdienliche Steuern gemäß § 14a EnWG.

• Laden über eine dedizierte Wallbox: Eine fest installierte Ladeeinrichtung (Wallbox) ermöglicht das sichere Laden mit Leistungen von üblicherweise 11 kW bis 22 kW. Sie verfügt über die notwendigen elektrischen Schutzeinrichtungen, ermöglicht deutlich kürzere Ladezeiten und erlaubt die Anbindung an die PV-Anlage zur Eigenverbrauchsoptimierung.
   

Funktion und Leistungsklassen von Wallboxen

Eine fest installierte Ladeeinrichtung (Wallbox) stellt die sichere Verbindung zwischen dem Hausanschluss und dem Elektrofahrzeug her. Sie ist für den Dauerbetrieb unter hoher Last ausgelegt und verfügt über integrierte Schutzmechanismen gegen Überlastung und Fehlströme.

• 11-kW-Wallboxen: Diese Leistungsklasse stellt den gängigen Standard im privaten Bereich dar. Je nach Batteriekapazität des Fahrzeugs ermöglicht eine Ladeleistung von 11 kW eine vollständige Ladung typischerweise innerhalb von vier bis acht Stunden.

• 22-kW-Wallboxen: Ladeeinrichtungen mit bis zu 22 kW Ladeleistung verringern die Ladezeit bei entsprechend ausgelegten fahrzeugeigenen On-Board-Ladern. Unabhängig von der Ladeleistung gilt nach § 14a EnWG ab einer Leistung von 4,2 kW eine reine Anmeldepflicht beim zuständigen Verteilnetzbetreiber.

• Kopplung mehrerer Ladeeinrichtungen: Sollen an einem Hausanschluss mehrere Ladeeinrichtungen betrieben werden, ist der Einsatz eines statischen oder dynamischen Lastmanagements erforderlich. Dieses verteilt die verfügbare Anschlussleistung auf die Fahrzeuge und verhindert eine Überlastung des Hausanschlusses.
   

Fahren alle Elektroautos mit Automatikschaltung?

Elektrofahrzeuge benötigen aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Elektromotors in der Regel kein mehrstufiges Schaltgetriebe. Anders als bei Verbrennungsmotoren steht das maximale Drehmoment eines Elektromotors direkt ab dem Stillstand über einen sehr breiten Drehzahlbereich zur Verfügung. Daher nutzen die meisten Serien-Elektrofahrzeuge ein fest übersetztes Reduktionsgetriebe mit nur einem Gang, wodurch ein manueller oder automatischer Gangwechsel entfällt.

 Aus Sicht der Fahrzeugbedienung ähnelt ein Elektroauto dennoch einem klassischen Automatikfahrzeug: Die Auswahl der Fahrtrichtung erfolgt elektronisch über einen Wählhebel, der den Elektromotor entsprechend ansteuert. 

Lediglich in einzelnen Hochleistungs- oder Sportfahrzeugen kommen automatisierte 2-Gang-Getriebe zum Einsatz, um sowohl die Anfahrbeschleunigung zu maximieren als auch den Wirkungsgrad des Elektromotors bei sehr hohen Fahrgeschwindigkeiten im optimalen Bereich zu halten.

Wie funktioniert das Tanken mit einem Elektroauto?

Das Beladen eines Elektrofahrzeugs unterscheidet sich in seinen betrieblichen Abläufen grundsätzlich von der Betankung konventioneller Verbrennungsmotoren. Der Ladevorgang erfolgt entweder über eine fest installierte Ladeeinrichtung im privaten Bereich oder über die öffentliche Ladeinfrastruktur. 

Für den physischen Anschluss wird ein kompatibles Ladekabel benötigt, welches entweder fest an der Ladesäule integriert ist oder als fahrzeugeigenes Mode-3-Kabel mitgeführt wird. In der Europäischen Union ist der Typ-2-Stecker (Mennekes) als verbindlicher Standard für das Wechselstromladen (AC) an öffentlichen Ladepunkten definiert. Bei Gleichstrom-Schnellladevorgängen (DC) kommt das Combined Charging System (CCS) zum Einsatz, bei dem die Ladekabel aufgrund der hohen Ströme und der erforderlichen Kühlung stets fest mit der Ladesäule verbunden sind. 

Der Ladevorgang wird nach dem Anstecken über eine Autorisierung – etwa per Ladekarte, App oder automatisiert via Plug & Charge – gestartet und nach Abschluss der Datenkommunikation zwischen Fahrzeug und Infrastruktur freigeschaltet.