Wie funktioniert ein Elektroauto eigentlich genau?

Der Trend geht klar zum Elektroauto. Denn E-Autos sind im Betrieb umweltfreundlich und günstig, insbesondere dann, wenn sie über eine eigene Wallbox mit selbsterzeugtem Strom aus der Photovoltaikanlage aufgeladen werden. Das wissen mittlerweile viele Menschen. Aber wie funktioniert ein Elektroauto eigentlich genau? In diesem Beitrag erklären wir die Funktionsweise von Elektroautos und ihren Antriebskomponenten im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennerfahrzeugen.  

Funktionsweise des Elektroautos einfach erklärt

Das Herzstück eines E-Autos ist der Elektromotor. Er wird nicht mit Benzin oder Diesel, sondern mit Strom angetrieben und wandelt die elektrische Energie in mechanische Energie um. Das geschieht durch zwei Magnetfelder, die sich im stetigen Wechsel anziehen und abstoßen und somit Rotation erzeugen. Und das enorm effizient. 

Der Strom kommt dabei aus der Batterie des Fahrzeugs, die den herkömmlichen Tank ersetzt. Elektroautos werden also nicht betankt, sondern geladen – im Prinzip genau wie der Akku eines Handys. Daher werden Elektrofahrzeuge auch BEV genannt (vom Englischen „Battery Electric Vehicle“, zu Deutsch: batterieelektrisches Fahrzeug). 

 

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 besteht im Wesentlichen aus zwei Elektromagneten – dem Stator und dem Rotor. Sobald Strom fließt, erzeugen Stator und Rotor jeweils ein Magnetfeld. Das Magnetfeld des Stators wird mit Gleichstrom erzeugt und ist entsprechend konstant. Das Magnetfeld des Rotors hingegen wird mit Wechselstrom erzeugt, wodurch die Pole bei diesem Magnetfeld analog zum Stromfluss stetig wechseln.

Gegensätzliche Pole ziehen sich an (plus und minus), während sich gleiche Pole abstoßen. So ist es auch beim Elektromotor – es kommt zu einem stetig wechselnden Anziehen und Abstoßen zwischen Stator und Rotor. Das Ergebnis ist ein rotierender Rotor, dessen Rotation auf die Antriebsräder übertragen wird. Die Steuerung übernimmt dabei die Leistungselektronik – vergleichbar mit einem Gehirn, dass die Prozesse und Energien im E-Auto reguliert. 

Der Elektromotor an sich ist im Übrigen keine neue Erfindung. Das erste Patent wurde bereits 1837/38 angemeldet. Seither hat er sich als äußerst zuverlässig, verschleißarm, leise und vor allem enorm effizient erwiesen. So erreicht er in E-Autos aufgrund der sehr geringen Verluste durch Reibung und Wärme einen Wirkungsgrad von bis zu 99 % Gleichzeitig steht beim Elektromotor – anders als beim Verbrennungsmotor – sofort das volle Drehmoment zur Verfügung. Das erklärt den großen Fahrspaß, den Elektroautos bieten – so beschleunigen leistungsstarke E-Autos rasant und lassen Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor an der Ampel locker hinter sich.

Im Gegensatz zu Verbrennern können Elektromotoren darüber hinaus einen Teil der Antriebsenergie – zum Beispiel beim Bremsen oder Bergabfahren – rekuperieren (zurückgewinnen) und wieder in den Akku einspeisen. So werden die Reichweite und der Gesamtwirkungsgrad nochmals deutlich erhöht. 

Warum Elektromotoren nicht schon viel früher als Antrieb für Kraftfahrzeuge genutzt wurden, ist einfach zu beantworten. Es fehlte schlicht an der richtigen Speichertechnologie für die nötige elektrische Energie – somit war die Reichweite nur sehr gering.

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 im E-Auto dient dem Aufladen der Hochvoltbatterie und befindet sich zumeist – analog zur Tankklappe beim Verbrennerfahrzeug – hinten auf einer Seite des Fahrzeugs. Er ist also das Bindeglied zwischen externer Stromquelle und dem Hochvolt-Lithium-Ionen-Akku im E-Auto.

Ältere Elektroautos verfügen meist über einen Ladeanschluss vom Typ 1, der das Aufladen mit geringer Ladeleistung auf einer Phase ermöglicht. Neue Modelle bieten einen standardisierten Anschluss vom Typ Combo 2, welcher das Laden über Wechselstrom mit geringer Leistung und ebenso Schnellladen mit Gleichstrom an öffentlichen Schnellladesäulen ermöglicht. Einige wenige Autos bieten darüber hinaus die Möglichkeit, im Bedarfsfall im Fahrzeug gespeicherte elektrische Energie auch für externe Geräte zu nutzen oder wieder ins Stromnetz abzugeben – der Fachterminus dafür lautet: Vehicle-to-Grid (vom Fahrzeug zum Netz). Das ist beispielsweise bei Stromausfällen und der Notstrom-Versorgung interessant. 

Anders als beim Verbrenner müssen Sie zum Laden eines Elektroautos nicht extra zur Tankstelle fahren, sondern können Ihr E-Auto bequem zuhause laden oder öffentliche Ladepunkte unterwegs nutzen. So stellen immer mehr Arbeitgeber, die öffentliche Hand, Autobahnrastplätze oder auch Supermärkte Ladestationen zur Verfügung. Die Abrechnung erfolgt unterwegs zumeist über die geladene Energiemenge.

 

Öffentliche Ladestationen unterscheiden sich im Wesentlichen in Normalladestationen mit einer Ladeleistung von bis zu 22 Kilowatt sowie Schnellladestationen mit einer Leistung ab 50 Kilowatt. Sogenannte High Power Charger (HPC) bieten mittlerweile Ladeleistungen von bis zu 300 Kilowatt und mehr – verfügt Ihr Elektroauto über den nötigen Ladeanschluss, können Sie hier innerhalb von fünf Minuten ausreichend Strom für circa 100 km Reichweite laden. 

Die bequemste Art ist natürlich das Aufladen zuhause. Hier gibt es prinzipiell zwei Optionen: die herkömmliche Haushaltssteckdose oder eine eigene Wallbox. Dabei müssen Sie wissen, dass sich 230-Volt-Haushaltssteckdosen nicht zum Aufladen von Elektroautos eignen, denn die Leistung von normalen Steckdosen ist nicht für den Dauerbetrieb ausgelegt. Durch potenzielle Überhitzung von Steckdose und Kabeln besteht gegebenenfalls akute Brandgefahr. Darüber hinaus würde ein vollständiges Aufladen bei nur etwa 2,3 kW Ladeleistung sehr lange dauern, nicht selten bis zu 24 Stunden am Stück. 

 

Enorm praktisch, bequem und sicher ist dagegen die Installation einer eigenen Wallbox. Wallboxen sind wandmontierte Kompakt-Ladestationen mit einem Starkstromanschluss, die speziell zum Beladen von Elektroautos im eigenen Zuhause entwickelt wurden. Je nach Modell bieten Wallboxen darüber hinaus hohe Ladeleistungen: 

• Der Standard sind Wallboxen mit 11 kW Ladeleistung, die eine Vollaufladung in der Regel innerhalb von 5 Stunden ermöglichen. 
  
   
• Wallboxen mit 22 kW Ladeleistung ermöglichen eine Halbierung der Ladezeit, müssen allerdings auch vom Netzbetreiber genehmigt werden. 

Wenn Sie regelmäßig mehrere Elektroautos gleichzeitig laden wollen, bietet Ihnen SENEC.360 die Möglichkeit, bis zu vier leistungsstarke Wallboxen miteinander zu kombinieren und über Ihre Photovoltaikanlage mit eigenem Strom zu versorgen. 

 

Fahren alle Elektroautos mit Automatikschaltung?

Elektromotoren bieten im Vergleich zu Verbrennungsmotoren zahlreiche Vorteile. Ein wesentlicher ist, dass sofort das volle Drehmoment in einem großen Drehzahlbereich zur Verfügung steht. Das macht lästiges Schalten samt unerwünschter Begleiterscheinungen wie Fahrzeugruckeln bei ungeübter Fahrweise obsolet. Für die allermeisten Elektroautos genügt ein Getriebe mit fester Übersetzung, also mit nur einem Gang. Das erhöht den Fahrkomfort schon durch den enorm geräuscharmen Antrieb erheblich. Für richtigen Fahrspaß sorgt aber vor allem die spontane Drehmomententfaltung des Elektromotors, die unter anderem eine zügige Beschleunigung aus dem Stand ermöglicht. Das schont den ohnehin schon verschleißarmen Motor und steigert die Fahrdynamik in begeisternder Weise. Einzig Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge, die über 250 km/h schnell fahren sollen, setzen vereinzelt auf ein automatisches 2-Gang-Getriebe.  

Ausführliche Informationen zu Pro- und Kontra-Argumenten rund um das E-Auto finden Sie auch in unserem Blogbeitrag: Elektroautos: Vorteile und Nachteile auf einen Blick. 

 

Wie funktioniert das Tanken mit einem Elektroauto?

Wir haben weiter oben im Text unter „Ladeanschluss und Ladeoptionen“ bereits erwähnt, dass Sie mit einem Elektroauto nicht mehr extra zu einer Tankstelle fahren müssen, sondern Ihr Elektroauto auch unterwegs an öffentlichen Normal- und Schnellladestationen oder mit eigener Wallbox bequem und sicher zuhause laden können. Aber wie funktioniert das Laden des E-Autos für Sie konkret? 

Bei herkömmlichen Tankstellen gilt das Prinzip: Vorfahren, Tanken, Weiterfahren. Beim Aufladen von E-Autos gestaltet sich das ganz ähnlich: Vorfahren, Aufladen und – je nach dem, wo Sie sich gerade befinden – weiterfahren oder stehenbleiben. 

Zum Aufladen selbst benötigen Sie ein Ladekabel. Das gehört entweder zur Ausstattung Ihres Elektroautos oder ist bereits an der Ladestation fest verbaut. Da es unterschiedliche Steckertypen gibt, müssen Ladeanschluss und Ladestation in diesem Punkt zusammenpassen oder Sie benötigen einen entsprechenden Adapter. In Deutschland hat sich der Typ-2-Stecker oder auch Mennekes-Stecker etabliert, sodass dieser an den allermeisten Ladestationen zu finden ist. Innerhalb der EU gilt dieser Steckertyp seit 2013 als Standardnorm für öffentliche Stromtankstellen. 

 

Typ-2-Stecker (auch „Mennekes“-Stecker) laden dreiphasig und können mit einem CCS-Stecker (Combined Charging System – auch „Combo 2“-Stecker) kombiniert werden. So wird auch Schnellladen (DC) mit einer Ladeleistung von rund 300 Kilowatt und mehr möglich, denn der CSS-Stecker ist eine kompatible Erweiterung des Typ-2-Steckers um zwei zusätzliche Ladekontakte. 

Zum Laden an öffentlichen Ladestationen benötigen Sie zudem eine passende Ladekarte oder eine entsprechende Lade-App, um die jeweilige Ladestation zu entriegeln sowie laden und bezahlen zu können. Der Vorgang an der Ladestation selbst vollzieht sich in der Regel in diesen Schritten:

1. Identifizieren mit Ladekarte oder Lade-App
    
2. Ladekabel anschließen, um die Ladestation und Ihren Ladeanschluss zu verbinden
    
3. Ladevorgang starten und beenden – beim Start ist die Reihenfolge zumeist egal; beim Beenden ziehen Sie bitte zunächst den Stecker aus dem Fahrzeug.
    
4. Abrechnung und Zahlungsvorgang: Je Ladevorgang werden die Kundendaten, die exakte Ladedauer sowie die geladene Energiemenge erfasst; im Ergebnis erhalten Sie eine Ladeübersicht analog zu einem Einzelverbindungsnachweis beim Telefonieren. Die Bezahlung selbst erfolgt in Abhängigkeit zum definierten Prozedere Ihrer Ladekarte bzw. Ihrer Lade-App. 

Sie möchten wissen, was das Aufladen kostet? Lesen Sie unseren Blogbeitrag: Elektroauto tanken: Was kostet das Laden eines E-Autos?  

Noch einfacher ist das Laden eines E-Autos mit eigener Wallbox zuhause. Sollten Sie gleichzeitig über eine eigene Solaranlage verfügen, können Sie Ihr Elektroauto sogar mit Ihrem selbst erzeugten Solarstrom betanken und Kosten sparen.