Weltweit ist die Nachfrage nach nachhaltigen Verkehrslösungen gestiegen. Elektrofahrzeuge sind dabei der Schlüssel der Verkehrswende. Eine der grössten Entwicklungen in der Automobilindustrie ist die Einführung von Elektrofahrzeugen. Mit ihr wurde nicht nur eine andere Antriebstechnologie entwickelt, sondern auch die Fahrzeugarchitektur grundlegend umgestaltet. Deshalb befassen wir uns heute mit der Technik, die den heutigen Elektroautos zugrunde liegt, und erklären die Funktionsweise von E-Autos sowie die Gründe für den raschen Anstieg der Beliebtheit.
Elektrofahrzeuge – Die Grundlagen
Bei den Elektrofahrzeugen unterscheidet man zwischen Hybridfahrzeugen, die sowohl einen Elektro- als auch einen Verbrennungsmotor haben, und vollelektrischen Fahrzeugen, die nur einen Elektromotor besitzen. Es gibt verschiedene Arten von Hybriden, darunter Plug-in-Hybride, Mild-Hybride und Voll-Hybride. Neben Hybrid- und vollelektrischen Antrieben gibt es noch weitere Antriebsarten, die hier genauer beschrieben werden.
Elektroantrieb: Die Komponenten
Hinter den emissionsfreien E-Autos steckt viel Technik. Im Folgenden erfahren Sie, welche Komponenten die Emissionslosigkeit ermöglichen.
Der Antriebsstrang eines Elektroautos
Der Antriebsstrang eines E-Autos unterscheidet sich grundlegend von dem eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor und besteht aus folgenden Komponenten:
- Elektromotor: Anders als Verbrennungsmotoren, sind Elektromotoren nicht auf Kraftstoff angewiesen, da sie die elektrische Energie direkt in mechanische Energie umwandeln. Elektroautos haben heute Synchron- (Permanentmagnet) oder Asynchronmotoren (Induktionsmotoren). Während Synchronmotoren über eine höhere Leistungs- und Drehmomentdichte verfügen, haben Asynchronmotoren einen etwas einfacheren Aufbau und sind kostengünstiger herzustellen. Der Elektromotor hat einige Vorteile gegenüber dem Verbrennungsmotor. So entstehen beim Elektromotor keine schädlichen Abgase, das volle Drehmoment ist direkt vom Start an verfügbar, der Motor ist verschleissarm und hat damit einen niedrigen Wartungsbedarf und der Wirkungsgrad ist höher.
- Akku: Der Akku ist das Herzstück des Elektroautos, da er als Energiequelle dient. Am häufigsten werden Lithium-Ionen-Akkus in Elektrofahrzeugen verwendet, da sie eine hohe Energiedichte und lange Lebensdauer bieten. Die Leistung und Reichweite von Elektroautos wird durch Fortschritte in der Akkutechnologie ständig verbessert. Jüngste Entwicklungen zeigen, dass E-Auto-Akkus bald bis zu 1.000 km halten können.
- Leistungselektronik: Sie ist für die Steuerung der elektrischen Energieübertragung zwischen Motor und Batterie unerlässlich. Um den Motor anzutreiben, wandelt der Wechselrichter beispielsweise den Gleichstrom (DC) der Batterie in Wechselstrom (AC) um. Auch regenerative Bremssysteme, die beim Bremsen Energie zurückgewinnen und in die Batterie zurückspeisen, sind stark von der Leistungselektronik abhängig.
Batteriemanagementsystem (BMS)
Das intelligente Batteriemanagementsystem überwacht Variablen wie die Temperatur, Zellspannung und den Ladezustand, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. Um die Lebensdauer des Akkus zu verlängern, gleicht das BMS die Ladung zwischen den einzelnen Zellen aus und schützt vor Überladung und Tiefentladung, die beide den Akku schädigen können. Mithilfe von prädiktiven Algorithmen können der Akkuzustand und die Nutzungsmuster prognostiziert werden, was Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleistet.
Regeneratives Bremsen
Mithilfe der regenerativen Bremstechnik können E-Fahrzeuge Energie zurückgewinnen, die beim Bremsen als Wärme verloren geht. Durch Betätigung der Bremsen wird der Elektromotor in den Rückwärtsgang versetzt, wodurch das Fahrzeug verlangsamt und die Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, die dann im Akku gespeichert wird. Durch den geringeren Verschleiss der herkömmlichen Bremskomponenten verbessert diese Technologie nicht nur die Energieeffizienz, sondern erhöht auch die Lebensdauer der Bremsen und senkt die Wartungskosten. Regeneratives Bremsen kann auch die Fahrzeugdynamik verbessern, indem es eine sanftere Verzögerung und eine sensiblere Bremssteuerung ermöglicht.
Temperaturmanagement
Damit der Akku und der Elektromotor zuverlässig funktionieren und lange halten, ist ein effizientes Temperaturmanagement wichtig. Dabei spielen Kühlsysteme, wie Flüssigkühlung und Luftkühlung, eine wichtige Rolle. Ein gutes Temperaturmanagement erhöht nicht nur die Sicherheit, sondern auch die Effizienz und verlängert die Lebensdauer der Fahrzeugkomponenten. Mithilfe von Wärmepumpen kann der Innenraum gekühlt oder beheizt werden, ohne grossartig die Reichweite zu beeinträchtigen, da sie im Gegensatz zu herkömmlichen Heiz- oder Kühlsystemen weniger Strom verbrauchen. Darüber hinaus kann ein fortschrittliches Temperaturmanagement die Schnellladefähigkeiten verbessern, indem es eine Überhitzung während der Ladezeiten mit hoher Leistung verhindert.
Leichte Materialien und Aerodynamik
Um die Reichweite zu maximieren und die Effizienz zu steigern, werden für Elektrofahrzeuge häufig leichte Materialien, wie Kohlefaser und Aluminium, verwendet. Auch die Aerodynamik spielt eine wichtige Rolle. Fahrzeuge mit stromlinienförmiger Karosserie, aktiven Kühlergrillklappen und glatten Unterböden weisen einen geringeren Luftwiderstand auf, was sich positiv auf die Reichweite und die Effizienz auswirkt. Ein gutes aerodynamisches Design wirkt sich auch auf das Fahrverhalten aus, da es Wind- und Strassengeräusche reduziert.
Ladeinfrastruktur und -systeme
Die Bequemlichkeit des Ladens von Elektrofahrzeugen ist ein entscheidender Faktor für die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen. E-Fahrzeuge sind mit eingebauten Ladegeräten ausgestattet, die den Wechselstrom aus der Steckdose oder der Ladestation in Gleichstrom umwandeln, um den Akku aufzuladen. Mit dem Aufkommen von Schnellladetechnologien, wie Gleichstrom-Schnellladegeräten, die die Ladezeiten drastisch verkürzt haben, sind Langstreckenfahrten für E-Fahrzeuge leichter möglich geworden. Ausserdem machen neue Technologien wie drahtloses und bidirektionales Laden das Energiemanagement für Haushalte und Autos anpassungsfähiger und effektiver. Die Reichweitenangst nimmt dank der Fortschritte bei der Ladeinfrastruktur, wie den ultraschnellen Ladegeräten, die innerhalb weniger Minuten eine Reichweite von Hunderten Kilometern ermöglichen, ab, sodass immer mehr Menschen E-Autos als eine praktikable Alternative sehen.
Autonome und vernetzte Technologien
Viele Elektrofahrzeuge sind Vorreiter bei der Integration von autonomen und vernetzten Fahrtechnologien. Die vielen Sensoren, Kameras und Kommunikationssysteme in diesen Fahrzeugen ermöglichen den Einsatz fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme (ADAS), Vehicle-to-Everything-Konnektivität (V2X) und Software-Upgrades über die Luftschnittstelle, die nahtlos mit dem Antriebsstrang interagieren und nicht nur die Leistung und Effizienz, sondern auch die Sicherheit und den Komfort verbessern. Diese Technologien werden durch den Einsatz von KI und Algorithmen des maschinellen Lernens weiter verbessert, was die E-Autos intelligenter und zustandsorientierter macht. Vernetzte Technologien ermöglichen auch Flottenmanagement und Vehicle-to-Grid (V2G)-Anwendungen, bei denen E-Fahrzeuge Energie in das Netz zurückspeisen können, was die Stabilität und Nachhaltigkeit des gesamten Energiesystems erhöht.
Innovative Technologien für Elektrofahrzeuge
Innovative Technologien für Elektrofahrzeuge, die auf modernster Technik beruhen, revolutionieren die Branche und verbessern Leistung, Effizienz und Nachhaltigkeit. Hier sind nur einige Beispiele dafür, wie Elektrofahrzeuge eine neue Innovationswelle einleiten:
Das Fahrerlebnis
Wie wir bereits erwähnt haben, sind Elektrofahrzeuge für ihr sofortiges Drehmoment und ihre schnelle Beschleunigung bekannt. Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird das maximale Drehmoment erst nach der Beschleunigung erreicht, während es bei Elektrofahrzeugen sofort beim Beschleunigen erreicht wird. Das ermöglicht ein schnelleres Überholen und Manövrieren, was nicht nur für ein aufregendes Fahrerlebnis sorgt, sondern auch die Sicherheit erhöht. Das sofortige Drehmoment entsteht durch das unmittelbare Anlegen der Spannung an den Elektromotor, was zu einer direkten Kraftübertragung auf die Räder führt und ein schnelles Anfahren und Beschleunigen ermöglicht. Einige E-Fahrzeuge können in nur 2,5 Sekunden von 0 auf 100 km/h beschleunigen.
Zusätzlich zum sofortigen Drehmoment sind E-Fahrzeuge mit fortschrittlichen Navigationssystemen ausgestattet, die anhand von Echtzeitdaten und Verkehrsinformationen die effizientesten Routen ermitteln. Mit Informationen über die Verfügbarkeit von Parkplätzen, die Standorte von Ladestationen und Informationen über Staus verbessern sie das Fahrerlebnis und sparen Zeit und Nerven. Sie tragen auch dazu bei, die Energieeffizienz und den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs zu verbessern, indem sie unnötige Verzögerungen und Umwege vermeiden.
Aufladen und Batteriemanagement
Eine Ladestation zu Hause ist die bequemste Art, den Akku eines Elektrofahrzeugs aufzuladen, weil sie sicherer ist und man das Auto über Nacht aufladen kann. Die öffentliche Ladeinfrastruktur wächst, angetrieben durch Netzwerke wie Pod Point, BP Pulse und Shell Recharge. Die Vielfalt der Netze kann jedoch den Ladevorgang erschweren, da oft unterschiedliche Apps, Websites oder RFID-Karten verwendet werden.
Für viele ist die geringere Reichweite von E-Autos immer noch ein Argument für ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, doch mit den Fortschritten in der Akkutechnologie wird die Reichweite immer besser. Der Mercedes-Benz EQS, der mit einem 107-kWh-Akku ausgestattet ist, kann beispielsweise mit einer Ladung 635 km zurücklegen. Welche Fortschritte es bei den Lithium-Ionen-Akkus gibt, erfahren Sie hier.
Saisonale Effekte bei E-Auto-Akkus
Extreme Temperaturen können sich negativ auf das Aufladen und den Betrieb der Akkus auswirken. Der Akku funktioniert am besten bei Temperaturen zwischen 20℃ und 25℃. Bei extremer Kälte kann sich die Reichweite um 10 bis 15 % verringern und der Einsatz der Heizung kann sich zusätzlich auf den Akku auswirken. Aber auch hohe Temperaturen wirken sich auf den Akku aus. Um ein Überhitzen zu vermeiden muss dieser gekühlt werden, was zusätzlich Strom verbraucht. Daher sollte man bei hohen Temperaturen das Auto nur bis 80 % laden und im Schatten parken. Insgesamt sind höhere Temperaturen aber besser für den Akku als niedrige Temperaturen. So ergaben Untersuchungen, dass Elektrofahrzeuge bei warmem Wetter um mehr als ein Drittel effizienter sind.
| Saisonale Auswirkungen auf die Reichweite von Elektrofahrzeugen | Wirkung |
| Niedrige Temperaturen | Reduziert die Reichweite um 10-15 %, zusätzliche Verluste durch Heizung |
| Hohe Temperaturen | Erfordert eine Kühlung des Akkus, was mehr Strom verbraucht |
| Optimale Ladetemperatur | Ideale Effizienz zwischen 20 ℃ und 25 ℃. |
Fazit
Die Technik in Elektrofahrzeugen ist ein komplexes und sich schnell entwickelndes Gebiet, das ein breites Spektrum an Bereichen umfasst, von der Elektrotechnik und dem Maschinenbau bis zur Informatik und den Werkstoffwissenschaften. So ist eine gänzlich neue Fahrzeugklasse entstanden, die in Bezug auf Effizienz, Leistungsfähigkeit und Umweltverträglichkeit bemerkenswerte Vorteile bietet. Elektroautos werden in Zukunft eine wichtige Rolle im Verkehrswesen spielen und uns auf dem Weg zu einer nachhaltigeren und besser vernetzten Gesellschaft voranbringen.
Die fortlaufenden Innovationen in diesem Bereich versprechen noch grössere Verbesserungen bei der Leistung, Erschwinglichkeit und Zugänglichkeit von Elektrofahrzeugen, wodurch die Vision einer umweltfreundlichen automobilen Zukunft immer greifbarer wird. Da die EU bis 2050 klimaneutral sein möchte, ist sie auf eine schnelle Verkehrswende angewiesen und auch der Rest der Welt hat das Potenzial von Elektrofahrzeugen erkannt und investiert im grossen Umfang in die Technologie und die dafür erforderliche Infrastruktur.
