Connected e-Roadtrip: Komponenten eines Elektro-Autos – Teil 1 – Update

• Claus Ludewig
• 17. Mai 2018
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Update 1:

Vielen Dank an die Kommentare, insbesondere an „abc_man99“ für die weiterführenden Hinweise! Ich habe den Artikel entsprechend ergänzt und auch ein neues „Erklärvideo“ zum Synchronmotor eingepflegt.

Originalmeldung:

Eines der – im wahrsten Sinne – elektrisierenden Themen der Automobilindustrie ist der Elektroantrieb. Ich möchte  versuchen, euch diese Thematik etwas näher zu bringen. Denn eng vernetzt damit ist auch die Software, die bei E-Autos eine viel größere Rolle einnimmt als bei einem normalen Verbrenner. Wir beginnen mit einer zweiteiligen Übersicht über die grundlegenden Komponenten eines jeden E-Fahrzeugs. Auch Autos, die zum Beispiel via Brennstoffzelle betrieben werden („tanken“ ja Wasserstoff statt Strom), verfügen über diese Komponenten. Denn auch hierbei muss ein Hochvolt-Batteriepaket verbaut sein, wenn auch ein kleineres Package als bei einem batteriebetriebenen Fahrzeug.  Nachfolgend eine Übersicht über einige spezifische Bauteile von Elektrofahrzeugen, im Speziellen von E-Autos mit Akku als Energiequelle.

Antrieb

• Der Elektro-Motor: Der Motor kann entweder als Asynchron- oder Synchronmotor konstruiert sein und sorgt für Vortrieb. Besonders ist – im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor – dass der Wirkungsgrad um ein Zigfaches höher liegt und das maximale Drehmoment ab der ersten Umdrehung anliegt. Somit kann der Fahrer sofort mit voller Power beschleunigen und es sind auch nicht verschiedene Schaltstufen notwendig.
• Getriebe: Durch die sofortige Kraftentfaltung des E-Motors sind keine Schaltstufen für unterschiedliche Drehzahlen notwendig. Daher genügt auch ein 1-Gang-Getriebe, um vorwärts zu kommen. Es wird also häufig ein Untersetzungsgetriebe verbaut, wie es in Allradfahrzeugen zum Einsatz kommt, um den Allradantrieb betreiben zu können. Dennoch gibt es auch mehrstufige Getriebe.
• Batterie/Akku: Damit der Elektromotor sowie alle Nebenaggregate, wie Klimaanlage, Radio etc. überhaupt funktionieren, benötigen sie Strom. Dieser ist im Hochvolt-Batteriepaket gespeichert. Es hat sich eingebürgert, dass die Hersteller die Kapazität in Kilowattstunden angeben. Der Akku eines E-Autos besteht aus mehreren Akkuzellen, die zusammengeschaltet und in einem Paket zusammengebaut sind.
• Inverter (oder auch Wechselrichter genannt): Er ist quasi das Gehirn eines Elektrofahrzeugs. Hierbei wird der ankommende Strom umgerichtet, damit der E-Motor damit arbeiten kann. Denn im Fahrzeug selbst kann die Hochvolt-Batterie nur mit Gleichstrom (DC) betrieben werden.

Generell besteht jeder Elektromotor aus einem feststehenden, magnetischen Teil – dem Stator – und dem darin eingebauten Rotor (oder auch Läufer genannt). Der Rotor besteht aus der Achse, dem Anker (Eisenkern mit darum gewickelten Spulen) und gegebenenfalls einer Erregerspule. Es sind entweder sowohl im Stator als auch im Rotor Spulen vorhanden, oder aber nur in einem von beiden, wobei dann der andere Teil von einem Permanentmagnet erregt wird. Jede Spule erzeugt ein Magnetfeld, dessen Ausrichtung (Nordpol/Südpol) abhängig von der Stromrichtung ist. Fließt der Strom in entgegengesetzter Richtung durch die Spule, so wird auch das Magnetfeld umgedreht. Durch mehrfaches, passendes Umpolen der Spulen während eines Umlaufs wird eine kontinuierliche Drehung des Rotors erreicht.

In Elektrofahrzeugen werden zwei verschiedene Arten von E-Motoren verbaut, die ich Euch im Folgenden näher vorstelle.

• Asynchronmotor oder Induktionsmotor genannt. Hierbei hechelt der Rotor immer dem Feld des Stators hinterher, um so den Wagen vorwärts zu bringen. Im nachfolgenden Video ist die Funktionsweise näher erklärt.

• Synchronmotor mit Gleichstrom. Hierbei bewegt sich der Läufer synchron zum Drehfeld des Stators. So ist die Drehzahl des Magnetfelds identisch mit der Drehzahl des Rotors. Im Gegensatz zum asynchronen Motor ist die Drehzahl und die Winkellage starr an die Betriebsfrequenz gekoppelt. Das bedeutet, dass man eine konstante Drehzahl bekommt. Auch hierzu ein Video mit der grundlegenden Funktionsweise.

Asynchronmotoren sind die am häufigsten vorkommenden E-Motoren. Der Vorteil ist, dass sie selbständig lauffähig sind und keinerlei Verschleißteile oder Permanentmagnete (die aus Metallen der seltenen Erden hergestellt werden) benötigen. Allerdings sind die Synchronmotoren effizienter (der Wirkungsgrad liegt zwischen 95 und 98%) als ein einzelner Asynchronmotor. Dafür benötigen die Synchronmotoren immer entweder eine Fremderregung – wozu u.a. Kohlebürsten verbaut sind – oder einen Permanentmagneten. Trotz dieser aufwändigeren Bauweise werden in vielen E-Automobilen Synchronmotoren verbaut. Es sind aktuell folgende Verfahren zur Erregung auf dem Markt erhältlich:

• Fremderregung: Hierbei muss eine Erregerspule das notwendige Magnetfeld erzeugen, damit sich der Rotor dreht. Dazu sind Kohlebürsten verbaut, die die Erregerspannung an die Spule übertragen. Die Bürsten sind die einzigen Verschleißteile im E-Motor. Je nach Konstruktion halten die Kohlebürsten eine bestimmte Kilometerlaufleistung. Derzeit wird u.a. im Renault Zoe ein fremderregter Synchronmotor (kurz: FSM) verbaut.
• Permanenterregung: Dabei wird ein Dauermagnet (oder Permanentmagnet) aus einem Metall der seltenen Erden verbaut. Die Gewinnung eines solchen Metalls ist relativ mühsam, da diese oft nur in kleinen Mengen und gebunden in anderen Mineralien vorkommen. Prinzipiell sind diese Metalle aber verhältnismäßig oft auf der Erdkruste anzutreffen, im Vergleich zu Gold beispielsweise. Durch den Permanentmagneten wird auf den Einbau von Kohlebürsten verzichtet, somit sind keine Verschleißteile im Motor verbaut. Aktuell nutzt Hyundai einen permanenterregten Synchronmotor (kurz: PSM).
• Permanenterregung und Reluktanzkraft: Neben dem verbauten Permanentmagneten wird die Richtung des Magnetfelds nicht durch die Lorentzkraft, sondern durch die Reluktanzkraft verändert. Dabei wird der magnetische Widerstand verändert, die sogenannte Reluktanzkraft wirkt (für eine nähere Erklärung dazu bitte hier entlang). Auch hierbei sind wieder keine Verschleißteile verbaut, aber es muss eine Regeleinheit verbaut sein, um den magnetischen Widerstand anzupassen. Momentan setzen sowohl Tesla beim Model 3 als auch BMW bei seinen Elektromodellen auf diese Art.

In Sachen Getriebe vertrauen die meisten E-Autohersteller auf ein kostengünstiges 1-Gang-Reduktionsgetriebe, oder auch Untersetzungsgetriebe genannt. Dabei gibt es nur eine Übersetzung, die die Räder entweder nach vorne fahren lässt oder eben rückwärts. Auf Getriebeöl wird verzichtet. Um dennoch dem Fahrer die Möglichkeit zu geben, wahlweise mit voller Leistung oder möglichst stromsparend zu fahren, werden via Motor-Software verschiedene Fahrprogramme programmiert. Diese kann der Fahrzeuglenker dann via Knopfdruck im Cockpit auswählen. Alternativ könnte man auch auf ein mehrstufiges Getriebe setzen, um mittels unterschiedlicher Übersetzung den E-Antrieb sportlich oder effizient auszulegen. Allerdings sind diese Getriebe deutlich teurer und benötigen mehr Bauraum im Fahrzeug. Nicht zu vergessen sind die Verluste, die bei einem mehrstufigen Getriebe auftreten. So kann der Wirkungsgrad bei einem 1-Gang-Getriebe höher sein, da die Kraft direkt an die Antriebsachse geleitet wird.

Soweit ein kleiner Blick hinter den Antrieb eines E-Fahrzeugs. In Teil zwei werde ich näher auf das Laden und die Nebenaggregate eingehen.

Wer noch mehr zum Thema E-Antrieb wissen will, hier ein paar weiterführende Links:

Burkert, Andreas: Der ideale Elektromotor für die Elektromobilität.
Gloor, Rolf: Antriebsvergleich.
Engelmann, Dieter: Metallrohstoffe.
Milan, Dr. Christian: Kapitel 4. Getriebe.
Schäfer, Dr. Heinz: Magnetlose elektrische Maschinen, gekennzeichnet durch eine hohe Materialverfügbarkeit und deshalb prädestiniert für den breitflächigen Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen.
TT-Motor: Untersetzungsgetriebe.
Wikipedia: Elektromotor.
Wikipedia: Metalle der Seltenen Erden.
Wikipedia: Synchronmaschine.

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Über den Autor

Claus Ludewig

Ich bin mit Windows 98 aufgewachsen und habe seitdem jede Windows- und Office-Version genutzt. Zum Entspannen dient die Xbox. Neben der engen Verbundenheit zu Microsoft-Produkten, schaue ich auch gerne mal über den Tellerrand hinaus in die weite Welt. Ich interessiere mich für alles, was vier Räder hat. In diesem Sinne nehme ich Euch gerne zu einer Spritztour mit.