E-Mobilität: Antriebstechniken

Zusammenfassung

Überblick

Für E-Pkw stehen verschiedene Antriebssysteme zur Verfügung, die in diesem Beitrag mit ihren jeweiligen technischen Merkmalen und Vorteilen vorgestellt werden. Außerdem werden die Gesamtkosten von E-Fahrzeugen und PKW mit konventionellem Antrieb gegenübergestellt.

1 Antriebstechniken Pkw

Das Herz des Elektroautos ist der Elektromotor. Er wurde bereits 1837/38 patentiert und seitdem in zahlreichen Anwendungen in der Industrie, im Handwerk und bei der Fortbewegung (Eisenbahn, Straßenbahn, Trolley-Bus etc.) als energieeffiziente, zuverlässige und verschleißarme Antriebsmaschine eingesetzt. Vom Start weg steht bei einem Elektromotor das volle Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich nahezu geräuschlos und vibrationsfrei zur Verfügung. Deshalb reicht für die meisten Anwendungen ein Getriebe mit fester Übersetzung aus. Physikalisch betrachtet arbeitet ein Elektromotor mit einem Wirkungsgrad von über 90 % und hat nur wenige Verluste in Form von Wärme oder Reibung.

Sein großer Nachteil gegenüber dem Verbrennungsmotor beim Einsatz in Kraftfahrzeugen war aber über Jahrzehnte hinweg die Energiespeicherung, um eine akzeptable Reichweite zu erzielen. Die Popularität und Nutzbarkeit des E-Automobils ist daher eng mit der Entwicklung der Batterie bzw. des Akkus und der Speicherkapazitäten verbunden. Erst in den letzten Jahren konnten Leistungsdichte, Energiedichte und Lebensdauer der Batterie sukzessiv verbessert werden.

Die neueste und mittlerweile gängigste Batterietechnologie ist die erstmals von Sony 1991 auf den Markt gebrachte Lithium-Ionen-Batterie. Sie wird aufgrund ihrer hohen Energiedichte bei geringem Gewicht auch in den meisten Elektroautos als Ersatz für die eher schweren Bleisäurebatterien eingesetzt. Die Lithium-Ionen-Batterie zeichnet sich außerdem durch hohe Zyklenfestigkeit (Ladung/Entladung) aus.

2 Das Batterie-E-Fahrzeug

Der Marktanteil von reinen E-Fahrzeugen, auch Battery Electric Vehicle (BEV) genannt, lag bei den Neuzulassungen 2023 bei knapp 17,7 %. Sie wurden damit – auch dank der 2023 noch gezahlten Kaufprämien – stärker nachgefragt als Hybrid-Fahrzeuge (Plug-in-Hybride und Range Extender) mit 13,7 %. Die reinen E-Fahrzeuge verfügen über die Fähigkeit zur Rekuperation, d. h., sie gewinnen über einen Generator beim Ausrollen oder beim Bremsen Energie zurück. So erhöht sich die Reichweite und der Betrieb ist besonders wirtschaftlich.

Die Bundesregierung strich 2023 zunächst die Kaufprämie für gewerbliche Elektroautos und im Herbst überraschend auch die für private. Die Nachfrage brach daraufhin zu Jahresbeginn 2024 ein. Wurden im August 2023 noch knapp 90.000 BEV-PKW neu zugelassen, waren es im Januar 2024 nicht einmal mehr 20.000. In den Folgemonaten stieg die Nachfrage wieder leicht an. Im März 2024 kamen rund 31.400 neue Pkw mit batterieelektrischem Antrieb (BEV) auf die Straße, wie das Kraftfahrt-Bundesamt (KBA) meldet. Das waren aber fast 29 % weniger als im März des Vorjahres. Über das Jahr 2023 hinweg lag der Durchschnitt bei 1.433 Zulassungen von E-Fahrzeugen pro Tag. Für das Ziel der Bundesregierung von 15 Millionen E-Autos bis 2030 ist das zu wenig.

3 Das Batterie-E-Fahrzeug mit Range Extender

Als Range Extender werden zusätzliche Aggregate in einem E-Automobil bezeichnet, die die Reichweite des Fahrzeugs erhöhen (Range Extended Electric Vehicle – REEV). Die am häufigsten eingesetzten Range Extender sind Verbrennungsmotoren, die einen Generator antreiben, der wiederum Akku und Elektromotor mit Strom versorgt. REEV zählen damit zu den Hybrid-Fahrzeugen.

Während ein Plug-in-Hybrid-Pkw vom Verbrennungs- oder vom Elektromotor angetrieben werden kann, dient der Verbrennungsmotor im Range Extender einzig dazu, Strom für die Batterie zu generieren, wenn diese einen niedrigen Ladestand aufweist. Dadurch erhöht sich die Reichweite des Elektrofahrzeugs.

Fahrten mit elektrischem Antrieb sind mit einem Range Extender verbrauchsgünstig. Der REEV fährt so lange rein elektrisch, bis der Generator anspringt, weil die Batterie wieder aufgeladen werden muss. Der Verbrenner in einem Range Extender ist kleiner, wodurch sich Gewicht und infolgedessen auch Akkukapazität einsparen lassen. Allerdings werden hauptsächlich Verbrennungsmotoren eingebaut, die zwar einfach und kostengünstig sind, aber einen hohen Verbrauch aufweisen, weil sie ja lediglich bei längeren Strecken zur Reichweitenverlängerung genutzt werden. Ein weiterer Nachteil von REEV ist, dass das Angebot auf dem Markt bisher sehr begrenzt ist.

4 Das Hybridfahrzeug

Hybride Fahrzeuge gibt es in mehreren Abstufungen, vom Mild-Hybrid bis zum Voll-Hybrid. Sie unterscheiden sich vor allem dadurch, wie der elektrische und der Verbrennungsmotor zusammenarbeiten. Auch Reichweiten und Verbrauchswerte sind sehr unterschiedlich.

Das Mild-Hybrid-Fahrzeug

Bei einem Pkw mit Mild-Hybrid-Antrieb unterstützt ein Elektromotor den Verbrennungsmotor. Ein rein elektrisches Fahren ist hier nicht möglich. Das Auto speichert primär beim Rollen und Bremsen Strom – in einer vergleichsweise kleinen Batterie. Sie wird in aller Regel nur als Unterstützung für den Ottomotor zugeschaltet, z...