2. Technische Grundlagen des Elektroautos

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Martin Heintze
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1 2. Technische Grundlagen des Elektroautos Das Elektroauto zählt neben Eisenbahn, E-Bikes, Elektro-Scooter, Oberleitungsbussen und weiteren durch elektrische Energie angetriebenen Fahrzeugen zu den Elektrofahrzeugen. 9 Der Aufbau eines Elektroautos lässt sich wie bei einem konventionellen Auto mit Verbrennungsmotor grob in Karosserie, Fahrwerk, Antrieb, Energiespeicher (Brennstofftank vs. Hochvoltbatterie) und Elektrik gliedern. Beim Vergleich der einzelnen Komponenten beider Fahrzeugtypen zeigen sich Unterschiede beim Antrieb, der Energiespeicher und im geringeren Umfang bei der Bordelektrik. Der Aufbau eines reinen Elektroautos ist in Abbildung 1 dargestellt. CCS-Ladedose für Wechselstrom (AC, 2,3 kw), Drehstrom (AC 3,6kW) bzw. Gleichstrom (DC, 40kW) Batteriesystem BMS (Li-Ionen) mit Batteriemanagement Klimagerät Elektromotor Hochvoltkabel (orange ummantelt) Leistungselektronik mit u.a. - 12V Bordnetz - Gleich-& Wechselrichter Abbildung 1: Aufbau des Elektroautos Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an Volkswagen (2013 b) Energiespeicher: Während das konventionelle Auto durch Kraftstoff betrieben wird, fährt das Elektroauto mit elektrischer Energie aus einer Hochvoltbatterie. Diese ist in der Regel ein mehrzelliges Lithium-Ionen-Batteriesystem. Die Lithium-Ionen- Batterie erfüllt momentan am besten die Anforderung, eine große elektrische Leistung über einen langen 9 Vgl. Schoblick (2013), S. 11 ff.

Hochvoltbatterie) und Elektrik gliedern.

2 Zeitraum zu liefern 10 Diese elektrische Leistung reicht dennoch nur für geringe Reichweiten aus. Als Beispiel kann man die technischen Daten des VW e-up aus Abbildung 2 heranziehen. Seine Energiedichte in der Batterie beträgt 81 Wh/kg, er erreicht damit eine Reichweite von 160 km und eine minimale Lebensdauer lt. VW von 8 Jahren. Lithium-Ionen-Batterie des VW e-up Lithium-Ionen-Zellen (Kathodenmaterial ist Lithium- Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC) ) Anzahl der Zellen 204 (17x12er) Gewicht 230kg Nennspannung 374 V Nennenergie 18,7 kwh Energiedichte 81 Wh/kg Lebenserwartung ca. 8 Jahre Reduzierte Batterieleistung: -40 C bis 0 C, 50 C bis 55 C Abbildung 2: Technische Daten der Lithium-Ionen-Batterie lt. Volkswagen Quelle: Eigene Abbildung in Anlehnung an Metropolregion (2013), S. 7; Das Batteriesystem wird von einem Batteriemanagement überwacht, gesteuert und bei Bedarf klimatisiert. 11 Die Lithium-Ionen-Batterie des Elektroautos ist in der Regel mittig im Fahrzeugboden platziert. Ein Grund dafür ist, dass das Gewicht und somit der Fahrzeugschwerpunkt in der Fahrzeugmitte liegt und das Auto folglich eine bessere Straßenlage hat. Zudem ist der Energiespeicher dort im Falle eines Unfalls besser geschützt. 12 Antrieb: Der Antrieb der beiden Fahrzeugkategorien unterscheidet sich in einen Verbrennungs- und Elektromotor, wobei der Elektromotor generell energieeffizienter als der Verbrennungsmotor arbeitet. Nach Schoblick (2013) geht während des Verbrennungsprozesses von Kraftstoff im Verbrennungsmotor, mit der Einschränkung der Verwendung als Heizwärme im Winter, ca. 75% der Energie als Abwärme ungenutzt verloren. 13 Beim Elektromotor kommt es nicht mehr zu diesen Energieverlusten durch Abwärme, da die 10 Vgl. Schoblick (2013), S Vgl. Schoblick (2013), S Vgl. Schoblick (2013), S Vgl. Schoblick (2013), S.30

Lithium-Ionen-Batterie des VW e-up Lithium-Ionen-Zellen (Kathodenmaterial ist Lithium- Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC) ) Anzahl der Zellen 204 (17x12er) Gewicht 230kg Nennspannung 374 V Nennenergie

3 Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie effizienter verläuft. 14 Ein weiterer Vorteil ist, dass das Elektroauto größtenteils ohne Getriebe wie bspw. dem wartungsbedürftigen Schaltgetriebe mit seinen vielen mechanischen Teilen auskommt. 15 Statt des Getriebes, besitzt das Elektroauto eine komplexe Leistungs-, Steuerungs- und Regelungselektronik. Wie das konventionelle Auto verfügt das Elektroauto über eine mechanische Bremsanlage, sowie über eine elektrische Motorbremse, bei der über eine Schaltkonsole die Bremsintensität (Stärke der Verzögerung) bestimmt werden kann. Bei diesem energieeffizienten Verfahren, Rekuperation genannt, wird zusätzliche Energie für den Antrieb bzw. die Nebenverbraucher aus der freigewordenen Bremsenergie gewonnen. 16 Die verschiedenen Rekuperationsstufen sind mit ihren Verzögerungen in Abbildung 3 dargestellt. Abbildung 3: Die Rekuperationsstufen Quelle: Metropolregion (2013), S.14 Elektrik: Sowohl das konventionelle als auch das Elektroauto besitzen in der Regel eine 12V-Batterie (Bleiakku), welches dazu dient das elektrische Bordnetz mit seinen Nebenverbrauchern wie Beleuchtung, Lüftung, Scheibenwischer, Radio und Regelungs-/ Steue- 14 Vgl. Schoblick (2013), S Vgl. Schoblick (2013), S Vgl. Schoblick (2013), S.52

Wie das konventionelle Auto verfügt das Elektroauto über eine mechanische Bremsanlage, sowie über eine elektrische Motorbremse, bei der über eine Schaltkonsole die Bremsintensität (Stärke der

4 rungselektronik, elektrische Fensterheber und Türverriegelung zu versorgen. Das Elektroauto ist zusätzlich mit einer rein elektrischen Heizung und einem Bordcomputer ausgestattet. 17 Der Anlasser fällt beim Elektroauto weg. Die Ladeverfahren: Die Fähigkeit des Elektroautos sich zu Bewegen beginnt mit dem Laden des Autos an einem Ladesystem. Derzeit gibt es drei gängige und in der EU standardisierte Formen der Lademöglichkeiten: 1.) 230 V Wechselstrom (1-Phasen-Wechselstrom) Ein Standardladeverfahren ist, mit Wechselstrom (AC) an jeder üblichen Haushaltssteckdose mit einer Ladeleistung von 2,3 kw zu laden. Bei diesem Ladevorgang dauert es ca. 9 Stunden, bis die Batterie vollständig geladen ist. Der Grund hierfür ist, dass der aus der Haushaltssteckdose kommende 1-Phasen-Wechselstrom (AC) über einen sogenannten Gleichrichter in Gleichstrom (DC) umgewandelt werden muss, da die Batterie die Energie nur in dieser Form speichern kann ) 380 V Wechselstrom (Drehstrom bzw. 3-Phasen-Wechselstrom) Eine weitere und häufig genutzte Möglichkeit ist die Ladung von Drehstrom (3-Phasen- Wechselstrom) über eine sogenannte Wallbox. Hier wird eine Ladeleistung von 3,6 kw innerhalb eines Vollladezyklus von 6 Stunden erreicht ) Gleichstrom Als Drittes kann Gleichstrom (DC) an einer Schnellladestation mit einer Ladeleistung von bis zu 50 kw geladen werden. Dieser Ladevorgang dauert nur ca. 30 Minuten, da der geladene Strom als Gleichstrom (DC) direkt in die Batterie eingespeist und gespeichert werden kann. Die Batterie wird jedoch nur bis zu einem Füllstand von 80% geladen, um diese durch die Hochstromladung nicht zu überlasten. 20 Wird das vollgeladene Auto gestartet, wird die als Gleichstrom gespeicherte Energie aus der Batterie über einen Wechselrichter je nach Art des Elektromotors in Drehstrom (3- Phasen-Wechslestrom) umgewandelt. Der Motor wandelt die elektrische Energie schließlich in Bewegungsenergie um, welche über ein kleines Differentialgetriebe direkt auf die 17 Vgl. Schoblick (2013), S Vgl. Volkswagen( 2013 c), S.4 19 Vgl. Volkswagen (2013 c), S.4 20 Vgl. Volkswagen (2013 c), S.4

Derzeit gibt es drei gängige und in der EU standardisierte Formen der Lademöglichkeiten: 1.

5 Räder übertragen und das Fahrzeug beschleunigt wird. Die Abbildung 4 stellt die Komponenten dar, die beim Laden der Batterie genutzt werden. Abbildung 4: Funktionsschaubild der elektrischen Komponenten im Elektroauto Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an e-mobil BW GmbH (2011), S. 24

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