Elektroantrieb erklärt: Aufbau, Funktion und Vorteile

Entdecke die Welt der Elektroantriebe! Hier erfährst du, wie Elektromotoren funktionieren und wie sie Autos antreiben. Diese Technologie verändert die Autoindustrie und gilt als zukunftsweisend. Wir zeigen, wie Elektroantriebe im Auto funktionieren, welche Vorteile sie bieten und aus welchen Komponenten ein elektrischer Antrieb besteht.

Die Entstehung elektrischer Antriebe

Die Geschichte des Elektroantriebs beginnt bereits im 19. Jahrhundert. Anfang der 1820er-Jahre bauten Ingenieure den ersten Elektromotor. Sein Aufbau bildet bis heute das Grundprinzip von Elektroantrieben. Etwa 60 Jahre später waren Elektroautos in Betrieb, deren Batterie eine elektrische Reichweite von 100 Kilometern ermöglichte.

Mit den ersten Elektroautos war eine Geschwindigkeit von bis zu 100 Kilometern pro Stunde möglich. Danach blieb der E-Antrieb jedoch auf der Strecke und wurde durch den Verbrennungsmotor verdrängt. Autos mit elektrischen Antrieben blieben in der Nische hängen.

Erst in den vergangenen Jahrzehnten rückte der Elektroantrieb wieder in den Fokus zurück. Der Wandel hin zur Elektromobilität hält bis heute an und gilt als Trend für die Zukunft. Aktuelle Daten zeigen, dass die Zahl der neu zugelassenen Elektroautos jährlich steigt. Moderne Autos mit einem elektrischen Antrieb weisen im Vergleich zu den ersten elektrischen Fahrzeugen viele Verbesserungen auf. Inzwischen erreichen Autos mit E-Antrieb eine Reichweite von mehreren hundert Kilometern.

Was ist ein Elektroantrieb?

Ein Elektroantrieb ist ein System, das elektrische Energie in mechanische Bewegung umwandelt. Dieses Verfahren kommt vorwiegend in Elektrofahrzeugen zur Anwendung. Dabei treibt ein Elektromotor die Räder an. Der Prozess ist effizient und umweltfreundlich.

Kraftfahrzeuge mit Elektroantrieb sind Fahrzeuge, die sich allein durch elektrische Energie und ohne Kraftstoffe fortbewegen. Im Elektromobilitätsgesetz (EmoG) erhalten sie auch die Bezeichnung als „batterieelektrische Fahrzeuge“. Sie lassen sich über eine externe Stromquelle (Ladestation) aufladen und wandeln darüber hinaus überschüssige Bremsenergie durch Rekuperation in Strom um.

Der Elektromotor in diesen Fahrzeugen folgt bestimmten grundlegenden Prinzipien. In Deutschland gibt es derzeit laut ADAC etwa 260 batterieelektrische Fahrzeugmodelle von verschiedenen Herstellern. Auch Toyota nutzt den Elektromotor in vielen Modellen und bietet Elektromobilität für verschiedene Kundenbedürfnisse.

Energieverbrauch Proace City Verso Electric, L1 5-türig Team Deutschland, 50 kWh Batteriekapazität, Elektroantrieb, 100 kW (136 PS), stufenlose Automatik kombiniert: 18,4 kWh/100 km, CO2-Emissionen: 0 g/km, CO2-Klasse: A, elektrische Reichweite (EAER): 339 km und elektrische Reichweite (EAER City): 456 km.* Energieverbrauch Proace Verso Electric, L1 5-türig Team Deutschland, 75 kWh Batteriekapazität, Elektroantrieb, 100 kW (136 PS), stufenlose Automatik:  kombiniert: 24,4 kWh/100 km, CO2-Emissionen: 0 g/km, CO2-Klasse: A, elektrische Reichweite (EAER): 343 km und elektrische Reichweite (EAER City): 450 km.*

Aufbau eines elektrischen Antriebs im E-Auto

Elektroantriebe weisen einen typischen Aufbau auf. Der Antrieb besteht aus einer Batterie, die als Energiespeicher dient. Zudem ist eine Leistungselektronik vorhanden, die als zentrale Steuereinheit des Antriebs fungiert. Eine weitere Komponente ist der Generator im Motor, der die Räder und damit das Fahrzeug in Bewegung versetzt.

Batterie: Der Akku gilt als wichtigstes Element des Elektroantriebs. Er ist das Gegenstück zum Tank in einem Verbrennungsmotor. Die Batterie speichert in ihren Zellen elektrische Energie, die aus externen Stromquellen stammt. Das kann eine private Wallbox oder eine öffentliche Ladesäule sein. Zusätzliche Energie erhält die Batterie auch durch regeneratives Bremsen. Der Akku besitzt eine Temperatursteuerung, um ein Überhitzen zu verhindern.

Leistungselektronik: Sie ist das Herzstück zum Steuern des elektrischen Antriebs. Die Leistungselektronik übernimmt die Aufgabe, die passende Stromart bereitzustellen, die ein Elektroantrieb benötigt. Diese Versorgung erfolgt durch das Umwandeln von Strom. Zwei dieser Verfahren lassen sich in einem Elektromotor identifizieren: Wallboxen oder Ladesäulen stellen Wechselstrom zur Verfügung, während die Batterie die Energie als Gleichstrom speichert. Außerdem wandelt die Leistungselektronik im elektrischen Antrieb den Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom zurück, mit dem der Motor arbeitet. Darüber hinaus erfolgt auch die Versorgung der Bordelektronik, die auf einem 12 Volt-Netz basiert, über die Leistungselektronik.

Motorgenerator: Der Elektromotor treibt die Räder an, sodass ein elektrisches Fahrzeug in Bewegung kommt. Der Generator nutzt dafür den Wechselstrom, der von der Batterie über die Leistungselektronik in den Motor läuft.

Wirkungsweise des E-Antriebs beim Elektroauto

Der Elektromotor oder Elektroantrieb verfügt über einen sehr hohen Wirkungsgrad. Die elektrische Energie wird zu einem großen Anteil (etwa zwischen 80 und 90 Prozent) direkt in Bewegungsenergie transformiert. Der Grund: Im Motorgenerator findet nur eine geringe Reibung statt. Die Bauteile Rotor und Stator haben keine direkte physische Verbindung, sondern wirken aufgrund von Magnetfeldern miteinander. Konventionelle Antriebe auf Basis von Kraftstoffen weisen eher viel Reibung auf, sodass Wärme entsteht. Diese kann jedoch nicht als Bewegungsenergie genutzt werden. In Elektroantrieben steigert dagegen das Prinzip der Rekuperation die Effizienz des Motors. Es erfolgt eine mehrfache Verwendung von Energie.

Doch wie funktioniert der Elektroantrieb konkret? Wenn du das Gaspedal drückst, fließt mehr Strom von der Batterie zum Motor. Dadurch dreht sich der Motor schneller und das E-Auto beschleunigt. Der Motor nutzt Magnete und Spulen, um diese Bewegung zu erzeugen. Durch das Zusammenspiel dieser Teile bewegt sich das elektrische Fahrzeug vorwärts oder rückwärts. Anders als bei Benzinmotoren gibt es keine Abgase. Das macht Fahrzeuge mit Elektroantrieb umweltfreundlicher.

Energieverbrauch Proace City Electric, L1 verblecht 4-türig Comfort, 50 kWh Batteriekapazität, Elektroantrieb, 100 kW (136 PS), stufenlose Automatik, kombiniert: 18,6 kWh/100 km, CO2-Emissionen: 0 g/km, CO2-Klasse: A, elektrische Reichweite (EAER): 336 km und elektrische Reichweite (EAER City): 457 km.*

Arten von Elektroantrieben: Synchronmotor und Asynchronmotor

Elektroantriebe lassen sich in zwei Haupttypen unterteilen: Synchronmotoren und Asynchronmotoren. Beide spielen eine wichtige Rolle in der Elektromobilität.

• Synchronmotoren sind für ihre hohe Effizienz bekannt. Sie wirken, indem der Rotor (drehender Teil) sich synchron mit dem Magnetfeld dreht. Dieses Feld wird durch den Strom im Stator (feststehender Teil) erzeugt. Ein entscheidender Vorteil ist ihre Fähigkeit, bei verschiedenen Geschwindigkeiten effizient zu bleiben. Synchronmotoren eignen sich daher ideal für Anwendungen, die Präzision und eine konstante Drehzahl erfordern. Sie werden aus diesem Grund häufig in Elektroautos eingesetzt, da sie eine bessere Energieausnutzung ermöglichen.
• Asynchronmotoren, auch bekannt als Induktionsmotoren, weisen eher einen einfachen Aufbau auf. Hier dreht sich der Rotor nicht im exakten Gleichklang mit dem Magnetfeld. Stattdessen wird durch das rotierende Feld im Stator ein Strom im Rotor induziert, der den Motor antreibt. Ihre einfache Konstruktion macht Asynchronmotoren robust und wartungsarm. Allerdings sind sie weniger effizient, besonders bei niedrigeren Drehzahlen. Asynchrone Motoren kommen oft in industriellen Anwendungen zum Einsatz, wo Robustheit und einfache Wartung wichtiger sind als höchste Effizienz.

Vorteile von Elektroantrieben

• CO₂-Ausstoß: Der Elektromotor erzeugt lokal keinen CO₂-Ausstoß und ist damit erheblich klimafreundlicher als ein Verbrennungsmotor. Voraussetzung dafür ist jedoch das saubere Herstellen der benötigten Energie, beispielsweise aus erneuerbaren Energien. Andernfalls verschlechtern konventionelle Kraftwerke die Klimabilanz von Elektroautos, die trotzdem umweltverträglicher als Verbrenner sind.
• Wirkungsgrad und Leistung: E-Motoren haben aufgrund geringer Abwärme einen hohen Wirkungsgrad von 80 bis 90 Prozent. Sie gewährleisten eine hohe Beschleunigung direkt beim Losfahren, weil der Motor sofort die volle Leistung abgibt und die Räder antreibt.
• Geräuschentwicklung: Der Elektroantrieb ist deutlich leiser als ein entsprechender Verbrennungsmotor und macht sich beim Fahren kaum bemerkbar. Allerdings existiert seit 2019 die Regelung, dass bis zu einer Geschwindigkeit von 20 Kilometern pro Stunde ein Generator passende Fahrgeräusche erzeugt, damit Fußgänger die E-Autos wahrnehmen.
• Subvention für E-Autos: Menschen, die ein Auto mit Elektroantrieb kaufen, erhalten abhängig von Herstellern teilweise Förderungen und Zuschüsse. Auch regionale Vorteile sind möglich, wenn die Fahrzeuge ein E-Kennzeichen besitzen. Mit der THG-Prämie steht ein weiteres Mittel zur Verfügung, von dem Menschen profitieren, die auf ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug setzen.

Nachteile von Elektroantrieben

• Reichweite und Ladezeit: Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren ist die elektrische Reichweite bei Elektroantrieben bislang geringer und das Aufladen dauert länger als ein Tankvorgang. Allerdings erreichen viele E-Modelle bereits abhängig von der Kapazität der Batterie sowie der Fahrweise eine Reichweite von mehreren hundert Kilometern (etwa 400 bis 500 Kilometer). Ähnlich verhält es sich bei der Zeit für das Laden eines Elektroautos. An Wallboxen oder einer öffentlichen Schnell-Ladesäule ist es möglich, ein E-Auto in wenigen Stunden zu laden oder in weniger als einer Stunde teilweise zu laden. Die fortschreitende Entwicklung macht es absehbar möglich, dass sich die Reichweiten und Ladezeiten in Zukunft erheblich verbessern.
• Herstellung der Batterien/Permanentmagnete: Ein Problem bei der Herstellung von Bestandteilen eines Elektroantriebs ist die Belastung für die Umwelt. Batterien beinhalten vorwiegend Lithium als Rohstoff, dessen Abbau und Aufbereitung einen relevanten Einfluss auf die Umwelt nimmt. Die Permanentmagnete im synchronen Elektromotor nutzen seltene Erden und reduzieren die Kennzahlen in der Umweltbilanz. Doch auch in diesem Segment der Elektromobilität forschen und entwickeln Unternehmen daran, die Bestandteile eines Elektroantriebs für den Einklang mit der Natur zu optimieren.
• Anschaffungspreis: Im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor sind Elektrofahrzeuge derzeit etwas teurer. In den nächsten Jahren ist jedoch damit zu rechnen, dass sich durch bessere Produktionsmöglichkeiten auch die Kaufpreise für Elektroautos positiv entwickeln.

Toyota-Modelle mit elektrischen Antrieben

Toyota gilt als Pionier in der Entwicklung von Antrieben mit elektrischem Motor. Neben zahlreichen Hybridmodellen, die ebenfalls einen Elektroantrieb aufweisen, steigt das Angebot an verschiedenen Fahrzeugen in unterschiedlichen Fahrzeugklassen. Entdecke unsere Vielfalt an vollelektrischen Autos und finde dein passendes Modell, das zu deinen Wünschen und Anforderungen passt.

 

* Die Werte für die elektrische Reichweite und den Stromverbrauch Ihres Fahrzeugs können von den gemessenen oder berechneten Werten abweichen, da das Fahrverhalten sowie andere Faktoren (wie Außentemperatur, Einsatz von Komfort-/Nebenverbrauchern, Straßenverhältnisse, Verkehr, Fahrzeugzustand, Reifendruck, Zuladung, Anzahl der Mitfahrer usw.) einen Einfluss auf die elektrische Reichweite und den Stromverbrauch haben.