Elektromobilität

Elektromotor: So funktioniert der Antrieb beim Elektroauto

von Hannes Rügheimer

Ein Elektroauto, das an eine öffentliche Ladestation angeschlossen ist.
Die steigenden Absatzzahlen zeigen: Immer mehr Elektroautos sind hierzulande auf den Straßen unterwegs. Kein Wunder, schließlich bietet der Elektromotor viele Vorteile. Foto: Shutterstock / Matej Kastelic

Das erfahren Sie gleich:

  • Warum in Elektroautos überwiegend Drehstrommotoren genutzt werden
  • Warum der Elektromotor so hohe Beschleunigungswerte bietet
  • Warum beim Elektroantrieb Getriebe eigentlich unnötig sind – und trotzdem verbaut werden

In jedem Elektroauto oder Hybriden steckt mindestens einer: der Elektromotor. Seine Funktionsweise bietet viele Vorteile. aio erklärt, woran das liegt.

Elektroauto: Drehstrom ist sinnvoller

Der Elektromotor, der in Elektroautos und Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommt, ist aus technischer Sicht ein Drehstrommotor. Vielleicht erinnert sich mancher noch schemenhaft an den Physikunterricht in der Schule, wo die unterschiedlichen Funktionsprinzipien von Gleichstrom- und Wechselstrom- beziehungsweise Drehstrommotoren vorgestellt wurden.

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Die leicht vereinfachte Kurzfassung: Drei um jeweils 120 Grad in ihrer Phasenlage verschobene Wechselspannungen wirken so auf den mit Permanentmagneten bestückten Rotor, dass dieser jeweils um eine Drittelumdrehung weitergedreht wird.

Der konstruktive Vorteil gegenüber Gleichstrommotoren liegt darin, dass keine Schleifkontakte benötigt werden. Das wiederum wirkt sich günstig auf Verschleiß und Wartungsbedarf aus. Ein sogenannter Umrichter wandelt den aus dem Akku gelieferten Gleichstrom in Wechselstrom um.

Wenn das Fahrzeug rekuperiert, also im Schubbetrieb oder durch leichtes Bremsen wieder Energie zurückgewinnt, wird der Elektromotor zum Generator. Der Umrichter wandelt dann den Wechselstrom zurück in Gleichstrom zum Wiederaufladen des Akkus.

Die Beschleunigung beim Elektroantrieb

Eines der größten Vorteil des Elektroautos ist seine beeindruckende Beschleunigung. Selbst bei vergleichsweise geringen Leistungszahlen (typische Elektromotoren kommen auf 50 bis 100 Kilowatt beziehungsweise 68 bis 136 PS) kann das Fahrerlebnis mit wesentlich leistungsstärkeren Benzin- oder Dieselaggregaten mithalten: Von null auf hundert in unter 5 Sekunden zu beschleunigen, ist mit vielen Elektroautos kein Problem. Die Gründe dafür liegen in der Leistungscharakteristik von Elektroantrieben.

Entscheidend für die erlebte Beschleunigung ist nämlich weniger die Leistung des Motors, sondern vielmehr das von ihm erzeugte Drehmoment – das Maß der auf die Antriebsräder übertragenen Kraft. Ein Verbrennermotor erreicht sein maximales Drehmoment erst bei einer bestimmten Drehzahl, beispielsweise 3000 U/min. Bei weiterer Drehzahlerhöhung fällt das Drehmoment dann auch schnell wieder ab.

Anders bei Elektromotoren: Hier liegt das höchste Drehmoment schon bei sehr geringer Drehzahl an – er beschleunigt mit voller Kraft quasi aus dem Stand. Zudem ist der sogenannte Wirkungsgrad von Elektromotoren wesentlich höher. Während Verbrennermotoren einen Großteil der ihnen zugeführten Energie in Wärme umwandeln, setzen Elektromotoren die Energie wesentlich effizienter in Bewegung um.

Einbaumöglichkeiten beim Elektromotor

Beim Einbau einer oder mehrerer Elektromotoren in ein Auto haben die Fahrzeugingenieure verschiedene Optionen. Im einfachsten Fall wirkt ein einziger Elektromotor auf eine Antriebsachse – je nach Auslegung des Fahrzeugs auf die Vorder- oder die Hinterachse.

Soll ein Allradantrieb realisiert werden, ist es am einfachsten, zwei Elektromotoren zu verbauen – je einen pro Achse. Dabei können die Motoren je nach gewünschter Fahrdynamik auch unterschiedlich ausgelegt sein. So setzen einige Autohersteller auf einen eher schwachen E-Motor an der Hinterachse, der dann lediglich als Hilfsantrieb zur Traktionsverbesserung ausgelegt ist.

Eine weitere Variante, die allerdings noch in der Minderzahl ist, sind sogenannte Radnabenmotoren. In diesem Fall steckt in jedem angetriebenen Rad je ein Elektromotor. Der Vorteil ist, dass die Antriebskraft unmittelbar auf die Räder übertragen wird.

Kopfzerbrechen bereiten den Autoingenieuren allerdings die hohen ungefederten Massen pro Rad. Sie erschweren eine komfortable Federung und eine auch in Grenzsituationen beherrschbare Fahrdynamik.

Doch manche Experten sehen das anders: „Bei hohem Tempo sind die schweren Räder sogar von Vorteil“, gibt etwa Hiroshi Shimizu in einem Interview mit dem Handelsblatt zu bedenken. Er lehrte als Professor für Elektroantriebe an der japanischen Keio-Universität, Toki, und entwickelt heute unter Beteiligung von 35 japanischen Firmen neue Konzepte für Elektrofahrzeuge.

Das Getriebe beim Elektroantrieb

Dank ihrer fast linearen Leistungsentfaltung benötigen Elektromotoren in Autos im Prinzip im Prinzip auch gar kein Schalt- oder Automatikgetriebe mehr. Eine einfache Umschaltung der Drehrichtung für Vorwärts- und Rückwärtsfahren würde schon genügen.

In der Praxis haben die meisten Elektroautos – und ohnehin alle Hybridmodelle – aber trotzdem noch ein Getriebe. Bei Hybridfahrzeugen liegt der Grund auf der Hand: Sie brauchen die Unter- und Übersetzungen ihrer Gänge für den zusätzlich verbauten Verbrennermotor. Hinzu kommt, dass Autofahrer das manuelle oder automatische Schalten einfach gewohnt sind.

Das Getriebe wird uns auch in Verbindung mit Elektrofahrzeugen erhalten bleiben.

Professor Ferit Küçükay, Institut für Fahrzeugtechnik

Professor Ferit Küçükay, Direktor des Braunschweiger Instituts für Fahrzeugtechnik, nannte auf dem Fachkongress CTI Symposium 2017 einen weiteren Grund: "Die jeweiligen Übersetzungen haben großen Einfluss auf die Effizienz der Antriebsmaschine.“

Auch E-Motoren haben nicht über das gesamte Drehzahlband den gleichen Wirkungsgrad. Deshalb sorgen Getriebe dafür, dass das Gesamtsystem seltener an ineffizienten Betriebspunkten arbeitet. Trotz des Mehrgewichts, das ein Schalt- oder Automatikgetriebe im Fahrzeug verursache, ergebe sich unter dem Strich eine positive Energiebilanz, so Prof. Küçükay.

Die Nachteile des Elektromotors

Bei allen genannten Vorteilen haben Elektromotoren allerdings auch Nachteile. Diese liegen allerdings weniger in ihrem Konstruktions- und Funktionsprinzip, sondern mehr in der Stromversorgung während der Fahrt – sprich: in der Akkutechnik.

Die Argumente, die typischerweise gegen Elektromobilität angeführt werden:

  • höheres Fahrzeuggewicht durch leistungsstarke Akkus
  • aufwendige und teure Akkutechnik
  • Nutzung begrenzter Rohstoffe wie seltene Erden
  • vergleichsweise geringe Reichweiten
  • lange Ladezeiten

Doch längst arbeiten die Ingenieure daran, diese Nachteile zu beseitigen – sei es durch neue Batterietechnologien oder den Einsatz von Brennstoffzellen.

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