Elektromotoren im Auto

E-Mobilität boomt. Im Jahr 2020 sind die Verkaufszahlen von Elektroautos rasant gestiegen. Vor allem die Erhöhung des Umweltbonus im Zuge der Corona-Krise treibt die Kauflust der Kunden zusätzlich an. Alleine im September wurden in Deutschland insgesamt über 21.000 E-Autos zugelassen. Was aber genau zeichnet den E-Motor und die Batterien überhaupt aus? Gibt es verschiedene E-Motoren? Wie sieht es mit der Akku-Kapazität und mit der Reichweite aus? Im folgenden Artikel findest du Antworten.

Im Vergleich zu einem modernen Benzin- oder auch Dieselmotor zeichnet sich ein E-Motor dabei grundsätzlich durch einen erstaunlich simplen Aufbau aus. Ein wenig Kupfer, dazu ein paar Magnete und eine Welle zur Kraftübertragung – das war es im Grunde genommen schon. Die Maschinen in E-Autos agieren allesamt mit ähnlicher Technik. Die Unterschiede liegen hier im Detail. Im Wesentlichen haben sich drei Arten von E-Motoren etabliert. Zwei Modelle arbeiten dabei mit Wechsel- bzw. Drehstrom.

Der Aufbau ist nahezu identisch und beinhaltet einen magnetischen, feststehenden Stator sowie einen so bezeichneten Läufer respektive einen sich bewegenden Rotor, der letztendlich die Räder in Bewegung setzt. Der Rotor verfügt über ein eigenes Magnetfeld, das wiederum vom Magnetfeld des stillstehenden Stators angezogen wird. Das ist die Voraussetzung dafür, dass sich der Rotor überhaupt bewegt. Kurz bevor sich die beiden Magnetfelder treffen, wandert das Stator-Magnetfeld weiter, was und den Rotor dazu zwingt, sich ebenfalls zu bewegen.

Gibt es verschiedene E-Motoren?

Bei Verbrennungsmotoren für Autos besteht eine enorme Vielfalt. Unabhängig von der Automarke kannst du dich hier zwischen einer Vielzahl an Motoren entscheiden. Beim Elektromotor sieht das anders aus. Hier stehen bei weitem nicht so viele unterschiedliche Motorenmodelle zur Verfügung. Dennoch existieren auch im Hinblick auf E-Motoren unterschiedliche Konzepte, die sich anhand von ihren jeweiligen Vorzügen und Nachteilen charakterisieren und einstufen lassen.

Diese E-Motoren werden in Autos verbaut

1. Permanenterregter Synchronmotor (PSM)
2. Der fremderregte Synchronmotor (FSM)
3. Der Asynchronmotor (ASM)

1. Permanenterregter Synchronmotor (PSM)

Geht es um Leistungsdichte und Effizienz, führt eigentlich kein Weg an einem permanenterregten Synchronmotor vorbei. Allerdings müssen die Hersteller bei der Fertigung einer permanenterregten Synchronmaschine weitaus höhere Kosten als bei den anderen Motorvarianten tragen. Der Kostenintensität stehen hier gleich mehrere Vorteile gegenüber.

So ermöglicht der Motor dank eines extrem sparsamen Umgangs mit der Energie eine bessere Reichweite bei gleicher Batteriekapazität. Zudem benötigt der permanenterregte Synchronmotor vergleichsweise wenig Bauraum. Trotz der höheren Kosten nutzen vor allem die Hersteller von Hybridautos diese Variante. Bei diesen Modellen müssen schließlich immer gleich zwei Motoren eingebaut werden. Aber auch reine E-Autos, wie zum Beispiel der VW ID.3, der Porsche Taycan oder auch der BMW i3 haben einen permanenterregten Synchronmotor unter der Haube.

2. Der fremderregte Synchronmotor (FSM)

Bei der fremderregten Variante (FSM) wird das Magnetfeld in temporärer Form durch einen Elektromagneten – also durch Strom – erzeugt. Von den Produktionskosten her ist dies im Vergleich zur Motorvariante mit permanenten Magneten deutlich günstiger. Daher kommen E-Motoren dieser Art in besonders preissensiblen Fahrzeugen zum Einsatz, von denen keine extreme Fahrleistung erwartet wird. So wird ein E-Motor dieser Art vor allem in Kleinwagen verbaut. So wird der fremderregte Synchronmotor zum Beispiel im Renault Zoe verwendet. Oder hat es dir vielleicht der aktuelle e-Smart angetan? Auch in diesem Fall erwartet dich eine Motorisierung in Form eines fremderregten Synchronmotors.

3. Der Asynchronmotor (ASM)

Bei der dritten Variante handelt es sich um den asynchronen E-Motor. Während bei den beiden Synchronmotoren die Magnetfelder von Rotor und Stator einen identischen Takt aufweisen, ist der Rotor beim Asynchronmotor anders gepolt. Das wirkt sich in gleich mehreren Bereichen negativ aus. So weist der Asynchronmotor zum einen ein höheres Gewicht auf und lässt es zum anderen an Effizienz mangeln. Insgesamt ist das Gesamtkonzept etwas simpler gestaltet. Das siehst du alleine schon daran, dass keine teuren Permanentmagnete sowie keine aufwendigen Regeleinheiten verwendet werden. Außerdem arbeitet der Motor vergleichsweise laut.

Diese Vorteile bietet dir der Asynchronmotor

Aber der Asynchronmotor bietet dir auch einen großen Vorteil: Du kannst ihn jederzeit komplett deaktivieren. Schaltest du den Strom ab, läuft er dann lediglich im Freilauf mit. Energie verbraucht er dabei keine. Die in permanenterregten Synchronmotoren eingesetzten Permanentmagnete kannst du demgegenüber nicht in dieser Form abschalten.

Auch wenn das Auto in diesem Fall nicht aktiv vom Motor angetrieben wird, rekuperiert er permanent und wirkt wie ein Dynamo. Das ist aber nur dann effizient im Hinblick auf die Stromgewinnung, wenn Wärme beim Bremsen verloren geht. Hier geht es aber um das gleichmäßige Segeln auf der Straße und dabei dient Energie einzig und alleine der Fortbewegung.

Prädestinierter E-Motor für die Langstrecke

Der Asynchronmotor kommt folgerichtig in erster Linie in teureren E-Autos für die Langstrecke zum Einsatz. Das ergibt Sinn, zumal gerade in diesem Bereich ein weiterer Vorteil zum Tragen kommt. Ein Asynchronmotor kann nämlich über einen kurzen Zeitraum mit Überlast arbeiten, was einen echten Boost-Effekt erzeugt.

Diesen Vorteil nutzen dann gerade auch die Premium-Hersteller für ihre sportlich ambitionierten E-Modelle. Den Asynchronmotor findest du zum Beispiel im Mercedes EQC und im Audi E-Tron. Auch die E-Mobile S und X von Tesla setzen auf Asynchronmotoren. Mittlerweile kombiniert Tesla in der gehobenen Preisklasse den Asynchronmotor mit einem permanenterregten Synchronmotor.

Reichweite: Wie weit kommt man mit den modernen Akkus?

Die Reichweite eines Elektroautos ist immer abhängig von dem verwendeten Akku, wobei die Akkukapazität dabei etwa dem Tankinhalt beim Verbrennungsauto entspricht. Eine ausgewogene Kombination aus Kapazität und Stromverbrauch des E-Antriebs bestimmt letztendlich die Reichweite eines Elektroautos.

So funktioniert der Akku im E-Auto

Verbaut werden zumeist moderne Lithium-Ionen-Akkus. Diese weisen eine hohe Energie- und Leistungsdichte auf. Die Anode besteht dabei meistens aus Graphit, während die Kathoden in der regel aus Lithium-Metalloxid sind. Die Elektronen wechseln dann zwischen den Elektroden. Dadurch kommt es zu Ladungsunterschieden an Anode und Kathode, die durch die Lithium-Ionen ausgeglichen werden. Vom Elektrolyt getragen bewegen sich die Elektronen durch den Separator. Bei der Akku-Aufladung dreht sich dieses Prinzip dann um. In diesem Fall drückt der Ladestrom die Ionen und Elektronen wieder zurück zur Anode.

Wie schwer ist ein Lithium-Ionen-Akku?

Grundsätzlich zeichnen sich Lithium-Ionen-Akkus in erster Linie durch eine hohe Kapazität sowie eine kompakte Bauform aus. Eine Elektroauto-Batterie wiegt in der Regel etwa 200 bis 700 Kilogramm. Der besonders kleine VW e-Up hat zum Beispiel einen 36,8 kWh-Akku an Bord, der gerade einmal 248 Kilogramm schwer ist. Der im Tesla Model 3 eingesetzte Akku mit 75 kWh bringt dagegen 478 Kilogramm auf die Waage. Entscheidend sind hier sowohl die Leistungsdichte (W/kg; Leistungsabgabe pro Kilogramm) als auch die Energiedichte (Wh/kg; gespeicherte Energie pro Kilogramm).

So viele Ladezyklen sind möglich

Eine E-Auto-Batterie weist eine Haltbarkeitsdauer zwischen 500 und rund 1000 Ladezyklen auf. Das reicht im Allgemeinen für acht bis zehn Jahre. Dabei musst Du allerdings berücksichtigen, dass mit zunehmendem Alter die Kapazität – je nach Fahrstil, Ladeart und Anzahl der Ladezyklen – auf bis zu 70 Prozent vom Ursprungswert absinkt. Mittlerweile schaffen moderne Lithium-Ionen-Akkus sogar bis zu 3000 Ladezyklen.

Das Tesla Model S hat es vorgemacht und knackte mit nur drei Akkus die Eine-Million-Kilometer-Grenze. Wenn du die Reichweite deines E-Autos spürbar vergrößern möchtest, musst du zusätzliche Module hinzufügen. Schraubst du die Anzahl an Modulen dagegen runter, verringerst du den Aktionsradius.

So weit kommen moderne Modelle mir einer Akkuladung

• Tesla Model S 90D – ca. 632 Kilometer
• Opel Ampera-E – ca. 520 Kilometer
• Jaguar I-Pace – ca. 470 Kilometer
• Hyundai Kona Elektro – ca. 449 Kilometer
• Renault Zoe – ca. 300 Kilometer
• VW e-Golf – ca. 300 Kilometer
• Nissan Leaf – ca. 270 Kilometer
• BMW i3 – ca. 255 Kilometer

Die Vorteile der E-Autos

In Deutschland (Stand März 2020) fahren mittlerweile über 140.000 reine E-Autos auf den Straßen. Die Tendenz zeigt klar nach oben. Es werden stetig mehr. Trotzdem aber haben die Stromer noch längst nicht die breite Masse erreicht. Dabei weisen E-Autos verschiedene Vorteile auf, die Autos mit herkömmlicher Motorisierung nicht bieten. Dass sich die E-Autos aber nicht auf der ganzen Linie durchsetzen, liegt vor allem an fünf Nachteilen, die sich vor allem auf die Technik und die Investition beziehen.

Die Vorteile von Elektroautos auf einen Blick

• kein lokaler Ausstoß von CO2
• vergleichsweise geringe Unterhaltskosten
• hohe Förderungen durch Autoindustrie und Staat
• bis 2030 sind E-Autos von der Kfz-Steuer befreit

Die Nachteile von Elektroautos auf einen Blick

• vergleichsweise hohe Kaufpreise
• Batterie-Technologie ist noch nicht in allen Belangen auf einem hohen Level
• noch immer ein dünnes Stationsnetz
• unübersichtliche Ladepreise
• relativ lange Ladezeiten

Zukunftsausblick der Technik und der Entwicklung

Das Elektroauto steht als wichtiger Teil der Verkehrswende für die Zukunft in der Automobilbranche. Dabei geht es nicht alleine um die spezielle Antriebstechnologie. Auch das autonome Fahren oder zum Beispiel moderne Mobilitätskonzepte mit E-Autos stehen im Fokus. Ob als quasi lautloser Alltagshelfer, als mobiles Gadget oder einfach nur als klassisches Fortbewegungsmittel – das E-Auto gilt auch immer als Sinnbild für Nachhaltigkeit, Modernisierung und Digitalisierung. Extreme Prognosen prognostizieren, dass ab 2030 keine Autos mit Verbrennungsmotoren mehr verkauft werden. Das hängt natürlich eng mit dem Osborne-Effekt zusammen.

Die zukünftige Entwicklung wird dabei von mehreren Megatrends befeuert

• Erneuerbare Energien werden immer weiter ausgebaut. Das muss letztendlich auch mit der Bereitstellung von modernen und besseren Speichertechnologien einhergehen.
• Der immer mehr an Bedeutung gewinnende Trend zum stationären Batteriespeicher wird langfristig wahrscheinlich dafür sorgen, dass die Preise für eine gespeicherte Kilowattstunde auf lange Sicht sinken werden. Davon profitieren natürlich auch die Besitzer von E-Autos.
• Die Reichweite der Batterien wird immer weiter erhöht.
• Prognosen besagen, dass Akkus in der Zukunft bis zu rund 80 Prozent günstiger werden.
• Laut einer aktuellen der Boston Consulting Group (BCG) wollen die 29 weltweit größten Autohersteller bis 2025 rund 400 neue Modelle auf den Markt bringen.

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¹ Bei verbindlich geschlossener Buchungsvereinbarung über ein Mobilitätspaket durch einen privaten oder gewerblichen Neukunden gemäß den zum Zeitpunkt der Buchung geltenden Allgemeinen Geschäftsbedingungen der Cluno GmbH („Buchung“) entfällt die sonst anfallende einmalige Startgebühr von 299,00 EUR inkl. Umsatzsteuer. Als Neukunde gilt, wer in der Vergangenheit keine Buchungsvereinbarung bei der Cluno GmbH abgeschlossen hat.

³ Der Wertgutschein in dargestellter Höhe gilt ausschließlich für Fahrzeuge mit einer Liefer-Verfügbarkeit innerhalb von 2 Wochen und nur bei Entgegennahme des Fahrzeugs binnen 7 Tagen ab Verfügbarkeitsdatum und nicht für Bestandskunden, die zum Fahrzeugwechsel eine Buchung abschließen. Es gelten folgende Bedingungen.