Mit dem wachsenden Interesse an der Elektromobilität und Alternativ betriebenen Fahrzeugen steigt auch das Angebot und immer mehr Hersteller präsentieren ein Elektroauto. Plug-In Hybride sind bereits stärker am Markt vertreten, da sie im Vergleich zu Diesel und Benzinern Verbrauchseinsparungen dank einem Elektromotor versprechen.
Wie funktioniert der Antrieb mit Elektromotor? & Was hat das BMS mit dem Akku zu tun?
Elektromotoren entwickeln einen hohen maximalen Drehmoment aus dem Stand, weshalb eine schnelle Beschleunigung von 0 auf 100 km/h unter 10 Sekunden zu schaffen ist. Der Elektromotor bringt noch mehr Vorteile mit sich, so wie den hohen Wirkungsgrad von über 90% wogegen die konventionellen Motoren meist weit unter der hälfte liegen. Ein weiterer Vorteil des Elektromotors ist die fast Wartungsfreie kompakte Bauweise. Komponenten wie Schaltgetriebe, Starterbatterie, Benzinpumpe etc. werden nicht mehr benötigt.
Die Gleichstrommaschine (E-Motortyp) erzeugt Strom durch rotieren einer Spule aus leitfähigem Metall, umgeben von einem Permanentmagnet. Fließt Strom durch die Spule entsteht ebenfalls ein Magnetfeld. Dadurch entsteht eine Wechselwirkung zwischen beiden Magnetfeldern. Das bedeutet, dass sie sich anziehen und wieder abstoßen, wodurch der Rotor sich dreht. Bei einem Wechselstrommotor wird dann per Stromwender oder Kummutatur die Energie vom Akku umgewandelt und in den Motor geleitet.
Die Leistungselektronik ist die Schnittstelle des Elektromotors und der Batterie. Hier wird die Energie in die benötigte elektrische Spannung umgewandelt und kann so für den Elektroantrieb vom Motor genutzt werden. Anders ist es bei der Rekuperation, wo die Elektro-Spannung wieder in der Batterie gespeichert wird.
Bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb sorgen zwei Motoren für den Antrieb, ein Verbrennungsmotor und ein verhältnismäßig kleinerer Elektromotor. Hybrid bedeutet sowas wie „von zweierlei Herkunft“. Der Elektromotor bezieht die Energie aus der Batterie, die durch die Rekuperation oder durch den Verbrennungsmotor aufgeladen wird. Der Benzinmotor konventionell über den Tank.
Nur bei den Plug-In-Hybriden kann rein elektrisch gefahren werden. Die Batterie wird zusätzlich über das Stromnetz geladen. Verwendete Akkutypen sind Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren (NiMH) oder Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) wie beim Plug-In Hybrid Toyota Prius.
Lithiumionen-Akkus wurden anfangs in mobilen Geräten mit hohem Energiebedarf zum Beispiel Notebooks oder Tablets verwendet. Sie sind im Vergleich zu herkömmlichen Akkus viel leichter und kleiner. Also Ideal für Elektroautos, wo sie seit 2003 zum Einsatz kommen.
Dank der Akkumulatoren ist die zu erreichende Kilometeranzahl stark gestiegen. Davor lag mit herkömmlichen Blei- oder Nickel-Radium-Akkus, bei Höchstgeschwindigkeit, die Reichweite nur bei einer Stunde. Oder je nach Geschwindigkeit mir einer Ladung eine Reichweite von 40-130 Kilometern. Dank der Lithiumionen-Akkus hat sich die Reichweite je nach Fahrzeug auf bis zu 500km mehr als verdreifacht.
Die Lithium-ionen-Akkus werden in Elektroautos als Energiespeicher eigesetzt. Sie sind in der Lage große Strommengen zu speichern und fähig per Schnellladung in kurzer Zeit auf 80% zu laden. Am Häufigsten werden Lithium-Polymer Akkus verwendet, wie zum Beispiel in dem Elektroauto von CITROEN oder Lithium-Mangan Akkus wie beim Nissan Leaf.
Bei Temperaturen unterhalb ca. 10°C verringert sich die Leitungsabgabe, da mit fallender Temperatur die Beweglichkeit der Ladungsträger abnimmt. Außerdem besteht bei den Lithium-Ionen-Akkumulatoren ab Temperaturen von -20°C die Gefahr, dass die Ladungsträger einfrieren. Die Kapazität wird dadurch auch nicht beeinflusst, da sogenannte Batteriemanagementsysteme (BMS) die Leistungsabgabe überprüfen und technisch berücksichtigen. So erwärmt sich durch die inneren Verluste die Batterie praktisch wieder wie von selbst.
Hohe Temperaturen oberhalb von 30°C begünstigen die Beweglichkeit der Ladungsträger und somit auch die Leistungswiedergabe, sind aber ungünstig für die inneren Verluste und damit abgegebene wärme und somit auch für die kalendarische Alterung der Akkusysteme. Einige Hersteller temperieren ihre Akkusysteme mit einer Heizung gegen die kalten Temperaturen und eine Kühlung gegen eine Überhitzung.
Die Kapazität nimmt mit der Zeit selbst bei sachgemäßer Nutzung aufgrund der chemischen Reaktionen ab. So kommt es durch die Lade- und Entladevorgänge mit der Zeit zu elektrochemischen Vorgängen, die eine vollständige Aufladung oder Entladung verhindern.
Viele Hersteller aus der Elektronik- und Automobilindustrie Forschen und Entwickeln an neuen Batteriesystemen um die Akkukapazität und somit die Reichweite stetig zu erhöhen.
Das Batteriemanagementsystem regelt und überwacht die Batterie und ihre Lebensdauer. Die Statusinformationen werden gespeichert und können bei einer Wartung erneut abgerufen und somit Fehler überprüft werden. Während der Fahrt informiert das BMS im Fehlerfall den Fahrer und kann gegebenenfalls dafür sorgen, dass der Antrieb per Verbrennungsmotor weiterläuft (Hybridauto, PHEV) um Schädigungen der Akkuzellen bei der weiterfahrt zu verhindern. Des Weiteren gibt es dem Fahrer Infos zu dem Ladezustand, den Ladevorgängen, und der verbliebenen Reichweite.
Das Regenerative Bremssystem ermöglicht die Rekuperation. Dabei arbeitet der Elektromotor als Generator und wandelt die anfallende kinetische Energie, die beim Bremsen oder Bergabfahren entsteht, in elektrische Energie um und führt sie zurück in die Batterie.
In vielen Fahrzeugen ist es möglich, zwischen mehreren Rekuperationsstufen zu wählen und somit das Fahrverhalten individuell anzupassen.
Bei Elektroautos und Hybriden wird die Motorleistung nicht wie beim konventionellen Motoren in PS, sonder in Kilowatt kW angegeben. Die reinen Elektrofahrzeuge haben zur Zeit noch eine geringere Leistung als die Hybriden und Plug-In Hybride, da dort die Leistung des konventionellen Motors hinzukommt.
Ausnahme ist der Spitzenreiter Tesla mit einer Leistung von mehr als 380kW. Aus der Oberklasse legt zum Beispiel der Plug-In Hybrid von BMW mit 226kW nach. Erschwinglicher wird es ab 130kW was BEV und PHEV von Volvo, Toyota, Peugot etc. schaffen.
Nennleistung in Kilowatt (kW) gibt die elektrische Leistung an, die im Dauerzustand erbracht werden kann, ohne dass die Lebensdauer und die Sicherheit beeinträchtigt wird. Die Nennleistung ist für die gesamte Lebensdauer verbindlich.
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Kilowattstunde kWh beschreibt den Verbrauch eines Elektroautos. Dabei sind die Angaben stark abhängig von äußeren Einflüssen zB. Fahrweise, Bodenbelag, Geschwindigkeit, Reifen und zusätzlichen Funktionen wie Heizung, Klimaanlage etc.
Wie Sie verbrauch einsparen und die Reichweite verlängern erfahren Sie in den Ratgebersegment Reichweitenvergrößerung.
Der Neue Europäische Fahrzyklus (NEFZ) wird von den Autoherstellern genutzt um angaben zu der Reichweite zu machen. Diese Werte weichen aber häufig von den realen Kilometerwerten ab, da viele Faktoren (Straßenbelag, Temperatur etc.) nicht berüclksticht werden können.
Der Worldwide Hamonized Light Duty Test Procedure (WLTP) dagegen soll zu realistischeren Werten führen. Außerdem sollen mit dem neuen WLTP-Zyklus die Werte International vergleichbar werden.