Technik erklärt: Was beim Vergleich von E-Autos wichtig ist

1. Batteriekapazität und Reichweite
2. Leistungsfähigkeit von Akkus
3. Temperaturabhängigkeit
4. Ladeleistung und Ladezeit
5. CO2-Bilanz
6. Elektromotor-Typen
7. Rekuperation

1. Batteriekapazität und Reichweite

Die volle elektrochemische Kapazität einer Zelle wird in der Praxis nicht ausgenutzt, da Tiefentladungen und absolute Vollladungen die Akkustruktur schädigen können. Geschädigte Akkuzellen altern nochmals schneller und neigen deutlich früher zum sogenannten Thermal Runway, also plötzlichem Überhitzungs-Aufflammen durch einen Kurzschluss. Um das zu verhindern, lassen die Hersteller üblicherweise einen Puffer zwischen dem Brutto-Energiegehalt und dem nutzbaren Netto-Energiegehalt. Dieser Puffer variiert je nach Batterie-Management um zehn Prozent des Gesamtenergiegehalts. Ein Audi E-Tron lässt rund 13 Prozent Puffer, das untenstehende Beispiel des Tesla Model S P85 zeigt einen Puffer von rund 11 Prozent. Bei einem VW ID.3 sollen es weniger als zehn Prozent sein. Übrigens gilt ein Akku als nicht mehr tauglich für den mobilen Einsatz, wenn sein nutzbarer Energiegehalt nur noch 80 Prozent des Ursprung-Energiegehalts entspricht.

Problem: Mit dem Verbrauch, den Elektroautos auf dem Bordcomputer sehr exakt angeben, lässt sich nicht so einfach die Reichweite hochrechnen. Denn viele Hersteller geben nur den Brutto-Energiegehalt ihrer Batterien an. Die tatsächlich in der Praxis nutzbare Batteriegröße wird damit zum Schätzwert. Audi etwa gibt beim E-Tron einen Energiegehalt von 95 kWh an. Das ist der Bruttowert. Abzüglich der oben genannten 13 Prozent bleiben eher 82-83 kWh nutzbar.

Weitere Schwierigkeit: Manche Hersteller geben den Nettowert. Mercedes etwa nennt beim EQC 80 kWh – netto. Damit lässt sich dann mit Verbrauchswerten aus der Praxis die reale Reichweite hochrechen, aber vor einem Vergleich mit dem E-Tron muss man eben aufpassen – und zuvor die Netto-Reichweite des Audi-Akkus ermitteln.

Zusammenfassung

Brutto und Netto-Energiegehalt von Auto-Akkus differieren um einen Pufferbetrag, der zum Schutz der Batterie nicht genutzt werden darf. Zum Vergleich von Akkus verschiedener Modelle ist die Netto-Reichweite am besten geeignet. Aus ihr lässt sich mit Real-Verbrauchswerten auch die Reichweite in der Praxis berechnen.

2. Leistungsfähigkeit von Akkus

Die meisten Elektroauto-Akkus haben eine Nennspannung zwischen 300 und 400 Volt die durch Serien-Schaltung von Lithium-Ionen-Zellen mit 3,6-3,7 V Nennspannung erzeugt wird (Lithium-Eisen-Phosphat 3,3V). Zwei Zellen in Serie ergeben 7,2-7,4V und drei 10,8-11,2 V etc. Der Spannungsbereich von rund 400 V hat sich aus dem Drehstrombereich entwickelt, da dieser üblicherweise zum Betrieb von vielen stationären Drehstrom-Elektromotoren genutzt wird. In der Realität ist die Spannung jedoch kein fester Wert, sondern je voller ein Akku ist, desto höher liegt auch seine Spannung.

Wieviel Leistung oder Energie ein Akku liefern kann, hängt maßgeblich von seinen Stromfähigkeiten ab. Diese Werte folgen recht einfachen Formeln wie das Beispiel eines Lithium-Polymer-Akkus für ein Modellauto zeigt:

Energiegehalt = (Nenn-)Spannung (V) x Kapazität (Ah)

Beispiel: 7,4V x 5 Ah = 37 Wh

Leistung = Spannung (V) x Strom (A)

Beispiel: 7,4V x 10 A = 74 Watt

Maximale Leistung = Spannung x maximaler Strom

Beispiel: 7,4V x 300 A = 2220 Watt

(Vereinfachte Formeln für zum Teil sehr komplexe Zusammenhänge)

A= Ampere, Einheit für Stromstärke

V= Volt, Einheit für elektrische Spannung

Ah = Amperestunde, Einheit für Kapazität

W = Watt, Einheit für Leistung

Wh = Wattstunde, Einheit für Energie

Um zu beurteilen wie sehr eine Schnellladung einen Akku stresst, kann die Kapazität eines Akkus ins Verhältnis zum Ladestrom gesetzt werden.

Der Beispiel-Akku hat eine Kapazität von 5 Ah. Wird dieser nun mit einem Ladestrom von konstant 5 A aufgeladen, so ist die Zelle nach einer Stunde geladen. Das Verhältnis von Kapazität und Ladestrom ist 1 (Der Elektrotechniker sagt "1 C"). Würde die Zelle mit dem doppelten Strom von 10 A aufgeladen, wäre das Verhältnis 2 ( 2 C). In vielen Fällen gilt ein Strom, der doppelt so hoch liegt wie die Kapazität, als Grenze für Schnellladungen. Wieviel Strom ein Akku bei einer schnellen Ladung verkraften kann, ohne größeren Schaden zu nehmen, hängt dabei nicht nur von seiner Größe, sondern auch von seiner Zellchemie ab.

Nun wird im Autobereich meist nicht die Kapazität eines Akkus in Amperestunden (Ah), sondern sein Energiegehalt in Wattstunden (Wh) angegeben. Da Ah und Wh bei angenommen konstanter Spannung aber proportional sind, lässt sich diese Berechnung auch mit Watt und Wattstunden durchführen.

Das heißt: Wenn ein Tesla-Akku mit 85 kWh Energiegehalt mit 135 kW Leistung an einer Gleichstrom-Säule geladen wird, so entspricht das 1,6 C – ein noch moderater Wert. Würde ein nur 50 kWh großer Akku mit dieser Leistung geladen, entspräche dies 2,7 C. Das würde den Akku auf Dauer wohl zerstören. Porsche und Tesla planen derzeit deutlich höhere Ladeleistungen von 200 – 250 kW. Wenn die Zellchemie dafür ausgelegt ist, können die Hersteller das zulassen. Trotzdem wird ein Akku von hohen Strömen mehr gestresst als von niedrigen und altert daher schneller.

Im Groben lässt sich sagen, dass ein Akku mit steigendem Energiegehalt auch mehr maximalen Strom liefern und vertragen kann. Der Einbau eines stärkeren Elektromotors bringt also nur dann mehr Leistung, wenn auch die Batterie wächst. Eine höhere Ladegeschwindigkeit ist zudem nur möglich, wenn auch der Akku wächst.

Zusammenfassung

Die tatsächliche Leistung eines Elektro-Autos und seine Ladegeschwindigkeit hängen stark von den Stromfähigkeiten und der Größe des Akkus ab. Wer sein Auto immer nur an der Schnellladesäule auflädt, muss mit zügigerer Alterung der Batterie rechnen.

3. Temperaturempfindlichkeit von Lithium-Ionen-Akkus

Grundsätzlich fühlt sich dieser Akku-Typ zwischen 20° C und 40° C besonders wohl.

Bei niedrigen Temperaturen sinkt die nutzbare Kapazität, da sich der Innenwiderstand erhöht (besonders drastisch bei Minusgraden) und damit weniger Strom fließt. Das gilt für abgegebenen wie aufgenommenen Strom, sodass ein Akku Schaden nimmt, der bei Minustemperaturen mit hohen Ladeströmen belastet wird. Dann lagert sich metallisches Lithium an der Kathode an (Plating), weil diese die Lithium-Ionen nicht mehr schnell genug aufnehmen kann. Was übrigens auch bei höheren Temperaturen passiert, wenn dem Akku zu viel Strom aufgebürdet wird. Oberhalb von 40° altert der Akku besonders schnell und verliert bei Lagerung auch besonders zügig an Energie – nur für die Lagerung mag es der Akku wiederum lieber kühl.

Zusammenfassung

Beim E-Auto hängen Verbrauch und Ladezeit stark von der Außentemperatur ab. Batterien liefern bei Kälte nicht nur weniger Strom, sie können dann beim Laden mit hohen Strömen auch irreversibel Schaden nehmen. Wichtig für eine lange Haltbarkeit des Akkus und gute Stromfähigkeiten ist daher auch ein aktives Thermomanagement der Batterie.

4. Ladeleistung und Ladezeit

Grundsätzlich folgt die Ladezeit eines Akkus einer einfachen Formel: Energiegehalt geteilt durch Ladeleistung = Ladezeit

Beispiel: 100 kWh/135 kW => 45 Min. für eine Vollladung

Aber das ist nur die halbe Wahrheit. Denn eine Zelle kann nur bis 80 Prozent ihrer Nenn-Kapazität mit vollem Ladestrom belastet werden. Darüber muss der Ladestrom drastisch sinken, um Schäden an der Zelle zu verhindern.

Zudem ist speziell bei Gleichstrom-Schnellladungen die maximale Ladeleistung oft nicht im kompletten Bereich bis 80 Prozent Ladezustand abrufbar. Die maximale Ladeleistung schwankt in Abhängigkeit von Temperatur- und Ladezustandsfaktoren. Noch interessanter als die reine Ladeleistung oder die Zeit für eine 80-Prozent- oder Vollladung ist die Frage: Wieviel Kilometer Reichweite kann ich beispielsweise in einer halben Stunde laden? Diese Angabe ist wiederum abhängig vom Verbrauch: Ein Audi E-Tron verbraucht 26 kWh/100 km und kann mit 150 kW Ladeleistung in einer halben Stunde theoretisch 290 Kilometer Reichweite nachladen. Ein Kia e-Niro mit 15 kWh/100 km Verbrauch schaufelt an nur 100 kW Ladeleistung in einer halben Stunde 330 Kilometer Reichweite in den Akku.

Bei der wechselstrombasierten Ladung ist die Geschwindigkeit nicht ganz so entscheidend, da sie in den meisten Fällen zuhause und über Nacht stattfindet. Jedoch sollte ein modernes Elektroauto ab 50 kWh-Akku über mindestens 11-kW-Drehstrom-Ladeleistung verfügen.

Zusammenfassung

Die theoretische maximale Ladeleistung sagt nur grob etwas darüber aus, wieviel Zeit an der Ladestation verbracht werden muss. Wichtiger ist: Wie hoch ist die wahre Ladegeschwindigkeit? Welche Lademöglichkeiten werden angeboten? Auch der Verbrauch spielt eine Rolle.

5. CO2-Bilanz von Elektroautos

Elektroautos und Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor lassen sich nur auf der Basis eines well-to-wheel-Vergleichs, also von der Energiequelle bis zum Rad, fair vergleichen. Die Angaben für die Kohlendioxidlast auf einer kWh nach dem deutschen Strommix sind dabei immer well-to-wheel – also mit allen Emissionären. Derzeit entstehen bei der Erzeugung einer kWh Strom laut Umweltbundesamt im Schnitt 489 g Kohlendioxid.

Beim Verbrenner ist die übliche Verbrauchsangabe tank-to-wheel. Das berücksichtigt also lediglich, wie viel CO2 bei der Verbrennung des Kraftstoffs während des Fahrbetriebs entsteht. Daher gehört zum fairen Emissions-Vergleich noch der Energieaufwand zur Herstellung des Kraftstoffs. Dazu gibt es eine EU-Studie von 2007: Pro Liter Benzin fallen ca. 19 Prozent mehr CO2 durch die Herstellung an. Beim Diesel sind es ca. 20 Prozent.

Bei der Produktion einer kWh Akku fallen laut IFEU-Institut in Heidelberg 125 Kilogramm CO2 an. Es kursieren auch Werte im Bereich von 200 kg, die aber extrem umstritten sind. Je nach Größe des Autos fallen dafür bei einem Elektroauto einige Tonnen weniger CO2 zur Produktion des restlichen Autos im Vergleich zu einem Verbrenner an.

Firmen wie Mercedes oder VW bieten exakte Umweltzertifikate die die Emissionen bei der Herstellung ausweisen.

Zusammenfassung

Wie umweltfreundlich das Auto wirklich ist, hat stark mit dem bei der Produktion anfallenden CO2 zu tun – und damit, wie der Strom erzeugt wird. Ein Vergleich verschiedener Konzepte funktioniert nur well-to-wheel. Grundsätzlich gilt: Je kleiner der Akku eines Elektroautos ist, desto umweltfreundlicher ist es bei der Produktion und damit auch in seiner Gesamtbilanz. Vergleiche der CO2-Bilanz ergeben, dass Elektroautos kleineren Akkus schon jetzt mit dem aktuellen Strommix über den Lebenszyklus weniger CO2 emittieren als Autos mit Verbrennungsmotor. Neben der abnehmenden CO2-Last auf der Stromerzeugung liegt weiteres Einsparpotenzial in CO2-armer Produktion von Batterien.

6. Elektromotor-Typen

Im Gegensatz zum Verbrennungsmotor hat der Elektromotor deutlich weniger Varianten. Seine Ausprägungen unterscheiden sich aber zum Teil stärker voneinander. Im Elektroauto werden üblicherweise nur Drehstrom- und keine Gleichstrom-Motoren eingesetzt. Gleichstrommotoren benötigen einen Stromwender (Kommutator) und damit eine Schleifbürste. Diese verursacht Reibung, Verschleiß und Funken. Alles nicht gut im Auto.

Beim Drehstrommotor ist es möglich den sich drehenden Teil (Rotor oder Läufer) kontaktlos mit Strom zu versorgen oder gänzlich ohne Strom (Permanentmagneten) als Gegenkraft laufen zu lassen.

Der meistverbreitete Typ ist der sogenannte Permanent-Magnet-Synchronmotor (kurz PSM): Dieser besitzt einen Läufer mit Permanent-Magnet der sich drehzahlsynchron zum Drehfeld des Stroms bewegt. (z.B.: VW ID, Hyundai Kona, BMW I3)

Etwas seltener im Autobereich ist der Asynchron-Motor (ASM): Dieser besitzt eine Wicklung am Läufer, die per Induktion wie bei einem Trafo mit Strom versorgt. Sein Rotor läuft dem Drehfeld des Stroms hinterher und ist daher asynchron. (z.B.: Tesla Model S und X, Audi E-Tron).

Als einzelner Motor sehr selten, aber im Verbund mit PSM sehr oft zu finden ist die geschaltete Reluktanzmaschine (SRM): Sie arbeitet beim Läufer nicht mit Permanentmagneten oder Induktion, sondern mit weichmagnetischen Materialen wie Eisen oder Stahl. (im Mischbetrieb bei vielen zu finden: z.B.: BMW i3, Tesla Model 3, VW-Motoren)

Der PSM hat dabei die schlechteste Umweltbilanz, da er auf eine seltene Erde (Neodym) für seinen Magneten setzt. Neodym wird in China unter Freisetzung hoher Treibhausgase gefördert.

Zusammenfassung

Die Art des Elektromotors hat Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und Effizienz von E-Autos, auf die Rekuperationskonzepte und auf die Umweltbilanz.

7. Rekuperation

Die Rekuperation ermöglicht es dem Elektroauto anders als dem klassischen Verbrenner, kinetische Energie nicht nur durch Rollen zu nutzen, sondern als Strom wieder zu speichern. Allein dieser Punkt gibt dem Elektroauto/Hybrid einen Effizienzvorteil von bis zu 20 Prozent zum reinen Verbrenner.

Grundsätzlich ist Rekuperation nichts anders als ein Elektromotor, der im Generatorbetrieb läuft. Dabei wird wie beim Fahrraddynamo durch die Rotation eines Magnetfelds an einer Spule entlang eine Spannung induziert und je nachdem, wie groß der entnommene Strom ist, muss der Generator eine größere Kraft aufbringen – das Bremsmoment wird höher.

Aber nicht alle Elektromotoren rekuperieren gleich: Ein PSM induziert sofort eine Spannung wenn er gedreht wird, da die an den Spulen vorbeiflutschenden Permanentmagnete diese durch permanente magnetische Flussdichten-Änderung initiieren. Ein ASM induziert erst dann Spannung, wenn eine Spannung an seiner Stator-Wicklung anliegt. Erst dann entsteht ein (Elektro-)Magnetfeld und damit bei Drehung eine Flussdichteänderung.

In der Praxis bedeutet das: PSM können nicht einfach mitgeschleppt werden ohne dass sie Strom erzeugen – es sei denn sie werden abgekuppelt. ASM können problemlos mitgeschleppt werden – wenn sie stromlos geschaltet sind.

Aber auch ein PSM fängt erst dann an, den Akku zu Laden (rekuperieren) wenn die Spannung am Motor höher ist, als die, die im Akku anliegt. Daher kann Zwangs-Rekuperation bis zu einem bestimmten Tempo durch Schaltungen vermieden werden.

Übliche E-Autos rekuperieren bis zu einer Verzögerung von 0,1 bis 0,2 g bevor sich die hydraulische Bremse sukzessive einblendet. Bei Vollbremsungen ist oft nur noch die hydraulische Bremse in Betrieb. Besonders effektive Rekuperationssysteme ermöglichen eine rein elektrische Bremsung von 0,3 g und mehr. Grundsätzlich kann die Rekuperationsleistung die maximale Motorleistung nicht überschreiten. Meist liegt sie etwas oder sogar deutlich darunter. Ein Audi e-tron rekuperiert bis 0,3 g mit bis zu 220 kW Leistung. Ein VW ID.3 bis 0,2g. Die Rekuperationseffizienz schwankt dabei je nach Bremsstärke zwischen 50 bis 85 Prozent.

Zusammenfassung

Die Rekuperationsstärke und -strategie hat großen Einfluss auf die Effizienz des Elektroautos unter bestimmten Fahrzuständen. Der potenzielle Energiegewinn durch Rekuperation ist in der Stadt und im Gebrige am größten, technisch hängt sie auch von der Motor-Konfiguration ab.