Wie funktionieren Elektrofahrzeuge?

Bevor wir uns mit dem Innenleben der EV-Batterie beschäftigen, klären wir die grundlegenden Unterschiede zwischen einem Elektrofahrzeug und einem Fahrzeug mit „Internal Combustion Engine“ (ICE), also einem Verbrennungsmotor. Wenn schon nicht aus Interesse, dann wenigstens, damit du beim nächsten TÜV-Termin mitreden kannst.

Im direkten Vergleich sind Elektrofahrzeuge und Fahrzeuge mit ICE äußerlich nicht zu unterscheiden: vier Räder, ein Dach, ein Kofferraum und Türen – der typische Aufbau. Aber unter der Motorhaube enden die Ähnlichkeiten. 

Herkömmliche Fahrzeuge mit Benzin- und Dieselmotor verwenden einen Verbrennungsmotor (ICE), der Kraftstoff verbrennt, um den Motor mit Energie zu versorgen und so die Räder anzutreiben. Dieser Vorgang ist laut, benötigt viele bewegliche Teile und basiert auf der Verbrennung von fossilen Kraftstoffen. 

Wie wir alle wissen, entsteht durch die Verbrennung von fossilen Kraftstoffen (wie Benzin) Kohlendioxid (CO₂), aber kennst du auch die anderen Bestandteile von Auspuffgasen? Und Überraschung – sie sind weder gut für die Umwelt noch für deine Gesundheit:

1. Stickoxide (NO_x) – sind eine Gruppe von Gasen, die bei der Verbrennung entstehen, allen voran Stickstoffoxid (NO). Diese Gase sind besonders reaktiv und tragen zur Luftverschmutzung und zum Smog in Städten bei. 

2. Schwefeldioxid (SO₂) – ein farbloses, aber stechend riechendes Gas, das deinen Atemwegen vielfältig schaden kann. Wenn SO₂ verbrannt wird, entsteht schweflige Säure, die für sauren Regen und Smog mitverantwortlich ist. 

3. Kohlenmonoxid (CO) – das farb- und geruchlose CO ist für den Menschen hochgiftig. Obwohl moderne Verbrennungsmotoren nur eine geringe Menge ausstoßen, können die mit einer CO-Vergiftung verbundenen Risiken und Symptome ernsthafte Folgen haben. 

4. Benzol (C₆H₆) – ein hochentzündliches, flüchtiges und süßlich riechendes Gas. Obwohl Benzol ein natürlicher Bestandteil von Benzin und Diesel ist, kann der langfristige Kontakt zu Blutarmut und Leukämie führen.

Wir könnten die Liste an dieser Stelle gut und gerne weiterführen. Es gibt noch zahlreiche andere schädliche Gase, die von Verbrennungsmotoren erzeugt werden, aber wie sieht es bei den Elektrofahrzeugen aus? Wie schneiden sie im Vergleich ab? 

Es liegt auf der Hand, dass Elektrofahrzeuge viel besser für die Umwelt und deine Gesundheit sind. Da sie ohne Verbrennungsmotor und Auspuffrohr gebaut werden, produzieren Elektrofahrzeuge keine Abgase und sind viel effizienter. Dadurch bringen sie buchstäblich frischen Wind in die Welt der Fahrzeugmobilität. 

Aber wie ist das möglich? 

Die Antwort auf diese Frage liegt in der Energiequelle eines Elektrofahrzeugs: der Batterie.

Lithium-Ionen-Batterien (kurz: Li-Ion-Batterien) sind das Kraftpaket für die meisten Elektrofahrzeuge. Sie sind das Herzstück des Fahrzeugs und der einzige Grund dafür, dass EVs immer wieder aufgeladen werden können.

Kosmischer Fakt!

Es gibt eigentlich zwei Arten von EV-Batterien: Lithium-Ionen-Batterien und Nickel-Metallhydrid-Batterien. Mit Ausnahme von Toyota verwenden alle Hersteller Lithium-Ionen-Batterien. Nickel-Metallhydrid-Batterien sind zwar billiger in der Herstellung, haben aber nicht die gleiche Energiedichte wie Lithium-Ionen-Batterien – sie können also nicht so viel Energie speichern.

Auch wenn der Name es nicht vermuten lässt, enthalten Lithium-Ionen-Batterien mehrere Rohstoffe, darunter Lithium, Kobalt, Graphit und Nickel. Diese Rohstoffe werden international abgebaut – von Südamerika bis Indonesien – und zu sicheren chemischen Verbindungen verarbeitet, die in den Batteriezellen zum Einsatz kommen. 

Leider sind Abbau und Herstellung nicht billig. Der Preis für eine EV-Batterie ist in den letzten zehn Jahren zwar um 90 % gesunken, liegt aber immer noch bei durchschnittlich 5.223 €. Trotz der hohen Kosten sollte der Preis für EV-Batterien weiter sinken, wenn alternative Rohstoffe gefunden und serienreife Batteriesätze entwickelt werden. Günstigere Batterien = günstigere Elektrofahrzeuge.

Für den unwahrscheinlichen Fall, dass deine EV-Batterie innerhalb der Garantiezeit (in der Regel 8 Jahre) ausfällt, musst du nicht in Panik geraten. Die Garantie deckt alle Reparaturen und den Ersatz ab, sodass du dir die 5.000 € nicht aus dem Hut zaubern musst! 

Kosmischer Fakt!

Als die ersten Elektrofahrzeuge auf den Markt kamen, haben die Hersteller das Auto verkauft, aber die Batterie musste separat geleast werden, weil sie so teuer war. Inzwischen gibt es zwar kaum noch Batterie-Leasing, aber stell dir vor, du kaufst ein Auto mit einem nicht verhandelbaren Batterie-Leasingvertrag!

Eine EV-Batterie besteht aus drei Komponenten: 

1. Einer Zelle – eine einzelne Lithium-Ionen-Batterie

2. Dem Modul – mehrere Zellen, die in einer bestimmten Form (parallel oder in Reihe) angeordnet sind

3. Dem Satz – das fertige Produkt, das durch die Verbindung mehrerer Module mit Wärmesensoren zusammengesetzt und von einem Schutzgehäuse umschlossen wird 

Es ist ein weit verbreiteter Irrglaube, dass Elektrofahrzeuge von einer einzigen, riesigen Batterie angetrieben werden – in Wahrheit sind es Hunderte von Batteriezellen. Der Batteriesatz des Nissan Leaf zum Beispiel besteht aus 192 Zellen, die in 24 Modulen angeordnet sind. Aber wie erzeugen und speichern diese Zellen ihre Energie? 

An dieser Stelle wird es etwas technisch … und chemisch … Pass auf! 

Eine Lithium-Ionen-Batterie verfügt über zwei Arten von Elektroden: Anode und Kathode. 

Aufgrund ihrer bemerkenswerten Fähigkeit zur Speicherung von Lithium-Ionen (Energie) sind diese Elektroden der Hauptgrund für den Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen. Im Vergleich zu anderen Batterietypen (z. B. Nickel-Metallhydrid) hat eine Lithium-Ionen-Batterie eine fast doppelt so hohe Energiedichte (Wh/kg) bei viel geringerer Größe. Das heißt, dass Elektrofahrzeuge große Mengen an Energie in einem kompakten Batteriesatz speichern können.

Kosmischer Fakt!

Auch wenn sie hier als „kompakt“ bezeichnet wird, ist die Batterie in der Regel das schwerste Einzelteil in einem Elektrofahrzeug. Die Batterie des Tesla Model 3 zum Beispiel macht mit ihren 480 kg ganze 26 % des Gesamtgewichts aus.

Technisch gesehen werden die Zellen einer EV-Batterie während der Fahrt entladen. Wenn ein Elektrofahrzeug den Strom im Batteriesatz verbraucht, werden die gespeicherten Lithium-Ionen zwischen den beiden Elektroden (von der Anode zur Kathode) bewegt und erzeugen so Energie in Form von Strom. Auf diese Weise kann sich ein Elektrofahrzeug fortbewegen.

Beim Aufladen des Fahrzeugs passiert das Ganze in umgekehrter Richtung. 

Aufgrund der chemischen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien kommt es leider im Laufe der Zeit und durch mehrfaches Aufladen zu einer Verschlechterung der Batterieleistung. Doch die Zukunft hält vielversprechende Lösungen bereit! 

Festkörperbatterien gelten als der nächste große Entwicklungsschritt von Elektrofahrzeugen. Obwohl sie sich noch in der Entwicklung befinden, wird erwartet, dass Festkörperbatterien den aktuellen Lithium-Ionen-Batterietyp deutlich überdauern und ihre optimale Leistung 30 Jahre lang beibehalten. Das würde sich auch auf die Reichweite eines Elektrofahrzeugs auswirken, die laut einigen Berichten um etwa 50 % steigen soll. 

Da viele große Hersteller an Festkörperbatterien forschen, dürfte es nicht mehr allzu lange dauern, bis sie auf den Markt kommen …

Wenn du schon einmal ein Fahrzeug mit Schaltgetriebe gefahren bist, wirst du das ruckelige Gefühl beim Schalten nur zu gut kennen – aber weißt du auch, warum das so ist? 

In einfachen Worten: Verbrennungsmotoren sind nicht effizient. Anstatt das Drehmoment (die Leistung) sofort zur Verfügung zu stellen, verbrennt ein ICE Kraftstoff, um die Drehzahl an die Fahrgeschwindigkeit beim Bremsen und Beschleunigen anzupassen. Es wird also ein Getriebe benötigt, um die Motorleistung (in kleinen Mengen) auf den Rest des Fahrzeugs zu übertragen. 

Da Elektromotoren wesentlich mehr Umdrehungen haben, wird das Drehmoment fast sofort erreicht. Deshalb haben Elektrofahrzeuge keinen bestimmten „Drehzahlbereich“ und brauchen im Gegensatz zu Fahrzeugen mit ICE kein Getriebe, um die Kraft auf den Rest des Fahrzeugs zu übertragen. EV-Motoren drehen sich in eine Richtung, um vorwärts zu fahren, und in die andere, um rückwärts zu fahren. 

Wie wirkt sich das auf das Fahrerlebnis aus? Es ist viel ruhiger! Da die Beschleunigung nicht unterbrochen wird, erzielt das Elektrofahrzeug eine optimale Leistung. Vergiss also die Schaltung (und das Getriebe) und setze in Zukunft auf das Ein-Gang-Getriebe.

Kosmischer Fakt!

Ein-Gang-Getriebe sind nicht dasselbe wie Automatikgetriebe, weil letztere trotzdem Gänge haben, um mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu fahren. Elektrofahrzeuge schalten auf Knopfdruck zwischen „Parken“, „Fahren“ und „Rückwärtsfahren“ um – ganz ohne Getriebe.

Wahrscheinlich hast du schon mal etwas von „regenerativem Bremsen“ gehört, aber was bedeutet das eigentlich? Bremsen ist bremsen, oder? Wie groß kann der Unterschied zwischen EV- und ICE-Bremsen schon sein? Ziemlich groß, wie sich herausstellt. 

Wie wir bereits erwähnt haben, sind ICE-Fahrzeuge ineffizient, und ihr Bremsmechanismus bildet leider keine Ausnahme. 

Wenn sich ein Fahrzeug bewegt, nimmt es kinetische Energie auf – und wie wir alle im Physikunterricht gelernt haben, muss diese Energie irgendwohin. Leider wird die kinetische Energie beim mechanischen Bremsen (das in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zum Einsatz kommt) als Abfallprodukt in Form von Wärmeenergie freigesetzt. Deshalb heizen sich Bremsscheiben auf und nutzen sich mit der Zeit ab. 

Zum Glück ist das bei den Bremsen von Elektrofahrzeugen anders. Anstatt die kinetische Energie als Abfallprodukt freizusetzen, wandelt das regenerative Bremsen sie in elektrische Energie um, die in der Batterie gespeichert wird. Das ist nicht nur effizienter, sondern verbessert auch die Reichweite deines Fahrzeugs, weil die Energie wieder zur Batterie zurückgeführt wird. 

Wie funktioniert das in der Praxis? 

Stell dir vor, du fährst die Straße entlang und die Ampel vor dir schaltet auf Gelb – du fängst an zu bremsen. Durch das Betätigen des Bremspedals wird die kinetische Energie, die das Fahrzeug bewegt, auf den Motor übertragen, der das Fahrzeug abbremst. Während sich der Motor dreht, erzeugt er Strom, der in die Batterie des Elektrofahrzeugs zurückfließt und zur Verfügung steht, sobald die Ampel auf Grün springt und das Fahrzeug beschleunigt.

Kosmischer Fakt!

Obwohl Elektrofahrzeuge mit regenerativen Bremsen arbeiten, sind sie aus Sicherheitsgründen (im Falle eines Stromausfalls) und damit das Fahrzeug im Stand (wenn keine kinetische Energie übertragen wird) nicht rollt, zusätzlich mit einem hydraulischen Bremssystem ausgestattet.