WIE FUNKTIONIERT EIN E-ANTRIEB

(Quelle: VDA - Elektromobilität)

Elektrischer Strom hat etwas Faszinierendes. Denn anders als Benzin oder Diesel kann man ihn weder sehen noch riechen. Er fließt einfach. Doch wie kann er Autos zum Fahren bringen? Elektromotoren wandeln Kraft, die durch Elektromagnetismus entsteht, in eine Drehbewegung um. Sie haben grundsätzlich einen fest mit dem Gehäuse verbundenen Stator und einen Rotor. Die Drehbewegung wird mithilfe wechselnder Magnetfelder eingeleitet. Diese überträgt der Rotor dann auf die Achse des Fahrzeugs. Es gibt allerdings sehr unterschiedliche Ausführungen von Elektromotoren. Bei Gleich-strommotoren beispielsweise wird der Polwechsel der Magnetfelder durch die Bewegung des Rotors selbst über Schleifkontakte erzeugt. In diesem Fall entsteht dann das Magnetfeld über die Rotorwicklung, durch die Strom von ständig wechselnder Polarität fließt: mal plus, mal minus. Doch die Schleifkontakte nutzen sich über die Zeit des Betriebes ab, was den Wirkungsgrad des Motors verringert. 
 

Dieser Verschleiß lässt sich bei Drehstrommotoren vermeiden. Der Drehstrom aus der Steckdose mit seinen drei Phasen garantiert quasi ein „natürliches“ Drehfeld. Versorgt man die Statorwicklungen mit ihnen, entstehen umlaufend sich auf- und abbauende Magnetfelder, denen der Rotor dann folgt. Doch auch das hat seine Tücken. Die Batterien in Elektrofahrzeugen liefern nämlich Gleichstrom. Um die verschleißärmeren Drehstrommotoren nutzen zu können, sind zusätzliche Steuerelemente notwendig. Die sogenannten Wechselrichter wandeln die Gleichspannung der Batterie in Wechselspannung um.

 

Nach heutigem Stand der Technik werden in Elektrofahrzeugen vor allem synchron laufende Drehstrommotoren eingesetzt. Hier bewegt sich der Rotor synchron zum magnetischen Drehfeld des Stators. Diese Motoren zeichnen sich durch einen besonders hohen Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte aus. Dabei werden im Rotor zurzeit vorwiegend Dauermagneten eingesetzt. Diese sind aber relativ teuer. Das liegt an den Seltenen-Erden-Elementen, die für die Herstellung permanenter Magneten nötig sind. Die steigende Nachfrage verteuert diese erheblich. Einen Ausweg bietet jedoch die Magnetisierung des Rotors durch zusätzliche Stromzufuhr. Der verringert wiederum den Wirkungsgrad. Außerdem steigt der Regelbedarf durch elektronische Steuerelemente.

Diese werden unter dem Begriff Leistungselektronik zusammengefasst. Sie steuert aber nicht nur den Fluss des Stroms zur Antriebsmaschine, sondern sorgt auch für die Rückspeisung von Bremsenergie in die Batterie. Außerdem überwacht die Leistungselektronik den Ladestand der Batterie sowie die Temperatur des Motors und anderer wesentlicher Bauteile. Am wichtigsten ist aber, dass sie den sogenannten Fahrwunsch in die Steuergrößen des Motors verwandelt.

 

Die Leistungselektronik ist dabei wesentlich komplexer als der Motor selbst und braucht beispielsweise eine eigene Kühlung. Die Technik hat noch Entwicklungspotenzial. Heute kostet eine Leistungselektronik etwa doppelt so viel wie der Motor. Außerdem nimmt sie noch recht viel Platz ein. Deswegen arbeiten Forscher vor allem an der Reduzierung der Kosten und des Volumens. Experten gehen von einem Einsparpotenzial von 50 Prozent aus. Ein geringeres Volumen würde sie zudem leichter machen.

 

Mit Leichtigkeit zu mehr Reichweite und weniger CO2-Ausstoß

Überhaupt spielt das Gewicht eine entscheidende Rolle. Denn die Batterie macht das Fahrzeug schwer, was die ohnehin niedrigere Reichweite von Elektrofahrzeugen noch verringert. Deshalb kommt es darauf an, diesen Gewichtsnachteil in Elektrofahrzeugen auszugleichen. Das nutzt natürlich auch herkömmlichen Fahrzeugen.

100 Kilogramm weniger Gewicht sparen rund 0,3 Liter Benzin auf 100 Kilometern. Dies mag verhältnismäßig gering erscheinen. Doch auf ein Autoleben gerechnet kommen da einige Liter zusammen. Wenn es gelingt, das Gewicht deutlich zu reduzieren, verbessert das die CO2-Bilanz aller Autos erheblich. Das Gesamtgewicht eines durchschnittlichen Personenkraftwagens verteilt sich auf etwa 40 Prozent Karosserie, 25 Prozent Fahrwerk, 20 Prozent Ausstattung inklusive Elektrik und 15 Prozent Antrieb. Die Entwicklung der Gewichtsreduktion konzentriert sich also auf Karosserie und Fahrwerk, weil dort am meisten zu holen ist.

Das Zauberwort heißt Leichtbau. Darunter versteht man eine Konstruktionsphilosophie: Alle konstruktiven, werkstoff- und fertigungstechnischen Mittel müssen darauf ausgerichtet sein, die Masse eines Produkts zu reduzieren und seine Gebrauchsgüte zu erhöhen.

 

 

Die Elektrifizierung des Antriebsstranges sowie der Einsatz neuer Materialien im Fahrzeugbau werden die Produktionsprozesse nachhaltig beeinflussen. Allein wegen der unterschiedlichen Antriebskonzepte werden kurz- und mittelfristig eher zusätzliche Bauteile hergestellt werden müssen. Langfristig jedoch werden viele herkömmliche Komponenten entfallen.

Fahrzeuge mit Hybridantrieb werden aufgrund des zweiten Motors eher komplexer in ihrem Aufbau und im Zusammenspiel der Komponenten. Bei reinen Elektrofahrzeugen jedoch ist die Bauweise eher einfacher. Dies hat besonders Auswirkungen auf die Prozesse in der Metallbearbeitung, also das Bohren, Fräsen und Schleifen von Bauteilen. Ohne Getriebe und mit einem weniger komplexen Motor wird sich der Fokus auf die Bearbeitung von Kunststoffen und der elektronischen Steuerung verschieben.

Es sind also neue Qualifikationen und neue Arbeitsbereiche gefragt, damit die deutsche Automobilindustrie ihrer Vorreiterrolle weiter gerecht werden kann.