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Beschleunigung von Elektroautos

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Die Anzahl der E-Fahrzeuge in Deutschland steigt stetig an.
Die Anzahl der E-Fahrzeuge in Deutschland steigt stetig an (Bildquelle: TommL/iStock/Thinkstock)

Lange Zeit waren Elektrofahrzeuge eher unbeliebte Fortbewegungsmittel. Zu wenige Tankstellen, eine zu kurze Reichweite und hohe Kosten schreckten viele vom Kauf ab. In den letzten drei Jahren ist ihre Zahl allerdings deutlich gestiegen. Über 12.000 Elektroautos fahren inzwischen schon auf Deutschlands Straßen.

Bis 2017 sollen sämtliche in Europa zugelassene Fahrzeuge mit einheitlichen Steckertypen ausgestattet werden, um das Auftanken flexibler und leichter möglich zu machen. Damit gibt es weltweit nur noch zwei unterschiedliche Steckertypen für Elektrofahrzeuge.

Die Bundesregierung will bis 2020 eine Million Elektroautos auf die Straßen bringen und versucht, für den Kauf Anreize zu schaffen. So sind reine Elektrofahrzeuge, die bis Ende 2015 neu zugelassen werden, für zehn Jahre von der Kfz-Steuer befreit. Fahrzeuge, die ab 2016 bis 2020 zugelassen werden, genießen noch eine Steuerfreiheit von fünf Jahren. Darüber hinaus sollen im Frühjahr 2015 die Kommunen selbst darüber entscheiden können, welche Vergünstigungen sie für E-Fahrzeuge anbieten, etwa das Nutzen von Busspuren, kostenloses Parken oder spezielle Zufahrtsreche. Bis 2020 hat das Europäische Parlament vorgesehen, dass alle Neuwagen nur noch eine CO2-Emission von 95g/km aufweisen dürfen.

Abb. 1: Anzahl der E-Autos in Deutschland bis 2014 (Quelle: © Statista)

Anzahl der Elektroautos in Deutschland

Wie funktioniert ein Elektromotor?

Für Elektrofahrzeuge sind drei verschiedene Motorentypen möglich:

  • Gleichstrommotoren
  • Drehstrommotoren
  • Spezialmotoren

Gleichstrommotoren

Die Funktionsweise ist dabei bei allen Typen im Grunde genommen gleich. Über elektromagnetische Felder und Induktion werden magnetische Kräfte erzeugt. Gleichstrommotoren bestehen aus einem feststehenden Dauermagneten (Stator) und einem Eisenkern, der mit Kupferdraht umwickelt ist (Rotor). Dieser Eisenkern ist drehbar im magnetischen Feld des Dauermagneten platziert. Wird der Eisenkern unter Strom gesetzt, entsteht das notwendige Magnetfeld, das mit dem des Dauermagneten in eine wechselseitige Wirkung tritt. Beide Magnete ziehen sich beständig an und stoßen sich ab, sodass eine Drehbewegung erzeugt wird. Ein sogenannter Kommutator sorgt dafür, dass der Strom seine Richtung ändert, sobald beide Magnetfelder gleichgerichtet sind, damit der Rotor nicht stoppt.

Drehstrommotoren

Beim Drehstrommotor wird anstelle eines Dauermagneten ein Elektromagnet verwendet und anstelle eines Kommutators sorgt Wechselstrom dafür, dass der Rotor nicht stehenbleibt. Der Unterschied zwischen Gleich- und Wechselstrommotoren besteht also darin, dass sich das Magnetfeld dreht, während es beim Gleichstrommotor in der gleichen Position bleibt. Gleichstrommotoren sind auf eine maximale Drehzahl von 7.000 Umdrehungen in der Minute beschränkt. Drehstrommotoren dagegen können bis zu 14.000 Umdrehungen erreichen.

Gleichstrommotoren unterteilen sich noch in Gleichstromreihenschlussmotoren und meist wird der Motor beim Fahrzeug in der Nähe der Drehachsen platziert, um die Räder per Direktantrieb über die Achsen zu bewegen. Die hierfür notwendige Energie bezieht er aus den Batterien. Da ein Elektromotor sofort mit Volllast läuft, sobald die Kontakte unter Strom stehen, wird seine Laufleistung über eine elektronische Regelung dosiert.

Generell haben Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren den Vorteil, dass sie einen höheren Wirkungsgrad erzielen und damit deutlich weniger Energieverluste produzieren. Beim Bremsen und Ausrollen können sie beispielsweise frei gewordene Energie zurückgewinnen und in den Akku einspeisen. Der Akku selbst benötigt aufgrund seiner Größe relativ viel Platz und macht einen großen Teil des Gewichts bei den Fahrzeugen aus. Die Funktionsweise von in Elektrofahrzeugen verwendeten Akkus wird in diesem Artikel ausführlich erläutert.

Abb. 2: Die Reichweite von Akkus wird zunehmend verbessert (© Def-Ormation (CC BY-SA 1.0))

Die Reichweite von Akkus wird zunehmend verbessert.

Aufgrund ihrer reibungsarmen Funktionsweise erzeugen Elektromotoren deutlich weniger Abwärme und weisen eine sehr geringe Geräuschentwicklung auf. Während normale Verbrennungsmotoren eine Leistung von 30 Prozent bei Benzinmotoren und 40 Prozent bei Dieselmotoren erreichen, schaffen Elektromotoren eine Leistung von 80 bis 90 Prozent. Darüber hinaus sind sie bereits ab den niedrigen Drehzahlen effizient und ermöglichen stufenlos ein gleichmäßiges Drehmoment, sodass die Notwendigkeit eines Getriebes nebst Kupplung entfällt, was den Elektromotor in seinem Aufbau schlichter gestaltet und damit weniger anfällig macht für Verschleiß und Fehlfunktionen. Drehstrommotoren sind zudem relativ kostengünstig herzustellen; der aktuell noch recht hohe Preis für Elektrofahrzeuge ergibt sich aus den Kosten für die Akkus und aus der niedrigen Stückzahl der hergestellten Fahrzeuge.

Mehr Beschleunigung trotz weniger PS

Die Leistung eines Autos berechnet sich durch sein Drehmoment und die Winkelgeschwindigkeit. Die eigentliche Beschleunigung wird durch das Drehmoment am Rad erzeugt. Dadurch, dass Elektromotoren ab der ersten Drehzahl ihr volles Drehmoment entfalten, entfalten sie auch unmittelbar mehr Beschleunigung.

Verbrennungsmotoren dagegen erzeugen mit steigender Drehzahl mehr Reibung, womit das Drehmoment sinkt und damit auch die Leistung des Motors. Bei Elektrofahrzeugen wird die Leistung häufig in kW angegeben; ein Umrechner von kW in PS findet sich beispielsweise auf autoscout24.de.

Die relativ niedrigen Höchstgeschwindigkeiten ergeben sich vor allem daraus, dass hohe Geschwindigkeiten auch mehr Energie benötigen was die Batterien des Fahrzeugs schneller entleert und stärker belastet. Aufgrund der derzeit noch relativ geringen Reichweite wird entsprechend auf zu hohe Geschwindigkeiten verzichtet. Allerdings ist nicht nur die benötigte Energie das Problem, sondern auch die Temperatur. Mit vermehrter Energieübertragung entsteht in Kabeln und Batterien eine größere Hitze, was auf Dauer Kabel und Akkus beschädigen würde.

Im November 2014 knackte das Elektrorennfahrzeug „Grimsel“ den bis dato feststehenden Beschleunigungsrekord für E-Autos. Die Geschwindigkeit von 100 km/h erreichte es innerhalb von 1,785 Sekunden und 30 Metern; der vorherige Rekord lag bei 2,134 Sekunden. „Grimsel“ wurde von Studierenden der ETH Zürich und der Hochschule Luzern entwickelt und gebaut. Das Fahrzeug bietet eine Leistung von 200 PS und wiegt dabei nur 168 Kilogramm.

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