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Elektroauto fahren: Diese Technologien gibt es
23. Dezember 2021
Elektromobilität

Elektroauto fahren: Diese Technologien gibt es

Ein Elektroauto zu fahren unterscheidet sich kaum von herkömmlichen Autos: Sie haben vier Räder, Platz für zwei oder mehr Personen und einen Motor. Wobei, da geht es mit den Änderungen schon los: Manche E-Autos haben bis zu vier Motoren. Im Detail unterscheiden sich Elektroautos eben doch stark von Allem was vor Ihnen war. Während der Fahrt kriegt man davon weniger mit, aber auch hier warten einige spannende und praktische Neuerungen, auf alle die bereit sind den großen Wechsel auf E-Mobilität zu vollziehen.

Die besonderen Eigenschaften und die neue Mechanik führt dazu, dass Autohersteller und Gesetzgeber neue Technologien erfinden, oder einfordern müssen. Einige dienen der Sicherheit, andere der Effizienz und dem Komfort. Zum Teil gab es sie auch schon, aber erst das Elektroauto prägt sie jetzt. Welche das sind und wie sie funktionieren, verrät unsere Übersicht.

Neun Technologien im Überblick:

  1. Rekuperation

  2. One-Pedal-Driving

  3. Tempobegrenzer

  4. Extrem drehmomentstarke Motoren

  5. Akustisches Fahrzeugwarnsystem (AVAS)

  6. Karosserien ohne Lüftungsöffnungen

  7. Wärmepumpen

  8. Neue Ladestrategien im Navi

  9. Vereinfachte Fahrzeugstrukturen

Rekuperation: die Zurückgewinnung von Bremsenergie

Viele Cockpits visualisieren den Grad der Energierückgewinnung durch den Bremsvorgang (Bild: Audi).

Beim Bremsen verringert sich die Geschwindigkeit; dabei entsteht Wärme. Wärme ist (auch) Energie! Mechanisch funktioniert das so: Tritt man das Bremspedal, presst der Bremssattel die Bremsbeläge stark an die sich drehenden Bremsscheiben. Die Reibung verlangsamt die Rotation der Scheibe und damit des Rades. Die Bewegungsenergie wird dabei in Hitze umgewandelt. Fürs Auto ist die Hitze nicht nutzbar – es handelt sich also um verschwendete Energie.

Elektromotoren eröffnen nun die Chance diese Energie zu nutzen. Denn sie funktionieren in zwei Richtungen: Versorgt man sie mit Strom, können sie ein Auto antreiben. Lässt man das Auto die Motoren (elektrotechnisch „Rotoren“) drehen, erzeugen sie Strom. Man kennt es vielleicht noch aus dem Physik-Unterricht als das „Generator-Prinzip“, wonach im Prinzip alle Elektromotoren funktionieren. Der Bremsvorgang heizt so nicht mehr nur die Radkästen auf, sondern lädt den Akku.

Man spricht von Rekuperation: Der Rückgewinnung (genauer: Umwandlung) der Bremsenergie. Die Bewegungsenergie wird über die großen Elektromagneten in Strom umgewandelt, dieser Prozess verlangsamt die Drehbewegung automatisch. Das erlaubt auch große Effizienzgewinne, denn auf diese Art gesammelte Energie verlängert die Reichweite des Autos. Deshalb sind Elektroautos im Stop-And-Go-Betrieb besonders sparsam und somit ideale Stadtautos. Bei vielen Modellen lässt sich die Rekuperationsstufe, bzw. Brems-Intensität manuell einstellen.

Rekuperative Bremsen gibt es nicht erst seit dem Aufkommen der Elektroautos. Im Fahrzeug- und Lokomotivbau wird die Technik seit mehr als 100 Jahren genutzt. Bekannt wurde sie, weil sie ein Kernbestandteil der Hybridtechnik ist, die Toyota 1998 mit dem ersten Prius einführte. Bei dieser Technik ergänzt ein kleiner Elektromotor den Verbrenner, um ihn in ineffizienten Fahrsituationen zu unterstützen. Die Energie dafür sammelt er beim Bremsen. Damit sinkt der Kraftstoffverbrauch deutlich.

One-Pedal-Driving: das Bremspedal hat Pause

Der Ioniq Elektro von Hyundai kann auch nur mit einem Pedal gefahren werden (Bild: Hyundai).

Das One-Pedal-Driving, also das Fahren mit nur einem Pedal, macht sich die Funktion der Rekuperation dann im vollen Umfang zunutze. Lässt der Fahrer das „Fahrpedal“ – eigentlich dürfte es jetzt nicht mehr „Gaspedal“ heißen – los, schaltet der Elektromotor sofort in den Rekuperationsmodus um. Er gibt keine Bewegungsenergie mehr ab, entkoppelt die Motoren aber auch nicht, wie beim Auskuppeln oder Schalten in „Neutral“ beim Verbrenner. Das heißt das Auto segelt nicht mehr einfach vor sich hin, sondern wird spürbar langsamer.

Autos die One-Pedal-Driving ermöglichen, sind so abgestimmt, dass ein vorausschauendes Fahren ohne den Einsatz des Bremspedals möglich ist. Sie verzögern variabel stark, wenn der Druck auf das Pedal sinkt und können bis zum Stillstand bremsen. Weil bei geringer Geschwindigkeit nur wenig Energie umgesetzt werden kann, nehmen sie sich die Reibbremse zu Hilfe. Mit geschickter Dosierung des Fahrpedals lässt sich das Fahrzeug dennoch gleichmäßig und sanft bewegen. Diverse Elektroautos und Hybride unterstützen diese Art des Fahrens, zum Beispiel:

Theoretisch ließe sich dieses Fahrprinzip in jedem Auto umsetzen, unabhängig vom Antrieb. Das Gaspedal ist bei Verbrennern heutzutage nicht mehr mechanisch mit dem Motor verbunden, sondern gibt ein elektrisches Signal ab. Die Bremsanlage lässt sich ebenfalls elektrisch ansteuern. Der Gedanke hinter dem One-Pedal-Driving liegt aber auf der erlebbaren Rückgewinnung der Bewegungsenergie. Deshalb bleibt es Elektroautos und Hybriden vorbehalten.

Tempobegrenzer: softwaregesteuerte Höchstgeschwindigkeit

Viele Elektroautos fahren mit untypisch niedrige Höchstgeschwindigkeiten. BMW begrenzt den i3 bei 150 km/h, Volkswagen den VW ID.4 bei 160 km/h, Mercedes den EQS bei 210 km/h. Üblich wären im Segment eher 200, 220 und 250 km/h. Diese Maßnahme hat zwei Gründe: Zum einen sinkt die elektrische Reichweite bei hohen Geschwindigkeiten drastisch. Zum anderen fällt es damit leichter, einen guten Kompromiss aus Beschleunigung und Kosten zu finden.

Der erste Punkt ist leicht erklärt: Mit zunehmender Geschwindigkeit steigt der Kraftstoffverbrauch exponentiell. Bedeutet: Für etwas mehr Tempo brauchen Elektroautos viel mehr Strom. Die meisten Exemplare haben hohe Karosserien, die dem Wind einen ordentlichen Widerstand entgegenstellen. Diese Eigenschaft verstärkt den Effekt. Wer im Elektroauto rast, muss deutlich häufiger laden.

Hinzu kommt eine technische Eigenheit von Elektromotoren. Die meisten von ihnen verzichten auf ein Getriebe mit Gängen. Sie sind per fester Übersetzung mit der Achse verbunden. Technisch ist das vergleichbar mit einem Verbrenner, der stets im vierten Gang arbeitet – möglich dank des viel höheren Drehmoments. Von Elektromotoren erwartet man aber, dass sie spontan kräftig anfahren können. All das lässt sich leichter umsetzen, wenn das Höchsttempo begrenzt ist. So sparen die Hersteller Kosten, Aufwand, Bauraum und das Gewicht für Getriebe.

Elektrische Begrenzungen der Höchstgeschwindigkeit gibt es schon seit vielen Jahre. In ihrer bekanntesten Form geht sie auf eine freiwillige Vereinbarung diverser Autohersteller zurück. In den 1980er Jahren stimmten fast alle deutschen Autobauer darin überein, dass es trotz zunehmend steigender Motorleistungen nicht zu einem Tempo-Wettrüsten auf Autobahnen kommen sollte. Sie verabredeten einen Tempodeckel bei 250 km/h. Japanische Autobauer schlossen einen ähnlichen Vertrag und deckelten bei 180 km/h. Mittlerweile wurden diese Vereinbarungen aufgeweicht.

Überraschend starke Motoren: 500 PS in der Mittelklasse

Im klassischen Automobilbau bestimmt die Motorleistung den Preis maßgeblich. Logisch: Mehr Leistung erfordert größere, bzw. kompliziertere Motoren. Die rechtfertigen die hohen Kosten. Bei Elektroautos scheint es ähnlich zu sein: Viele von ihnen sind stark und teuer. Aber hängt das wirklich so eindeutig zusammen?

Nein. Bei Elektroautos sind die Akkus die Preistreiber, nicht die Motoren. Die Batterien bestimmen die Preisklasse. Über die Motorleistung können Hersteller ihre Elektroautos in die Preisschablone pressen, die sie für ihre Verbrenner angefertigt haben. Die tatsächliche Leistung eines Elektroautos spielt dabei kaum eine Rolle. Viele Modelle verfügen in allen Leistungsstufen über baugleiche Motoren. Welche Leistung sie abgeben steuert die Software.

Verfügt das Elektroauto über Allradantrieb, steigt die Gesamtleistung automatisch drastisch. Denn eine komplizierte Konstruktion mit Winkeltrieb, Kardanwelle und Differenzial ist im Elektroauto unnötig. Ein zweiter Motor lässt sich viel einfacher einbauen. Der addiert seine Leistung zu der des bereits vorhandenen Antriebs. Auf die Reichweite wirkt sich die Leistung übrigens nicht zwangsläufig aus: Stärkere Elektromotoren verbrauchen nicht unbedingt mehr Strom als schwache, wenn sie gleichschnell gefahren werden. Viel eher kommt es auf die Fahrweise an.

AVAS: Spiel mir das Lied vom Elektroauto

Mercedes-Benz und andere Hersteller erstellen für ihre Elektroautos einzigartige Fahrzeug-Soundkulissen (Bild: Daimler).

Elektroautos fahren leise. Das ist angenehm und komfortabel, aber gleichzeitig gefährlich. Denn wer das Auto übersieht – oder nicht sehen kann – der nimmt es nicht wahr. Die Lösung heißt Acoustic Vehicle Alerting System, kurz: AVAS. Oder auf Deutsch: Akustisches Fahrzeugwarnsystem.

Bei geringen Geschwindigkeiten gibt das AVAS ein Geräusch ab, das Verkehrsteilnehmer auf das Fahrzeug hinweist. Seit April 2014 müssen alle in Europa neu zugelassenen Fahrzeuge über ein solches System verfügen. Eine EU-Verordnung sieht vor, dass das AVAS über eine Lautstärke von mindestens 56 dB(A) verfügt. Das entspricht ungefähr der Lautstärke einer ruhigen Unterhaltung. Kurios: Manche Verbrenner sind daher leiser. Ab ungefähr 20 km/h sind Reifen- und Windgeräusche laut genug, um das System überflüssig zu machen. Es schaltet sich dann selbstständig ab.

Karosserien ohne Lüftungsöffnungen: glatte Elektroauto-Körper

Viele Elektroautos imitieren optisch Verbrenner: Sie verfügen über (angedeutete) Kühlergrills und Hutzen. Tatsächlich fallen die Lüftungsöffnungen aber vergleichsweise klein aus. Das ermöglicht den Designern, glattere Karosserien zu zeichnen, was sich gut an den Elektroautos von Tesla und VW beobachten lässt. Der Grund: Elektroautos erzeugen weniger Abwärme als Verbrenner. Sie müssen also nicht so stark gekühlt werden; wobei das bei modernen Verbrennern auch nicht unbedingt der Fall ist. Die riesigen Grills von Audi und BMW (z.B.) werden außschließlich aus Marketing-Gründen verbaut.

Wärmepumpen: Heizung ohne Benzin

Ohne die Abwärme eines Verbrenners fällt es einem Elektroauto schwer, den Innenraum aufzuheizen. Sitz-, Lenkrad- und Scheibenheizungen bekämpfen die Symptome, aber nicht die Ursache. Normale elektrische Heizungen sind sehr ineffizient. Hersteller von Elektroautos greifen deshalb auf sogenannte Wärmepumpen zurück.

Die funktionieren ähnlich wie Klimaanlagen nur umgekehrt: Ein Kältemittel wird verdichtet und erwärmt sich im Prozess. Dieses Mittel heizt über einen Wärmetauscher dann den Innenraum und verbraucht dabei wenig Strom. Einige Hersteller installieren serienmäßig Wärmepumpen in ihren Autos. Andere bieten sie als kostenpflichtiges Extra an.

Ladestrategien im Navi: Fahr' mich zur Ladesäule

Damit nicht mittendrin die Batterie leer ist, helfen Navigationssysteme von E-Autos bei der Routenplanung mit Ladestationen – hier beim Ioniq 5 (Bild: Hyundai).

Die Reichweite bleibt eines der Kernthemen in der Elektromobilität. Um Langstreckenfahrten so unkompliziert wie möglich zu gestalten, programmieren die Hersteller Algorithmen für eine Ladestrategie in die Navigationssysteme.

Sie kennen den Akkustand und den Stromverbrauch der Autos, die Topographie der Strecke und können den Ort prognostizieren, an welchem dem Elektroauto voraussichtlich der Strom ausgeht. Entsprechend planen sie einen oder mehrere Ladestopps ein. Wer sich an diese Empfehlungen hält, rollt ohne Reichweitennot ans Ziel. Wenn sich Fahrstil oder -strecke ändern, passen die Systeme die Route an.

Vereinfachte Fahrzeugstrukturen: zwei halbe Autos

Autokarosserien bestehen aus unzähligen Einzelteilen, die miteinander verschweißt, verklebt, vernietet oder verklemmt sind. Das soll sich bald ändern: Tesla arbeitet daran, die Struktur des Model Y aus zwei Einzelteilen zusammenzusetzen. Riesige Aluminium-Druckgussformen stellen jeweils den kompletten Vorder- oder Hinterwagen her. Beide Teile werden mit dem Akku kombiniert und mit den Außenblechen beplankt – fertig ist die Karosserie.

Wenn diese Technik serienreif ist, spart sie unzählige Arbeitsschritte und viel Platz in den Werken. Langfristig werden andere Hersteller nachziehen und die Prozedur unabhängig vom Antrieb anwenden. Der Ursprung liegt allerdings in der Elektromobilität.

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Titelbild: BMW

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