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Als '''Elektroauto''' (auch '''E-Auto''', '''elektrisches Auto''', '''elektrisch betriebenes Auto''') wird im weitesten Sinne ein bezeichnet, das mindestens einen zum Antrieb nutzt. Dieser Artikel konzentriert sich auf rein batterieelektrische Autos, sogenannte '''BEV''' (englisch ''battery electric vehicle''). Andere Konzepte sind und .
Elektroautos verzeichnen seit ca. 2010 weltweit steigende Marktanteile und werden als wichtiger Beitrag zur gesehen.
Begriffe und Definitionen
In enger Auslegung, die unter anderem auch vom vertreten wird, versteht man unter Elektrofahrzeugen nur solche ?mit ausschließlich elektrischer Energiequelle?, was bei Autos nach derzeitigem Stand der Technik nur rein batterieelektrische Autos sind. Auch wurde das Starten von Benzinern durch den Anlasser anstelle des Ankurbelns sehr viel bequemer. Benzin wurde durch den Einfluss der der hauptsächliche Kraftstoff in den USA und in allen von der Standard Oil beeinflussten Ländern.
Verbreiten konnte der Elektroantrieb sich jedoch in Fahrzeugen, welche die Fahrenergie aus en beziehen (, , ) oder selbst erzeugen ().
Eine der Nischen, in der sich Kraftfahrzeuge mit Elektromotor hielten, war auch der Nahverkehr mit kleinen für die tägliche Anlieferung von Milchflaschen in und Teilen der , den ''s.'' Weitere Nischenanwendungen waren und sind elektrisch betriebene , n und e.
Die zunehmende Verkehrsdichte führte ab den 1960er Jahren .'' 5/1967, S. 157.</ref> Jahrzehntelang hatten derartige Vorstöße jedoch noch keine praktischen Auswirkungen.
Renaissance (1990?2005)
Bestrebungen, Autos mit Elektromotoren anzutreiben, wurden erst nach der durch den ausgelösten der 1990er Jahre verstärkt erwogen. Die von der ausgearbeitete und 1990 in Kalifornien als Gesetz verabschiedete Regelung, stufenweise anbieten zu müssen, zwang die Automobilindustrie zu Produktentwicklungen. In Deutschland konnten einzelne progressive Entwicklungen wie der E-Scooter ohne gesetzliche Förderung am Markt nicht bestehen.
Zunehmend wurden neue ( und später zu ) statt der bisherigen Bleiakkumulatoren verwendet. Beispiele sind der Volkswagen Golf , oder die .
Von 1996 bis 1999 baute mit dem ein Serien-Elektromobil in einer Auflage von etwa 1100 Stück. Toyota baute etwa 1500 Stück des vollelektrischen Geländewagens , Nissan etwa 220 Stück , und Honda den . Die Produktion der meisten Elektroautos wurde nach Lockerung der CARB-Gesetzgebung eingestellt und die Auslieferungen gestoppt (siehe auch '''').
In Europa wurden seit den 1990er Jahren verschiedene e produziert, wie der , das oder das Elektrofahrzeug . produzierte von 1995 bis 2005 etwa 10.000 elektrisch angetriebene Autos (Saxo, Berlingo, 106, Partner), die nur in Frankreich, den -Staaten und Großbritannien angeboten wurden.
Ab 2003 wurden vor allem von kleineren, unabhängigeren Firmen Elektroautos entwickelt oder Serienfahrzeuge umgebaut, wie die Kleinwagen oder .
Entwicklungen seit 2006
2006 wurde der Sportwagen des neu gegründeten Herstellers vorgestellt, der mit ca. 350 km Reichweite und seinen Fahrleistungen die aktuellen technischen Möglichkeiten aufzeigte. Teslas Markteintritt gilt als Katalysator für das in der Folge weltweit zunehmende Interesse für Elektroautos, da es mit dem Roadster und dem 2012 eingeführten und dem -Ladenetz bislang nicht gekannte Rekorde bezüglich Reichweite, Fahrleistungen und Ladegeschwindigkeit erzielte.
Ab 2007 kündigten viele etablierte Hersteller Neuentwicklungen an.
2009 startete der auf den Markt, der bis 2020 das weltweit meistverkaufte Elektroauto war.
Weitere wichtige Markteinführungen von Elektroautos waren 2012 die Kleinwagen . 2013 folgten unter anderem , , und . Der ebenfalls 2013 eingeführte erregte Aufsehen nicht nur durch den Antrieb, sondern auch durch sein Karbonfahrgastzelle.
2014 erregte die Aufsehen, weil sie mit der Fertigung eines eigens konstruierten elektrischen Lieferwagens begann.
Seit Juli 2017 wird das produziert und seit Februar 2019 in Europa ausgeliefert.
Im September 2019 stellte auf der das Elektroauto vor. Das Unternehmen will bis 2030 die Hälfte seines Modellangebots auf batterieelektrische Autos umgestellt haben und Weltmarktführer in der Elektromobilität werden.
Fahrzeugtechnik
Allgemeine Eigenschaften
en haben im Gegensatz zu en keine Leerlauf-Mindestdrehzahl und geben aus dem Stillstand heraus über einen sehr weiten ein hohes ab. Elektroautos brauchen deshalb kein (manuelles oder automatisches) , keine und keinen zum Anfahren. Ebenso kann auf viele weitere reparaturanfällige oder wartungsintensive Komponenten verzichtet werden (siehe ). -Elektromotoren benötigen zur Umformung des in der Regel aus n bereitgestellten s eine .
Elektromotoren sind wesentlich leiser als Otto- oder Dieselmotoren, fast vibrationsfrei und emittieren keine schädlichen Abgase. Sie bestehen typischerweise aus weniger Teilen und sind bei gleicher Leistung kleiner, zudem ist ihr Wirkungsgrad mit 85?95 % deutlich höher als der eines modernen Verbrennungsmotors mit durchschnittlich 25 %. Durch die geringere von Akkumulatoren im Vergleich zu fossilen Kraftstoffen in Tanks ist die Masse von Elektroautos tendenziell höher als jene von herkömmlichen Automobilen, ihre geringer (s. ). Die Ladezeiten sind wesentlich länger als entsprechende Tankvorgänge (s. ). Heutige Elektroautos gewinnen Bremsenergie durch zurück.
Auch die Anordnung der Komponenten, das sogenannte Platznutzungskonzept, ist verändert. Beim Fahrzeugaufbau mit Verbrennungsmotor sind viele Komponenten um den Hauptantrieb herum angeordnet, während beim Elektroauto die Komponenten sehr viel dezentraler montiert werden können. Wesentliche Komponenten unterscheiden sich in ihrem Platzbedarf und ihrer Form: Der Motor und die Kühler sind beispielsweise kleiner, und das Akkusystem kann abhängig vom Fahrzeugkonzept in verschiedenen Bereichen der Karosserie platziert werden. Dadurch ergeben sich auch Vorteile:- Es ist eine strömungsgünstigere Frontpartie dank kleinerer Lufteinlässe für Kühler möglich.
- Es gibt mehr Platz für eine -freundliche Ausgestaltung des Vorderwagens (Raum für Verstrebungen und Kontakt-Platten).
- Ebenso erlaubt der geringere Platzbedarf einen größeren Lenkeinschlag und damit einen deutlich kleineren .)
- Der kann durch den schweren Akku unter dem Boden deutlich tiefer sein; hieraus ergibt sich ein besseres Fahrverhalten und mehr Sicherheit gegen Überschlag.
- Die Elektrifizierung der Servosysteme für n und erleichtert es, einen automatischen Betrieb oder Assistenzsysteme zu verwirklichen.
- Der kann bei gleicher Gesamtlänge größer ausfallen; hierdurch entsteht mehr Platz für Passagiere und ein höherer Fahrkomfort.
- Elektroantriebe benötigen keine Wartung.
Die meisten straßenzugelassenen Elektrofahrzeuge haben außer der großen Antriebsbatterie noch einen weiteren kleinen Akkumulator, meist eine 12-Volt-Bleibatterie. Er wird über die Antriebsbatterie geladen und versorgt einen Teil der Bordelektronik, vor allem die Fahrzeugbeleuchtung, speziell die Warnblinkanlage ? selbst wenn die Antriebsbatterie deaktiviert wurde (z. B. wegen Entladung oder Unfall).
Fahrzeugkonzepte
Elektroautos lassen sich nach ihrem Konstruktionsprinzip unterscheiden:- ''Neuentwickelte Elektroautos (sog. Purpose Design),'' bei denen keine konstruktiven Kompromisse bei der Umsetzung eingegangen werden müssen. Diesem technischen Vorteil steht der betriebswirtschaftliche Nachteil des hohen Einmalaufwands für die Neuentwicklung gegenüber, weshalb dieses Konzept hohe Produktionsstückzahlen erfordert. Beispiele sind u. a.der , alle , und der Sportwagen . stellen Elektroautos der Mittelklasse auf der eigens dafür entwickelten CMF-EV-Plattform her.
- ''Elektroautos als Anpassung konventioneller Autos (sog. Conversion):'' Hier werden in einem konventionellen Fahrzeug Komponenten des verbrennungsmotorischen Antriebs durch jene des elektrischen Antriebs ersetzt. Das erfordert konstruktive Kompromisse, da E-Motor und Batterie in den vorhandenen Bauraum eingepasst werden. Dem geringen Entwicklungsaufwand stehen hohe Teilekosten für die Sonderanfertigung von Antriebskomponenten gegenüber, weshalb sich dies für niedrige Produktionsstückzahlen eignet. Sowohl der Geländewagen .
- ''Elektroautos als Umrüstung von Serienfahrzeugen'' wie und ermöglichen kleinen Herstellern die Fertigung von Elektroautos. Dabei wird ein in Serie gefertigter neuer Antriebsstrang eingebaut, oder der Elektromotor wird an das serienmäßige Schaltgetriebe angeflanscht. Fahrleistungen, Reichweite und Verbrauch ähneln jenen aus Anpassungen von konventionellen Serienautos großer Hersteller. Höheren Fertigungskosten durch Kleinserienfertigung stehen flexible Anpassungsmöglichkeiten an Kundenwünsche und die Nutzung von nicht als Elektroversion erhältlichen oder Gebrauchtfahrzeugen als Basis gegenüber.
Antrieb
Elektromotoren laufen im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren mit sehr hohen Drehmomenten an. Der Fahrtregler, eine -Baugruppe, steuert den Antrieb. Die Elektromotoren können auf verschiedene Arten mit den Rädern mechanisch gekoppelt sein, zumeist über Untersetzungsgetriebe und n, im Rad integriert als oder z. B. bei Umrüstungen auch über das vorhandene .
Aufgrund des großen nutzbaren Drehzahlbereiches von Elektromotoren werden bei E-Fahrzeugen keine oder lösbaren en benötigt, jedoch sind in der Regel sgetriebe eingebaut. Elektromotoren können in beiden Richtungen laufen und benötigen daher auch keinen gesonderten Rückwärts-Getriebegang. Es sind jedoch unter Last schaltbare Zweiganggetriebe erhältlich, insbesondere für Fahrzeuge mittleren und größeren Gewichts. Bis zu fünf Prozent an Reichweite sollen damit herausgeholt werden können. Solche Zweiganggetriebe sind etwa, wenn der Hersteller unterschiedliche Motorleistungen alternativ für ein Fahrzeugmodell anbietet, in gewissen Auf- und Abstufungen skalierbar. Bei mehreren Antriebsmotoren (zum Beispiel je einer für Vorder- und Hinterachse) können die E-Motoren auch für verschiedene Geschwindigkeitsbereiche optimiert werden.
Elektromotoren sind einfacher und mit erheblich weniger beweglichen Teilen aufgebaut als Verbrennungsmotoren. Sie werden meist , gelegentlich auch .
Als Antrieb für Elektroautos kommen verschiedene Motortypen in Frage: Um die Vorteile permanenterregter und fremderregter Synchronmotoren zu vereinen, werden Kombinationen aus beiden eingesetzt. Hier verstärkt eine Feldspule das (schwächere) Dauermagnetfeld beim Anfahren.
Asynchronmotor
Die mit Kurzschlussläufer kann für Elektroautos benutzt werden und bietet einen großen Drehzahlbereich und gleichzeitig hohes Anfahrmoment, wenn ein vektorgesteuerter vorgeschaltet ist. Es kann ein relativ hoher Wirkungsgrad erzielt werden.
Asynchronmotoren sind billiger herzustellen als permanenterregte Synchronmotoren und haben im Gegensatz zu diesen kein Bremsmoment, wenn sie leerlaufen, haben einen runden Drehmomentverlauf und neigen weniger zu Pendelschwingungen, haben jedoch einen geringeren Wirkungsgrad als diese. Auch Asynchronmotoren können mittels Vierquadranten-Wechselrichtern rekuperieren. Einige Elektroautos haben eine gemischte Bestückung aus einem Asynchron- und einem Synchronmotor. BMW hat im i3 daher eine Hybridvariante aus permanenterregtem Synchronmotor und Reluktanzmotor eingesetzt. Reluktanzmotoren spielen im Elektroauto-Antrieb eine geringe Rolle, weil sie vergleichsweise groß und aufgrund des prinzipiell unrunden Drehmomentes laut sind. Sie haben jedoch den Vorteil, dass sie im Leerlauf kein Bremsmoment verursachen.
Weitere Motorkonzepte
Als weitere Alternative wurde ein hochdrehzahliger Asynchronmaschinenantrieb mit nachgeschaltetem diskutiert. Bei letzterem Konzept ist das System leichter als ein Synchronantrieb. Dafür ist der elektrisch-mechanische Wirkungsgrad etwas schlechter.
In Teilen der Literatur wird der Axialflussmotor als sehr vorteilhaft für Elektroautos beschrieben. Sie sind sehr kompakt mit hohem Leistungsgewicht und einem drehzahlunabhängig hohen Wirkungsgrad. Bislang kamen sie jedoch nur in Prototypen zum Einsatz (z. B. Renovo Coupe). kündigte im August 2021 die Entwicklung von Hochleistungs-Axialflussmotoren für Elektroautos an.
Bauform Radnabenmotor
Eine Bauform für den Antrieb ist der Radnabenmotor. Dabei ist der Motor direkt im Rad, in der Regel innerhalb der Felge, untergebracht. Bei dieser Art des Antriebes entfallen die und die Verteilergetriebe hin zu den Rädern, was den Aufbau vereinfacht und Freiheiten für die Gestaltung in der Bodengruppe schafft. Jedoch muss der Bauraum zumeist mit der Bremse geteilt werden und es wird eine höhere in Kauf genommen. Die Motoren sind außerdem stärker den Umwelteinflüssen ausgesetzt. Radnabenmotoren gibt es oft an Fahrzeugen mit geringen Anforderungen an die , zum Beispiel an Elektrofahrrädern, Elektromotorrollern und Nutzfahrzeugen. In Serien-Pkw konnten sie sich bisher nicht etablieren; sie sind aber Gegenstand von .
Rekuperationsbremse
en eignen sich im Generatorbetrieb zur Rückwandlung der kinetischen Energie (Bewegungsenergie) in elektrische Energie (). Beim Abbremsen und Bergabfahren wird Energie in den Akkumulator zurückgegeben, die ansonsten über mechanische Bremsen oder die Motorbremse in Verlustwärme umgewandelt würde. Im Langstreckenverkehr ist der Einsparungseffekt geringer als im Stadt- und Kurzstreckenverkehr, da im Verhältnis weniger Bremsvorgänge stattfinden.
Bei starkem Bremsen kann die maximale Generatorleistung der Motoren überschritten werden; es kann dann nur ein Teil der Bremsleistung in elektrische Leistung umgesetzt werden. Weitere Verluste entstehen infolge der bei hohen Strömen signifikanten Widerstandsverluste in Generator, Ladeelektronik und Akkumulator.
Mit Rekuperation kann der innerstädtische Energieverbrauch um bis zu 30 % gesenkt werden. Dieser Wert wird auch bei erzielt.
Die Batterielebensdauer wird durch die Rekuperation nicht beeinträchtigt; es ist im Gegenteil aufgrund der Batterieschonung mit einer leichten Verbesserung zu rechnen.
Die Rekuperation hat zur Einführung eines neuen Pedalsystems bei einigen Elektroautos geführt, dem . Hierbei wird mit demselben Pedal beschleunigt und gebremst.
Hybrid-Elektrofahrzeuge verwenden auch en als Energiespeicher, um trotz kleinerer Batterien höhere Leistungen verarbeiten zu können. So können im Stadtverkehr Rückspeisegrade von über 40 % erreichbar sein.
Verbrauch und Wirkungsgrad
Verbrauch und Wirkungsgrad betrachtet den Energieumsatz innerhalb des Fahrzeugs (zum Beispiel ab Tankstelle beziehungsweise Steckdose ? ). Weitergehende Betrachtungen über die Stromerzeugung und eingesetzte Primärenergie () erfolgt unter dem Oberbegriff Umweltbilanz (siehe Absatz ).
Der Verbrauch, um alle Arten von Pkw zu vergleichen, wurde bis August 2017 in Europa nach dem -Norm für Hybridfahrzeuge von 18,1 kWh/100 km an. Die Normwerte unterliegen den gleichen Abweichungen gegenüber realen Verbräuchen, wie auch bei Verbrennungskraftfahrzeugen.
In Europa wurde mit dem 1. September 2017 das neue Testverfahren / für die Typprüfung neuer Modelle und neuer Motorvarianten und ab 1. September 2018 für neu zugelassene Fahrzeuge verbindlich eingeführt. Hierzu gibt es eine Übersicht der .
Über den Gesamtwirkungsgrad eines Automobils entscheidet die Effizienz der im Fahrzeug erfolgten Energieumwandlungen und die Effizienz der Übertragung der mechanischen Energie bis zur Straße.
Elektromotoren haben sehr viel höhere Wirkungsgrade als Verbrennungsmotoren, die zugehörige Elektronik zum Laden und Fahren hat gleichfalls Wirkungsgrade von beispielsweise über 90 %. en erreichen Lade-/Entladewirkungsgrade von etwa 90 bis 98 %. Das kann entfallen. Leerlaufverluste entfallen ebenfalls. Damit erreichen Elektroautos einen viel höheren Wirkungsgrad als Autos mit Verbrennungsmotor. Die Rekuperation ermöglicht die Rückführung der bei Verbrennern in Hitze umgewandelten Bremsenergie in den Akku, was sich besonders im Stadtverkehr und auf Bergstrecken positiv auf den Gesamtwirkungsgrad auswirkt.
Der Wirkungsgrad von Ottomotoren beträgt maximal 35 %, der von Pkw-Dieselmotoren maximal 45 %. Diese Eigenschaft wirkt sich insbesondere im Teillastbetrieb aus, bei dem der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren stark abfällt. Hier ist der Wirkungsgradunterschied im Vergleich zum Elektroantrieb besonders hoch. Da Automobile im Stadtverkehr fast immer im betrieb fahren, ist der Elektroantrieb hier nochmals deutlich effizienter. Auch verbraucht ein Elektromotor im Gegensatz zum Verbrennungsmotor im Leerlauf und bei Stillstand keine Energie.
Demgegenüber erfordern Elektroautos eine Heizung bei kalter Witterung, die direkt aus dem Akkumulator stammt. In einer Simulation wurde hierfür ein Leistungsbedarf von ca. 4 kW ermittelt. Hingegen liefert ein Verbrennungsmotor stets mehr Abwärme, als zum Heizen der Fahrzeugkabine benötigt wird.
Die Kühlung () ist hingegen beim Elektroauto effizienter als beim Auto mit Verbrennungsmotor, denn die wird elektrisch betrieben und die Antriebsenergie muss nicht an Bord mit einem Verbrennungsmotor erzeugt werden.
Nach hat ein Benzinfahrzeug einen durchschnittlichen Tank-to-Wheel-Wirkungsgrad von 20 %, womit bei einem Verbrauch von 6 Litern pro 100 km 52,6 kWh Energie aufgewendet werden müssen; die mechanische Nutzenergie beträgt dabei 10,5 kWh. Ein Elektrofahrzeug weist dagegen einen Wirkungsgrad von ca. 65 % auf, was einen Elektrizitätsverbrauch von 16 kWh/100 km ergibt. Andere Quellen geben etwa 70 bis 80 % an.
Energiespeicher
Zentraler Punkt in der Entwicklung von Elektroautos ist der , 230 kg; Stand 2017). Elektroauto-Akkus wiegen abhängig vom konkreten Modell üblicherweise zwischen 300 und 750 Kilogramm. Als ungefähre Faustrechenformel gilt, dass Elektroautos pro 100 Kilometer ca. 15 Kilowattstunden elektrischer Energie benötigen. Der hierfür nötige Akku wiegt ca. 150 kg.
Die ) zu einer Dynamisierung der Elektroauto-Entwicklung auf Seiten der Hersteller.
Akkusysteme auf Lithium-, Blei- oder Nickelbasis
In der Vergangenheit nutzten die meisten Elektroautos Akkumulatortypen, wie oder s, die lediglich für einen Betrieb von etwa einer Stunde mit Höchstgeschwindigkeit reichten oder mit denen mit einer Ladung 40 bis 130 Kilometer zurückgelegt werden konnten. Bleiakkumulatoren, besonders wenn sie auf hohe Zyklenfestigkeit ausgelegt sind, haben eine geringe Energiedichte ? sie sind sehr schwer für den gebotenen Energieinhalt. Auch begrenzt die häufig geringere Zyklenfestigkeit und Lebensdauer ihren Einsatz, sodass sie bei neueren Entwicklungen praktisch nicht mehr eingesetzt werden. Sie werden nach wie vor in kleineren Elektrofahrzeugen und in der Industrie verwendet, etwa in en ().
Reichweiten von 300 km bis 500 km und mehr sind mit Akkumulatoren auf Lithiumbasis (zum Beispiel , und en) möglich und werden auch realisiert (etwa bei , , , ). Diese Akkumulatorentypen haben eine vergleichsweise hohe gewichtsbezogene Energiedichte. Auch s werden eingesetzt, beispielsweise die . Bei einigen Fahrzeugen, die zuvor Blei- oder Nickel-Cadmium-Akkumulatoren fuhren, wurden diese gegen Lithium-Ionen-Akkumulatoren ausgetauscht. So konnte ein Vielfaches der ursprünglichen Reichweite erzielt werden.
Bei NiCd-, NiMH- und Bleiakkusätzen müssen nur Teilblöcke aus mehreren Zellen überwacht werden. Lithium-Akkumulatoren brauchen komplexe elektronische e (BMS), Schutzschaltungen und , weil sie bei Überladung und Tiefentladung schnell ausfallen. Damit beim Defekt einer einzelnen Zelle nicht das gesamte Akkusystem erneuert werden muss, kann dieses für den Einzelzellentausch ausgelegt sein.
Batteriekapazität
Der Energieinhalt einer wird heute praktisch ausschließlich in (kWh) angegeben. Es lassen sich zwei gegenläufige Strategien für die Akkumulatorengröße ausmachen:- Steigerung der Akkumulatorengröße: Dadurch wird eine sehr große Reichweite ohne Zwischenaufladung möglich und die Lebensdauer der Batterie verlängert sich. Der Akku wird sowohl hinsichtlich Kapazität (Entladetiefe) als auch hinsichtlich maximaler Leistungsentnahme möglicherweise weniger belastet und kann Zyklenzahlen erreichen, die die Lebensdauer des gesamten Fahrzeugs weit übertreffen. Hingegen steigen Fahrzeugmasse und Investitionskosten stark an. Große Akkus für Elektroautos speichern 2018 eine Energie um die 100 kWh, was bei einem Fahrzeug-Verbrauch von 15 kWh bis 25 kWh pro 100 km für bis über 600 km Reichweite ausreicht.
- Nutzung einer vergleichsweise geringen Akkugröße: Vorteile sind geringere Anschaffungskosten und eine geringere Fahrzeugmasse. Dieses Konzept setzt jedoch eine engmaschige leistungsfähige Ladeinfrastruktur zum Beispiel auf Parkplätzen voraus (siehe ). Die Akkus selbst werden im Betrieb und beim Laden tendenziell stärker belastet und altern somit schneller. Beispiele hierfür sind der , , .
Temperaturabhängigkeit von Akkusystemen
Allen Akkusystemen ist gemein, dass sich bei tieferen Temperaturen (unterhalb ca. 10 °C) die Leistungsabgabe verringert, da die Beweglichkeit der Ladungsträger abnimmt. Einige Akkumulatorensysteme (NiMh, Lithium-Polymer) können unterhalb von ca. ?20 °C einfrieren. Die entnehmbare Kapazität wird von der Temperatur jedoch kaum beeinflusst, wenn die geringere Strombelastbarkeit technisch berücksichtigt wird, indem das BMS die Leistungsabgabe und den Motorstrom begrenzt. Durch die inneren Verluste erwärmt sich die Antriebsbatterie im Betrieb. Hohe Temperaturen hingegen (oberhalb ca. 30 °C) begünstigen durch die Beweglichkeit der Ladungsträger zwar die Leistungsabgabe, sind aber ungünstig für die inneren Verluste und die kalendarische Alterung. Um derartige Einschränkungen zu vermeiden, temperieren einige Hersteller ihre Akkusysteme. Dies kann eine Heizung für kalte Jahreszeiten beinhalten, aber auch eine Kühlung. Oft kommen elektrische Heizmatten und en zum Einsatz. Einige Hersteller nutzen auch Flüssigkeiten als Heiz- bzw. Kühlmedium.
Eine Ausnahme sind Hochtemperatursysteme (zum Beispiel ), die zwar von äußeren Temperaturen unabhängig sind, jedoch zusätzlich Energie für ihre Temperaturerhaltung benötigen.
Haltbarkeit der Akkusysteme
Grundsätzlich werden bei der Alterung zwei verschiedene Aspekte unterschieden. Die kalendarische Alterung beschreibt die (Degradation) auch ohne Nutzung, beschleunigt oft durch ungünstige Temperaturen. Die Zyklenhaltbarkeit hingegen ist abhängig von der Anzahl der Lade- und Entladezyklen bis zum Eintreten einer definierten Kapazitätsverringerung gegenüber der Ausgangskapazität. Auch und Ladestromstärken und natürlich der Akkutyp selbst sind Einflussgrößen.
Mit Stand 2019 erreichen Batteriepacks von E-Autos mindestens 1500 bis 3000 Ladezyklen, bis die Ladekapazität auf 80 % abgefallen ist. Damit kommt ein E-Auto mit 450 km Reichweite selbst unter konservativen Annahmen mindestens 450.000 km weit, bis die Batterie getauscht werden muss, im optimistischen Fall sind sogar 1,35 Mio. km möglich. Eine weitere Erhöhung der Zyklenzahl wird erwartet. Aktuelle en sind schnellladefähig ausgelegt. Dabei ist eine Aufladung mit Ladeströmen über 1 gemeint, was Ladezeiten von weniger als einer Stunde erlaubt.
en erreichen nach Herstellerangaben mehr als 5000 Zyklen bei jeweiliger von 70 %.
Eine Studie aus dem Jahr 2013
Bezüglich der Akku-Haltbarkeit geben viele Hersteller eine Garantie, die typischerweise eine Restkapazität von mindestens 70 % des Nennwerts für acht Jahre und eine Laufleistung von 160.000 km zusichert.
- Sofern es zu einem Batteriebrand kommt, wird wesentlich mehr benötigt.
- Ein Lithium-Ionen-Akkumulator ? welcher z. B. bei einem Unfall beschädigt wurde ? kann eine schleichende chemische Reaktion in Gang setzen, durch die ein Batteriebrand eventuell erst mit Verzögerung ausbrechen kann. Auch extra für brennende Elektroautos entwickelte Löschlanzen sollen die Effizienz beim Löschen von Elektroautos erhöhen.
- Wenn Löschwasser und Kühlwasser mit dem Batterieinneren in Kontakt treten, werden diese besonders stark belastet und bedürfen einer speziellen Aufbereitung, bevor diese in die Kanalisation gelangen.
- Es besteht für Rettungskräfte die Gefahr von Stromschlägen durch den Kontakt mit Hochvoltkomponenten, die aber von der DGUV als ?konstruktionsbedingt unwahrscheinlich? angesehen wird. Als Lösung wurden zum Beispiel in Baden-Württemberg spezielle Hochspannungs-Schutzhandschuhe für Einsatzkräfte beschafft.
- Wie bei allen Fahrzeugbränden besteht auch bei Elektroautos eine Gesundheitsgefahr durch austretende e empfohlen oder vorgeschrieben.
Einige typische Herausforderungen beim Brand von Verbrennerfahrzeugen fallen hingegen bei Elektroautos geringer aus oder entfallen ganz:
- So kommt es bei Bränden von Batterien in Elektroautos zu vergleichsweise geringer bildung.
- Die Brandtemperaturen und die sind geringer.
Umrüstung von Verbrennungsmotor-Serienfahrzeugen
Einige Umrüster bieten den Umbau von Verbrennungsmotorantrieben zu Elektroantrieben an. Häufig wird nur der Verbrennungsmotor gegen einen Elektromotor getauscht und das Schaltgetriebe im Fahrzeug belassen. Dies ist weniger technisch unbedingt notwendig, sondern hat zumeist zulassungsrechtliche Gründe. Wird das Getriebe ebenfalls getauscht, so muss das gesamte Fahrzeug neu zugelassen werden, was erheblichen Aufwand nach sich zieht und für geringe Stückzahlen nicht wirtschaftlich ist. In Deutschland beschäftigen sich beispielsweise und die mit Umrüstungen oder der Nutzung von Serienfahrzeugen als Basismodell.
Angesichts der vorangehend angedeuteten konstruktiven Randbedingungen ist die Umrüstung eines herkömmlichen Automobils zum Elektroauto jedoch im Hinblick (Umbaukosten) nur bedingt abhängig von weiteren Umständen (Ladeinfrastruktur, Fahrzeugverfügbarkeit etc.) sinnvoll. Die Nutzung von Gebrauchtfahrzeugen kann die Kosten deutlich senken.
Internationale Normierung und Fahrzeugstandards
Durch einheitliche Vorschriften soll die internationale Wettbewerbsfähigkeit und damit auch die Wirtschaftlichkeit und Verbreitung von Elektrofahrzeugen erhöht werden. Die EU, die USA und Japan haben daher ihre Pläne für eine internationale Übereinkunft am 17. November 2011 in Brüssel vorgestellt und wollen nun auch andere Länder für das Projekt gewinnen. Konkret sollen zwei informelle Arbeitsgruppen für Elektrofahrzeuge im Rahmen des Übereinkommens über globale technische Regelungen von 1998 eingerichtet werden, die sich jeweils mit Sicherheits- und Umweltaspekten der Fahrzeuge befassen und internationale Regelungsansätze austauschen und ausarbeiten sollen.
Die deutsche hat eine umfangreiche Roadmap für die anstehenden Normierungen im Elektrofahrzeugbereich ausgearbeitet.
Ladetechnik und Ladeinfrastruktur
Ladestecker
Das Laden der Antriebsbatterie erfolgt bei europäischen Elektroautos typischerweise über den -Stecker bzw. beim Schnellladen per Gleichstromladen über den -Stecker.- Der Typ-2-Stecker (?Mennekes?-Stecker) wird in Europa bei en und öffentlichen Wechselstrom- genutzt und unterstützt das Laden von bis zu 43 kW. Der Typ-2-Stecker passt in die CCS-Buchse von europäischen Autos.
- Der CCS-Stecker (Combo 2) erweitert den Typ-2-Stecker um zwei große leistungsfähige Steckkontakte für Gleichstrom. Es wird an Schnellladestationen genutzt und ermöglicht eine derzeit Ladeleistung von bis zu 350 kW (Stand März 2023). Damit lädt man 100 km Reichweite in einer Stunde.
Ladestationen für daheim laden typischerweise mit etwa 11 kW Leistung, was in etwa der Leistung eines Herdanschlusses entspricht. Damit lädt man 100 km Reichweite in etwa 2 Stunden.
Grundsätzlich ist das Aufladen auch an einer Haushaltssteckdose möglich. Diese sind überall verfügbar, dafür sind jedoch nur Ladeleistungen von 3,5 kW möglich, womit binnen 7-10 Stunden Ladedauer etwa 150 bis 200 km Reichweite erzielt werden können.
Das Recycling von ausgedienten eingesetzt. Die Produktionsverfahren der Automobilhersteller mit ihrem Kostensenkungspotential können so auch andere Bereiche der Energiewirtschaft beeinflussen.
In einer Studie für die Europäische Umweltagentur aus dem Jahr 2016 geben das und das Forschungsunternehmen Transport & Mobility Leuven an, dass zur Herstellung eines Elektroautos 70 Prozent mehr Energie verbraucht wird als bei der Herstellung eines konventionellen Fahrzeugs, während der Energiebedarf im Betrieb viel geringer sei.
Beim Recycling der Auto-Akkus gibt es unterschiedliche Ansätze wie das Einschmelzen oder das mechanische Aufbereiten. Bei letzterem Verfahren sei aktuell eine stoffliche Recycling-Quote von über 90 % möglich, wobei dadurch der CO2-Fußabdruck der Herstellung um bis zu 40 % reduziert werden könne.
Die Verwertung von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) aus Altfahrzeugen wird innerhalb der durch die Richtlinien 2000 / 53 / EC und 2006 / 66 / EC geregelt. Erstere befasst sich mit der Verwertung von Fahrzeugen am Ende ihres Lebenszyklus. Für Teile mit erhöhtem Gefährdungspotenzial wie der Batterie eines E-Fahrzeugs ist der Ausbau und eine getrennte Handhabung vorgeschrieben. Diese wird in der Batterierichtlinie 2006 / 66 / EC reglementiert, welche eine erweiterte Herstellerhaftung für Batterieproduzenten vorsieht. Diese müssen für alle Kosten des Sammel-, Aufbereitungs- und Recyclingsystems aufkommen. Fahrzeugbatterien werden darin als Industriebatterien geführt. In Bezug auf das Recyclingverfahren fallen LIB unter die Kategorie ?sonstige Batterien?, für die lediglich ein Recyclinganteil von 50 % des durchschnittlichen Gewichts gilt.
Für das Recycling beschädigter E-Auto-Akkus, beispielsweise hervorgerufen durch Verkehrsunfälle, fehlen hingegen noch technisch und rechtlich klare Vorgaben.
In einer Studie des aus dem Jahre 2020 wird der voraussichtliche Ertrag bei der Demontage auf 210 bis 240 Euro pro Tonne Batterien geschätzt. Die Hälfte des Ertrags entfalle auf Aluminium, ein Viertel auf Stahl und ein weiteres Viertel auf Kupfer. Das eigentliche Zellrecycling sei jedoch deutlich komplexer und es waren hierfür noch keine genauen Zahlen verfügbar. Zusätzlich werde das Problem erschwert durch die unterschiedlichen Bauweisen der Batterien. Ebenso unsicher sei die Umweltbewertung des Recyclingprozesses, lediglich Labordaten sprächen für eine Treibhausgasreduzierung.
Anlagen in Europa
Die Anlage des Unternehmens in kann 10.000 Tonnen pro Jahr sämtlicher Arten von Lithium-Ionen-Batterien verarbeiten.
Direkte Fahrzeugemissionen
Reine Elektroautos sind . Sie stoßen keine Abgase aus und werden dadurch in der jeweils höchsten eingeordnet. Diese Bewertung vergleicht die Fahrzeuge nur abhängig vom Gewicht und den Emissionen im laufenden Betrieb. zu Grunde, so kommt man bei Ottomotoren auf einen Primärenergiefaktor von 3,58 bei einer Betrachtung von . Dieselmotoren schneiden dabei mit einem Primärenergiefaktor von 2,97 (PKW) bzw. 2,71 (NFZ) etwas besser, aber immer noch schlechter als Elektrofahrzeuge ab.
Vergleich Brennstoffzellenfahrzeug
Auch e besitzen einen geringeren Gesamtwirkungsgrad als reine Elektrofahrzeuge. Diese benötigen zum Beispiel zusätzlich einen . Die Gewinnung des Wasserstoffes und die Speicherung (bis 700 bar Kompression oder Verflüssigung bis ca. ?253 °C) ist sehr energieaufwendig. Wird der Wasserstoff aus regenerativen Energien durch erzeugt, betragen die addierten Verluste aus Elektrolyse und Kompression auf 700 bar 35 %. ergeben sich Verluste von etwa 61 % auf dem Weg vom Stromerzeuger bis zum Antriebsmotor im Fahrzeug. Für denselben Weg betragen die Lade- und Entladeverluste eines Lithium-Ionen-Akkumulators nur 10 bis 20 %.
Wirtschaftlichkeit
In einem Vergleichstest des ADAC im Oktober 2018 waren etwa die Hälfte der Elektroautos in der Gesamtkostenbetrachtung günstiger als vergleichbare Autos mit Benzin- oder Dieselmotor.
Lebensdauer
Die Lebensdauer von Elektrofahrzeugen, inklusive des Akkus, soll weit über der von Verbrennerfahrzeugen liegen. Es gibt Berichte, die von über 800.000 km Lebensdauer sprechen.
Energieverbrauch
Elektrofahrzeuge weisen durch den um mehr als Faktor drei energieeffizienteren Antriebsstrang einen deutlich niedrigeren Energieverbrauch auf als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Um 100 km zu fahren, musste bei einem im Januar 2020 veröffentlichten EcoTest für die getesteten PKWs zwischen 14,7 kWh und 27,6 kWh Strom genutzt werden.
Ergebnisse von Verbrauchsmessungen an Elektrofahrzeugen berücksichtigen manchmal nur den Verbrauch während der Fahrt, nicht aber die Verluste, die beim Laden der Antriebsakkumulatoren entstehen und zwischen 10 und 25 % betragen.
Energiekosten
Die Energiekosten eines Elektroautos im Vergleich zum Verbrennerfahrzeug hängen wesentlich von der Preisentwicklung bei Strom bzw. den Kraftstoffen ab. Beim Elektroauto kommt hinzu, dass der Preis erheblich von den Bezugsmöglichkeiten bestimmt wird: Während an Schnellladesäulen in Deutschland nach den Preiserhöhungen einiger Betreiber 2020 meist zwischen 42 und 79 Cent je kWh gezahlt werden müssen, sind mit Hilfe einer eigenen ) Ebenso erlauben manche Arbeitgeber das kostenlose Aufladen am Unternehmensstandort.
Aufgrund dieser Preisunterschiede hängen die Energiekosten eines Elektroautos sehr stark von den individuellen Umständen ab und können sowohl deutlich niedrigerer als auch (beim ausschließlichen Laden an Schnellladesäulen) deutlich höher sein als bei einem Verbrennerfahrzeug. Eine Untersuchung von ermittelte 2021 unter Zugrundelegung des für Elektroautos durchschnittliche Stromkosten in Höhe von 78 % der Kraftstoffkosten eines Verbrenners, für Österreich 62 %, für die Schweiz 56 %.
Bei konventionellen Kraftstoffen ist neben den marktbedingten Preisschwankungen durch die bis 2025 mit um ca. 16 Cent je Liter erhöhten Preisen zu rechnen.
Anschaffungskosten
Den geringeren Verbrauchs- und Wartungskosten stehen derzeit noch höhere Anschaffungskosten von Elektrofahrzeugen gegenüber, an denen sowohl die geringer gefertigten Stückzahlen als auch die Akkumulatoren ihren Anteil haben. Durch höhere Stückzahlen sinken die Anschaffungskosten von Elektroautos stetig. Es wird damit gerechnet, dass ab 2027 in allen die Anschaffungskosten von Elektroautos unter denen von Verbrennern liegen.
Zudem erfolgt in vielen Ländern eine Subventionierung der Anschaffungskosten. In Deutschland waren es von Juli 2020 bis Dezember 2022 bis zu 9000 Euro pro Fahrzeug. Weiter gibt es für steuerliche Anreize vom Staat.
Günstige Elektroautos
Der wurde nach Subvention für etwa 12.000 Euro verkauft. Der wird vor Subvention in Europa für etwa 10.000 Euro verkauft. Letzterer basiert auf dem , der in China ohne Subvention für etwa 4000 bis 5000 Euro angeboten wird und dort derzeit (Stand März 2023) das meistverkaufte Elektroauto ist. Die Elektroautos der des VW-Konzerns (, Seat Mii und ?koda Citigo) konnten zuletzt zu Listenpreisen zwischen etwa 20.000
Den Höhenrekord für Elektroautos stellte am 18. Mai 2022 mit einem auf. Er fuhr in am Vulkan bis auf eine Höhe von 5.816 Meter und kam damit in das .
Einzelnachweise
<references responsive>
<ref name="Crastan S57">
- ''Elektrische Energieversorgung 2.'' Berlin/Heidelberg 2012, S. 57.
</ref>
<ref name="Elektra S91">
ELEKTRA: Entwicklung von Szenarien der Verbreitung von Pkw mit teil- und voll-elektrifiziertem Antriebsstrang unter verschiedenen politischen Rahmenbedingungen; Projektnummer 816074; Auftragnehmer: Technische Universität Wien, Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft; Wien, 31. August 2009; Seite 91 ff. (PDF).
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<ref name="DLR 11">
DLR-Vortrag: Batterie oder Brennstoffzelle ? was bewegt uns in Zukunft? K. Andreas Friedrich; Institut für Technische Thermodynamik; Pfaffenwaldring 38?40, Stuttgart; Chart 11 (PDF; 3,5 MB)
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