Wie funktioniert der Motor eines Elektroautos und eines Hybridautos?

ein Motor und mechanische Teile eines Autos

Wie funktioniert der Motor eines Elektroautos und eines Hybridautos? Erfahren Sie mehr über den Motor von Elektroautos und den Unterschied zwischen Vollhybrid- und Plugin-Hybrid-Antriebstechnik.

18. Juni 2020

Fortschritt in Reinform – Das Elektroauto

Egal ob Verbrennungsmotor, Elektromotor oder eine Kombination aus beiden als Hybridmotor, Ziel ist es mechanische Arbeit zu erzeugen, die auf die Antriebswelle übertragen wird, um die Räder in Bewegung zu setzen. Bei einem Verbrennungsmotor wird chemische Energie (der Treibstoff) mit Hilfe von Verbrennung in mechanische Arbeit umgewandelt, während beim Elektroauto die in der Batterie gespeicherte chemische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird.

Für Hybridfahrzeuge mit Verbrennungs- und Elektromotor gibt es die Möglichkeit, dass beide Motoren gleichzeitig an der Antriebsachse wirken und sich somit die erzeugte Bewegungsenergie addiert. Alternativ sind Verbrennungsmotor und Elektromotor in Reihe geschaltet, so dass nur der Elektromotor an der Antriebsachse wirkt. Die gängigen Antriebsformen für Elektro- und Hybridfahrzeuge sollen im Folgenden erläutert werden.

Keine schädlichen Abgase, kein Feinstaub, kein Motorenlärm und keine Verschwendung von fossiler Energie; das Elektroauto lässt auch das Herz von Naturfreunden höherschlagen. Wenn der notwendige Strom dazu klimaneutral produziert wird, ist eines der großen Probleme der jüngeren Geschichte gelöst und Fortbewegung praktisch ohne Schädigung der Umwelt möglich.

Aber wie genau kann eine Batterie ein Auto bewegen?

Die Batterie speichert die zur Fortbewegung notwendige Energie, welche von außen über Ladestationen, wie z.B. einer hesotec Ladesäule der eSat-Serie, zugeführt wird.

Die Batterie versorgt den Elektromotor abhängig von der gerade geforderten Leistung mit Strom, was über die Leistungselektronik geregelt wird. Bewegt sich ein Elektroauto im Schritttempo benötigt es weniger Energie als auf der Autobahn.

In dem Elektromotor befindet sich ein unbeweglicher Stator, in dem mit Hilfe des Gleichstromes aus der Batterie ein konstantes Magnetfeld erzeugt wird. Das Gegenstück zum Stator ist der drehbare Rotor mit seinen Rotorpolen, der sich wie ein Windrad um den Stator dreht, wenn er mit Wechselspannung versorgt wird.

Durch den Einsatz der Wechselspannung wird im Rotor ebenfalls ein Magnetfeld erzeugt, welches sich abhängig von der Frequenz der Wechselspannung umkehrt. So ist ein Rotorpol abwechselnd ein Pluspol und im nächsten Moment ein Minuspol und möchte sich vom gleichbleibenden Magnetfeld des Stators abwechselnd abstoßen und anziehen. So entsteht die Bewegungsenergie, die auf die Antriebswelle des Elektroautos übertragen wird und es in Bewegung versetzt.

Die Kombination von Verbrennungsmotor und Elektromotor – Das Hybridauto

Das Wort „Hybrid“ ist ein Synonym für „aus Verschiedenartigem zusammengesetzt“ oder „von zweierlei Herkunft“. Im Falle des Hybridautos ist dies der Verbrennungsmotor und der Elektromotor, welche technisch völlig verschieden sind, aber zu einer Antriebskomponente zusammengesetzt werden. Beide Motortypen haben ihre Stärken und Schwächen. Das Ziel der Kombination ist es, von beiden das Beste zu nutzen, um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen und damit eine höhere Reichweite des Hybridautos zu erlangen und fossile Energien zu schonen.

Verbrennungsmotor und Elektromotor können unterschiedlich kombiniert werden und auf dem Markt sind Hybridautos mit unterschiedlichen Hybridkonzepten erhältlich.

Der Vollhybrid – Verbrennungsmotor und Elektromotor ohne externe Lademöglichkeit

Die wesentliche Eigenschaft des Vollhybrid-Autos ist, dass die Batterie nicht von extern über eine Ladesäule geladen werden muss, sondern sich automatisch während des Fahrens durch überschüssige Energie z.B. beim Abbremsen oder durch einen Generator auflädt.

Abhängig von der Verkehrssituation ist das Fahren mit Verbrennungsmotor, mit Elektromotor oder beiden gleichzeitig möglich. Bei niedrigen Geschwindigkeiten wird das Auto allein durch den Elektromotor angetrieben und beim Beschleunigen unterstützt der Elektromotor den Verbrennungsmotor, damit dieser weniger Kraftstoff verbraucht. Die energetisch effizienteste Betriebsart wird von der Bordelektronik automatisch ermittelt und aktiviert, um jederzeit möglichst sparsam zu fahren.

Vollhybridautos beherbergen eine verhältnismäßig kleine Batterie und die Reichweite im reinen Elektroantrieb ist auf wenige Kilometer begrenzt.

Der Plugin-Hybrid – Mehr Reichweite durch größere Batterie und externe Lademöglichkeit

Die Batterie des Plugin-Hybrid-Autos ist im Vergleich zum Vollhybrid größer und die Reichweite im reinen Elektrobetrieb erhöht sich auf ca. 50 km. Die Batterie kann zusätzlich über eine Ladesäule geladen werden.

Der serielle Hybrid – Mit Range Extender zu mehr Reichweite

Hier ist der Verbrennungsmotor nur das Hilfsaggregat des Elektromotors, was auch als Range Extender bezeichnet wird. Der Antrieb erfolgt immer über den Elektromotor, dieser erhält seine Energie aber über die Batterie, dem Generator oder von beiden. Der Verbrennungsmotor leitet die Energie über einen Generator zum Elektromotor.

Der Verbrennungsmotor ist verhältnismäßig klein dimensioniert und wird bei möglichst idealer Drehzahl betrieben, um das Einsparpotential optimal auszuschöpfen. Wird z.B. beim Beschleunigen viel Leistung angefordert, so erhöht sich die Drehzahl des Verbrennungsmotors und es wird zusätzlich Energie aus der Batterie zugeführt.

Ein Nachteil des seriellen Hybrid ist die mehrfache Umwandlung von einer Energieform in die andere. So wird im Verbrennungsmotor chemische Energie in thermische Energie und dann in mechanische Energie umgewandelt, um damit den Generator anzutreiben. Dessen Energie wird dem Elektromotor zugeführt, um letztendlich die Bewegungsenergie zur Bewegung des Fahrzeugs zu erzeugen. Bei jeder dieser Energietransformationen geht immer etwas thermische und mechanische Energie verloren.

Der parallele Hybrid – Kleinere Motoren im Kombinationsbetrieb

Im Gegensatz zum seriellen Hybrid, bei dem nur der Elektromotor am Antrieb wirkt und der Verbrennungsmotor nur als Generator dient, sind beim Parallel-Hybrid der Elektromotor und der Verbrennungsmotor mit der Antriebsachse verbunden. Beide Motoren können einzeln oder gemeinsam als Antrieb dienen. Da sich die Leistung beider Motoren addiert, können die Motoren entsprechend kleiner ausgelegt werden, um Sprit zu sparen.

Der Parallel-Hybrid unterteilt sich nochmals in die Antriebsarten:

  • Mikro-Hybrid
  • Mild-Hybrid
  • Voll-Hybrid

Dabei ist der Mikro-Hybrid streng genommen kein echter Hybrid, da die elektrische Energie nur beim Starten des Hybridautos benutzt wird. Der Mild-Hybrid hat im Vergleich zum Mikro-Hybrid eine größere Batterie, ein rein elektrisches Fahren ist aber auch hiermit nicht möglich und der Mild-Hybrid dient nur der Unterstützung.

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