Trends der Elektromobilität: Das ändert sich 2023 bei Elektrofahrzeugen

Der E-Antrieb erscheint auf Anhieb weniger komplex als ein Verbrennungsmotor. Das ist auf den ersten Blick korrekt, entfällt doch die aufwendige Motoren- und Getriebetechnik. Natürlich kann auch auf die Abgasnachbehandlung verzichtet werden. Auf der anderen Seite gehört zum elektrischen Antriebsstrang eine komplexe Leistungselektronik und das ebenso komplexe Lade- und Thermomanagement.

Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, den Elektromotor und die Leistungselektronik zu realisieren: getrennt oder in einer Einheit. Um die Kosten zu reduzieren, setzen zahlreiche Automobilhersteller auf komplette Antriebseinheiten. Sie enthalten neben der E-Maschine (400-800V) und der Leistungselektronik auch ein Ein- oder Zweiganggetriebe. Im Nutzfahrzeugbereich sind teils sogar die Bremssysteme inklusive Rekuperier-Funktion Teil der Antriebseinheit, also eine komplette E-Achse.
Vor allem Hersteller von sportlichen Fahrzeugen setzen je Achse jeweils eine E-Maschine ein und realisieren so ein Allradfahrzeug. Der Vorteil: Die Elektronik kann je nach Last, Fahr- und Umgebungssituation die Motoren einzeln ansteuern und so die Drehmomente (auf jedes einzelne Rad > Torque-Vectoring) exakt verteilen. Meist kommen permanenterregte Synchron-Motoren auf der Antriebsachse zum Einsatz. Bei Allradausführungen unterstützt ein Asynchronmotor. Neue Technologien wie Siliziumkarbid-Halbleiter oder spezielle Hairpin-Wicklung am Stator verbessern die Motorperformance.

Die Energiedichte ist neben der Gewichts- und Kostenreduzierung der ausschlaggebende Faktor bei den Batterien. Momentan kommen meist Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz. Die Technik ist ausgereift, die Lebensdauer gut, sie funktionieren sicher und zuverlässig. Doch es gibt auch Nachteile: Li-Ion-Batterien sind relativ schwer, die Ladezeiten gestalten sich relativ lang. Schnellladetechnologien müssen sich erst weiter etablieren, was auch von der Leistungsfähigkeit der Netzinfrastruktur abhängt. Auch die Kosten sind relativ hoch. Sie werden jedoch durch Hochfahren der Produktionszahlen sinken. Zudem enthalten Li-Ion-Batterien Materialien, die bei falschem Recycling umweltschädlich sein können. Doch auch die Recyclingverfahren werden immer weiter verbessert.

Vielversprechende Alternativen zu Li-Ion-Batterien sind Festkörperbatterien. Hier kommen keine flüssigen Elektrolyte zum Einsatz. Der Vorteil ist die höhere Energiedichte und die höhere Sicherheit. Auch Natrium-Ionen, Zink-Luft-Batterien sind in der Entwicklung.
Interessant ist die sogenannte SALD-Batterie (Spatial-Atom-Layer-Deposition). Auf Basis der Li-Ion-Technik kommen Nanotechnologien zum Einsatz. Elektrofahrzeuge sollen so künftig weit mehr als 1000 km Reichweite schaffen. Die Ladezeit sei fünfmal schneller. Im Bereich der Batterietechnik tut sich also einiges!

In Verbindung mit der Klimaanlage des Fahrzeugs verfügen Elektrofahrzeuge also über ein hochkomplexes und ausgeklügeltes Thermomanagementsystem mit mehreren Kühlkreisläufen und unterschiedlichen Kühlmedien. HELLA verbindet deshalb mit dem sogenannten Coolant-Control-Hub (CCH) die Kühlkreisläufe für die Batterie, den Elektromotor sowie den Fahrzeuginnenraum in einer Einheit. Durch diese Zentralisierung sorgt das CCH für eine höhere Effizienz, geringere Ladezeiten sowie für größere Reichweiten. Die thermischen Energien können optimal verteilt werden.

In modernen Elektrofahrzeugen kommen elektrische Nieder- oder Hochvolt-, Luft- oder Wasserheizer zur Erwärmung des Innenraums sowie zur Konditionierung der Hochvoltbatterien zum Einsatz. Bei der Luftheizung wird, ähnlich wie bei einem Fön, die Luft an Heizwendeln vorbeigeleitet, die sie erwärmen. Dabei kommen PTC (Positive Temperature Coefficients)-Heizelemente zu Einsatz. Bei einer Wasserheizung wird – ebenfalls elektrisch – Wasser in einem Kreislauf erwärmt und so die Wärme in den Fahrzeuginnenraum abgegeben.

Eine effizientere Lösung ist der zusätzliche Einsatz einer Wärmepumpe. Nur bei hohem oder schnellem Heizbedarf kommt ein PTC-Zuheizer zum Einsatz. Die Wärmepumpe entzieht selbst der kalten Außenluft im Winter Wärmeenergie. So ist es möglich, dass man aus einer Kilowattstunde aus den Batteriezellen des E-Autos bis zu drei Kilowattstunden Energie in Wärme umwandeln kann. Und es geht noch effektiver: Auch der Elektromotor und die Batterien selbst erzeugen Wärme, wenn auch in geringem Umfang. Auch diese Abwärme kann zusätzlich zur Innenraumheizung genutzt werden.

Elektrospezifisch ist natürlich der Ladevorgang: Der elektronische Ladeklappen-Aktuator (eLA) von HELLA unterstützt beispielsweise den Ladeprozess. Mit Hilfe des eLA lassen sich zusätzlich individuelle Sonderfunktionen für mehr Komfort und Sicherheit integrieren. Innovative Lichtkomponenten visualisieren den Status der Batterie sowie den Lademodus.
Hinzu kommt eigentlich ein positiver Nebeneffekt von E-Autos: Sie emittieren kaum Geräusche. Das kann speziell im urbanen Umfeld jedoch zu Sicherheitsrisiken für Fußgänger und Radfahrer führen. Die Fahrzeuge werden schlicht überhört. Deshalb sorgt das akustische Warnsystem AVAS (Acoustic-Vehicle-Alerting-System) von HELLA im niedrigen Geschwindigkeitsbereich für mehr akustische Präsenz im Straßenverkehr. Es simuliert quasi das Motorengeräusch des Verbrenners. So trägt das AVAS zur Verkehrssicherheit bei, die Fahrzeuge werden wahrgenommen.

Grundsätzlich unterscheiden sich Reifen von Verbrennern und E-Autos nicht. Im Lastenheft stehen die gleichen Anforderungen. Beispielsweise sind eine gute Nasshaftung und eine gute Bremsperformance gleichermaßen bedeutsam. Es lassen sich jedoch vier E-spezifische Eigenschaften formulieren, die speziell eine Rolle spielen.

-ein geräuscharmes Abrollverhalten, das E-Fahrzeug selbst generiert kaum Fahrgeräusche
-eine hohe Drehmoment-, beziehungsweise Abriebfestigkeit. Das teils sehr hohe Moment liegt bei E-Fahrzeugen sofort und direkt an
-der Rollwiderstand, je geringer desto mehr Reichweite
-der Lastenindex, also die Tragfähigkeit des Pneus, den einige Reifenhersteller aufgrund des höheren Fahrzeuggewichts anpassen

Beim Elektrofahrzeug existieren weniger Antriebskomponenten, die regelmäßig überprüft und gewartet werden müssen. Auch das Motoren- und Getriebeöl fällt weg, wenngleich nichtleitende Öle zur Schmierung und Temperaturabführung in elektrischen Antriebseinheiten zum Einsatz kommen. Essentiell jedoch ist das Thermomanagement, dem zukünftig im Kfz-Service das Augenmerk gilt. Experten sprechen gleichsam beim Service von E-Autos vom neuen „Ölwechsel“, geht es um die Wartung des Thermomanagementsystems und dem Wechsel der Kühlmedien. Zusätzlich kann unterstellt werden, dass beispielsweise Fahrwerkskomponenten wie Lager oder Dämpfer einem höheren Verschleiß unterliegen. Elektrofahrzeuge sind einfach schwerer und verfügen teils über eine höhere Leistung.

Um die „E-Technik“ zu beherrschen müssen sich Mitarbeiter von Kfz-Werkstätten entsprechend weiterbilden. Diverse Qualifikationen sind nötig, um überhaupt an Hochvoltfahrzeugen arbeiten zu dürfen. HELLA bietet dazu umfassende Schulungen an. Hinzu kommt die geeignete Werkstattausrüstung. Im Zweifel fängt dies bei der Hebebühne an, die mehr Gewicht stemmen muss, auch der Arbeitsplatz muss mit entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen ausgestattet sein. Im Ergebnis wird den Kfz-Betrieben die Arbeit jedoch nicht ausgehen. Im Gegenteil: Es kommen neue „hochspannende” Aufgaben auf sie zu!