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von Jbasic, via Wikimedia Commons

Als Antriebselement übernimmt der Elektromotor eine zentrale Rolle und stellt den eigentlichen Vorzug  des Elektrofahrzeuges gegenüber Verbrennungskraftmaschinen dar. Der Begriff Elektromotor ist dabei nicht ganz korrekt, da ein Elektromotor in der Regel auch als Generator eingesetzt werden kann und somit die Bezeichnung „Maschine“ zutreffend wäre. Dennoch wird im Folgenden zur besseren Verständlichkeit des Textes auch der Begriff Elektromotor verwendet.

Vor- und Nachteile zum Verbrennungsmotor

 

Die elektrische Antriebsform vereint mehrere Vorteile gegenüber dem Verbrennungsmotor. In Tabelle 1 findet sich eine Gegenüberstellung der Eigenschaften eines Elektro- und eines Dieselmotors. Dabei wird deutlich, dass das Leistungsverhalten des Elektromotors ideal für Traktionsanwendungen ist. Aus den Kennlinien in Abbildung 1 ist erkennbar, dass der Elektromotor bereits ab der Drehzahl Null ein maximales Drehmoment aufbringen kann, welches im unteren  Drehzahlbereich nahezu konstant ist. Zusätzlich können Elektromotoren für eine kurze Zeit über ihre Nennleistung im Überlastbereich mit bis zu dem Dreifachen des Nennmoments betrieben werden. Aufgrund dieser Besonderheit können nicht nur sehr hohe Beschleunigungen aus dem Stillstand erreicht, sondern grundsätzlich auch auf das Getriebe verzichtet werden.

 

Tabelle 1: Gegenüberstellung der Eigenschaften von Elektro- und Dieselmotor
(basierend auf Oswald, 2010)

 

Neben dem im Vergleich sehr hohen Wirkungsgrad sind Elektromotoren auch in der Lage einen Teil der Antriebsenergie bei Bremsvorgängen zu rekuperien und wieder in die Batterie zu speisen, was den Gesamtwirkungsgrad zusätzlich erhöhen kann. Darüber hinaus können Elektromotoren dank ihrer kompakten Größe und des leisen und vibrationsarmen Betriebsverhaltens unterschiedlich im Fahrzeug positioniert und eingesetzt werden. So ist neben einem zentralen Antrieb jeweils ein Motor an Vorder- und Hinterachse oder sogar der Einsatz von Radnabenmotoren möglich. Letztere bieten  neben noch zu lösbaren praktischen Umsetzungsschwierigkeiten weitere zusätzliche Vorteile, z.B. eine selektive Ansteuerung der einzelnen Räder, welches aufwendige technische Lösungen wie das ESP problemlos ersetzen könnte. Aufgrund dieser Eigenschaften können neue Freiräume in der Karosserie und Gewichtsreduzierung erreicht werden, die dann für die Auslegung der Batterien genutzt werden können. Da Elektromotoren kaum Verschleißteile aufweisen, sind sie sehr wartungsarm und weisen eine lange Lebensdauer auf.

 

Abbildung 1: Gegenüberstellung der Drehmoment- und Leistungskennlinien von Elektro- und Dieselmotor

(basierend auf Wallentowitz et al., 2010)

Aus Sicht des Umweltschutzes ist der abgasfreie Betrieb (vor Ort) der größte Vorteil gegenüber dem Verbrennungsmotor. Auch wenn hier der zugrundeliegende Strommix entscheidend für die Gesamtemissionen des Elektromotorbetriebes ist, bildet der großflächige Einsatz von Elektroantrieben doch eine wichtige Grundlage für die Verbreitung von Erneuerbaren Energien im Transportsektor. Der zentrale Nachteil beim Elektromotor ist die problematische Stromversorgung in mobilen Anwendungen. Zur Stromversorgung können elektrische Speicher, Brennstoffzellen oder Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Eine Kombination mit letzterem würde jedoch viele der oben genannten Vorteile wieder relativieren. Der Einsatz von Brennstoffzellen führt dazu, dass Wasserstoff als Energieträger an Bord mitgeführt werden muss, welcher aber bereits sehr energieintensiv in der Herstellung und Speicherung ist. Batterien als Stromspeicher haben das Problem, dass sie momentan noch eine sehr geringe Energiedichte aufweisen, sehr teuer in der Herstellung sind und die Lebensdauern deutlich unter denen eines Fahrzeuges liegen. Die sehr begrenzte Speicherkapazität der Batterien wird dadurch verschärft, dass die Abwärme des Elektromotors nicht ausreicht, den Fahrzeuginnenraum im Winter auf angenehmen Temperaturen zu bringen und deshalb die Beheizung elektrisch vorgenommen werden muss. Desweiteren muss der Elektromotor mit deutlich niedrigeren Temperaturen gekühlt werden als ein Verbrennungsmotor, was zusätzlichen Energiebedarf bedeutet.

Übersicht verfügbarer Technologien

 

Bei der Auswahl des Motortyps gibt es bei den Fahrzeugherstellern zurzeit noch keine einheitliche Strategie. Die grundsätzlich für Traktionsanwendungen in Frage kommenden Technologien sind:

  • Gleichstrommaschine
  • Asynchronmaschine
  • Synchronmaschine
  • Reluktanzmaschine
  • Transversalflussmaschine

Der Gleichstrommotor eignet sich aufgrund seines relativ schlechten Wirkungsgrades und großen Volumina und Gewichten nur bedingt für den Einsatz in Elektrofahrzeugen. Verbreiteter ist die Asynchronmaschine, welche mit Drehstrom betrieben wird. Sie kann konstruktionsbedingt viel höhere Drehzahlen erreichen, ist sehr kompakt von den Abmessungen und weist so gut wie keine Verschleißteile auf. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Asynchronmaschine aufgrund des Induktionsprinzips ohne Permanentmagneten auskommt, und man daher bei der Herstellung nicht auf die Seltenen Erden angewiesen ist. Sie wird aus diesem Grund sehr häufig in Elektrofahrzeugen eingesetzt.

Die Synchronmaschine gibt es genauso wie die Gleichstrommaschine in zwei Ausführungen, der Variante mit Fremderregung und mit Permanentmagneten. Bei der fremderregten Bauart sind Schleifkontakte für die Stromversorgung der Erregerwicklungen nötig, was zu erhöhtem Verschleiß und somit Wartungsaufwand führt. Deshalb wird diese Variante fast ausschließlich in Nischenanwendungen eingesetzt.  Die Ausführung mit Permanentmagneten hat im Vergleich zu den anderen auf dem Markt verfügbaren Technologien die mit Abstand höchste Leistungsdichte bei gleichzeitig sehr hohen Wirkungsgraden von bis zu 92%. Die permanenterregte Synchronmaschine hat einige Nachteile im Hinblick auf die Sicherheit, da im Fehlerfall durch die Maschine Spannungen induziert werden können. Weiterhin ist sie sehr komplex im Aufbau, wird aber aufgrund ihrer positiven Eigenschaften neben der Asynchronmaschine am häufigsten für Elektrofahrzeuge eingesetzt.

Die Reluktanz- sowie die Transversalflussmaschine, als Sonderfall der Reluktanzmaschine, finden noch keine Anwendung in Elektrofahrzeugen. Die Reluktanzmaschine verspricht zwar eine hohe Leistungsdichte und einen hohen Wirkungsgrad, problematisch ist aber vor allem die Drehmomentcharakteristik und der hohe Geräuschpegel bei falscher Auslegung. Ob sich diese Variante daher in Zukunft etablieren wird, ist fraglich. Die Transversalflussmaschine befindet sich noch stark im Entwicklungsstadium und ist noch nicht als Großserie verfügbar. Sie vereint zwar viele positive technische Eigenschaften, wie hohe Wirkungsgrade und Momentendichte, ist aber im Aufbau sehr komplex und daher mit hohen Kosten verbunden. Auch hier ist eine Einschätzung hinsichtlich zukünftiger Marktdurchdringung schwierig und hängt maßgeblich von den weiteren Fortschritten in Forschung und Entwicklung ab.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Asynchronmaschine und die permanenterregte Synchronmaschine, beides Drehstrommaschinen, momentan bei hoher Marktverfügbarkeit und gleichzeitig relativ niedrigen Kosten besonders für den Antrieb in Elektrofahrzeugen geeignet sind.

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