Aufbau und Funktionsweise eines Elektroautos

Bevor es an die Technik geht, lohnt ein Blick auf die Begriffe, denn „elektrifiziert" ist nicht gleich „elektrisch“:

• Batterieelektrisches Auto (BEV). Fährt ausschließlich mit Strom aus einer Batterie, die extern geladen wird. Um diese Bauart geht es in diesem Artikel.
• Vollhybrid (HEV). Ein Verbrenner trägt die Hauptlast, eine kleine Batterie unterstützt beim Anfahren und speichert Bremsenergie. Einen Ladeanschluss gibt es nicht — mehr dazu im Ratgeber zum Hybrid-Auto.
• Plug-in-Hybrid (PHEV). Kombiniert Verbrenner und E-Antrieb mit einer Batterie, die an der Steckdose geladen wird und einige Dutzend Kilometer rein elektrisch trägt — im Detail erklärt im Ratgeber zum Plug-in-Hybrid.
• Brennstoffzellenauto (FCEV). Technisch ebenfalls ein Elektroauto — der Strom kommt aber nicht aus einer großen Batterie, sondern wird an Bord aus Wasserstoff erzeugt. Siehe dazu unseren Ratgeber zum Wasserstoffauto.

Die meisten Elektroautos folgen derselben Grundarchitektur, oft „Skateboard" genannt: Die Batterie liegt als flaches, crashgeschütztes Paket im Unterboden zwischen den Achsen, der Motor sitzt kompakt an der Hinter- oder Vorderachse, die Leistungselektronik direkt daneben. Das hat spürbare Folgen: einen tiefen Schwerpunkt, einen ebenen Innenraumboden ohne Mitteltunnel und häufig einen zusätzlichen Stauraum unter der Fronthaube. Viele Elektroautos setzen wieder auf Heckantrieb, weil der Motor ohne Kardanwelle direkt an der angetriebenen Achse sitzen kann.

Der Antriebsstrang kommt dabei mit deutlich weniger beweglichen Teilen aus als ein Verbrenner: keine Kolben, keine Kupplung, kein mehrstufiges Getriebe, keine Abgasanlage, kein Ölkreislauf im Motor. Das reduziert Verschleiß und Wartungsaufwand — ein Grund, warum Inspektionen bei Elektroautos meist schlanker ausfallen.

Das Prinzip ist bei allen Bauarten gleich: Stromdurchflossene Wicklungen im feststehenden Stator erzeugen ein rotierendes Magnetfeld, das den Rotor mitzieht. Weil ein Elektromotor sein maximales Drehmoment bereits aus dem Stand liefert und über einen sehr breiten Drehzahlbereich effizient arbeitet, reicht eine feste Übersetzung — das erklärt die verzögerungsfreie Beschleunigung ohne Schaltpausen. Nur einzelne Sportmodelle verbauen ein Zweigang-Getriebe, um kräftigen Antritt und hohe Endgeschwindigkeit zu verbinden.

Drei Motortypen dominieren

• Permanenterregte Synchronmaschine (PSM). Der Rotor trägt Permanentmagnete. Höchste Effizienz und Leistungsdichte, deshalb der häufigste Typ — der Preis dafür sind Seltene Erden in den Magneten.
• Asynchronmaschine (ASM). Kommt ohne Magnete aus und läuft unbestromt fast widerstandsfrei mit. Deshalb sitzt sie bei Allradmodellen oft als zweiter Motor an der Achse, die nur bei Bedarf zugeschaltet wird.
• Fremderregte Synchronmaschine (EESM). Das Rotorfeld wird elektrisch über Spulen erzeugt statt über Magnete — ganz ohne Seltene Erden. Mehrere Hersteller setzen inzwischen serienmäßig darauf.

Beim Wirkungsgrad spielt der E-Antrieb in einer eigenen Liga: Über 90 Prozent der eingesetzten Energie kommen als Vortrieb an, während ein Verbrennungsmotor den größten Teil als Abwärme verliert. Und der Motor kann in beide Richtungen arbeiten — als Generator gewinnt er beim Verzögern Energie zurück, dazu gleich mehr. Wie sich Spitzen- und Dauerleistung unterscheiden, erklärt unser Ratgeber zur Dauerleistung beim Elektroauto.

Die Traktionsbatterie ist das schwerste und teuerste Einzelteil des Autos. Sie besteht aus vielen einzelnen Lithium-Ionen-Zellen — als Rundzellen, prismatische Zellen oder flache Pouch-Zellen —, die klassisch zu Modulen und dann zum Gesamtpaket verschaltet werden; moderne Konstruktionen sparen die Modulebene teilweise ein und bauen die Zellen direkt ins Pack. Das Batteriemanagementsystem überwacht dabei permanent Spannung, Temperatur und Ladezustand, das Thermomanagement hält die Zellen im Temperaturfenster, in dem sie effizient und alterungsarm arbeiten.

NMC oder LFP: zwei Zellchemien, zwei Charaktere

Innerhalb der Lithium-Ionen-Technik haben sich zwei Zellchemien etabliert. NMC-Zellen (Nickel-Mangan-Cobalt) speichern mehr Energie pro Kilogramm und stecken deshalb meist in Langstrecken- und Performance-Varianten. LFP-Zellen (Lithium-Eisenphosphat) kommen ohne Nickel und Cobalt aus, sind günstiger und sehr zyklenfest — dafür schwerer bei gleicher Kapazität und kälteempfindlicher. Sie haben sich in Einstiegs- und Standard-Reichweiten-Varianten breit durchgesetzt. Als nächster Schritt stehen Natrium-Ionen-Zellen am Anfang der Serienfertigung, die ganz ohne Lithium auskommen.

Was kWh bedeutet — und was davon nutzbar ist

Die Kapazität einer Batterie wird in Kilowattstunden (kWh) angegeben — das ist der Energieinhalt, also das Gegenstück zur Tankgröße. Hersteller nennen dabei oft zwei Werte: die Bruttokapazität und die netto nutzbare Kapazität, denn ein Puffer bleibt zum Schutz der Zellen ungenutzt. Ein Rechenbeispiel mit frei gewählten Werten: 60 kWh nutzbare Kapazität und ein Verbrauch von 17 kWh je 100 Kilometer ergeben rechnerisch gut 350 Kilometer Reichweite. Der reale Verbrauch hängt von Tempo, Temperatur und Ladeverlusten ab — deshalb schwankt die Reichweite im Alltag deutlich stärker als beim Verbrenner.

Zwischen Batterie und Motor sitzt die Leistungselektronik — das Nervensystem des Antriebs. Der Wechselrichter macht aus dem Gleichstrom der Batterie den Wechselstrom, den der Motor braucht, und steuert über Frequenz und Stromstärke Drehzahl und Drehmoment; zunehmend kommen dafür effiziente Siliziumkarbid-Halbleiter zum Einsatz. Der DC-DC-Wandler versorgt aus der Hochvoltbatterie das klassische 12-Volt-Bordnetz, an dem Licht, Steuergeräte und Infotainment hängen. Und der Onboard-Lader wandelt beim Wechselstromladen den Netzstrom in Gleichstrom für die Batterie.

400 oder 800 Volt: warum die Spannungslage zählt

Lange waren rund 400 Volt Systemspannung der Standard. Seit 2019 kommen Serienmodelle mit 800-Volt-Architektur auf den Markt, und die Zahl wächst mit jeder Modellgeneration. Der Vorteil folgt aus der Physik: Leistung ist Spannung mal Stromstärke. Bei doppelter Spannung fließt für dieselbe Leistung nur der halbe Strom — die Kabel können dünner und leichter ausfallen, es entsteht weniger Abwärme, und vor allem lässt sich am Schnelllader über längere Zeit hohe Ladeleistung halten.

Beim Verzögern kehrt der Elektromotor sein Prinzip um: Statt Strom in Bewegung zu wandeln, arbeitet er als Generator und wandelt die Bewegungsenergie des Autos zurück in elektrische Energie, die in der Batterie landet. Ein verbreitetes Missverständnis dazu: Zurückgewonnen wird nicht die Reibungswärme der Bremsbeläge — die ist unwiederbringlich verloren —, sondern die Bewegungsenergie, bevor sie zu Wärme wird. Genau deshalb bremst ein Elektroauto möglichst über den Motor und setzt die mechanische Bremse erst ein, wenn stärker verzögert werden muss.

Im Alltag heißt das: weniger Bremsenverschleiß und je nach Strecke spürbar mehr Reichweite, besonders im Stadtverkehr und bergab. Viele Modelle lassen die Stärke der Rekuperation einstellen — bis hin zum One-Pedal-Fahren, bei dem das Lupfen des Fahrpedals bereits kräftig verzögert. Grenzen gibt es auch: Eine volle oder sehr kalte Batterie kann kaum Energie aufnehmen, dann regelt das Auto die Rekuperation ab. Alle Details dazu im Ratgeber zur Rekuperation.

Die Batterie speichert Gleichstrom, das Stromnetz liefert Wechselstrom — irgendwo muss also immer gewandelt werden, und genau daran unterscheiden sich die beiden Ladearten. Beim AC-Laden an der heimischen Wallbox oder einer öffentlichen Normalladesäule übernimmt der Onboard-Lader im Fahrzeug die Umwandlung; üblich sind 11 kW, manche Fahrzeuge und Anschlüsse schaffen 22 kW. Die Haushaltssteckdose bleibt mit rund 2,3 kW eine Notlösung. Beim DC-Schnellladen sitzt der Gleichrichter in der Ladesäule, der Strom fließt am Onboard-Lader vorbei direkt in die Batterie — je nach Modell mit rund 50 bis über 300 kW.

Die maximale DC-Leistung ist dabei ein Spitzenwert, kein Dauerzustand: Das Batteriemanagement regelt die Leistung abhängig von Ladezustand und Zelltemperatur — oberhalb von etwa 80 Prozent Füllstand sinkt sie deutlich, weshalb Ladezeiten üblicherweise für den Hub von 10 auf 80 Prozent angegeben werden. Viele Fahrzeuge temperieren die Batterie automatisch vor, wenn das Navi eine Ladesäule ansteuert. In Europa haben sich zwei Steckersysteme durchgesetzt: Typ 2 für AC und CCS für DC — eine Übersicht gibt unser Ratgeber zu Ladekabeln und Steckertypen.