Die Energieeffizienz eines Elektroauto-Motors

Verfasst von am 09.03.2021 - 4 min

Die Aufgabe eines Automotors ist es, Kraftstoff oder Strom in Bewegungsenergie umzuwandeln. Für diesen Prozess besonders interessant ist der sogenannte „Wirkungsgrad“. Er gibt an, wie viel der aufgenommenen Energie umgewandelt werden kann bzw. wie viel der aufgenommenen Energie bei der Umwandlung verloren geht. Dieses Maß ist daher von größter Bedeutung für den Energieverbrauch und die Reichweite eines Elektrofahrzeugs. Sehen wir uns das genauer an.

Was gibt der Wirkungsgrad des Motors an?

Der Begriff Wirkungsgrad bezieht sich bei einem Motor auf das Verhältnis zwischen Nutzenergie und Gesamtenergieverbrauch und kann in Prozent ausgedrückt werden. Für ein Elektrofahrzeug wird der Wirkungsgrad auf 90 % geschätzt, was bedeutet, dass 10 % des vom Elektromotor verbrauchten Stroms nicht für den Antrieb des Fahrzeugs verwendet wurden – keine sehr große Menge. Zusätzlich zu diesem hohen Wirkungsgrad ist anzumerken, dass die Elektro- und Hybridfahrzeuge von Renault auch von der regenerativen Bremsung profitieren, die die Batterie während bestimmter Fahrphasen wieder auflädt, was ihren Wirkungsgrad noch näher an 100 % bringt.

Mit Hilfe des prozentualen Wirkungsgrads können wir die Reichweite eines Elektrofahrzeugs und seinen Stromverbrauch genauer messen. Je höher der Wirkungsgrad, desto weiter kommt ein Elektrofahrzeug mit einer Ladung.

Wie man den Wirkungsgrad eines Elektromotors berechnet? 

Mathematisch wird der Wirkungsgrad eines Elektromotors berechnet, indem die nutzbare Energiemenge durch die ursprünglich verbrauchte Energiemenge geteilt wird.

In der Praxis schätzen Automobilhersteller und auf mechanische Leistung spezialisierte Firmen den Wirkungsgrad von Fahrzeugen (Elektro- und Hybridfahrzeuge) unter Berücksichtigung mehrerer Faktoren, um eine möglichst genaue Zahl zu erhalten. Der Messprozess erfordert zunächst die Prüfung der Ladebedingungen und der Batterieeffizienz, um herauszufinden, wie viel Energie eingespeist wird. Anschließend wird das Elektroauto unter Berücksichtigung der Durchschnittsgeschwindigkeit und der Energierückgewinnung in Alltagssituationen und auf typischen Strecken gefahren, um die Anzahl der mit einer einzigen Ladung zurückgelegten Kilometer zu berechnen.

Das Verhältnis zwischen den beiden ermittelten Werten zeigt, warum in der Automobilindustrie Fachleute davon ausgehen, dass der Wirkungsgrad eines Elektromotors drei- bis viermal höher ist als der eines Benzin- oder Dieselverbrennungsmotors gleicher Leistung.

motorische blootstelling

Worin liegt der Unterschied zwischen Synchron- und Asynchronmotoren?

Um ein Elektro- oder Hybridfahrzeug (im Elektromodus) anzutreiben und den Motor mit elektrischer Energie zu versorgen, wird der von der Batterie gelieferte Strom in ein elektromagnetisches Feld umgewandelt, das den Rotor dreht und so eine Zugkraft erzeugt.

Die Funktionsweise eines Elektromotors unterscheidet sich je nach der Art der Technologie, die zur Erzeugung dieses elektromagnetischen Feldes verwendet wird. In der Industrie sind Synchronmotoren und Asynchronmotoren die am häufigsten verwendeten Motorentypen.

Der synchrone Elektromotor arbeitet mit einem statischen Teil, dem Stator, und einem rotierenden Teil, dem Rotor. Die Elektrizität aus der Batterie fließt durch den Stator, wo sie in ein elektromagnetisches Feld umgewandelt wird. Der Rotor, der eine Kupferspule oder einen Permanentmagneten enthält, folgt diesem Magnetfeld und beginnt sich mit einer Geschwindigkeit zu drehen, die proportional zur Frequenz des elektrischen Stroms ist. Diese Technologie ist in der Automobilindustrie am weitesten verbreitet.

Bei einem Asynchronmotor arbeiten Rotor und Stator nicht proportional zueinander. Der Stator “zieht” den Rotor in Drehung, allerdings mit einer leichten Verzögerung: Die Geschwindigkeit des rotierenden Magnetfeldes ist immer größer als die des Rotors.

Synchron-Elektromotoren: unterschiedliche Technik

Bei Synchron-Elektromotoren, die vor allem in der Automobilindustrie eingesetzt werden, gibt es zwei verschiedene Technologien: Magnetrotoren und gewickelte Rotoren.

Bei ersterem befinden sich sogenannte “Permanent”-Magnete in der Nähe des Rotors. Spulen innerhalb des Stators aktivieren dessen Empfindlichkeit gegenüber der Magnetkraft und erzeugen so die Rotation und damit den Antrieb des Fahrzeugs. Diese Technologie hat den Vorteil einer gewissen Leistungsdichte und einer sehr guten Energieeffizienz bei niedrigen Drehzahlen. Deshalb wird sie in leichten Stadtfahrzeugen wie dem Dacia Spring oder als Elektromotor in den E-Tech und E-Tech Plug-in-Hybridmotoren von Renault eingesetzt.

In einem Fahrzeug mit gewickeltem Rotor ersetzt eine Kupferspule den Permanentmagneten. Auch dieses Prinzip sorgt für eine sehr hohe Energieeffizienz bis zu hohen Geschwindigkeiten von über 100 km/h und ist in Sachen Reichweite um mehrere Dutzend Kilometer überlegen. Diese Technologie ist in den Motoren des Renault ZOE und Twingo Electric zu finden. 

motor opladen

Der Wirkungsgrad eines Asynchronmotors

Die physikalischen Eigenschaften des Asynchronmotors sind der Grund, warum er einen etwas geringeren Wirkungsgrad hat als sein synchrones Pendant. “Schlupf” beschreibt den Drehzahlunterschied zwischen Rotor und Stator und erklärt damit den Unterschied zwischen den beiden Motoren. “Asynchron”-Motoren bieten eine Energieeffizienz zwischen 75-80 %, während ein “Synchron”-Motor 90 % erreicht.

Die Verbesserung der Energieeffizienz eines Motors

Hersteller und Industriekonzerne arbeiten von mehreren Seiten an der Verbesserung der Effizienz von Elektroauto-Motoren. Die Größe der Teile, die Verwendung hochwertiger Materialien und die weitere Erhöhung des Luftstroms tragen dazu bei, die Energieverluste zu reduzieren, die durch Reibung zwischen den Teilen und die Umwandlung eines Teils der Energie in Wärme entstehen.

Am Steuer des Fahrzeugs hilft ein vorausschauender Öko-Fahrstil, um die Energierückgewinnung zu nutzen, unnötiges Beschleunigen und damit den Kilowattverbrauch zu reduzieren und den Motor näher an sein maximales Energieeffizienzniveau zu bringen. 

ZOE 2017 technisch snijden

Maximaler Wirkungsgrad 

Der für einen Elektro- oder Hybridmotor angegebene maximale Wirkungsgrad bezieht sich auf das ideale Szenario, bei dem die Energie aus den Batterien genutzt wird, um eine optimale Motordrehzahl zu erreichen. Der tatsächliche Wirkungsgrad eines Motors ist immer niedriger als dieser Wert und hängt von den Bedingungen (Wetter, Verkehr, Fahrstil) ab, unter denen das Fahrzeug betrieben wird.

Der Wirkungsgrad eines Hybridmotors

Bei einem Hybridmotor erhöht elektrisches Fahren tendenziell den maximalen Wirkungsgrad des Autos, egal ob es sich um einen Plug-in-Hybrid handelt oder nicht. Dies ist zum Teil auf die Fähigkeit zurückzuführen, die Batterien während des Ausrollens oder Bremsens aufzuladen und somit sofort “nützliche” Energie zurückzugewinnen. 

Der Wirkungsgrad eines Wasserstoffmotors

Ein wasserstoffbetriebenes Auto wird von einem Synchron-Elektromotor angetrieben, der einen vergleichbaren Wirkungsgrad wie die herkömmliche Elektrofahrzeugbatterie hat. Die Erzeugung von Wasserstoff durch die Brennstoffzelle verringert den Wirkungsgrad des Fahrzeugs in der Regel ein wenig, da ein Teil der Energie in Wasserdampf umgewandelt wird.

Den Wirkungsgrad eines Elektromotors zu kennen bedeutet auch, die Angaben zu Energieaufwand und Reichweite des Fahrzeugs besser verstehen zu können. 

 

Copyrights : MARTIN-GAMBIER Olivier, Pagecran

Meistgeteilte Artikel