Moderne Elektroautos protzen oft mit beeindruckenden Leistungswerten. 300, 500 oder gar mehr als 1.000 PS sind längst keine Seltenheit mehr. Wer allerdings einen Blick in die Zulassungsbescheinigung Teil I wirft, erlebt dagegen eine Überraschung: Unter Feld P.2 stehen deutlich kleinere Zahlen. Statt der versprochenen 250 kW können es etwa nur 80 kW sein.
Der Grund dafür liegt in der unterschiedlichen Definition von Spitzen- und Dauerleistung. Während die Autohersteller für die Beschleunigung in der Regel die kurzzeitig verfügbare Maximalleistung angeben, wird für die Fahrzeugzulassung bei Elektroautos die sogenannte 30-Minuten-Leistung herangezogen. Sie soll zeigen, welche Leistung das Antriebssystem über einen längeren Zeitraum tatsächlich bereitstellen kann.
Warum Elektroautos mindestens zwei Leistungswerte haben
Bei einem Verbrennungsmotor ist die maximale Motorleistung vergleichsweise einfach einzuordnen. Ein 245 PS starker Benziner kann seine Nennleistung bei entsprechenden Betriebsbedingungen grundsätzlich über längere Zeit abrufen. Natürlich steigen dabei Temperaturen und Verbrauch, die grundsätzliche Leistungsfähigkeit des Motors verändert sich aber nicht nach wenigen Sekunden.
Beim Elektromotor sieht das anders aus. Ein elektrischer Antrieb kann für kurze Zeit sehr hohe Ströme verarbeiten und dadurch wesentlich mehr Leistung bereitstellen, als sein thermisches Gleichgewicht dauerhaft zulassen würde. Die maximale Spitzenleistung ist deshalb vor allem eine Momentaufnahme. Sie steht typischerweise beim Beschleunigen für kurze Zeit zur Verfügung und hängt unter anderem vom Ladezustand und der Temperatur der Batterie sowie von der thermischen Situation von Motor und Leistungselektronik ab.
Die Dauerleistung beschreibt dagegen, welche Leistung das gesamte Antriebssystem über einen längeren Zeitraum abgeben kann, ohne seine thermischen Grenzen zu überschreiten. Wird beispielsweise die Wicklung des Motors zu heiß oder erreicht die Leistungselektronik ihre zulässige Temperatur, reduziert die Steuerung automatisch den Strom. Die Leistung sinkt.
Das bedeutet allerdings nicht, dass ein Elektromotor grundsätzlich nur für wenige Sekunden hohe Leistung liefern kann. Moderne Kühlkonzepte können die thermische Belastbarkeit deutlich erhöhen. Entscheidend ist vielmehr das Zusammenspiel aus Elektromotor, Inverter, Batterie und Kühlsystem.
Was im Fahrzeugschein steht
Die Erklärung für die teilweise erstaunlich niedrige Zahl im Fahrzeugschein findet sich in den gesetzlichen Vorgaben. Nach der Regelung UN/ECE R85 wird für elektrische Antriebssysteme unter anderem die "höchste 30-Minuten-Leistung" bestimmt. Sie ist definiert als die höchste Nutzleistung, die ein elektrisches Antriebssystem bei Gleichspannung über einen Zeitraum von 30 Minuten im Durchschnitt abgeben kann.
In Deutschland wird bei einem Elektroauto diese Nennleistung für 30 Minuten in Feld P.2 der Zulassungsbescheinigung Teil I eingetragen. Deshalb kann dort beispielsweise eine Leistung von 100 kW stehen, obwohl der Hersteller für dasselbe Fahrzeug mit einer kurzfristigen Maximalleistung von 250 oder 300 kW wirbt. Das ist kein Widerspruch: Die beiden Werte beschreiben unterschiedliche Betriebszustände.
So funktioniert die 30-Minuten-Messung
Die UN-ECE-Regelung schreibt ein standardisiertes Prüfverfahren vor. Dabei wird das elektrische Antriebssystem unter definierten Bedingungen auf einem Prüfstand untersucht. Ziel ist nicht, die maximale Leistung eines kurzen Beschleunigungsvorgangs zu ermitteln, sondern die höchste Leistung, die über 30 Minuten im Mittel aufrechterhalten werden kann. Die Regelung legt dafür unter anderem die Messbedingungen und die Anforderungen an Prüfstand und Antriebssystem fest.
Damit ist die 30-Minuten-Leistung allerdings nicht mit einer konkreten Autobahnfahrt gleichzusetzen. Ein Fahrzeug, das im Fahrzeugschein beispielsweise mit 100 kW angegeben ist, kann durchaus deutlich länger oder kürzer mit einer höheren Leistung fahren – abhängig von Geschwindigkeit, Außentemperatur, Ladezustand und Kühlstrategie. Der Wert ist in erster Linie eine standardisierte Größe für die Typgenehmigung – ähnlich wie eine Verbrauchsangabe aus dem WLTP-Zyklus.
Wo die thermischen Grenzen liegen
Dass ein Elektroauto seine Spitzenleistung nicht dauerhaft abrufen kann, hat mehrere Ursachen. Im Elektromotor entstehen vor allem in den Wicklungen Wärmeverluste. Hinzu kommen Verluste im Rotor und in den Lagern. Auch der Inverter erzeugt bei hohen Strömen Abwärme. Bei der Batterie steigt die Verlustleistung mit zunehmendem Strom ebenfalls an, weil ein Teil der elektrischen Energie über den Innenwiderstand der Zellen in Wärme umgesetzt wird.
Erreicht eine dieser Komponenten eine kritische Temperatur, greift das Energiemanagement ein. Es reduziert Strom und damit Drehmoment beziehungsweise Leistung. Das kann bei wiederholten Beschleunigungen, hohen Außentemperaturen oder längerer Fahrt mit hoher Geschwindigkeit besonders relevant werden.
Die Batterie spielt dabei eine doppelte Rolle. Einerseits muss sie genügend elektrische Leistung liefern können, andererseits darf sie thermisch nicht überfordert werden. Bei niedrigem Ladezustand oder ungünstigen Temperaturen kann deshalb schon vor Erreichen der eigentlichen Motorgrenze weniger Leistung zur Verfügung stehen.
PSM, ASM und FSM: Nicht jeder E-Motor reagiert gleich
Wie groß der Abstand zwischen Spitzen- und Dauerleistung ausfällt, hängt auch vom Motorkonzept ab. Eine pauschale Aussage wie "Permanent-Synchronmaschinen haben grundsätzlich ein Verhältnis von 3:1 und Asynchronmaschinen von 2:1" wäre allerdings zu stark vereinfacht. Die tatsächlichen Werte hängen wesentlich von Auslegung, Kühlung, Drehzahlbereich, Batterie und Inverter ab.
Bei der permanenterregten Synchronmaschine (PSM) erzeugen Permanentmagnete im Rotor das Magnetfeld. Das ermöglicht eine hohe Leistungs- und Drehmomentdichte sowie einen sehr guten Wirkungsgrad. Gleichzeitig muss die Wärme im Rotor besonders berücksichtigt werden. Bei hohen Temperaturen können die Permanentmagnete an Magnetkraft verlieren; eine ausreichende Rotorkühlung ist deshalb ein wichtiger Bestandteil der Konstruktion.
Die Asynchronmaschine (ASM) erzeugt ihr Rotorfeld dagegen durch Induktion. Sie benötigt keine Permanentmagnete und besitzt dadurch kein entsprechendes Entmagnetisierungsrisiko. Allerdings entstehen im Rotor selbst ebenfalls elektrische Verluste. Gerade bei hoher Dauerlast kann die thermische Auslegung deshalb anspruchsvoll sein. Ein wesentlicher Vorteil der ASM ist, dass sie sich für bestimmte Betriebszustände elektrisch weitgehend verlustarm vom Antrieb trennen lässt, weshalb sie sich beispielsweise als zuschaltbare zweite Maschine in Allradsystemen eignet.
Bei der fremderregten Synchronmaschine (FSM) beziehungsweise stromerregten Synchronmaschine wird das Magnetfeld des Rotors durch eine elektrische Erregung erzeugt. Das macht eine variable Anpassung des Magnetfelds möglich – und es vermeidet Permanentmagnete. Gleichzeitig muss die Wärme aus den Rotorkomponenten abgeführt werden. Je nach Konstruktion kommen dafür beispielsweise Schleifringe oder kontaktlose Systeme zur Erregung zum Einsatz.
Entscheidend ist – wie gesagt – weniger die Motorbauart allein als deren konkrete Auslegung. Zwei PSM können trotz identischem Grundprinzip sehr unterschiedliche Dauerleistungen erreichen.
Kühlung entscheidet über die Dauerleistung
Eine zentrale Rolle spielt deshalb das Kühlsystem. Während ältere oder einfach aufgebaute Elektromotoren ihre Wärme hauptsächlich über das Gehäuse abführen, setzen moderne Antriebe auf eine möglichst direkte Kühlung der thermisch kritischen Bereiche.
Dazu gehört beispielsweise die direkte Kühlung der Statorwicklungen. Kühlmittel oder Öl wird möglichst nahe an den Wärmequellen geführt, damit die entstehende Wärme schnell aus dem Motor abgeführt werden kann. Auch die Rotorkühlung gewinnt bei leistungsstarken PSM und FSM an Bedeutung.
Ölkreisläufe können zusätzlich Motor, Getriebe und teilweise den Rotor kühlen. Ein Wärmetauscher übergibt die aufgenommene Wärme anschließend an den zentralen Kühlkreislauf des Fahrzeugs. Je besser diese Wärmeabfuhr funktioniert, desto länger kann der Motor hohe Leistung liefern, bevor die Elektronik eingreifen muss.
Auch der Inverter ist ein wichtiger Faktor. Moderne Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid können die Schaltverluste gegenüber konventionellen Lösungen reduzieren und ermöglichen hohe Leistungsdichten. Das allein macht einen Antrieb aber noch nicht dauerhaft leistungsfähig: Die gesamte Kühlarchitektur muss auf die entstehende Verlustleistung abgestimmt sein.
Was bedeutet das für die Praxis?
Für den Ampelsprint oder die Beschleunigung von 80 auf 120 km/h ist die Spitzenleistung entscheidend. Und sie dürfte in fast allen Fällen für kurze Zeit auch zur Verfügung stehen. Sie erklärt, warum ein Elektroauto mit vergleichsweise niedriger Dauerleistung trotzdem beeindruckende Fahrleistungen erreichen kann.
Wer dagegen wissen möchte, wie standfest ein Elektroauto bei hoher Dauerbelastung ist – etwa weil er mit schwerem Anhänger in die Berge fahren will – sollte die 30-Minuten-Leistung genauer betrachten. Sie ist zwar kein exakter Messwert für eine lange Berg- oder Autobahnfahrt, liefert aber eine standardisierte Größenordnung dafür, welche Leistung das elektrische Antriebssystem über einen längeren Zeitraum bereitstellen kann. Die gesetzliche Definition nach UN R85 macht den Wert zwischen verschiedenen Fahrzeugen grundsätzlich vergleichbar.
