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Stammtischwissen: Technik-Fakten zum Elektroauto

Technik-Fakten zum Elektroauto Strom laden ist nicht gleich volltanken

Wann Laden für den Akku nicht gut ist, kennt er den Memory-Effekt, ist er 1:1 mit einem Benzin-Tank zu vergleichen? Hier brantworten wir beantworten gute Fragen zur E-Mobilität, damit Sie am Stammtisch mit Expertenwissen glänzen können.

Bei Verbrennern kannte man sich noch aus, wusste beispielsweise, warum frühes Hochschalten Sprit spart und Hubraum durch nichts zu ersetzen ist als durch … ja, genau! Bei Elektroautos stellen sich viele neue Fragen. Wir beantworten die wichtigsten davon. In unserer Bildergalerie sehen Sie die E-Auto-Neuheiten des Jahres 2022.

Warum wird der Stromspeicher auch Batterie genannt – müsste er nicht Akku heißen?

Prinzipiell ein nachvollziehbarer Gedanke, schließlich wird der Begriff "Batterie" im deutschen Sprachgebrauch für Zellen genutzt, die nur einmal verwendet und danach im besten Falle recycelt werden. Das Wort "Akku" steht hierzulande hingegen für wiederaufladbare Zellen. Im Englischen existiert dieser Unterschied jedoch nicht, weshalb sich international für reine E-Fahrzeuge der Begriff "BEV" (Battery Electric Vehicle) etabliert hat. Beide Bezeichnungen sind also richtig.

Warum ist der Akku eines E-Autos mehr als nur dessen Tank?

Grundsätzlich ist der Vergleich mit einem Tank nicht ganz falsch: Je größer der Akku, sprich, je mehr Energie er speichert, desto weiter kommt ein Elektroauto. Einem Benziner mit 100 PS ist es jedoch egal, ob er den Sprit aus einem 30- oder 80-Liter-Tank zugeführt bekommt – er wird immer seine 100 PS leisten. Beim E-Auto ist das anders. Hier ergibt sich die Systemleistung aus dem Zusammenspiel von E-Motor, Leistungselektronik und Akku. Gerade Letzterer ist oft der Flaschenhals, der das Spurtvermögen eines Elektroautos limitiert. Hier gilt: je größer der Akku, desto höher seine Stromlieferfähigkeit.

Stammtisch Laden
©Petair/©fovito - stock.adobe.com

Ein doppelt so großer Akku liefert auch doppelt so viel Strom. Deutlich wird dies unter anderem bei E-Autos, die je nach Batteriekapazität mit unterschiedlichen Fahrleistungen angegeben werden, obwohl identische Motoren verbaut sind. Ebenfalls interessant: Bei einem Verbrennungsmotor handelt es sich um einen Energiewandler, der die in Benzin und Diesel enthaltene chemische Energie durch Verbrennung zunächst in Wärmeenergie umwandelt. Die Wärmeentwicklung führt zu einer Volumen- und Druckzunahme im Zylinder, wodurch sich Kolben und Kurbelwelle bewegen. Ein E-Motor bekommt seine Energie aus dem Akku hingegen mundgerecht als elektrische Energie zugeführt. Dass keine zusätzliche Energieumwandlung stattfindet, ist einer der Gründe für den wesentlich besseren Wirkungsgrad von E-Autos gegenüber Verbrennern.

Brutto, netto und überhaupt: Wie viel Strom passt in meinen Akku?

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VW

Welche Energiemenge ein Akku speichert, wird meist in Kilowattstunden (kWh) beziffert. Allerdings variieren die Angaben teils für ein und denselben Akku: So gibt Mercedes für den EQC 80 kWh an, obwohl der Speicher eigentlich rund 85 kWh aufnimmt. Die letzten 5 kWh lassen sich jedoch nicht leer fahren, weil dies den Akku zu sehr strapazieren würde, worunter seine Haltbarkeit leidet. Die Reichweite eines Elektroautos ergibt sich also aus der Netto-Kapazität des Akkus, während die Brutto-Angabe eher von technischer Bedeutung ist. Doch wie kann es sein, dass in einen komplett entleerten 80-kWh-Akku beim Laden 90 kWh Strom fließen? Ist die reale Kapazität nicht vielleicht doch größer? Nein, dieses Phänomen liegt an den Ladeverlusten. Wenn Strom durch einen Leiter fließt, entsteht im Normalfall ein Widerstand, bei dem elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird und damit nutzlos verpufft. Wie hoch die Ladeverluste sind, hängt von vielen Faktoren ab. Typischerweise sind es um die 10 bis 15 Prozent.

Was kann ich dafür tun, dass mein Akku im Winter an Schnellladesäulen möglichst fix lädt?

Stammtisch Laden
Audi AG

Gleichstrom-Schnelllader bieten mit bis zu 350 kW genug Leistung für kurze Ladevorgänge. Die meisten E-Autos verkraften jedoch nur 50 bis 200 kW, und selbst die kommen oft nicht an. Wie viel tatsächlich zur Batterie durchgestellt wird, bestimmt die Ladeelektronik im Auto. Und ein wichtiger Faktor ist die Temperatur des Akkus. Am wohlsten fühlt er sich – eine kuriose Parallele zum Menschen – zwischen 20 und 35 Grad. Bei niedrigen Temperaturen laufen die elektrochemischen Prozesse in den Batteriezellen verzögert ab. Die Ionen können nicht mehr so schnell im Akku eingelagert werden, die Elektronik reduziert daher die Ladeleistung, um die Zellen nicht zu schädigen. Wer im Winter sein über Nacht bei Minusgraden geparktes E-Auto sofort zur nächstgelegenen Schnellladesäule fährt, wird sich wundern, wie zäh der Ladevorgang startet. Besser wäre es, erst ein paar Kilometer zu fahren, damit sich der Akku aufwärmt. Einige E-Autos können ihre Batterie zudem vorkonditionieren. Ihr aktives Wärmemanagement ist in der Lage, den Energiespeicher auf dem Weg zum Ladepark zu beheizen. Wer davon Gebrauch macht, wartet weniger lang.

Warum spielt auch der Zeitpunkt des Ladens eine Rolle für die Batterie-Alterung?

Stammtisch Laden
ams

Der Verschleiß eines Akkus hängt von zwei Faktoren ab: seinem Alter und der Anzahl seiner Lade- und Entladevorgänge. Auch wenn ein E-Auto nur herumsteht, altert sein Akku, sodass die maximale Kapazität und damit die Reichweite sinkt. Für die Materialien im Inneren sind Ladezustände (SOC = State of Charge) nahe null und nahe 100 Prozent besonders belastend. Stehen keine längeren Fahrten an, fühlt sich der Akku mit einem SOC zwischen 30 und 70 Prozent am wohlsten. Ein E-Auto sollte deshalb nicht sklavisch nach jeder Fahrt gleich wieder an die Wallbox.

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Technik erklärt

Geht es auf eine längere Strecke, ist es optimal, erst unmittelbar vor Reisebeginn auf 100 Prozent SOC aufzufüllen. Häufig kann der Abfahrtszeitpunkt am Bordcomputer eingestellt werden, um die Ladung entsprechend zu steuern. Alterungsprozesse sind zudem temperaturabhängig, Hitze fördert den Verschleiß enorm. Das Schlimmste, was man einem E-Auto-Akku antun kann, ist, ihn randvoll zu laden und das Fahrzeug dann in der prallen Sonne zu parken.

Warum gibt es keinen Memory-Effekt bei den E-Auto-Akkus?

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iStockphoto

Bei Batterietypen wie Nickel-Cadmium- (NiCd) oder Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) ist der Memory-Effekt ein großes Problem: Nutzt man deren Energie nur zum Teil und lädt früh wieder nach, "vergisst" der Akku irgendwann einmal die ungenutzten Areale und verringert seine Kapazität. Hervorgerufen wird der Effekt durch Kristallbildung an der aus Cadmium bestehenden Kathode. NiCD- und NiMH-Zellen kommen jedoch in hochwertigen Produkten kaum (noch) vor. Bei den Lithium-Ionen-Akkus heutiger E-Autos gibt es keinen Memory-Effekt. Ob er auftritt, hängt also von der verwendeten Zellchemie ab.

Warum laden E-Autos mit 800-Volt-Technik teils kaum rascher als einige 400-Volt-Modelle?

Doppelte Spannung, halbe Ladezeit? In der Theorie klingt das plausibel: Ein typischer High-Power-Charger an der Autobahn schafft bis zu 500 Ampere Ladestrom. Multipliziert man Stromstärke (A) und Spannung (V), ergibt sich die Ladeleistung. An einem 400-Volt-System können also maximal 400 V x 500 A = 200 Kilowatt fließen. Bei 800-Volt-Technik verdoppelt sich die Ladeleistung theoretisch auf 400 kW. Allerdings verkraften die meisten Akkus solch hohe Ladeleistungen gar nicht. Selbst der 800-Volt-Vorkämpfer Porsche Taycan ist auf 270 kW begrenzt, und auch diese 270 kW fließen nur anfangs. Um den Akku nicht zu sehr zu belasten, wird die Ladeleistung abhängig vom Ladestand sukzessive zurückgefahren. Wichtiger als der theoretische Maximalwert ist daher, welche Leistung über längere Zeit aufgenommen werden kann, beispielsweise über eine wirkungsvolle Zellkühlung. Das Spannungsniveau einer einzelnen Lithium-Ionen-Zelle beträgt ohnehin immer 3,7 Volt – unabhängig davon, ob sie in ein 400- oder 800-Volt-System integriert wurde. Hauptvorteil der 800-Volt-Technik sind vielmehr die geringeren Ohm’schen Verluste auch in allen Kabeln, wodurch der Wirkungsgrad steigt und unter anderem dünnere Kabelquerschnitte möglich werden.

Warum laden manche E-Autos gerade an Wallboxen wesentlich langsamer als versprochen?

The screw gun on a
Mennekes

Seltsam: Viele der auf 7,4 Kilowatt ausgelegten Wechselstrom-Bordlader in Elektroautos bedienen sich an üblichen 11-kW-Wallboxen nur mit 3,7 kW. Handelt es sich um einen Defekt? Oder muss man an Auto oder Wallbox etwas umstellen? Weder noch – es liegt daran, dass das Auto nicht für mehrphasiges Laden ausgelegt ist. Wallboxen geben üblicherweise alle drei Phasen (= Stromleitungen) des Hausanschlusses ans Auto weiter. Die 11 kW fließen daher über drei Phasen zu je 3,7 kW. Unterstützt das Ladegerät im Auto aber nur einphasiges Laden, kommen auch nur 3,7 kW an. Will man die vollen 7,4 kW erzielen, benötigt man eine 22-kW-Wallbox, die über jede der drei stromführenden Leitungen 7,4 kW abgibt. Eine einzelne Phase so stark zu belasten, verbietet in Deutschland jedoch die Schieflastverordnung. Mehr als 4,6 kW sind nicht drin, wenn die anderen Phasen ungenutzt bleiben.

Warum ist der cw-Wert bei Elektroautos noch wichtiger als bei Verbrennern?

Da Elektroautos rekuperieren können, spielt das Fahrzeuggewicht für den Verbrauch eine geringere Rolle als bei Verbrennern. Eine höhere Masse wuchtet beim Bremsen schließlich mehr Bewegungsenergie zurück in den Akku. Umso stärker machen sich jedoch unwiederbringliche Verluste von Fahrwiderständen bemerkbar. Ab ca. 80 km/h kostet das Verdrängen der Luft die meiste Energie, der Luftwiderstand steigt im Quadrat zur Geschwindigkeit.

Aerodynamik: Meilensteine der Windschlüpfigkeit

SPERRFRIST 15.04.21 18 Uhr Mercedes EQS
Mercedes
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Ein Elektroauto mit sehr guter Aerodynamik kommt daher auf der Autobahn weiter. Stromer müssen zudem effizienter mit der mitgeführten Energie umgehen. Ein 100-kWh-Akku, wie er in einigen Luxusstromern verbaut wird, entspricht einem Energieinhalt von gerade einmal rund zehn Litern Dieselkraftstoff. Durch den höheren Wirkungsgrad (etwa dreimal so gut) von E-Motoren und die Rekuperation kommen Elektroautos dennoch auf mehr als ordentliche Reichweiten – sofern die Aerodynamik stimmt!

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Fazit

Bei Elektroautos stellen sich viele neue Fragen. "Warum ist das anders als beim Benziner?", "Was ist mit dem Memory Effekt?" und viele mehr. Wir beantwortet die wichtigsten davon.

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