Wachsende Reichweite, sinkende Ladezeiten, weniger Abhängigkeit von Rohstoffen aus Asien

Wer über ein Elektroauto nachdenkt, blickt meist zuerst auf Reichweite, Ladezeit und Preis. Der Elektromotor selbst gerät dabei schnell in den Hintergrund – dabei hat sich an genau diesem Bauteil in den vergangenen Jahren technisch mehr getan als an fast jeder anderen Komponente des Autos. Dieser Beitrag ordnet ein, welche Neuerungen dahinterstecken und weshalb sie für die Kaufentscheidung relevant sein können.

Alter Hut oder neue Technik? Ein Blick lohnt sich

Wer beim Stichwort Elektromotor nur an „Strom rein, Rad dreht sich“ denkt, greift zu kurz. Zwischen den ersten Serien-Elektroautos und den aktuellen Generationen liegen Welten – nicht nur bei der Batterie, sondern gerade bei Motor und Leistungselektronik. Vier Entwicklungslinien lassen sich dabei besonders deutlich erkennen: der Wirkungsgrad, der Rohstoffeinsatz, die Bauform der Wicklung und das Temperaturmanagement.

Für die Kaufentscheidung sind diese Entwicklungslinien deshalb relevant, weil sie sich selten direkt im Datenblatt niederschlagen und trotzdem darüber mitentscheiden, wie ein Auto sich im Alltag verhält: wie schnell es lädt, wie leise es bleibt und wie stark ein Hersteller von einzelnen Rohstoffquellen abhängt. Wer zwei ähnlich große Elektroautos vergleicht, tut also gut daran, nicht nur auf Reichweite und Preis zu schauen, sondern auch danach zu fragen, welche Motor- und Ladetechnik jeweils verbaut ist.

Wirkungsgrad: Der stille Vorteil gegenüber dem Verbrenner

Ein Verbrennungsmotor erreicht meist einen Wirkungsgrad von unter 40 Prozent – der Rest der eingesetzten Energie geht über Reibung und Wärmeabgabe verloren. Ein Elektromotor lag zunächst bei rund 90 Prozent, moderne Antriebe erreichen mittlerweile bis zu 95 Prozent. Nahezu die gesamte eingesetzte Energie kommt also als Antriebsleistung wieder heraus. Dieser Effizienzvorsprung ist einer der Gründe, warum Hersteller und Zulieferer intensiv an noch besseren Wirkungsgraden arbeiten: Das Batteriepaket ist das mit Abstand teuerste und schwerste Bauteil eines Elektroautos, und ein effizienterer Antrieb erlaubt es, dieses Paket nicht immer weiter zu vergrößern.

Rohstoffe: Warum sich viele Hersteller von seltenen Erden verabschieden

Die klassische permanenterregte Synchronmaschine (PSM) gilt als besonders leistungsfähig, benötigt für ihre Dauermagnete im Rotor aber seltene Erden. Um die Abhängigkeit von entsprechenden Zulieferern, vor allem in Asien, zu reduzieren, setzen immer mehr Hersteller stattdessen auf die fremderregte Synchronmaschine (EESM). Deren Rotor arbeitet ohne Permanentmagnete und nutzt stattdessen schaltbare Elektromagnete.

Frühere EESM-Generationen übertrugen den Strom für das Rotor-Magnetfeld über Schleifkontakte, was mechanischen Verschleiß erzeugte. Moderne Ausführungen, etwa von Zulieferern wie ZF oder Mahle, übertragen den Strom stattdessen kontaktlos und induktiv. Das reduziert nicht nur die Abhängigkeit von Neodym und Dysprosium, sondern erhöht auch die Effizienz bei Autobahntempo, da sich das Magnetfeld im Rotor bei hohen Geschwindigkeiten abschalten oder abschwächen lässt.

Wie sich diese Technik in der Praxis niederschlägt, zeigt der BMW iX3: Als Allradmodell wird er von zwei E-Maschinen angetrieben, die gemeinsam 345 kW beziehungsweise 469 PS und ein Drehmoment von 645 Nm erzeugen. An der Hinterachse arbeitet eine stromerregte Synchronmaschine mit hohem Wirkungsgrad, an der Vorderachse eine Asynchronmaschine. Gegenüber der Vorgängergeneration sinken durch die neue Antriebstechnologie die Energieverluste um 40 Prozent, das Gewicht um 10 Prozent und die Herstellungskosten um 20 Prozent – ein Beispiel dafür, dass sich Effizienzgewinne und Kostensenkung nicht ausschließen müssen.

Wicklung: Wie die Hairpin-Technologie den Motor kompakter macht

Auch im Inneren des Stators hat ein Wandel stattgefunden. Die über viele Jahre verwendete klassische Runddraht-Wicklung wird zunehmend durch die sogenannte Hairpin-Technologie ersetzt. Anstelle biegsamer Kupferdrähte kommen rechtwinklige Kupferstäbe zum Einsatz, die wie Haarnadeln geformt sind und automatisiert in den Stator gesteckt und verschweißt werden. Der Kupferfüllfaktor steigt dadurch von unter 50 auf über 70 Prozent. Die Folge: eine höhere Stromtragfähigkeit und eine deutlich bessere Wärmeableitung über das Gehäuse. Bei gleicher Leistung lässt sich dadurch ein kleinerer Motor verbauen – ein Vorteil, der sich auf Package und Gewicht des gesamten Fahrzeugs auswirken kann.

Leistungselektronik: SiC-Halbleiter und 800-Volt-Technik

Ein Elektromotor ist nur so effizient wie der Inverter, der den Batteriestrom steuert. Hier setzt sich zunehmend die SiC-Technik durch: Siliziumkarbid-Halbleiter, konkret sogenannte SiC-MOSFETs, ersetzen die bislang üblichen Silizium-Schalter. Sie schalten mit bis zu 50 Kilohertz, verringern die Wärmeverluste um bis zu 70 Prozent und vergrößern die Reichweite des Elektroautos um fünf bis sieben Prozent.

Ergänzend dazu setzen vor allem größere und leistungsstärkere Elektroautos zunehmend auf eine 800-Volt-Architektur. Sie ermöglicht bei gleicher Leistung eine Halbierung der Stromstärke, was den nötigen Kabelquerschnitt reduziert, Gewicht spart und die thermische Belastung im Motor senkt. Gleichzeitig lassen sich dadurch Ladeleistungen von teils mehr als 400 kW realisieren.

Kühlung: Warum der Rotorkern zum Thema wird

Weniger im Fokus steht meist die Kühlung des Rotorkerns – zu Unrecht, denn moderne Elektromotoren erreichen Drehzahlen von bisweilen bis zu 20.000 Umdrehungen pro Minute oder mehr. Damit wächst die Bedeutung eines durchdachten Wärmemanagements. Statt den Stator ausschließlich über einen äußeren Wasser-Glykol-Mantel zu kühlen, setzen moderne Antriebe auf eine sogenannte Direktölkühlung: Synthetisches Öl wird direkt in die rotierende Welle gepumpt und durch Fliehkräfte gezielt auf die überhitzungsgefährdeten Wickelköpfe des Stators sowie das Rotorpaket gespritzt. Das verhindert eine Entmagnetisierung beziehungsweise einen Leistungsabfall bei dauerhafter Tempofahrt, etwa auf der Autobahn.

Axial-Fluss-Motoren: Mercedes‘ Antwort auf besonders hohe Leistungsdichte

Einen eigenen Weg geht Mercedes mit den sogenannten Axial-Fluss-Motoren, die in den elektrischen Hochleistungsmodellen AMG GT Viertürer und AMG SUV zum Einsatz kommen und dort gemeinsam mehr als 850 kW leisten. Das zugrunde liegende Prinzip wurde vom britischen Elektromotorbauer YASA entwickelt, der inzwischen zu Mercedes gehört. Anders als bei einem herkömmlichen Elektromotor verläuft der elektromagnetische Fluss hier parallel zur Drehachse statt senkrecht dazu. Die wesentlichen Komponenten sind als schmale Scheiben gestaltet, deren Rotoren den Stator sandwichartig von beiden Seiten umschließen.

Im AMG GT Viertürer und im AMG SUV ist der Antrieb an der Vorderachse rund neun Zentimeter breit, die beiden Motoren an der Hinterachse messen jeweils nur acht Zentimeter. Trotz dieser kompakten Bauform steht eine Spitzenleistung von bis zu 860 kW beziehungsweise 1.169 PS zur Verfügung, in der Spitze sind sogar bis zu 1.000 kW beziehungsweise 1.360 PS möglich. Bei Höchstgeschwindigkeit drehen die Axial-Fluss-Motoren mit bis zu 15.000 Umdrehungen pro Minute.

Technische Daten: Elektromotor-Technologien im Überblick

Wirkungsgrad Verbrennungsmotor: meist unter 40 Prozent
Wirkungsgrad moderner Elektroantriebe: bis zu 95 Prozent (zuvor rund 90 Prozent)
BMW iX3 (Allrad, zwei E-Maschinen): 345 kW / 469 PS Systemleistung, 645 Nm Drehmoment
BMW iX3 neue Antriebstechnologie ggü. Vorgänger: −40 % Energieverluste, −10 % Gewicht, −20 % Herstellungskosten
Hairpin-Technologie: Kupferfüllfaktor von unter 50 % auf über 70 % gesteigert
SiC-MOSFETs: Schaltfrequenz bis 50 kHz, bis zu 70 % geringere Wärmeverluste, 5–7 % mehr Reichweite
800-Volt-Architektur: Ladeleistungen von teils mehr als 400 kW
Rotordrehzahl moderner Elektromotoren: bis zu 20.000 U/min oder mehr
Mercedes-Axial-Fluss-Motor (AMG GT Viertürer/AMG SUV): bis 860 kW / 1.169 PS, maximal bis zu 1.000 kW / 1.360 PS, bis zu 15.000 U/min

Fazit

Der Elektromotor hat sich vom vergleichsweise einfachen Bauteil zu einem hochkomplexen System aus Wicklung, Rotorkonzept, Leistungselektronik und Kühlung entwickelt. Käufer profitieren davon vor allem indirekt: durch mehr Reichweite bei gleicher Batteriegröße, kürzere Ladezeiten und eine geringere Abhängigkeit der Hersteller von einzelnen Rohstoffquellen. Wer beim nächsten Modellwechsel genauer hinschaut, findet unter dem Blech eine Technik, die technisch deutlich weiter ist, als es die reinen Datenblattwerte auf den ersten Blick vermuten lassen.

Auffällig ist zudem, dass sich die einzelnen Fortschritte gegenseitig verstärken: Eine effizientere Grundkonstruktion wie die EESM verringert die Verlustwärme, eine bessere Wicklung wie die Hairpin-Technologie verbessert die Wärmeableitung zusätzlich, und eine Direktölkühlung sorgt dafür, dass diese Vorteile auch bei Dauerbelastung erhalten bleiben. Erst im Zusammenspiel aller vier Entwicklungslinien – Wirkungsgrad, Rohstoffeinsatz, Wicklungstechnik und Kühlung – wird deutlich, warum aktuelle Elektromotoren trotz kompakterer Bauweise leistungsfähiger und alltagstauglicher geworden sind als noch wenige Modelljahre zuvor. Für die Kaufentscheidung bedeutet das: Es lohnt sich, bei der Probefahrt gezielt nach der verbauten Motor- und Ladetechnik zu fragen, auch wenn Verkaufsgespräche meist zuerst um Ausstattung und Preis kreisen.