Der Elektromotor ist dem Verbrenner beim reinen Wirkungsgrad deutlich überlegen. Moderne E-Maschinen erreichen in günstigen Betriebspunkten Werte von bis zu 95 Prozent, während Verbrennungsmotoren einen erheblichen Teil der im Kraftstoff enthaltenen Energie als Wärme verlieren. Genau deshalb eignet sich der Elektromotor hervorragend für den Fahrzeugantrieb.
Nur erzählt der Wirkungsgrad des Motors eben nicht die ganze Geschichte.
Denn während sich die E-Maschine inzwischen erstaunlich kompakt bauen lässt, bleibt die Batterie das mit Abstand schwerste Bauteil eines Elektroautos. Moderne Lithium-Ionen-Zellen erreichen je nach Chemie inzwischen hohe spezifische Energien; die IEA nennt für aktuelle LFP-Zellen bis zu rund 205 Wh/kg, für NMC-Zellen bis zu etwa 265 Wh/kg. Auf Pack-Ebene fällt der Wert durch Gehäuse, Kühlung, Elektronik und Struktur nochmals niedriger aus.
Flüssige Kraftstoffe spielen energetisch in einer völlig anderen Gewichtsklasse. Benzin enthält chemisch grob zwölf Kilowattstunden Energie pro Kilogramm. Natürlich kann ein Verbrennungsmotor davon nur einen Teil in Vortrieb umsetzen. Trotzdem erklärt dieser Unterschied, warum ein Tank für mehrere hundert Kilometer Reichweite wenige Dutzend Kilogramm Kraftstoff benötigt, während ein großer Elektro-SUV dafür ein Batteriepaket von mehreren hundert Kilogramm mitführen muss.
Genau deshalb ist jedes Prozent Effizienz beim Elektroantrieb so wertvoll.
Der Motor wird zum Präzisionsgerät
Die jüngsten Generationen von Elektromotoren haben mit den ersten Großserienantrieben nur noch bedingt etwas gemeinsam. Sie werden kompakter, leistungsfähiger und leichter. Gleichzeitig versuchen die Hersteller, den Einsatz kritischer Rohstoffe zu reduzieren.
Ein Beispiel liefert BMW beim neuen iX3. Sein elektrischer Allradantrieb kombiniert eine stromerregte Synchronmaschine an der Hinterachse mit einer Asynchronmaschine vorn. Gegenüber der Vorgängergeneration sollen die Energieverluste um 40 Prozent, das Gewicht um zehn Prozent und die Herstellungskosten um 20 Prozent sinken. Zusammen leisten die beiden Maschinen 345 kW beziehungsweise 469 PS und 645 Nm.
Stromerregte Synchronmaschinen kommen ohne Permanentmagnete im Rotor aus. Das reduziert die Abhängigkeit von Seltenen Erden wie Neodym oder Dysprosium. Neuere Systeme übertragen den benötigten Strom zudem kontaktlos induktiv auf den Rotor und vermeiden damit klassische Schleifkontakte.
Das klingt zunächst nach einer Detailfrage für Ingenieure. Bei Millionen produzierter Fahrzeuge werden solche Details allerdings schnell ziemlich groß.
Kupferstäbe statt Draht
Auch innerhalb des Motors hat sich viel verändert. Die klassische Runddrahtwicklung wird zunehmend von der sogenannten Hairpin-Technologie ersetzt.
Statt flexibler Kupferdrähte kommen rechteckige Kupferstäbe zum Einsatz, die automatisiert in den Stator eingesetzt und verschweißt werden. Dadurch lässt sich der verfügbare Raum besser mit Kupfer füllen. Der höhere Füllfaktor verbessert Stromtragfähigkeit und Wärmeabfuhr. Bei gleicher Leistung kann die Maschine kleiner ausfallen.
Das Prinzip ist typisch für die derzeitige Entwicklung: Nicht eine einzelne Revolution macht den Unterschied, sondern viele kleine Verbesserungen, die sich am Ende addieren.
800 Volt lösen nicht jedes Problem
Ein großer Teil der Effizienzgewinne entsteht inzwischen außerhalb des eigentlichen Motors. Entscheidend ist die Leistungselektronik, die den Gleichstrom der Batterie in den für die E-Maschine benötigten Wechselstrom umwandelt.
Moderne Inverter verwenden zunehmend Siliziumkarbid-Halbleiter. Sie schalten schneller und verursachen weniger Wärmeverluste als konventionelle Silizium-Lösungen. Gemeinsam mit 800-Volt-Architekturen lassen sich dadurch Stromstärken reduzieren, Kabelquerschnitte verkleinern und hohe Ladeleistungen ermöglichen.
Auch hier lohnt sich allerdings ein genauer Blick. 800 Volt bedeuten nicht automatisch, dass ein Auto dauerhaft mit 350 oder 400 kW lädt. Die tatsächliche Ladeleistung hängt ebenso von Batteriezellen, Temperatur, Ladezustand, Kühlung und der Ladekurve ab.
Eine beeindruckende Spitzenzahl im Datenblatt kann deshalb nach wenigen Minuten wieder verschwunden sein.
Die IEA bestätigt dennoch den grundsätzlichen Fortschritt: Die durchschnittliche Energiedichte von EV-Batteriepacks ist innerhalb eines Jahrzehnts um rund 60 Prozent gestiegen. Gleichzeitig ermöglichen neue Zellchemien, Pack-Konstruktionen und Leistungselektronik immer höhere Ladegeschwindigkeiten.
Kühlung wird zum Leistungsfaktor
Mit steigenden Drehzahlen und Leistungen gewinnt auch das Wärmemanagement an Bedeutung. Moderne Elektromotoren erreichen teilweise 20.000 U/min und mehr. Wärme entsteht dabei nicht nur im Gehäuse, sondern besonders an Wicklungen und Rotor.
Deshalb genügt es zunehmend nicht mehr, lediglich den Stator über einen Wasser-Glykol-Kreislauf zu temperieren. Neue Systeme nutzen eine direkte Ölkühlung. Das Kühlmedium gelangt gezielt an Wickelköpfe und Rotor und verhindert, dass die Maschine bei längerer hoher Leistungsanforderung überhitzt.
Gerade bei dauerhaft hohem Autobahntempo zeigt sich der Unterschied zwischen beeindruckender Spitzenleistung und tatsächlich nutzbarer Dauerleistung.
Mercedes setzt auf Axialfluss
Einen besonders anderen Weg verfolgt Mercedes-AMG mit Axialflussmotoren des britischen Spezialisten YASA, der inzwischen zu Mercedes-Benz gehört.
Bei klassischen Elektromotoren verläuft der magnetische Fluss radial zur Welle. Beim Axialflussmotor verläuft er parallel zur Drehachse. Rotor und Stator können dadurch als vergleichsweise flache Scheiben aufgebaut werden.
Der Vorteil liegt vor allem in einer hohen Leistungs- und Drehmomentdichte bei geringem Bauraum. In den elektrischen AMG-Hochleistungsmodellen sollen mehrere dieser Maschinen zusammen bis zu 860 kW beziehungsweise 1.169 PS liefern; technisch sind laut Ausgangstext sogar bis zu 1.000 kW beziehungsweise 1.360 PS möglich.
Dass ein Elektromotor enorme Leistung entwickeln kann, ist allerdings längst nicht mehr die eigentliche Überraschung. Schwieriger ist es, diese Leistung wiederholt, thermisch stabil und mit vertretbarem Gewicht bereitzustellen.
Das Batteriegewicht bleibt der Gegenspieler
Damit liegt die größte Herausforderung des Elektroautos inzwischen weniger im Motor als im Energiespeicher.
Der Fortschritt bei Batterien ist erheblich. Neue Zellchemien erhöhen die Energiedichte, Pack-to-Cell- und Cell-to-Body-Konzepte reduzieren Strukturgewicht, und schnellere Ladesysteme verkürzen Standzeiten. Die IEA weist für aktuelle Lithium-Ionen-Technologien bereits deutlich höhere Energiedichten als noch vor wenigen Jahren aus.
Trotzdem bleibt der Abstand zu flüssigen Kraftstoffen physikalisch groß. Genau daraus entstehen die bekannten Zielkonflikte: mehr Reichweite bedeutet meist mehr Batterie, mehr Batterie bedeutet mehr Gewicht, und mehr Gewicht erhöht wiederum Verbrauch, Reifenbelastung und Anforderungen an Fahrwerk und Bremsen.
Die Antwort der Entwickler lautet deshalb nicht ausschließlich: größere Akkus. Sie lautet zunehmend: bessere Motoren, bessere Inverter, weniger Verluste, niedrigere Masse und ein ausgefeilteres Wärmemanagement. Und genau dort passiert derzeit technisch wahrscheinlich mehr, als man einem Elektromotor von außen ansehen würde.
