Der Wirkungsgrad eines Elektroautomotors
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Der Motor eines Autos hat die Aufgabe, den Kraftstoff in Antriebsenergie umzuwandeln. Um die mit diesem Prinzip verbundenen Verluste zu messen, spricht man vom Wirkungsgrad. Dieser Wert ist daher von entscheidender Bedeutung für die Bestimmung des Verbrauchs und der Reichweite eines Elektrofahrzeugs. Eine Erläuterung.
VON DER RENAULT GROUP
Was versteht man unter dem Wirkungsgrad eines Elektromotors?
Der Begriff „Wirkungsgrad“ bezeichnet bei einem Motor das Verhältnis zwischen der Nutzenergie und der insgesamt verbrauchten Energie. Er kann als Prozentsatz ausgedrückt werden. Bei einem Elektrofahrzeug wird der Wirkungsgrad auf 90 % geschätzt. Das bedeutet, dass 10 % des vom Elektromotor verbrauchten Stroms nicht für den Antrieb genutzt wurden, was sehr wenig ist. Neben dieser hervorragenden Leistung ist zu beachten, dass ein Elektro- oder Hybridfahrzeug von Renault zusätzlich von der regenerativen Bremsung profitiert, die die Batterie in bestimmten Fahrphasen wieder auflädt, wodurch der Wirkungsgrad noch näher an 100 % heranreicht.
Anhand des Wirkungsgrads lassen sich insbesondere dieReichweite eines Elektrofahrzeugs und dessen Stromverbrauch genauer bestimmen. Je höher der Wirkungsgrad, desto weniger Kilowatt Energie müssen bei jedem Ladevorgang „zugeführt“ werden, um die gewünschte Kilometerzahl zurückzulegen.
Wie berechnet man den Wirkungsgrad eines Elektromotors?
Mathematisch gesehen ist die Berechnung des Wirkungsgrads eines Elektromotors das Quotient aus der nutzbaren Energiemenge und der ursprünglich verbrauchten Energiemenge.
In der Praxis schätzen Automobilhersteller und auf mechanische Leistung spezialisierte Unternehmen den Wirkungsgrad von Fahrzeugen (Elektro- oder Hybridfahrzeuge) unter Berücksichtigung mehrerer Parameter ein, um einen Wert zu erhalten, der der Realität so nahe wie möglich kommt. Der Messprozess erfordert zunächst eine Prüfung der Ladezustände und des Wirkungsgrads der Batterien, um festzustellen, wie viel Energie eingespeist wird. Das Elektroauto, das anhand seiner Durchschnittsgeschwindigkeit und seiner Energierückgewinnung bewertet wird, wird anschließend unter alltäglichen Bedingungen auf realistischen Fahrstrecken getestet, um die Anzahl der mit einer einzigen Ladung zurückgelegten Kilometer zu ermitteln.
Das Verhältnis zwischen diesen beiden gemessenen Werten erklärt, warum Fachleute in der Automobilbranche davon ausgehen, dass der Wirkungsgrad eines Elektromotors bei gleicher Leistung drei- bis viermal höher ist als der eines Benzin- oder Dieselmotors .
Was ist der Unterschied zwischen einem Synchron- und einem Asynchronmotor?
Um ein Elektro- oder Hybridfahrzeug anzutreiben (im Falle des Hybridfahrzeugs im Elektromodus) und den Motor mit elektrischer Leistung zu versorgen, wandelt dieser den von der Batterie gelieferten Strom in ein elektromagnetisches Feld um, das einen Rotor in Drehung versetzt, der wiederum den Antrieb antreibt.
Die Funktionsweise eines Elektromotors unterscheidet sich je nach der Technologie, die zur Erzeugung dieses elektromagnetischen Feldes verwendet wird: Man spricht daher von „synchronen“ und „asynchronen“ Motoren, um die beiden in der Industrie am häufigsten verwendeten Motortypen zu bezeichnen.
Der Synchron-Elektromotor besteht aus einem feststehenden Teil, dem Stator, und einem rotierenden Teil, dem Rotor. Der Strom aus der Batterie fließt durch den Stator, wo er in ein elektromagnetisches Feld umgewandelt wird. Der Rotor – der eine Kupferspule oder einen Permanentmagneten enthält – folgt diesem Magnetfeld und beginnt, sich um sich selbst zu drehen, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die proportional zur Frequenz des elektrischen Stroms ist. Diese Technologie wird derzeit im Automobilbereich am häufigsten eingesetzt.
Bei einem Asynchronmotor arbeiten Rotor und Stator nicht proportional zueinander. Der Stator „zieht“ den Rotor mit einer leichten Verzögerung in seine Drehbewegung hinein: Die Drehzahl des rotierenden Magnetfelds ist stets höher als die des Rotors.
Synchron-Elektromotoren: verschiedene Technologien
Synchron-Elektromotoren, die insbesondere in der Automobilindustrie zum Einsatz kommen, können auf zwei verschiedenen Technologien basieren: mit Magnet- oder gewickelten Rotoren.
Die erste Kategorie umfasst im Rotor sogenannte „Dauermagnete“. Spulen im Stator aktivieren dessen Empfindlichkeit gegenüber der Magnetkraft, bewirken dessen Drehung und damit den Antrieb des Fahrzeugs. Diese Technik hat insbesondere den Vorteil einer gewissen Leistungsdichte und eines ausgezeichneten Wirkungsgrads bei niedrigen Drehzahlen. Daher kommt sie in leichten Stadtautos wie dem Dacia Spring oder als Elektromotor in den Hybridantrieben E-Tech und E-Tech Plug-in von Renault zum Einsatz.
Bei einem Fahrzeug mit gewickelten Rotoren ersetzt eine Kupferspule den Permanentmagneten. Auch diese Technik sorgt für einen sehr guten Wirkungsgrad – und zwar bis hin zu hohen Geschwindigkeiten von über 100 Kilometern pro Stunde –, was eine Reichweitensteigerung von einigen Dutzend Kilometern gewährleistet. Dieses Verfahren kommt im Motor des Renault ZOE oder des Twingo Electric zum Einsatz.
Der Wirkungsgrad eines Asynchron-Elektromotors
Die physikalischen Eigenschaften des Asynchron-Elektromotors erklären, warum sein Wirkungsgrad etwas geringer ist als der seines synchronen Pendants: Der „Schlupf“, also die Phasenverschiebung zwischen Rotor und Stator, ist für den Unterschied zwischen den beiden Technologien verantwortlich. „Asynchrone“ Motoren weisen somit einen Wirkungsgrad in der Größenordnung von 75 bis 80 % auf, während „synchrone“ Motoren einen Wirkungsgrad von 90 % erreichen.
Die Verbesserung des Wirkungsgrads von Motoren
Automobilhersteller und Industrieunternehmen verfolgen zahlreiche Ansätze, um den Wirkungsgrad ihrer Motoren für Elektroautos zu verbessern. Durch die optimale Dimensionierung der Bauteile, die Verwendung hochwertiger Werkstoffe und die Steigerung des Luftstroms lassen sich Verluste verringern. Diese entstehen durch die Reibung der Bauteile und die Umwandlung eines Teils der Energie in Wärme.
Beim Fahren senktdie umweltbewusste Fahrweise durch die Nutzung der Energierückgewinnung den Verbrauch an nicht nutzbarer Leistung und bringt den Motor näher an seinen maximalen Wirkungsgrad heran.
Die maximale Leistung
Der für einen Elektro- oder Hybridmotor angegebene maximale Wirkungsgrad entspricht dem Idealfall, bei dem die Energie der Batterien so genutzt wird, dass die optimale Motordrehzahl erreicht wird. Der tatsächliche Wirkungsgrad eines Motors liegt stets unter diesem Wert und hängt von den Bedingungen (Wetter, Verkehr, Fahrweise) ab, unter denen das Fahrzeug betrieben wird.
Der Wirkungsgrad eines Hybridmotors
Bei einem Hybridmotor trägt der elektrifizierte Antriebsstrang dazu bei, den maximalen Wirkungsgrad des Fahrzeugs zu steigern, unabhängig davon, ob es sich um einen Plug-in-Hybrid oder einen reinen Hybrid handelt. Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass die Batterien beim Bremsen aufgeladen werden können und so sofort „nutzbare“ Energie zurückgewonnen wird.
Der Wirkungsgrad eines Wasserstoffmotors
In einem Wasserstoffauto sorgt ein Synchron-Elektromotor für den Antrieb, dessen Wirkungsgrad mit dem eines herkömmlichen batteriebetriebenen Elektrofahrzeugs vergleichbar ist. Die Wasserstofferzeugung durch die Brennstoffzelle verringert in der Regel den Wirkungsgrad des Fahrzeugs geringfügig, da ein Teil der Energie in Wasserdampf umgewandelt wird.
Wenn man den Wirkungsgrad eines Elektromotors kennt, kann man den Energieverbrauch und die Reichweitenangaben des Fahrzeugs besser nachvollziehen.
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