Wahlfreiheit bei Elektroautos

Eine Antriebsvielfalt, wie sie der Kunde vom Verbrenner heute gewohnt ist, gibt es bei Elektrofahrzeugen derzeit nicht. Bisher hat der Kunde nur bei Tesla die Wahl zwischen verschiedenen Antriebs- und Batteriekonfigurationen. Aber warum ist das so?

Neben den wirtschaftlichen Gründen für diese Situation (mehr Varianten verursachen auch höhere Entwicklungskosten) gibt es vor allem einige technische Gründe, die einem umfangreichen Variantenportfolio entgegenstehen. Dazu schauen wir uns einmal die heutige Situation bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor an.

Die „klassische“ Verbrennerwelt

Nicht wenige Modelle, insbesondere aus deutscher Produktion, sind mit einer Vielzahl verschiedener Motoren erhältlich. Meistens handelt es sich um Diesel- und Ottomotoren, die in diversen Leistungs- und Ausbaustufen verfügbar sind. Die Leistung des Verbrennungsmotors als Energiewandler ist dabei praktisch komplett entkoppelt vom Energiespeicher, dem Kraftstofftank.
Daher können Reichweite (Größe des Tanks) und Leistung (Ausbaustufe des Verbrennungsmotors) nahezu beliebig skaliert und aufeinander abgestimmt werden.

Systemleistung eines Elektrofahrzeugs

Bei einem Elektroauto hängt die (System-)Leistung einerseits von der E-Maschine und dem Inverter (DC/AC-Wandler), als auch von der Batterie, d.h. dem Energiespeicher, ab.

Die Leistung einer E-Maschine kann dabei relativ einfach auf das benötigte Niveau ausgelegt werden. Aus diesem Grund gibt es viele, sehr leistungsstarke Elektrosportwagen und – studien mit schwindelerregenden Leistungswerten der verbauten E-Maschinen. Allerdings muss hierbei auch die Leistung des Energiespeichers, also der Batterie, betrachtet werden. Ein Elektrofahrzeug leistet nur soviel, wie der Verbund aus E-Maschine, Inverter und Batterie leisten kann.

Bei leistungsstarken Elektrofahrzeugen kann dabei schnell die Batterie die begrenzende Komponente sein. Aus diesem Grund musste Tesla bei einigen Varianten des Model S die Fahrzeugleistung im Prospekt nach unten korrigieren. Die E-Maschinen leisteten zusammen zwar über 500 kW, jedoch konnte die Batterie nur 345 kW liefern. Die Systemleistung lag also nur bei dem Leistungswert der Batterie.

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Bei Teslas Model S verfügen die E-Maschinen über eine höhere Leistung als die verbaute Batterie liefern kann. Die Systemleistung wird also durch die Batterie begrenzt.  (Foto: © Tesla, Inc.)

Das P/E-Verhältnis

Bei der Betrachtung des Angebotportfolios von Tesla für den Model S bzw. Model X fällt eine weitere Besonderheit auf. Die leistungsstärksten Varianten weisen immer auch den größten Energieinhalt auf. Dies liegt an der doppelten Funktion der Batterie als Leistungs- und Energiequelle. Das Verhältnis aus Leistung und Energie wird dabei als P/E-Verhältnis (sprich: „P zu E“) bezeichnet, wobei P für Power, also Leistung, und E für Energy, d.h. dem Energieinhalt, steht. Der P/E-Wert stellt also eine festes Übersetzungsverhältnis für diese beiden Kennwerte dar. Die Einheit dieses abstrakten Wertes ist 1/h, da die Leistung in Watt (W) und der Energieinhalt in Wattstunden (Wh) angegeben werden. Allerdings wird die Einheit beim P/E-Verhältnis meist vernachlässigt.

In Hybridfahrzeugen (HEV) liegt das P/E-Verhältnis typischerweise bei Werten zwischen 20 und 40. Bei einem Mildhybrid mit einer 1kWh-Batterie würde die Leistung entsprechend bei ca. 20 bis 30 kW liegen. Die Batterie hat also eine, im Vergleich zum Energieinhalt, enorme Leistung und kann daher schnell viel Strom zur Verfügung stellen bzw. aufnehmen. Allerdings kann die Batterie dies nur für einen kurzen Zeitraum, da Sie aufgrund des geringen Energieinhalts sehr schnell leer (bzw. voll) ist. In Hybridfahrzeugen ist genau das gewünscht, um Energie beim Rekuperieren zu speichern oder beim Boosten zur Verfügung zu stellen. Zur besseren Vorstellung kann man eine Hybridbatterie daher mit einem 100m-Sprinter vergleichen.

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PHEV-Batterien haben üblicherweise ein P/E-Verhältnis von 6 bis 15.  (Foto: © Daimler AG)

In Plug-In-Hybriden (PHEV) liegt das P/E-Verhältnis schon deutlich niedriger, typischerweise im Bereich zwischen 6 und 15. Um das Bild wieder zu verwenden, entspricht eine PHEV-Batterie einem Mittelstreckenläufer. Sie muss den Spagat aus kurzer Leistungsfähigkeit (Rekuperieren, Boosten), aber auch langer Energieabgabe (elektrisches Fahren) bewältigen. PHEV-Batterien sind aufgrund der Energieanforderungen bereits deutlich größer als HEV-Batterien.

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P/E-Verhältnisse von HEVs (gelb), PHEVs (blau) und BEVs (grün) im Vergleich.
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P/E-Verhältnisse von HEVs als Detailausschnitt.

Folglich sind Energiebatterien die Langstreckenläufer, die über einen möglichst langen Zeitraum Energie abgeben müssen. Im Verhältnis zur Batteriegröße ist die Leistung der Batterie oft relativ gering, d.h. das P/E-Verhältnis liegt ungefähr im Bereich zwischen 2 und 4, in seltenen Fällen höher. Der BMW i3 weist in der 60-Ah-Variante bspw. eine P/E-Verhältnis von ca. 6 auf (125kW/21,6kWh), im Opel Ampera-e liegt der Wert bei 2,5 (150kW/60kWh). Aufgrund der deutlich größeren Batterie des Opels muss diese leistungstechnisch nicht so stark ausgequetscht werden, um dennoch eine etwas höhere Gesamtleistung zu generieren, weshalb das P/E-Verhältnis deutlich niedriger liegt.

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Das P/E-Verhältnis des Opel Amepera-e ist mit 2,5 typisch für einen BEV mit großer Batterie. (Foto: © Adam Opel AG)

Antriebsvarianten beim Elektrofahrzeug

Möchte ich nun dem Kunden mehrere Leistungsvarianten meines Fahrzeugs – analog Tesla – anbieten, habe ich mehrere Möglichkeiten. Einerseits könnte ich eine leistungsstärkere Zelle verbauen, die demnach ein höheres P/E aufweist. Allerdings geht dies massiv zu kosten meiner Reichweite, da Leistung- und Energiedichte nur gegenläufig optimiert werden können. Die andere Möglichkeit besteht darin, einfach mehr Zellen zu verbauen, damit ich mehr Strom aus meiner Batterie ziehen kann, was wiederum zu mehr Leistung führt. Dies hat Tesla augenscheinlich gemacht. Aus diesem Grund haben die Varianten 75, 90 und 100 nicht nur mehr Energie, sondern auch mehr Leistung. Das P/E-Verhältnis liegt jeweils bei ca. 3 bis 3,5. In den P-Versionen (P90D bzw. P100D) des Model S wurden die Leistungen allerdings noch einmal erhöht, möglicherweise zu Lasten der Dauerhaltbarkeit oder aufgrund einer neueren, leistungsoptimierten Zelle.

Würden wir das P/E-Verhältnis auf die klassische Verbrennerwelt beziehen, hieße dies, dass eine doppelt so starkes Fahrzeug (z.B. 120 PS und 240 PS) auch immer einen ungefähr doppelt so großen Tank (60 l und 120 l) haben müsste. Dies ist für gewöhnlich nicht so, da ich beim Verbrenner, wie oben erläutert, Energie und Leistung unabhängig voneinander skalieren kann.

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Das Batterieupdate des BMW i3 lässt sich auf den Verbau einer optimierten Zelle mit verbesserten Energiedichte zurückführen. Volumentechnisch größer wurde die Batterie allerdings nicht. (Foto: © BMW AG)

Beim Elektrofahrzeug führt dies dazu, dass „kleine“ Batterievarianten bei einem Fahrzeug mit Variantenportfolio quasi „Luft“ durch die Gegend fahren, da dieser Platz ja für die „großen“ bzw. leistungsstärkeren Varianten des Fahrzeugs vorgehalten werden muss. Dies hat man bei den Elektrofahrzeugen der ersten Generation (Nissan Leaf, BMW i3, Renault Zoe, VW e-Golf, etc.) nicht gemacht, da der Bauraum zu knapp war und man es sich aus Reichweitengründen nicht leisten konnte, die Batterie für eine Einstiegsvariante kleiner zu bauen. Die Verbesserungen im Energieinhalt, welche die Fahrzeuge während ihrer Bauzeit erhalten haben, sind allein auf den Einsatz verbesserten Zellen mit optimierter Zellchemie zurückzuführen, da sich hinsichtlich der Energiedichte hier sehr viel getan hat.

Fazit

Die angekündigten Elektroautos, welche in den nächsten Jahren auf den Markt kommen, werden mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit auch in mehreren Leistungs- und Reichweitenvarianten angeboten werden, um den Kunden vor die Qual der Wahl zu stellen. Eine Variantenvielfalt bei der (Motoren-)Leistung, wie wir sie heute z.B. vom VW Golf kennen, werden wir aber so schnell nicht wieder erleben.

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