Das Glossar.Audi e-tron von A bis Z.

Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (battery electric vehicles, BEV) haben eine Batterie als alleinige Energiequelle, im Gegensatz zu Hybrid- und Range-Extender-Fahrzeugen. Der Frankfurt-Showcar Audi e-tron ist ein solches BEV-Fahrzeug.

In einer Brennstoffzelle reagieren Sauerstoff und Wasserstoff in einer kontrollierten chemischen Reaktion miteinander. Dabei entsteht Wasser, Wärme und elektrische Energie. Diese wird zum Antrieb eines Elektromotors genutzt.
Brennstoffzellen-Autos (fuel cell electric vehicles, FCEV) wie die Technikstudie Audi Q5 HFC erreichen höhere Wirkungsgrade als Verbrennungsmotoren und emittieren nichts anderes als Wasserdampf. Einem Einsatz der Technologie in der Serie stehen derzeit noch einige Probleme gegenüber – die fehlende Infrastruktur für Wasserstoff, die noch nicht ausreichende Lebensdauer und die noch nicht marktfähigen Kosten.

Elektromotoren bestechen durch hohe Zuverlässigkeit, geringes Gewicht und hohe Wirkungsgrade. Sie bestehen aus je einem beweglichen Bauteil (Rotor) und einer feststehenden Komponente (Stator). Der Stator erzeugt ein drehendes Magnetfeld, das eine Kraftwirkung auf den Rotor ausübt und ihn damit in Drehbewegung versetzt. Elektrische Antriebsmotoren in Fahrzeugen werden in der Regel mit Flüssigkeiten gekühlt.

Für die Fahrzeuge von Audi kommen derzeit zwei Typen von Drehstrommotoren zum Einsatz. Asynchronmotoren (ASM), die ohne Permanentmagnete auskommen, sind einfach im Aufbau, robust, wartungsarm und langlebig. Permanent erregte Synchronmotoren (PSM) hingegen verlangen eine komplexere Sensorik. Sie bauen kompakter und leichter; zudem erzielen sie Vorteile beim Drehmoment, beim nutzbaren Drehzahlbereich und im Wirkungsgrad.

In Hybridfahrzeugen wie dem Audi Q5 hybrid setzt Audi eine drehmomentstarke PSM-Maschine ein, die in das Getriebe integriert ist. Sie hat einen relativ großen Durchmesser für hohes Drehmoment, baut jedoch kurz; ihre Nenndrehzahl liegt bei etwa 2.000 bis 7.000 Touren. Für reine Elektrofahrzeuge eignen sich PSM- wie ASM-Motoren in Hochdrehzahl-Ausführung‚ sie erreichen Nenndrehzahlen zwischen 10.000 und 14.000 1/min und haben kleinere Durchmesser, bauen dafür jedoch länger. Dadurch kann aber auf eine Getriebestufe verzichtet werden.

Die spezifische Energie bezeichnet die Energiemenge, die eine Batterie pro Masseneinheit speichern kann; sie wird in Kilowattstunden (kWh) pro Kilogramm Gewicht gemessen. Derzeit kommen Lithium-Ionen-Batterien auf eine Energiedichte von etwa 130 Wh pro kg. Angesichts der fortschreitenden Entwicklung rechnen die Audi-Experten für das Jahr 2020 mit einer spezifischen Energie von 2500 Wh pro kg, was gleichzeitig als Obergrenze für Lithium-Ionen-Batterien gilt. Zum Vergleich: In einem Kilogramm Benzin (etwa 1,33 Liter) stecken circa 12000 Wh Energie.

Unter dem Begriff e-tron quattro versteht Audi den quattro-Antrieb der nächsten Generation. Er verbindet die Vorteile des bewährten quattro-Antriebs mit den Potenzialen der Elektromobilität. Der ganz oder teilweise elektrisch realisierte quattro Antrieb bietet besonders effiziente Betriebsmodi und neue Möglichkeiten der quattro Fahrdynamik.

Der Technikträger e-tron quattro wurde als Parallelhybrid mit Plug-in-Technik konzipiert. Ein zweiter Elektromotor treibt die Hinterachse an; seine Kräfte lassen sich zwischen beiden Rädern aufteilen. Beim Bremsen in der Kurve können über das torque vectoring die Rekuperationsmomente zwischen den beiden Hinterrädern frei verteilt werden. So lässt sich die maximal mögliche Rekuperation weiter steigern und die Fahrsicherheit in kritischen Situationen spürbar verbessern.

Das Kürzel HEV steht für „hybrid electric vehicle” – für ein Fahrzeug, das einen Verbrennungsmotor mit einem Elektromotor kombiniert.

Micro Hybrid
Rekuperation und Start-Stop-System senken die CO2-Emissionen.

Mild Hybrid
Beim Mild Hybrid unterstützt die Elektromaschine die Verbrennungskraftmaschine zur Leistungssteigerung

Full Hybrid
Bei Vollhybriden wie dem Audi Q5 hybrid quattro kann der Elektromotor den Antrieb zeitweise alleine übernehmen.

Plug in Hybrid
Beim Plug in Hybrid ist rein elektrisches Fahren über größere Strecken möglich. Die Batterie lässt sich direkt über die Steckdose laden.

Der Strom für die elektrischen Antriebe der Zukunft kann aus der Steckdose kommen - er kann aber auch an Bord der Autos erzeugt werden, mit einer Brennstoffzelle, die Wasserstoff als Kraftstoff nutzt. Die neueste Ausbaustufe eines Brennstoffzellen-Hybridantriebs präsentiert die Technikstudie Audi Q5 HFC. Die drei Buchstaben stehen für "Hybrid Fuel Cell".

Zwei Hochdruck-Zylinder speichern zusammen 3,2 Kilogramm Wasserstoff unter 700 bar Druck. Das Niedertemperatur-Wasserstoff-Brennstoffzellensystem leistet 89 kW (120 PS). Die Lithium-Ionen-Batterie, die der Hybridisierung dient und auch im Audi Q5 hybrid quattro zum Einsatz kommt, hat 1,3 kWh Energieinhalt. Den Antrieb übernehmen zwei radnahe E-Motoren, zusammen können sie 90 kW (122 PS) Spitzenleistung und bis zu 420 Nm Drehmoment aufbringen. Der Audi Q5 HFC beschleunigt in 13,4 Sekunden auf 100 km/h und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von elektronisch begrenzten 160 km/h.

Der eingesetzte Wasserstoff wird sehr effizient genutzt, der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenantriebs liegt bei über 50 Prozent. Das ermöglicht eine Reichweite von bis zu 250 Kilometern. Bei entsprechender Gestaltung der Wasserstofftanks und ihrer Integration in das Fahrzeug sind Reichweite von 500 km realistisch möglich. Die Betankung dauert nicht länger als bei konventionell angetriebenen Fahrzeugen.

Bei Plug-in-Hybriden und reinen Elektrofahrzeugen wird der Akku, abgesehen von der Bremsrekuperation und der Lastpunktverschiebung, im Wesentlichen von außen nachgeladen. Das bordeigene Ladegerät wandelt den Wechselstrom aus dem öffentlichen Netz in Gleichstrom für die Batterie um. Mit 400 Volt Drehstrom und höherem Ladestrom verkürzt sich die Ladezeit gegenüber 240 Volt-Haushaltsstrom um ein Mehrfaches. Alternativ arbeitet Audi am kontaktlosen Laden per Induktion und am Schnellladen mit Gleichstrom und hoher Leistung. Mit dieser Technologie ist eine weitere Reduktion der Ladezeit möglich.

Hybridfahrzeuge wie der Audi Q5 hybrid quattro fahren außerorts zumeist mit der Kraft des Verbrennungsmotors. Der Hybridmanager, der das Zusammenspiel der Antriebe steuert, sorgt dafür, dass der TFSI bei niedrigen Drehzahlen zeitweise stärker belastet wird, als es zum Antrieb nötig ist – der Lastpunkt verschiebt sich in einen höheren Bereich, der Wirkungsgrad verbessert sich. Das überschüssige Moment kommt der Elektromaschine zugute, die dann als Generator arbeitet und die Batterie nachlädt.

Die Lebensdauer einer Traktionsbatterie liegt bei über zehn Jahren, vorausgesetzt, dass der Akku stets gut temperiert wird. Das Lastprofil und die Intensität der Lade- und Entladehübe beeinflussen die Lebensdauer entscheidend. Aus diesem Grund werden Batterien in Hybridfahrzeugen wie dem Q5 hybrid quattro in der Regel nur bis etwa 50 Prozent ihres Energieinhalts (capacity) entladen; bei Elektrofahrzeugen gelten 20 Prozent als Untergrenze. Die Betriebsstrategie, die das Fahrzeug steuert, überwacht die zulässigen Grenzen der Belastung.

Die speziellen Komponenten eines Elektro- oder Hybridautos bringen ein unvermeidbares Mehrgewicht mit sich. Audi hält das Gesamtgewicht jedoch in Grenzen – beim Q5 hybrid quattro und beim A1 e-tron beträgt der Zuwachs kaum mehr als 100 Kilogramm. Die Marke mit den Vier Ringen profitiert in der Elektromobilität von ihrem umfassenden Know-how-Vorsprung beim Leichtbau. Der Q5 ist hier im Wettbewerbsumfeld Benchmark für den Leichtbau in seiner Fahrzeugklasse. Auch die Aluminium-Karosserien in der Audi Space Frame-Bauweise (ASF) und die neuen faserverstärkten Kunststoffe bergen hier große Potenziale.

Elektromotoren erreichen ihre maximale Leistung schon früh im Drehzahlspektrum und halten sie über einen weiten Bereich konstant. Als Nennleistung bezeichnet man jene Leistung, die dauerhaft über einen größeren Drehzahlbereich gleichmäßig abgegeben wird. Die Höchstleistung steht, abhängig von verschiedenen Randbedingungen wie zum Beispiel Beschleunigung und Bremsung/Rekuperation, je nach Systemkonfiguration unterschiedlich lang zur Verfügung.

Die Leistungsdichte beschreibt bei einer Batterie das Verhältnis der Leistung zum Volumen. Derzeitige Lithium-Ionen-Batterien erzielen Leistungsdichten von 800 bis 2600 W pro Kilogramm, je nach Art der verwendeten Materialien. Die elektrische Leistung ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke.

Bei der Leistungselektronik handelt es sich um den so genannten Pulswechselrichter, der als Regler zwischen der Batterie und dem Elektromotor dient. Er formt die Gleichspannung der Batterie zu Wechselspannung – in ein sogenanntes Drehfeld - um, wie es der Motor benötigt. Ein Gleichstromwandler koppelt das 12-Volt-Bordnetz an das Hochvoltnetz an; in einigen Fällen ist er in den Pulswechselrichter integriert.

Die Bezeichnung Lithium-Ionen-Batterie ist ein Sammelbegriff für eine Technologie, die viele Potenziale birgt. Li-Ionen-Batterien zeichnen sich durch eine Energiedichte aus, die etwa doppelt so hoch wie bei Nickel-Metallhydrid-Akkus und fast viermal so hoch wie bei Bleibatterien liegt. Sie liefern eine weitgehend konstante Spannung und verhalten sich thermisch in weiten Bereichen stabil. Sie weisen eine geringe Selbstentladung auf und unterliegen keinem Memory-Effekt.

Audi unterscheidet grundsätzlich zwischen zwei Grundtypen von Li-Ionen-Batterien. Die Hochleistungsbatterien eignen sich für den Einsatz in Hybridfahrzeugen wie dem Q5 hybrid quattro; die Hochenergiebatterien sind jenen Fahrzeugen vorbehalten, die längere Strecken elektrisch zurücklegen. Beiden Grundtypen gemeinsam ist das aufwändige Thermo- und Sicherheitsmanagement.

Bei einem parallelen Hybridantrieb ist sowohl der Verbrennungsmotor als auch der Elektromotor mit dem Antrieb verbunden. Beide Antriebsarten können sowohl einzeln als auch gemeinsam genutzt werden.

Beim seriellen Hybridantrieb wird die Energie des Verbrennungsmotors über einen Generator an die Elektromaschine weitergegeben. Diese übernimmt den Antrieb des Fahrzeugs. Ein Betrieb von Verbrennungsmotor ohne Elektromaschine ist daher nicht möglich.

Ein Plug-in-Hybrid (plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) ist ein Hybrid-Fahrzeug, dessen Batterie sich direkt über die Steckdose laden lässt. Fahrzeuge dieses Typs können über längere Strecken rein elektrisch fahren. Die Studie e-tron Spyder, die Audi beim Pariser Automobilsalon präsentiert hat, folgt diesem Grundgedanken.

Ein Range Extender ist ein Aggregat, das den Aktionsradius eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs über die reine Batteriereichweite hinaus erhöht (extended range electric vehicle, EREV). Als Range Extender kommen in erster Linie effiziente kleinere Verbrennungsmotoren in Betracht.

Unter Rekuperation versteht man die Rückgewinnung von Bremsenergie. Bei der Start-Stop-Technologie von Audi läuft die Rekuperation über den Generator des 12 Volt-Bordnetzes – er gewinnt in den Ausroll- und Bremsphasen Strom zurück, der in der Starterbatterie zwischengespeichert wird.
In Hybrid- und Elektrofahrzeugen erfolgt die Rekuperation durch den oder die Antriebsmotoren, die in solchen Situationen als Generatoren arbeiten. Bei leichteren Bremsungen übernehmen sie die ganze Verzögerung, bei stärkeren Bremsungen kommen die hydraulischen Radbremsen mit ins Spiel. Wenn sie in einer künftigen Entwicklungsstufe vom Bremspedal entkoppelt sind, lassen sich die Aufteilung der Momente und die Überblendung zwischen hydraulischer und elektrischer Bremsung noch feiner regeln.

Der Strom, der bei jedem Lade- und Entladevorgang fließt, erzeugt Wärme, deshalb brauchen Traktionsbatterien eine Kühlung. Sie hält die Batterie im geeigneten Temperaturbereich, in der Regel von 25 bis 45 Grad Celsius. Zudem gleicht sie Temperaturdifferenzen zwischen den einzelnen Zellen weitgehend aus. Die Klimatisierung kann mit Luft oder auch mit Flüssigkeit erfolgen, Temperatursensoren liefern die notwendigen Informationen.
Der Audi Q5 hybrid quattro hat eine ausgeklügelte Luftkühlung für die Batterie an Bord – sie erfolgt je nach Bedarf auf einem passiven und einem aktiven Weg. Diese Technologie vergrößert den Bereich, in dem der Performance-SUV elektrisch fahren kann. Neben der Batterie müssen auch der Elektromotor und die Leistungs elektronik gekühlt werden, hier dient eine Flüssigkeit als Medium.

Auf dem Weg in die CO2-neutrale Mobilität der Zukunft setzt Audi konsequent auf erneuerbare Energien – das Audi e-gas project wird ein Meilenstein auf diesem Weg. Es setzt sich aus zwei großen Bausteinen zusammen. Windräder erzeugen sauberen Strom; Audi nutzt einen Teil davon, um seine künftigen e-tron-Fahrzeuge zu bauen und zu betreiben. Eine neue Anlage – der zweite Baustein im e-gas project – wird mithilfe des verbleibenden Ökostroms per Elektrolyse Wasserstoff produzieren. Dieser Wasserstoff kann für HFC-Fahrzeuge genutzt werden oder in einem weiteren Schritt in Verbindung mit CO2 zu Methan verarbeitet werden. Dieses Methan wird auch synthetisches Erdgas genannt, bei Audi heißt es Audi e-gas. Mit ihm lassen sich auf Erdgas ausgelegte Verbrennungsmotoren betreiben; Audi bringt ab 2013 solche Modelle mit der Bezeichnung TCNG in Serie.

Der Technikträger Audi A3 TCNG kann das e-gas nutzen, das Audi in der Methanisierungsanlage erzeugt. Sein Vierzylinder-TFSI und der Katalysator im Abgasstrang sind für den Betrieb mit Erdgas ausgelegt. Bei der Verbrennung von e-gas entsteht wie bei Erdgas deutlich weniger CO2 als bei Superbenzin. Für das e-gas project bedeutet das: Die CO2-Emission ist nicht nur in der Gesamtbilanz (well-to-wheel) sehr niedrig, sondern auch am Auspuff (tank-to- wheel). Am Auspuff entweicht kein Gramm CO2, das nicht vorher bei der Herstellung von e-gas gebunden worden wäre. Zwischen der Herstellung des Kraftstoffs und seiner Verbrennung existiert also ein geschlossener CO2- Kreislauf.

Die Wärmepumpe stammt aus der Gebäudeheizung – sie kann heizen und kühlen, indem sie die Wärme aus der Umgebung aufnimmt. Im Fahrzeug basiert sie auf dem bewährten Kältekreislauf der Klimaanlage, der um einen zweiten Kondensator erweitert wird.
Audi arbeitet intensiv am Einsatz dieser Technologie für seine Elektrofahrzeuge. Um den Innenraum zu klimatisieren, nutzt die Wärmepumpe dort die Abwärme, welche die Batterie, die E-Motoren und die Leistungs elektronik produzieren. Dank ihrer hocheffizienten Arbeitsweise kommt sie mit geringem Energiebedarf aus – ihr Betrieb verkürzt die Reichweite des Fahrzeugs nur unwesentlich.

Das Schlagwort Well-to-wheel („von der Primärenergiequelle bis zum Rad“) meint die ganzheitliche Betrachtung der Energie unter Umwelt-Gesichtspunkten, von der Erzeugung bis zur Nutzung im Fahrzeug. Da der Strom für Elektroautos in Deutschland großteils in Kohlekraftwerken erzeugt wird, geht deren CO2-Emission in die Well-to-wheel-Bilanz ein. Ähnliches gilt für den Wasserstoff als Antrieb für Brennstoffzellenfahrzeuge.

Der Wirkungsgrad ist ein Parameter für die Effektivität der Umwandlung einer Energieform in eine andere. Er wird als Verhältnis von abgegebener zu aufgenommener Leistung in Prozent beschrieben. Elektromotoren im Pkw erzielen über weite Leistungsbereiche bis zu 97 Prozent Wirkungsgrad, bis zu dreimal so viel wie die effizientesten Verbrennungsmotoren.

Der Begriff Zyklenfestigkeit bezeichnet die Anzahl der Lade- und Entladezyklen, die eine Batterie durchlaufen kann, bevor ihre Kapazität unter einen bestimmten Prozentsatz des Anfangswertes abfällt. Heutige Lithium-Ionen-Traktionsbatterien erreichen in der Regel mehrere 1.000 Zyklen.