Bei welchem Drehzahlbereich arbeitet ein Elektromotor effizienter?

Elektrische Automobile-Technologien
Erstellung: 18 Oktober 2026

Der Elektromotor erreicht seine höchste Effizienz nicht an einem einzelnen Punkt, sondern auf einer breiten Effizienzinsel, die durch niedrige bis mittlere Drehzahlen und mittleres Drehmoment gebildet wird.

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Der Elektromotor erreicht seine maximale Effizienz nicht an einem einzelnen Punkt, sondern in einem bestimmten Bereich der Drehmoment-Drehzahl-Ebene; bei den meisten aktuellen Konstruktionen fällt dieser Bereich in den niedrig-mittleren Drehzahl- und mittleren Drehmomentbereich. Die kurze Antwort auf die Frage lautet also: Der Motor arbeitet am effizientesten, wenn weder Vollgas noch Stillstand herrschen, in jenem mittleren Lastbereich, in dem sich das Fahrzeug während des Großteils des Alltagsbetriebs befindet. Das sogenannte Wirkungsgrad-Diagramm zeigt genau diesen Bereich.

Highlights

Das Wirkungsgrad-Diagramm ist eine Grafik, in der Wirkungsgrad-Isolinien über den Achsen für Drehmoment und Drehzahl aufgetragen werden.
Bei einem Permanentmagnetmotor konzentriert sich der effiziente Bereich unter 4.000 U/min und unter 250 Nm .
Die EPA gibt an, dass Elektrofahrzeuge etwa 87-91 % der aus Strom gewonnenen Energie bis zu den Rädern nutzen.
Mithilfe eines auf dem Wirkungsgrad-Diagramm basierenden Drehmomentmanagements wurde bei Fahrzeugen mit zwei Motoren bis zu 8,94 % Energieeinsparung nachgewiesen.
Bei einem Beispiel eines Inverters wurde eine Spitzenwirkungsgrad von 99,57 % gemessen, bei 5 % Last 98,5 % .

Wie liest man ein Wirkungsgrad-Diagramm?

Verim adasının merkezine ne kadar yakın çalışırsanız, bataryadan çekilen enerjinin o kadar fazlası tekerleğe ulaşır.

Das Wirkungsgrad-Diagramm ist eine Grafik, die den gesamten Arbeitsbereich des Motors in einem einzigen Kasten darstellt. Auf der horizontalen Achse befindet sich die Drehzahl (U/min), auf der vertikalen Achse das Drehmoment (Nm); darüber ist der Prozentsatz der Umwandlung von elektrischer Leistung in mechanische Leistung als Isolinie eingezeichnet. Diese an eine Flüssigkeitsstand-Karte erinnernden Isolinien haben im innersten Bereich die Effizienzinsel des Motors: Je mehr der Motor auf dieser Insel arbeitet, desto mehr der aus der Batterie entnommenen Energie erreicht das Rad.

Veranschaulichen wir das Ablesen. In einer veröffentlichten Karte eines Innenläufer-Permanentmagnetmotors (IPM) arbeitet der Motor unter 4.000 U/min und bei Drehmomenten unter 250 Nm in seinem effizientesten Bereich. Das bedeutet nicht, dass der Motor schwach ist; es weist lediglich darauf hin, dass sich der Arbeitspunkt, an dem elektrische Energie am verlustärmsten in mechanische Energie umgewandelt wird, dort befindet. In derselben Analyse werden neben der Karte auch eine Stromkarte und eine Verlustkarte erstellt; die Verlustkarte zeigt die Joule-Verluste, die Eisenverluste sowie die mechanischen und zusätzlichen Verluste einzeln auf. Wenn der Ingenieur die Effizienzinsel optimiert, drückt er im Grunde diese Verluste einzeln zusammen.

Um die Karte zu verstehen, muss man zwei Arbeitsbereiche kennen. Bis zur Basisdrehzahl arbeitet der Motor im Bereich konstanten Drehmoments: Er kann sein Spitzenmoment ab null abgeben, weshalb die Anfahrbeschleunigung von Elektrofahrzeugen so spontan ist. Oberhalb der Basisdrehzahl beginnt der Bereich konstanter Leistung; die Feldschwächungsregelung (Field Weakening) greift ein und das Drehmoment sinkt ungefähr umgekehrt proportional zur Drehzahl. Da die Leistung das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl ist, sind Drehmomentkurve und Leistungskurve Spiegelbilder voneinander.

Wo befindet sich die Effizienzinsel je nach Motortyp?

Jeder Motor hat eine eigene Effizienzkarte; die Lage der Insel ändert sich direkt mit dem Motortyp. Permanentmagnetmotore erregen ihre Rotoren nicht induktiv, sondern mit ihren eigenen Magneten und bieten daher in der Regel höhere Wirkungsgrade und Toroidichten; ihr Vollastwirkungsgrad liegt über dem von Asynchronmaschinen. Der Preis dafür sind die Kosten der im Rotor eingebetteten Magnete. Der Charakter des Asynchronmotors ist genau entgegengesetzt: Bei hohen Drehzahlen und hohem Drehmoment bewahrt er seinen Wirkungsgrad besser, ist jedoch bei niedriger Drehzahl und geringer Last schwach; bei Teillast kann sein Wirkungsgrad deutlich sinken.

Merkmal	Permanentmagnet (IPM)	Asynchron
Effizienter Bereich	Niedrige Drehzahl, niedriges bis mittleres Drehmoment	Hohe Drehzahl, hohes Drehmoment
Verhalten bei niedriger Last	Wirkungsgrad bleibt hoch	Wirkungsgrad sinkt
Drehmomentcharakteristik	Breites und flaches konstantes Drehmomentband	Zeigt Schlupf, Anfahrmoment liegt bei etwa 150-200 % des Nenndrehmoments
Drehmomentdichte	Hoch	Niedriger
Kosten	Hoch aufgrund der Rotormagnete	Ohne Magnete, niedriger

Der Unterschied dieser beiden Karten ist keine bloße Präferenz, sondern ein Gestaltungsraum. Stadtlastige Nutzung hält den Motor des Fahrzeugs die meiste Zeit bei niedriger Drehzahl und niedrigem Drehmoment - genau dort, wo sich die Insel des Permanentmagnetmotors befindet. Bei hohen Geschwindigkeiten auf langen Fahrten bricht der Wirkungsgrad des Asynchronmotors mit zunehmender Geschwindigkeit nicht ein. Einige Hersteller wählen genau wegen dieser Ergänzung am Hauptmotor der Hinterachse einen Permanentmagnetmotor und am kleinen vorderen Motor eine Asynchronmaschine: Bei niedrigen Lastbedingungen, in denen der Asynchronmotor ineffizient ist, entsteht kein kostenloser Nutzen, sondern er greift nur bei Bedarf ein.

Stadt oder Autobahn: In welchem Bereich arbeitet der Motor?

Der Zusammenhang zwischen Wirkungsgrad und Geschwindigkeit ist bei Elektrofahrzeugen anders als bei Benzinfahrzeugen. Der Verbrennungsmotor läuft bei Autobahngeschwindigkeiten warm und effizient, liefert bei Stop-and-Go in der Stadt jedoch einen schlechten Wirkungsgrad; beim EV ist das Bild umgekehrt. Da der aerodynamische Widerstand mit der Geschwindigkeit dramatisch ansteigt, steigt der Verbrauch des Elektrofahrzeugs auf der Autobahn, der innerstädtische Wert liegt bei den meisten Modellen über dem Autobahnwert. Praxisnahe Reichweitentests bestätigen dies auch: Die realen Autobahnreichweiten von EVs bleiben in der Regel hinter den kombinierten offiziellen Werten zurück, weil die Autobahn nicht der effizienteste Betriebsbereich ist.

Der Motor selbst ist die beste Seite des Bildes. Die von der EPA angegebene Zahl zeigt, dass EVs etwa 87-91 % der aus Strom gewonnenen Energie bis zu den Rädern nutzen können; eine Integrität, die mit dem Verbrennungsmotor nicht vergleichbar ist. Man muss aufschlüsseln, wie viel dieses Wirkungsgrads vom Motor und wie viel von der Leistungselektronik beigetragen wird. Der Motorwirkungsgrad ändert sich je nach Betriebsdrehzahl, Drehmoment und Steuerungsstrategie; die Hardwaregrenzen setzen den Rahmen, aber die Nutzung im Feld zeichnet die Steuerungsstrategie. Die feldorientierte Regelung (FOC) ist das Verfahren, das den Motor innerhalb der Effizienzinsel hält, indem sie den Statorstrom in Drehmoment- und Flusskomponenten zerlegt und beide unabhängig steuert. Auch der Wechselrichter ist kein schwaches Glied der Kette: Bei einem Design der 200-kW-Klasse wurde an der Spitze ein Wirkungsgrad von 99,57 % und bei 5 % Last von 98,5 % gemessen. Dass das Fahrzeug also in der Stadt effizient ist, ist größtenteils das Ergebnis der Übereinstimmung der Motor Karte mit dem Stadtregime.

Ein Gang und Übersetzungsverhältnis: Die Kennlinie auf die echte Straße übertragen

Die überwiegende Mehrheit der Elektrofahrzeuge hat nur einen Gang, weil der Motor ab null Drehzahl über einen breiten Geschwindigkeitsbereich Drehmoment erzeugen kann; es gibt keinen schmalen Bereich, in dem das Schalten nötig wäre. Der Preis dafür ist: Aufgrund des festen Übersetzungsverhältnisses wird der Motor bei variablen Raddrehzahlen und wechselnden Drehmomentanforderungen an unterschiedliche Punkte der Kennlinie verschoben. Die Wahl des Übersetzungsverhältnisses beeinflusst die Drehmomentübertragung und die Betriebsbedingungen des Motors erheblich; unterschiedliche Übersetzungen verändern sowohl die Beschleunigung als auch den Energieverbrauch. Verschiebt man das Verhältnis in eine Richtung, bringt man den innerstädtischen Betrieb auf die Effizienzinsel, schiebt aber die Autobahndrehzahl aus der Insel hinaus; macht man das Gegenteil, kehrt sich das Ergebnis um.

Diese Spannung ist ein aktuelles Ingenieursthema. Bei Nutzfahrzeugen wird der Motorwirkungsgrad für alle Drehzahl-Drehmoment-Kombinationen aus der Wirkungsgradkarte berechnet, und da auch der Wirkungsgrad des Getriebes von Drehmoment, Drehzahl und Antriebsübersetzung abhängt, endet die Optimierung der gesamten Kette nicht allein mit der Motorkennlinie. Als Lösung für die Grenze des Effizienzbereichs des Einganggetriebs wird die Optimierung von Zweigang-Getrieben und Antriebsmotorendimensionierung erforscht; das Ziel ist, dass der Motor einen größeren Anteil der Zeit auf der Effizienzinsel verbringt. Bei schweren Fahrzeugen beeinflusst das Übersetzungsverhältnis vier kritische Faktoren des Motorverhaltens zugleich: Drehmoment, Drehzahl, Wirkungsgrad und Nutzlastkapazität. Kurz gesagt ist das Übersetzungsverhältnis die letzte Stellschraube, die die Wirkungsgradkarte mit dem realen Straßenprofil abgleicht.

Zweimotor-Architektur: Zwei Kennlinien gemeinsam nutzen

Bei einem Fahrzeug mit zwei Motoren hat jeder Motor seine eigene Wirkungsgradkarte, und diese müssen nicht identisch sein. Bei einer Architektur mit großem Heckmotor und kleinem Frontmotor hängt der Gesamtenergieverbrauch davon ab, wie das Drehmoment zwischen die beiden Achsen aufgeteilt wird. Eine einfache 50/50-Aufteilung lässt beide Motoren am selben Punkt der Kennlinie arbeiten; optimale Drehmomentverteilungsalgorithmen verteilen Fahr- und Bremsmoment hingegen danach, welcher Motor sich in welchem Wirkungsbereich befindet. Eine Verteilung, bei der ein Motor im Zentrum der Insel und der andere am Rand arbeitet, kann weniger Energie verbrauchen als eine symmetrische Verteilung, bei der beide Motoren an den Rand gedrängt werden.

Da die Aufteilung in dieser Architektur elektronisch über die Batterieleistungsverteilung gesteuert wird, ist der Gewinn kein abstraktes Ingenieurziel. Mit einer auf der Wirkungsgradkarte basierenden Drehmomentverteilungsstrategie wurde eine Energieeinsparung von bis zu 8,94 Prozent nachgewiesen; so viel zusätzlich aus einer Batterie zurückzugewinnen, schreibt sich direkt in die Reichweite fort. Dasselbe Prinzip gilt auch beim Bremsen: Welcher Motor beim Anhalten wie viel rekuperatives Drehmoment erzeugt, wird danach gewählt, wo sich an der aktuellen Drehzahl- und Drehmomentposition der höchste Wirkungsgrad befindet.

Rekuperatives Bremsen: Die negative Hälfte der Kennlinie

Regeneratives Bremsen ist ein Mechanismus, bei dem der Motor in umgekehrter Richtung betrieben wird und die kinetische Energie, die beim Bremsen als Wärme verloren gehen würde, der Batterie zurückgewonnen wird; es ist der unsichtbare zweite Motor der Energieeffizienz eines EV. Aber auch wenn der Motor als Generator arbeitet, hat er eine Wirkungsgradkarte; wie viel der zurückgewonnenen Energie tatsächlich in der Batterie ankommt, hängt davon ab, in welchen Kartenbereich der Motor im Bremsmoment fällt. Deshalb wird für die Rekuperation selbst eine separate Kartierung durchgeführt: Der Wirkungsgrad der Energierückgewinnung unter verschiedenen Bremsbedingungen wird grafisch erfasst und die Steuerstrategie entsprechend gestuft.

Der heikle Punkt dabei ist die niedrige Geschwindigkeit: In dem Moment, in dem das Fahrzeug fast zum Stehen kommt, ist die zurückzugewinnende Energie gering, und es wird sinnlos, wenn die Rekuperation in einem ineffizienten Bereich arbeitet. Aktuelle Studien zeigen, dass die Schwelle für die Minderung der Verluste bei niedrigen Geschwindigkeiten je nach Fahrbedingungen um bis zu 5 % abgesenkt werden kann; das heißt, das System kann die Rekuperation bis zu niedrigeren Geschwindigkeiten effizient ausdehnen. Mehrstufige regenerative Steuerstrategien verbessern zudem das dynamische Ansprechverhalten deutlich. Bei Fahrzeugen mit unabhängigen Motoren an allen vier Rädern optimiert die kartebasierte Energieeinsparungskontrolle die Fahr- und Bremsniveaus einzeln, indem das Bremsmoment rad für rad gemäß der Wirkungsgradkarte verteilt wird. Aus Nutzersicht ist das Ergebnis einfach: eine gut abgestimmte Rekuperation bedeutet mehr Reichweite im selben Verkehr.

Was sagt die Wirkungsgradkarte in der Praxis aus?

Nach dem Lesen von seitenlangen Konturdiagrammen bleibt für den Fahrer folgende Zusammenfassung in drei Sätzen. Erstens: Dass Ihr EV im Stadtverkehr und bei mittleren Geschwindigkeiten einen niedrigen Verbrauch hat, ist kein Zufall, sondern das Ergebnis der Lage der Wirkungsgradinsel des Motors in diesem Bereich; der höhere Autobahnverbrauch geht nicht auf das Konto des Motors, sondern der Aerodynamik. Zweitens: Der Tempomat hält bei Langstreckenfahrten das Drehmomentbedürfnis des Fahrzeugs gleichmäßig und schützt den Motor davor, durch plötzliche hohe Drehmomentanforderungen aus der Karte hinausgedrängt zu werden; eine gleichmäßige Anforderung bedeutet, auf der Insel zu bleiben. Drittens: Bei Fahrzeugen mit zwei Motoren vergleicht das System ständig beide Karten, ohne dass Sie es merken, und versucht, die Arbeit jeweils dem effizienteren Motor zu übertragen; beim Rekuperieren vergrößert derselbe Vergleich die zurückgewonnene Energie.

Die Wirkungsgradkarte muss für den Endnutzer keine verborgene Ingenieursakte bleiben. Zu wissen, in welchem Geschwindigkeits- und Drehmomentbereich sich Ihr Fahrzeug wohlfühlt, ermöglicht es Ihnen, Ihre Fahrgewohnheiten auf eine messbare Grundlage zu stellen: Fahren, das den Motor auf seiner Insel hält, senkt sowohl den Verbrauch als auch die thermische Belastung. Aus der Sicht eines Maschinenbauingenieurs ist die Wirkungsgradkarte das ehrlichste Dokument, das den Charakter eines Elektrofahrzeugs in einem einzigen Bild beschreibt.