Gelebte Nachhaltigkeit in der Garage

Nachhaltigkeit lebt von der Betrachtungsweise eines Produktlebenszyklus. Oft nutzen Menschen Maschinen und Geräte, welche nach einer (sogar definierten) Lebensdauer einen Defekt aufweisen; dann werden sie entsorgt und wird Ersatz angeschafft. Das Fahrzeug ist auch so ein Gerät. Auf den Punkt gebracht: Während der Garantiezeit sollte möglichst kein Defekt auftreten, weil der Automobilhersteller und/oder Zulieferer die Reparatur sowohl materiell wie finanziell selbst tragen müssen. Danach können oder dürfen Komponenten ausfallen, da die Kundin oder der Kunde die Kosten tragen muss. Stellt also bei einem BEV die E-Maschine kurz nach dem Ablauf der Garantie ihren Dienst ein, kostet der Ersatz viel Geld, und automatisch stellt sich die Frage der Zeitwertüberschreitung. Die noch kostenintensivere Komponente Hochvoltbatterie schlägt bei einem Kompletttausch noch mit deutlich höheren Beträgen zu Buche. 

Während Fahrzeuge mit konventionellem oder hybridisiertem Antrieb nach dem Ende der Lebensdauer oft ins Ausland exportiert und nach einer Reparatur noch jahrzehntelang weiterbetrieben werden, sind aktuelle, hochkomplexe Antriebssysteme davon ausgenommen. Für BEV ist es aber für den CO₂-Fussabdruck entscheidend, dass der bei der Produktion und beim Recycling anfallende, deutlich höhere Energieverbrauch und damit viel graue Energie durch eine möglichst lange Lebensdauer ausgeglichen werden. Die meisten Automobilhersteller leben diesen Grundsatz bisher nicht. Solange die Garantiezeit läuft, werden komplette E-Maschinen, Leistungselektroniken, HV-Batterien oder On-Board-Charger getauscht. Dem Konsumierenden kann dies primär egal sein: Ist das Fahrzeug in der Garantiezeit, zahlt er nichts. Auf den zweiten Blick erkennt jeder rechnende Mensch, dass Garantieleistungen bereits beim Neuwagenverkauf einkalkuliert sein müssen. Der Konsumierende zahlt die Zeche also vorneweg selbst. 

Reparaturmöglichkeiten bei der Hochvoltbatterie

Dass Hochvoltbatterien repariert werden können, ist keine neue Erkenntnis. Die Frage stellt sich einzig, ob beim Öffnen des Gehäuses ganze Batteriemodule oder tatsächlich einzelne Zellen getauscht werden können. Meist verbauen die Hersteller Batteriemodule, die als einzelne Komponente unter 60V aufweisen. Diese lassen sich nicht öffnen, da sich die einzelnen Zellen einer Lithium-Batterien beim Laden und Entladen im Volumen verändern und damit im Batteriegehäuse festklemmen. Zudem sind die Einzelzellen im Modul meist verklebt und die Zellverbinder lasergeschweisst, was einen zerstörungsfreien Austausch quasi verunmöglicht. Der Wechsel auf Einzelzellen, die einfach getauscht werden können, ist aktuell auch nicht in Planung. Im Gegenteil: Einige Hersteller wie BYD, Tesla oder Porsche und damit der Volkswagen-Konzern setzen auf das «Cell-to-Pack»-Verfahren, bei dem alle Zellen direkt ins Gehäuse geklebt werden, um die Masse der Gesamtbatterie zu reduzieren.

 Trotzdem ist es für die Kundin oder den Kunden bereits ein Fortschritt, dass Module getauscht werden können. Ob sich dies bei älteren BEV wirtschaftlich lohnt, sei dahingestellt. Die Arbeitszeit variiert von circa vier bis zehn Stunden, um die Hochvoltbatterie mittels Hubtisch vom Fahrzeug zu trennen, das dichtgeklebte Gehäuse zu öffnen, das defekte Modul auszubauen und das neue Modul einzukleben (Wärmeleitpaste) sowie anschliessend auf Dichtheit zu prüfen und wieder einzubauen. Dass dabei die Werkstattprofis die HV3-Prüfung der entsprechenden Marke erfolgreich absolviert haben müssen und eine teure Infrastruktur (Hubtisch, Zell-Balancing-Gerät, Dichtheitsprüfer etc.) nötig ist, sorgt ebenfalls nicht per se für günstige Reparaturmöglichkeiten. Einzelne Hersteller wie BYD und Tesla sehen keinen Austausch von einzelnen Modulen vor, sondern nur Ersatz der kompletten Batterie. Das weckt den Erfindergeist des freien Marktes. Es gibt bereits Werkstätten, die Tesla-Batterien reparieren. Dabei wird mittels Fräser die defekte Zelle freigelegt (Polyurethanschaum), die Zellverbindung gekappt, eine neue Zelle eingesetzt (Rundzellen) und danach wieder die Zellverbindung hergestellt sowie das Gehäuse abgedichtet; dies zu einem Bruchteil der Ersatzteilpreise kompletter Batterien.

E-Maschinen: günstige Ersatzteile, teure Werkzeuge

Auch bei E-Antriebsmaschinen hat sich einiges getan: Wiesen sie im Garantiefall oder danach einen Defekt auf, wurden sie getauscht. Der Vorteil der E-Maschine gegenüber einem Verbrennungsmotor ist die geringe Anzahl von Bauteilen. Entsprechend ist grundsätzlich die Möglichkeit eines Defekts eingeschränkt: Undichtigkeiten des Kühlflüssigkeitsmantels oder des Schmierölraumes, Isolationsprobleme bei den Statorwicklungen, defekte Sensorik (Drehwinkel, Temperatur) oder eingelaufene Rotorlager gehören zu den Ausfallgründen.

Defekte Sensoren lassen sich meist einfach ersetzen und lässt sich also die Maschine reparieren. Bei Isolationsfehlern ist eine Reparatur in den meisten Fällen nicht möglich. In diesem Fall müssten die Statorwicklungen neu gewickelt werden (bei fremderregten Synchronmaschinen kann es auch der Rotor sein), was durch die hohe Packungsdichte der Wicklungen oder der Hair-Pin-Leiter (geformte Kupferstäbe, quadratisch oder rechteckig) schlicht nicht möglich ist. Fällt die E-Maschine eines Zweisäulenlifts aus, kann dieser bei einem Elektromotorenwickler neu gewickelt werden und funktioniert wieder tadellos. Ist bei einer E-Maschine eines E-Autos die Isolation der stromleitenden Kabel defekt, folgt einzig ein Austausch.

Bei Undichtigkeiten wie defekten Lagern gibt es aber bereits bewährte Reparaturmöglichkeiten. In beiden Fällen muss der Rotor aus dem Statorgehäuse gehoben werden. Ohne ein hochpräzises Werkzeug in Form eines Hubtisches, der auch über genügend Kraft verfügt, entgegen der magnetischen Kraft eines Permanentsynchron-Rotors diesen ausziehen zu können, ist eine Reparatur nicht möglich. Mit dem Spezialwerkzeug (siehe Bild) wird nach peniblem Ausrichten die Rotorwelle oben und unten fixiert, die Gehäuseverschraubung geöffnet und danach der Rotor ohne seitliches Spiel herausgefahren. Der Rotor darf dabei den Stator nicht berühren, auch wenn der Spalt zwischen stehendem und drehendem Teil nur rund 0,5 mm beträgt. Schleift der Rotor am Stator, ist die E-Maschine nicht mehr zu retten. Wenn der Rotor entfernt ist, kann sowohl bei Wellendichtringen Ersatz verbaut werden wie auch – aktuell einer der verbreitesten Ausfallgründe – können die Rotorlager gewechselt werden.

Die zwei Kugellager müssen drehzahlfest bis 20’000/min und mehr sein, hohe Kräfte aufnehmen und weisen je nach Konstruktion oft einen hohen Verschleiss durch Lagerströme auf. Diese treten bei grossen Drehmomentanforderungen beim Beschleunigen auf. Durch die Wechselspannungsmagnetfelder werden im Motor durch Selbstinduktion Spannungen angelegt, die einen Strom zwischen Rotorwelle und Gehäuse bewirken können. Dadurch entstehen in den Kugellagern zwischen den Lagerschalen und den Metallkugeln Funkenbögen, welche einen Abbrand verursachen. Abhilfe schaffen bei einigen Konstruktionen Erdungsbürsten oder Kugellager mit Keramikkugeln. Die punktuelle Verschweissung bei Stahlkugeln sorgt für Metallablagerungen, und nach einer Phase von leisen Lagergeräuschen kündigen Pfeifen oder Dröhnen das baldige Ende an. Dank hochpreisigem Spezialwerkzeug ist es aber möglich, die relativ günstigen Lager und Dichtsätze zu tauschen und die E-Maschine so zu revidieren. Der Kostenfaktor ist geringer als bei einem Ersatz der E-Maschine. Allerdings benötigt eine Werkstatt viele Reparaturfälle, um das teure Spezialwerkzeug zu amortisieren.

Elektronik und Mechanik sind reparierbar

Viele Pannen sind ausser auf die Bordnetzspannungsversorgung auf Probleme in der Elektronik und der Peripherie zurückzuführen. Bei Ausfall eines Sensors wird meist auf Ersatzwerte zurückgegriffen. Weist das Steuergerät eines Systems aber ein Problem auf, führt dies unweigerlich zum Ausfall. Viele Firmen haben sich auf die Reparatur von Steuergeräteplatinen fokussiert und kennen die Problemfelder der jeweiligen Elektroniksysteme. Die Diagnoseprofis wissen meist im Voraus, ob es sich um eine kalte Lötstelle oder Bonddrähte (Verbindungsunterbruch durch Vibrationen und/oder Wärmeunterschiede), gealterte Kondensatoren, defekte Leistungsendstufen für die Aktoransteuerung oder Feuchtigkeitseintritt als Ausfallursache handelt. Die Hardware kann in den meisten Fällen von den Profis ebenfalls kostengünstig instand gestellt werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn bei Young- und Oldtimern Neuteile gar nicht mehr angeboten werden. Bei Elektronikkomponenten kann auch die Software Probleme verursachen (etwa Abbruch eines Softwareupdates), die spezialisierte Firmen mit dem entsprechenden Know-how wieder zurücksetzen und zum Funktionieren bringen. 

Je höher die Antriebsleistung, desto grösser auch der Verschleiss in den Antriebssystemen: Der Tausch eines Wandler-Getriebeautomaten oder Komponenten eines Allradsystems sind oft deutlich teurer als eine Reparatur. Sind die Lamellenkupplungen einer Haldex-Kupplung verschlissen, ist der Ersatz bei Profis günstiger als ein Neuteil. Die Herausforderung ist und bleibt, an die entsprechenden Ersatzteile zu gelangen, die oft vom Hersteller nicht zur Verfügung gestellt werden, sondern vom Produzenten in der Lieferkette erworben werden müssen. Zudem sind auch hier Werkstattprofis gefragt, die nach einer sauberen Diagnose auch das nötige Wissen haben, wie die Komponenten zerlegt, repariert und danach geprüft werden können. Firmen mit gutem Ruf geben entsprechend auf reparierte Komponenten eine Garantie, weil dank diesem Know-how und Qualitätssicherung die Funktionalität sichergestellt wird.

Künftig wird es weitere Felder für Reparaturen geben oder wird sich ein Markt dafür etablieren: Der Einsatz von vielen und zum Teil grossen Displays der Infotainmentsysteme wird den Reparaturmöglichkeiten wie damals für Kombiinstrumente (Schrittmotorenersatz für Zeigerinstrumente oder ausgefallene Hintergrundbeleuchtungen von LCD) zum Durchbruch verhelfen. Das Wechseln einzelner Elemente (Grafikkarte etc.) wird auch in diesem Bereich für kostengünstigere Reparaturen sorgen als ein Austausch. Und auch Aktiv-Matrix-LED-Scheinwerfer sind ein interessantes Feld, um Reparaturkompetenz aufzubauen. Auch in diesem Fall kann die Instandstellung günstiger sein als der Ersatz des kompletten Scheinwerfers.