Probe aufs Exempel - Teil 1

01.01.2018 von Marcus Zacher

Feldversuch zum Alltagsbetrieb eines Elektroautos

Was verbraucht ein Elektroauto im Jahresmittel? Wie verhält sich der Verbrauch im Sommer und im Winter? Und wie geht es dem Akku nach über 50.000 Kilometern? Ansgar Wego von der Hochschule Wismar hat bei einem VW ID.3 einmal genau nachgemessen. Ein Gastbeitrag in zwei Teilen.

Die Zulassungszahlen für batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) in Deutschland und vielen weiteren Industrieländern steigen stetig. Die Zuwachsraten betragen 30 bis 40 Prozent jährlich. Die Elektromobilität verdrängt damit zunehmend den Anteil an Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. An diesem Trend ändern auch Fahrzeuge mit hybriden Antrieben nichts. Hybridfahrzeuge als Übergangstechnologie werden mittelfristig wieder vom Markt verschwinden.

99 Prozent – wer bietet mehr?

Grund für den langfristigen Erfolg von Elektrofahrzeugen ist deren Effizienz. Aus energetischer Sicht gibt es keine geeignetere Antriebsart. Verbrennungsmotoren erreichen physikalisch begrenzte Wirkungsgrade von unter 50 Prozent. Das bedeutet, dass mindestens 50 Prozent der Energie, die im Kraftstoff enthalten ist, in Wärme umgesetzt wird und nicht für den Antrieb zur Verfügung steht. Elektromotoren dagegen erreichen sehr hohe Wirkungsgrade von bis zu 99 Prozent.

Der hohe Wirkungsgrad des Elektroantriebs führt allerdings auch zu einem Problem, welches bei Verbrennungsmotoren naturgemäß nicht existiert: Es gibt kaum Abwärme! Während die Wärme des Verbrennungsmotors zum Heizen des Fahrzeugs im Winter eingesetzt werden kann, muss diese Wärme beim Elektrofahrzeug zusätzlich aus dem Batteriespeicher gewonnen werden. Auch die Temperierung der Batterie selbst, ist bei Elektrofahrzeugen Stand der Technik und führt insbesondere im Winter zu einem zusätzlichen Energiebedarf.

Die Folge sind deutliche saisonale Unterschiede beim Verbrauch eines Elektroautos. Diese saisonalen Unterschiede und viele weitere Daten beim alltäglichen Einsatz von Elektrofahrzeugen wurden durch einen einjährigen Feldversuch quantitativ ermittelt und die Ergebnisse werden in diesem Beitrag präsentiert.

Das Testobjekt: ein VW ID.3 Pro Performance

Zur Datenermittlung wurden die Fahr- und Betriebswerte eines Elektrofahrzeugs im einjährigen Fahrbetrieb im Alltagsgebrauch gesammelt. Die folgende Tabelle führt relevante technische Parameter des verwendeten Fahrzeugs auf.

Technische Daten
Fahrzeugtyp: VW ID.3 Pro Performance
Leistung/Drehmoment: 150 kW/310 Nm
Energiespeicher (brutto): 62 kWh
Energiespeicher (netto): 58 kWh
Energiespeicher (nutzbar): 54 kWh
Leergewicht: 1.804 kg

Die „stille Reserve“ im Akku

Die drei Kapazitätsangaben der Fahrbatterie (Energiespeicher) des Elektrofahrzeugs sind wie folgt zu interpretieren: Um eine zu hohe Auf- bzw. Entladung der Batterie im alltäglichen Gebrauch zu vermeiden, sieht der Hersteller nur eine teilweise Nutzung der physikalisch vorhandenen Kapazität (62 kWh) vor. Die Spanne von 100 Prozent der vollgeladenen Batterie bezieht sich auf die Nutzkapazität von 54 kWh. Bei einem angezeigten Ladestand von null Prozent sind noch vier Kilowattstunden Energiereserve in der Batterie vorhanden, die vor einer zu starken Entladung und dem sofortigen „Stehenbleiben“ des Fahrzeugs schützen soll. Diese „stille Reserve“ ist zwar grundsätzlich nutzbar (das ergibt die 58 kWh Nettokapazität). Sie sollte im Alltag aber nicht verwendet werden. Das Fahrzeug gibt dazu auch keine Informationen zu Reichweite und Ladestand („unter Null“) im Bordcomputer an.

Vielfahrer: über 30.000 Kilometer in einem Jahr

Das Fahrzeug wurde bei seinem Einsatz im Alltagsgebrauch untersucht. Der betrachtete Zeitraum erstreckte sich über ein Jahr (Juni bis Mai). In dieser Zeit legte das Fahrzeug eine Strecke von ca. 30.000 Kilometern zurück. Die gefahrenen Strecken befanden sich fast ausschließlich im Großraum von Rostock. Das Fahrzeug wurde auf allen typischen Verkehrswegen mit ca. 50 Prozent Autobahn-, 30 Prozent Landstraßen- und 20 Prozent Stadtanteil bewegt. Die für die zurückgelegte Gesamtstrecke erforderliche Energiemenge und weitere Daten sind der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen.

Betriebsdaten
Betriebszeitraum: 1 Jahr
gefahrene Gesamtstrecke: 30.594 km
Streckenanteile (Stadt/Land/Autobahn): 20 %/30 %/50 %
Energiebedarf (ab Steckdose): 4.949 kWh
Ø-Geschwindigkeit (gesamt): ca. 60 km/h
Anzahl an Ladungen: 209
Ø-Fahrverbrauch: 14,4 kWh/100 km
Ø Reichweite: 374 km

Die Verbrauchswerte des Elektrofahrzeugs wurden aus den Werten des Bordcomputers für den „Fahrverbrauch“ sowie der Ladeeinrichtung und den gefahrenen Strecken (für den „Ladeverbrauch“) ermittelt. Die Genauigkeit der Streckenanzeige des Fahrzeugs wurde mit GPS-Werten überprüft. Die Abweichungen liegen im Ein-Prozent-Bereich und wurden für die Betrachtungen in diesem Beitrag vernachlässigt. Die über den betrachteten Zeitraum gesammelten Fahrdaten ergaben detaillierte Datensätze, aus denen verschiedene statistische Aussagen abgeleitet wurden.

Saisonale Verbrauchsschwankungen

Für die Quantifizierung der Verbrauchsunterschiede zwischen den Sommer- und Winterbetriebszeiten wurden die Verbrauchsmittelwerte für die Sommermonate von Juni bis August, sowie für die Wintermonate von Dezember bis Februar gebildet und mit dem Jahresdurchschnitt verglichen.

Beim Elektrofahrzeug zeigte sich dabei die erwartete, deutliche Verbrauchsschwankung zwischen Winter- und Sommerbetrieb. Bezogen auf den Jahresdurchschnitt lagen die Werte bei +18 % für den Winter- und bei -7,6 % für den Sommerbetrieb. Diese Verbrauchsunterschiede münden in entsprechend signifikanten Reichweitenschwankungen. Ebenfalls bezogen auf den Jahresdurchschnitt von 374 Kilometern reduziert sich die Reichweite im Winterbetrieb auf mittlere 317 km (-15,3 %). Im Sommer erhöht sich die Reichweite dagegen auf mittlere 405 km (+8,2 %). Der gesamte Reichweitenunterschied zwischen Sommer und Winter beträgt also durchschnittliche 88 Kilometer! Das ist im alltäglichen Fahrbetrieb deutlich zu spüren und erfordert ein vorausschauendes Planen des Fahrbetriebs.

Die folgende Grafik zeigt den Energieverbrauch des Elektrofahrzeugs je 100 Kilometer Fahrstrecke im Jahresverlauf.

Dabei stellt die Grafik zwei unterschiedliche Verbrauchswerte dar. In schwarzer Farbe ist der eigentliche Energieverbrauch des Fahrbetriebs dargestellt. Dieser wird aus den Strom- und Spannungsmesswerte hinter der Fahrbatterie gewonnen und auch im Fahrzeug als Verbrauch angezeigt („Fahrverbrauch“). Die roten Werte dagegen sind aus den Energiemesswerten der Ladevorrichtungen gewonnen worden („Ladeverbrauch“). Der „Ladeverbrauch“ beinhaltet somit zusätzlich die Verluste, die beim Laden der Batterie entstehen. Zu beiden Datensätzen ist der jeweilige Mittelwert mit dargestellt worden.

Erfahren Sie im zweiten Teil, mit welchen Ladeverlusten man im Mittel rechnen muss und wie sich die Batteriekapazität über die Fahrstrecke von 30.000 Kilometern verringert hat: Probe aufs Exempel – Teil 2

Text und Abbildungen: Ansgar Wego

Saisonale Verbrauchsunterschiede beim Elektrofahrzeug
Saison Verbrauch Schwankung
Frühling (03-05) 13,7 kWh/100 km -5,2 %
Sommer (06-08) 13,3 kWh/100 km -7,6 %
Herbst (09-11) 14,5 kWh/100 km +0,1 %
Winter (12-02) 17,0 kWh/100 km +18,0 %
Gesamt (01-12) 14,4 kWh/100 km
Saisonale Reichweitenunterschiede beim Elektrofahrzeug
Saison Verbrauch Schwankung
Frühling (03-05) 394,5 km +5,5 %
Sommer (06-08) 404,8 km +8,2 %
Herbst (09-11) 373,6 km -0,1 %
Winter (12-02) 317,0 km -15,3 %
Gesamt (01-12) 374,1 km
Über den Autor:

Prof. Dr.-Ing. Ansgar Wego lehrt an der für Fakultät für Ingenieurwissenschaften im Bereich Elektrotechnik und Informatik an der Hochschule Wismar. 2001 promovierte er auf dem Gebiet der Elektroniktechnologie und war daraufhin Entwicklungsingenieur und Bereichsleiter bei verschiedenen Unternehmen auf dem Gebiet der Sensortechnik. Seit 2010 ist Ansagr Wego Professor an der Hochschule Wismar.

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