Feldversuch zum Alltagsbetrieb eines Elektroautos

Die Zulassungszahlen für batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) in Deutschland und vielen weiteren Industrieländern steigen stetig. Die Zuwachsraten betragen 30 % bis 40 % jährlich. Die Elektromobilität verdrängt damit zunehmend den Anteil an Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren.

Testfahrzeug der Studie: der VW ID3.
Testfahrzeug der Studie: der VW ID3.
Redaktion (allg.)

An diesem Trend ändern auch Fahrzeuge mit hybriden Antrieben nichts. Hybridfahrzeuge als Übergangstechnologie werden mittelfristig wieder vom Markt verschwinden.

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 %. Das bedeutet, dass mindestens 50 % 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 %.

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.

Verwendetes Fahrzeug

Zur Datenermittlung wurden die Fahr- und Betriebswerte eines Elektrofahrzeugs im einjährigen Fahrbetrieb im Alltagsgebrauch gesammelt. Die Tabelle 1 in der Bildergalerie führt relevante technische Parameter des verwendeten Fahrzeugs auf.

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 % der vollgeladenen Batterie bezieht sich auf die Nutzkapazität von 54 kWh. Bei einem angezeigten Ladestand von 0 % sind noch 4 kWh 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.

Fahrbetrieb im Feldversuch

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 km zurück. Die gefahrenen Strecken befanden sich fast ausschließlich im Großraum von Rostock. Das Fahrzeug wurde auf allen typischen Verkehrswegen mit ca. 50 % Autobahn-, 30 % Landstraßen- und 20 % Stadtanteil bewegt. Die für die zurückgelegte Gesamtstrecke erforderliche Energiemenge und weitere Daten sind der Tabelle 2 der Bildergalerie zu entnehmen.

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 1 % Bereich und wurden für die Betrachtungen in diesem Beitrag vernachlässig. 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 erwartet 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 km 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 km! Das ist im alltäglichen Fahrbetrieb deutlich zu spüren und erfordert ein vorausschauendes Planen des Fahrbetriebs.

Die Grafik 3 der Bildergalerie zeigt den Energieverbrauch des Elektrofahrzeugs je 100 km 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.

Ladeverluste beim Elektrofahrzeug

Das Elektrofahrzeug wurde im betrachteten Zeitraum 209-mal geladen. Davon 208-mal an einer 11 kW AC-Ladeeinrichtung und einmal an einem DC-Schnelllader. Der „Fahrverbrauch“ des Fahrzeugs im Jahresdurchschnitt betrug 14,4 kWh / 100 km, der durchschnittliche „Ladeverbrauch“ dagegen 16,2 kWh / 100 km. Damit ergibt sich ein mittlerer Ladeverlust von ca. 12 %!

Die in der Tabelle 5 in der Bildergalerie aufgeführten statistischen Betriebswerte zeigen einige interessante Erkenntnisse. Als Erstes sei hier die reale Nutzung der Fahrbatterie des Elektrofahrzeugs hervorgehoben. Es zeigt sich, dass sich im alltäglichen Fahrbetrieb ein schonender Lade- und Entladebetrieb realisieren lässt. Im Durchschnitt musste die Batterie auf nicht mehr als die empfohlenen ca. 80 % aufgeladen werden. Auch die Entladung war im Schnitt nur bis etwa 40 % erforderlich. Dies ist für die Lebensdauer der Batterie optimal. Weiterhin zeigt die Tabelle, dass bei einer jährlichen Fahrleistung von ca. 30.000 km statistisch etwa jeden zweiten Tag geladen werden muss. Und dies ist an einer batterieschonenden 11 kW Ladeeinrichtung möglich. Da die Betriebskosten durch den Energiebedarf beim Laden bestimmt werden, ist der „Ladeverbrauch“ eine wichtige Größe. Hierbei zu berücksichtigen ist jedoch, dass die einzelnen Ladeverlustwerte stark streuen (zwischen 2 % und 25 %) und somit die Verlustermittlung nur über entsprechend viele Datenwerte sinnvoll ist. Mit dem über mehr als 200 Ladevorgänge ermittelten Wert von ca. 12 % über einen Zeitraum von einem Jahr kann der für das hier eingesetzte Elektrofahrzeug ermittelte Ladeverlust als statistisch gesichert betrachtet werden.

Degradation der Fahrbatterie beim Elektrofahrzeug

Ein bedeutendes Thema bei Elektrofahrzeugen ist die Kapazitätsabnahme der Fahrbatterie (Degradation). Die Degradation ist von der Nutzung und dem Alter der Batterie abhängig und kann grundsätzlich nicht verhindert, sondern bestenfalls minimiert werden. Die bekannten Einflussfaktoren sind Auflade- und Entladeleistung, Auf- und Entladestand sowie die Zeit.

Um die Degradation der Fahrbatterie des verwendeten Elektrofahrzeugs zu prüfen, wurden explizite „Kapazitätsmessfahrten“ durchgeführt. Dazu wurde die Batterie auf 100 % geladen und anschließend mit einer nahezu unterbrechungsfreien Fahrt bis auf 0 % entladen. Um die inneren Verluste der Batterie (bedingt durch den Innenwiderstand) gering zu halten, wurde die Fahrt mit niedriger Leistung (durchschnittliche Geschwindigkeit ca. 80 km/h) durchgeführt. Aus der zurückgelegten Fahrstrecke und dem Fahrverbrauch wurde so die der Batterie entnehmbare Energie berechnet und mit der Nutzkapazität im Neuzustand verglichen. Da das vollständige Auf- und Entladen die Degradation fördert, wurde die Messung nicht mehrfach durchgeführt. Daher sind die ermittelten Werte zwar nicht statistisch sicher, repräsentieren aber dennoch hinreichend genau den zu erwartenden Degradationstrend.

Eine Degradation von unter 3 % nach etwa 50.000 km Fahrleistung entkräftet die häufig vorherrschende Befürchtung eines rapiden Kapazitätsverlustes der Fahrbatterie und somit eines entsprechenden Reichweitenverlustes. Aus anderen Untersuchungen zu diesem Thema ist bekannt, dass die Degradationskurve im Laufe der Fahrzeugnutzung eher abflacht, sodass deren lineare Fortschreibung nicht sinnvoll erscheint. In der Praxis bedeutet dies, dass auch bei einem Elektrofahrzeug mit hoher Laufleistung und dem hier vorgestellten Nutzungsprofil noch mit einem hohen Gebrauchswert zu rechnen ist.

Von: Prof. Dr.-Ing. Ansgar Wego, Hochschule Wismar

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