Reichweite-Variablen im Elektroauto

Reichweitendiskussionen sind das Top-Thema bei jedem Austausch rund um Elektrofahrzeuge. Folgend daher eine Zusammenstellung der verschiedenen Faktoren und deren tatsächliche Auswirkung auf die Gesamtreichweite. Ich freue mich auf Rückmeldungen sowohl zum Inhalt als auch zur Verständlichkeit der Ausführungen.

Normreichweite (NEFZ)

NEFZ Fahrzyklus

Skizze NEFZ-Fahrzyklus

Die normierte und theoretische Reichweitenmessung nach dem „Neuer Europäischer Fahrzyklus (NEFZ)“ von 1996 wird innerhalb von knapp 20 Minuten ausschließlich auf dem Rollenprüfstand ermittelt. Dabei werden regelmäßig optimierende Faktoren genutzt. Über eine Erhöhung des Reifendrucks, eine auf Verbrauch getrimmte Achsneigung, Abkleben von Spalten, Veränderung des Bremsbacken-Abstandes zur Bremsscheibe und weitere Anpassungen wird der Verbrauch optimiert. Zusätzlich sind Rahmenbedingungen wie eine Beschleunigungsfahrt von 0 auf 50 km/h innerhalb 26 Sekunden eher realitätsfern.

Die genannten NEFZ-Reichweiten müssen um rund 20% – 25% heruntergerechnet werden, um der Realität bei sparsamer und nicht verkehrbehindernder Fahrweise zu entsprechen.

Die baugleichen i-MiEV, iOn, C-Zero mit angegebenen 150 km NEFZ können damit bei gemäßigten Temperaturen 120 km gefahren werden, ein Nissan Leaf 2011 mit 175 km NEFZ kommt auf tatsächliche Reichweiten von 130-140 km.

Heizung (bis 4,5 kW)

Die Raumheizung ist der wesentliche Zusatzverbraucher in einem Elektroauto. Vereinfacht dargestellt blasen „zwei Haartrockner“ parallel warme Luft in den Innenraum. Der Verbrauch liegt üblicherweise bei 3,0 bis 4,5 kW. Wenn man die typische Akku-Kapazität von 16 kWh im i-MiEV zu Grund legt, läßt sich die Heizung das Fahrzeugs rund vier Stunden in Volllast im Stand betreiben, bis die Akkus geleert wären, ohne einen einzigen Kilometer gefahren zu sein.

Verbrauchsdaten im Nissan Leaf 2011

Heizung „Klimaanlage“ Nissan Leaf 2011

Die Klimaautomatik im Nissan Leaf heizt anfänglich mit bis zu 4,5 kW das Fahrzeug auf und kommt nach Erreichen der gewünschten Temperatur mit Verbräuchen zwischen 1,5 und 2,0 kW aus. Im vorgewärmten Zustand läßt sich so dann noch eine Reichweite von 88 km statt 100 km ohne Heizung realisieren (-12%).

Kurzstreckenfahrten mit jeweils ausgekühlter Fahrgastzelle erhöhen den Verbrauch durch die anfänglich höhere Heizlast um 25%. Entsprechend deutlich reduziert sich die mögliche Reichweite.

Klimaanlage (1,5 kW)

Ähnlich zur Heizung verhält sich die Klimaanlage. Die Verbräuche sind je nach Fahrzeug zwar mit rund 1,5 kW etwas niedriger, wirken jedoch ebenfalls spürbar auf die Reichweite. Der Energiebedarf wird direkt aus der Hochvolt-„Fahrbatterie“ entnommen, die Prognose der möglichen geschätzten Restreichweite wird damit im Betrieb sofort nach unten angepasst.

Häufig wird beim Aktivieren der Lüftung auf die Frontscheibe automatisch die Klimaanlage zum Entfeuchten mit eingeschaltet. Der Kompressor benötigt selbst im Winter zusätzliche Energie, wenn eine Kühlung nicht angefordert wird. Daher sollte im Heizbetrieb darauf geachtet werden, dass „AC“ möglichst immer deaktiviert ist.

Sitzheizung (0,3 kW)

Sitzheizungen werden üblicherweise aus dem 12V-Bordnetz betrieben und verbrauchen je nach Fahrzeugtyp 200 bis 350 Watt pro Sitz. Ein direkter Einfluss auf die prognostizierte Restreichweite ist damit erst einmal nicht erkennbar, wirkt jedoch indirekt über das Wiederaufladen der 12V-Batterie aus dem Hochstrom-Akku (identisch zur Lichtmaschine im Verbrenner). Bei 200 Watt ist die Reichweitenreduzierung entsprechend gering – es gehen nicht einmal 1,5 km bei gefahrenen 100 km verloren.

Heckscheiben-Heizung (0,3 kW)

Die Heckscheibe wird ebenfalls mit rund 300 Watt aus dem 12V-Netz erwärmt. Es gelten daher die Ausführungen der Sitzheizung. Dennoch sollte das Abschalten nach einigen Minuten nicht vergessen werden, wenn die Sicht bereits wieder frei ist.

Innenraum-Lüfter (0,1 bis 0,4 kW)

Je nach Gebläsestufe verbraucht die reine Lüftung (ohne Klimatisierung oder Heizung) zwischen 80 und 400 Watt. Die Auswirkungen auf die Reichweite fallen entsprechend gering aus.

Scheibenwischer und  Scheinwerfer (jeweils 0,15 kW)

Auch die Sicherheit muss in einem Elektroauto nicht zu kurz kommen. Mit Licht bei Regen zu fahren verkürzt die theoretische Reichweite je 100 km um höchstens 1-2 km.

Navigationssystem, Radio und Außenspiegel-Heizung (jeweils unter 0,1 kW)

Zuletzt muss auch auf den Media-Komfort beim Fahren nicht verzichtet werden. Radio und Navi belasten die Reichweite bei Verbräuchen unter 100 Watt ebenfalls sehr unwesentlich.

Weitere Verbraucher aufgezählt

Nebelscheinwerfer 0,1 kW, Nebelschlussleuchte 0,04 kW, elektrische Fensterheber 0,1 kW.

Geschwindigkeit

Roll- und Luftwiderstand Elektroautos

Roll- und Luftwiderstand Elektroautos

Der wesentliche Einflussfaktor auf die Gesamtreichweite ist die gefahrene Geschwindigkeit. Es gelten die normalen physikalischen Gesetze zur Überwindung des Luftwiderstandes und des Rollwiderstandes. Die zusätzlichen Faktoren der inneren Reibungskräfte und Trägheitskräfte werden in dieser Beispielgrafik vernachlässigt. Die zur Erhaltung der Geschwindigkeit (km/h) benötigte Kraft (N) kann in der Grafik abgelesen werden.

Grob gilt: bei einer Verdoppelung der Geschwindigkeit vervierfacht sich die zu überwindende Widerstandskraft und entsprechend mehr Energie wird benötigt.

Je langsamer gefahren wird, desto weniger Energie muss eingesetzt werden und desto höher wird die Reichweite (so weit die erforderlichen anderen Verbraucher, insbesondere Heizung, die Ersparnis über den längeren Fahrzeitraum nicht wieder neutralisieren).

Zusätzlich gilt, dass eine möglichst gleichmäßige lineare Geschwindigkeit energiesparender ist als wechselnde Fahrgeschwindigkeiten, die in der Summe die selbe Fahrzeit ergeben würden (Beispiel 1 Stunde mit Tempo 100 ist besser als 30 Minuten mit Tempo 70 und 30 Minuten mit Tempo 130 = 6,5% mehr benötigter Kraftaufwand).

Und zuletzt: auch wenn Bremsenergie im Elektroauto durch Rekuperation (Energierückgewinnung) zum Teil wieder in den Akku zurückgespeist werden kann, so gewinnt man damit nie die vorher eingesetzte Energie komplett zurück. Verluste zwischen 30 und 70% werden von unterschiedlichen Quellen genannt.

Witterung: Regen, Nebel und Wind

Leider nur wenig vom Fahrer beeinflussbar ist die aktuelle Wetterlage. Eine feuchte Straße verändert den Widerstand für die Reifen erheblich. Man spricht hier vom Schwallwiderstand, bei dem das Wasser auf der Straße vom rollenden Rad verdrängt werden muss. Abhängig von der Fahrgeschwindigkeit, der Reifenbreite und der Wasserhöhe ist ein Mehrverbrauch von 10 – 20% zu erwarten, bei geringen Geschwindigkeiten in der Stadt sogar bis zu 30%.

Ebenfalls wirken sich höhere Windgeschwindigkeiten, insbesondere bei überwiegendem Gegenwind, spürbar auf die Gesamtreichweite aus. Es erhöht sich der Luftwiderstand, vergleichbar mit einer erhöhten Geschwindigkeit. Auch hier sind Verbrauchsveränderungen von bis zu 25% bei identischer Geschwindigkeit zu erwarten.

Reifen-Luftdruck

Eine Erhöhung des Luftdruckes führt zu einer direkten Reduzierung des Rollwiderstandes und damit auch zu einer Verringerung des Energieverbrauchs. Gleichzeitig erhöht sich jedoch der Bremsweg durch die geringere Reibung. Der Luftdruck sollte also niemals niedriger als angegeben sein, die Sollwerte aber auch nicht deutlich überschreiten.

Akku-Speicherkapazität im Winter

Bei tiefen Temperaturen unter 5° C sinkt nicht nur deutlich die entnehmbare Kapazität des Akkus, auch die Stromaufnahmefähigkeit beim Laden verringert sich. Beide Effekte gemeinsam sorgen dafür, dass die mögliche Reichweite eines Elektroautos im Winter spürbar (bis zu 25%) sinkt. Dies übrigens ganz unabhängig davon, in wie weit dann im Betrieb zusätzlich noch die Heizung eingesetzt wird (siehe oben). Über eine Akku-Isolierung und ein aktives Temperaturmanagement (Akku-Heizung) versuchen die Hersteller diese chemischen Prozesse einzudämmen. Grundsätzlich sollte möglichst häufig bei tiefen Temperaturen geladen oder gefahren werden. Dadurch bleiben die Akkus eher auf „Betriebstemperatur“ und können die Energie besser speichern und abgeben.

Zusatz-Gewicht durch Mitfahrer

Durch zusätzliches Gewicht wird der Rollwiderstand erhöht. Im Verhältnis zum Luftwiderstand ist dieser Wert jedoch eher gering. Bei einem durchschnittlich schweren Elektroauto (mit Fahrer) erhöhen drei weitere Mitfahrer den Rollwiderstand um rund 15-20%. Da am gesamten Kraftaufwand der Rollwiderstand aber nur zu 25-30% beteiligt ist, lässt ein voll besetztes Auto einen Mehrverbrauch von rund 5% erwarten.

Wenn ein E-Auto nur mit Fahrer besetzt 130 km bis zur nächsten Ladung fahren kann, so wäre die Reichweite bei identischer Fahrweise und drei Mitfahrern auf 124 km beschränkt.

 Topografie

Der Steigungswiderstand ist ebenfalls eine nicht zu vernachlässigende Größe bei der Ermittlung der möglichen Reichweite. Bei einem ebenen Geländeverlauf ist die Gesamtreichweite spürbar höher als bei häufigerer Berg- und Talfahrt, ausgelöst durch anteilige Verluste an Bewegungsenergie trotz Rekuperation. Bei einer Fahrplanung sollten daher unbedingt auch die topografischen Besonderheiten mit angeschaut werden.

Leitsätze zur Reichweitenmaximierung

  • eine gemäßigte gleichmäßige Geschwindigkeit maximiert die Reichweite
  • Segeln (im Leerlauf rollen lassen) statt Beschleunigung und Rekuperation
  • Autobahnfahrten in LKW-Geschwindigkeit sind eine gute Wahl zwischen Verbrauch und Hindernis aus Unfallgefahrensicht
  • Windschattenfahrten sind unterhalb der erlaubten Mindestabstände, reduzieren aber spürbar den Energieverbrauch
  • Starkregenfahrten möglichst vermeiden, wenn es zeitlich machbar ist
  • Sitzheizung vor Raumheizung
  • Fensterlüftung vor Klimaanlage
  • Licht, Scheibenwischer, Navigation und Radio beruhigt in Betrieb halten
  • „Wer schneller fährt kommt später an“ – durch häufiger notwendige Zwischenladungen

Links zu Verbrauchsdaten aus der Praxis

Nissan Leaf Mod. 2011
Peugeot iOn (Mitsubishi i-MiEV, Citroen C-Zero)
Opel Ampera

 

Kommentare (plattformübergreifend)

Das Brot des Künstlers ist der Applaus, das Brot des Bloggers ist (D)ein Kommentar. Und...? Wie war dieser Artikel?

 

8 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Pingback: Plädoyer für Elektroautos | E-Auto.TV

  2. Sehr informativer Artikel.
    leider ermöglicht die Webseite es nicht, auf einem iPad vergrößert zu werden. Die abgebildete Grafik nutzt mir daher wenig. Bitte ändern Sie doch den Style, so dass man die Seitenbreite durch Zoom ändern kann!

    • E-Auto.TV

      Der Wechsel auf ein responsive Theme ist schon lange geplant, aber momentan zeitlich nicht machbar. So eine Anfrage erhöht aber den Druck ein wenig. 😉

      Die Grafiken gehen beim Android-Tab alle in einem extra Fenster auf. Allerdings ist das erste Bild, entnommen von Wikipedia, einfach schon im Original sehr klein.

  3. Ich kann den Bericht zu den Einflußfaktoren uneingeschränkt unterstützen.
    Der von mir seit über 4 Jahren genutzte C_Zero verhält sich ebenfalls wie beschrieben.
    Für den täglichen Einsatz in meinem Fahrprofil (40-50 km) spielen persönlich folgende Einflugfaktoren davon die wichtigste Rolle.
    Die täglichen Ladezeiten erhöhen sich durch Heizungsgebrauch und spürbar langsameres Laden im Winter erheblich.
    Der Luftdruck der Reifen macht sich erheblich bemerkbar. Ich achte aufmerksam darauf, das er etwas erhöht als angegeben eingehalten wird.
    Der Einfluss von Licht, Lüftung ist gering. Das laufende Radio egal in welchem Modus ist ein zu vernachlässigender Faktor. Meist hängt auch das Handy und oder ein iPad mit an der Stromversorgung, das hat keinen spürbaren Einfluss.
    Schade das sich der C-Zero meines Baujahres noch nicht an der Steckdose oder dem Typ2 Kabel vorheizen läßt. Das vermisse ich sehr. Bei einem nächsten E-Auto wäre das ein wichtiges Kriterium.
    Zur Zeit spiele ich mit dem Gedanken eine Metanol-Zusatzheizung einbauen zu lassen, die gibt es inzwischen für die Drillinge. Allerdings hat sie einen stolzen Preis.
    Bei meinem Fahrprofil gibt es eigentlich nur einen Faktor der mich richtig stört. Das ist der Energieverbrauch der Heizung und die daraus resultierende längere Ladezeit im Winter.

  4. Ein super Artikel und für mich als Laie sehr informativ!
    Ich bin derzeit am recherchieren und einlesen für ein Projekt an der Uni, dass eine realitätsnahe Reichweitenanalyse, basierend auf einer Klassifikation des Straßennetzes (Verhältnis Verbrauch und Neigung) und anderen Einflussfaktoren, für Elektroautos in Österreich zum Ziel hat. Leider fällt es mir sehr schwer Daten zu finden.
    Dazu meine Frage, ist es mir möglich den aktuellen Verbrauch (nicht den Durchschnittswert) im Auto anzeigen zu lassen? Ein Freund von mir hat einen BMW I3 den ich mir eventuell für Testfahrten ausleihen könnte.

    • E-Auto.TV

      Viele, aber nicht alle, Elektroautos zeigen auch den jeweils aktuellen Verbrauch an. Der BMW i3 gehört dazu, aber auch zum Beispiel der Nissan Leaf oder e-NV200. Die „Drillinge“ (i-MiEV, iOn, C-Zero) können das nicht direkt, aber per Android-App CaniOn und passender (hochwertiger!) OBD-II-Bluetooth-Schnittstelle. Vorteil hier: es wird auch direkt per GPS die Topografie mit gespeichert.

  5. Ich finde die Reichweiten-Problematik überbewertet. Viel wichtiger finde ich, dass Lademöglichkeiten überall dort geschaffen werden, wo das Auto steht.
    Laternen-Laden ist ein wichtiges Thema, aber auch mehr Schnellladestationen.
    Mehr Reichweite heisst immer auch mehr Gewicht rumzuschlep
    E-Mobilität ist ideal zum Pendeln im bis zu 100 km Tagespensum.
    Da kann man zu Hause (an der eigenen Solaranlage ökologisch einwandfrei) die tägliche Ration laden (zumindest von März bis September) und die öffentlichen Ladestationen nutzt man nur im Notfall als Ergänzung.
    Ich hab das mit dem e-UP! Ein Jahr lang mit 25000 km Fahrleistung getestet und sehe überhaupt keinen Grund, jemals wieder eine Benzinschleuder zu fahren.

  6. Sehr schöne, übersichtliche Aufstellung!

    Nicht nur „die (Raum-)Heizung“ als solches, sondern der Typ und die Ausführung der Heizung und auch die „Wertigkeit“ des Autos entscheiden über den Heizenergieverbrauch und damit über die winterliche Reichweitenenbuße.
    Während bei meinem Stromos ( http://www.goingelectric.de/garage/joe-hotzis-Stromos/646/ ) wie bei den „Drillingen“ ein ungedämmter „Tauchsieder“ einen Wasserkreislauf erwärmt, sind PTC-Luftheizungen schneller und effizienter und Wärmepumpenheizungen noch stromsparender. Die „Wasserheizung“ ( Anleitungen im Netz ) sollte man zusätzlich dämmen und bei allen E-Autos senkt eine nachträgliche Verbesserung von Winddichtigkeit und Wärmedämmung (Türen, Heckklappe, Dach) deutlich den Heizenergieverbrauch.

    Der Akku hat zwar auch im Winter volle Kapazität, aber da tiefe Temperaturen die chem. Umeandlungsprozesse verlangsamen, steigt der Innenwiderstand – die Spannungen brechen schneller ein und es sieht aus, als wäre der Akku leer. Minimieren kann man das durch besonders sanfte Fahrweise und evtl. mit einer Akkuheizung. Hat auf Langstrecken eher geringen Einfluss, da sich der Akku im Betrieb selbst erwärmt. Auf Kurzstrecke häufig nachladen!

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  1. […] Wie lange nutze ich intensiv die Heizung oder Klimaanlage, reichen im Winter nicht auch 17 Grad in der Kabine für ein sehr komfortables Fahren? Das sind die Fragen, über die man viel bewusster und damit energiesparender als früher nachdenkt. Und was die einzelnen Verbraucher tatsächlich an Energie und damit Reichweite kosten, habe ich erst kürzlich hier dargelegt. […]