Die aktuelle Generation von Elektroautos weist in der Regel eine Effizienz von 3-4 mpkWh auf.
Die Hersteller feilen an jedem Detail, um sich einem Effizienzziel anzunähern, das für Elektroautos transformative Auswirkungen hat.
Untersuchen Sie die Spezifikationen eines Elektroautos und es gibt eine Zahl in Meilen pro Kilowattstunde (mpkWh) für die Fahrzeugenergieeffizienz, normalerweise im Durchschnitt zwischen 3,0 und 4,0.
Es besteht kein Zweifel, dass Effizienz wichtig ist, sowohl für Ingenieure, die sie als Maßstab für ihre Leistung betrachten, als auch für Fahrer, für die sie der Schlüssel zum Verständnis der Batteriereichweite ist.
Das nächste große Effizienzrennen für EV-Hersteller besteht darin, als Erste 5,0 mpkWh zu erreichen. Diese Zahl ist wichtig, denn für einen typischen 50-kWh-Batteriesatz beträgt der Unterschied zwischen 4,0 mpkWh und 5,0 mpkWh 50 Meilen mehr Reichweite. Es gibt also einen Preis zu gewinnen.
Und es wird nicht lange dauern, bis die ersten Autos mit 5,0 mpkWh auf den Straßen unterwegs sind. Tatsächlich behauptete das in den USA ansässige Unternehmen Lucid im Juli, mit seinem Air Pure Saloon als erstes dieses Ziel erreicht zu haben, während ein Prototyp des kommenden Mercedes CLA 5,2 mpkWh aufzeichnete.
Es mag wie eine relativ kleine inkrementelle Verbesserung erscheinen, aber es bedarf viel, um sie zu erreichen, von Niederdruckreifen bis hin zur Verwendung einer anderen Art von Bremslicht. Hier werfen wir einen weiteren Blick darauf.
Aerodynamik
Reduzierungen des Luftwiderstands werden die Priorität bei der Jagd nach 5,0 mpkWh sein. Laut Angaben der Warwick University überwindet 47% der Energie einer Batterie den Luftwiderstand bei 70 Meilen pro Stunde.
In der Praxis bedeutet dies, dass Entwicklungsbudgets in Windkanäle und Simulationen verlagert werden und Designer die Frontfläche reduzieren und Details verfeinern, um den Cd (Strömungswiderstandskoeffizient) zu verringern.
Hyundai hat beispielsweise bei dem Ioniq 6 niedrigen Luftwiderstand priorisiert und einen Cd-Wert von 0,21 erreicht.
Laut Professor David Greenwood von der Warwick University wird die nächste Phase teuer, aber lohnenswert sein: „Selbst eine geringe Reduzierung des CdA [Cd und Frontfläche] hat einen signifikanten Einfluss auf die Reichweite bei hoher Geschwindigkeit, da der Luftwiderstand proportional zur Geschwindigkeit im Kubik zunimmt.“
Heizung, Belüftung und Klimatisierung (HVAC)
Direkt an vorderster Front der Energieeffizienzgewinne trägt HVAC den zweitgrößten Anteil an der Batterieentladung bei. „Bei einem Elektroauto muss man wirklich auf jede verbrauchte Wattstunde achten, daher müssen parasitäre Verluste minimiert werden“, sagt Greenwood.
HVAC macht bei Reisegeschwindigkeit 19% der Batterieleistung aus, kann aber bei extremen Hitze oder Kälte bis zu 30% erreichen. Die Priorisierung der Beheizung von Sitzen und Lenkrad, die nur wenige Hundert Watt verbrauchen, anstelle einer vollständigen Kabinenklimatisierung wird bei der Verfolgung des Ziels von 5,0 mpkWh helfen.
Der eigentliche Durchbruch wird jedoch der weit verbreitete Einbau von Wärmepumpen anstelle traditioneller Klimaanlagen sein. Sie benötigen etwa 1 kW, ein Drittel eines konventionellen Klimaanlagensystems, und können Abwärme von Komponenten wie Motoren nutzen.
Unter anderem installieren Tesla und Volvo serienmäßig Wärmepumpen in bestimmte Modelle, aber es handelt sich um teure Komponenten. Polestar beispielsweise verlangt £900 für ein Klimapaket inklusive Wärmepumpe. Die Kosten werden jedoch sinken, wenn die Produktion hochgefahren wird.
Fahrzeuggewicht und Batterieregeneration
Das Gewicht trägt zu Reifen- und Bremsverlusten bei, insbesondere beim Stadtverkehr, hat aber insgesamt einen geringeren Einfluss auf den Energieverbrauch in einem EV als in einem Verbrennungsmotorfahrzeug, da Energie während der Bremsregeneration zurückgewonnen wird.
Greenwood sagt, dass Designer eine etwa 2%ige Energieeinsparung für jede Einsparung von 100 kg im Autobahnbetrieb erwarten, während im Stadtverkehr, wo Bremsen und Regeneration häufiger vorkommen, der Beitrag einer 100 kg schweren Einsparung eher bei 5% liegt.
Reifen und Bremsen
Bei Autobahngeschwindigkeiten verbrauchen Reifenreibung und der Widerstand zwischen Bremsscheiben und -belägen etwa 12% der Batterieleistung. Bei Stadtgeschwindigkeiten ersetzen Reifen und Bremsen jedoch die Aerodynamik als größten Verlust und erreichen bis zu 50%.
Deshalb sind Reifen mit geringem Rollwiderstand (wie Michelin Pilot Sport EVs) unverzichtbar. Der Bremswiderstand wird durch aktives Management des Abstands zwischen Belag und Scheibe angegangen.
Lichter und Scheibenwischer
„Wir sprechen über die Reduzierung des Stromverbrauchs von Scheinwerfern, Scheibenwischern, Gebläse, Blinkern und Bremslichtern“, sagt Greenwood.
Die Umstellung auf eine LED-Glühbirne in Bremslichtern kann beispielsweise eine Effizienzsteigerung von 1% bringen, insbesondere im Stop-and-Go-Verkehr.
Marginale Gewinne und Testzyklus
Jon Hall, Leiter der Forschung bei Mahle Powertrain, betont, dass das Erreichen von 5,0 mpkWh von einer Reihe marginaler Gewinne abhängt.
„Es geht darum, die Reduzierung der parasitären Verluste, das Schritt-für-Schritt-Vorgehen bei vielen Effizienzverbesserungen und marginalen Gewinnen“, sagt er.
Mahle warnt jedoch davor, dass die Effizienz im realen Betrieb erheblich von den Werten im WLTP-Test abweichen kann. Klimatisierungssysteme werden beispielsweise im Test ausgeschaltet.
Batterien, Inverter, Leistungselektronik und Motor
Paradoxerweise werden Fortschritte bei den Hauptkomponenten der Elektrik keine signifikante Verbesserung der Gesamteffizienz bringen. Diese elektrischen Systeme sind bereits sehr effizient (Motoren erreichen eine Spitzenwirkungsgrad von 95%) und sind über einen Fahrzyklus hinweg zu etwa 80% effizient.
„Die Autohersteller investieren Geld, um 0,5% in das elektrische System zu gewinnen, aber insgesamt ist es ein geringer Beitrag“, sagt Greenwood.
Langfristig könnten möglicherweise erst in Jahrzehnten feststoffbasierte Batterien die Effizienz steigern, da sie bei niedrigeren Temperaturen arbeiten.
Mahle sagt, dass die Einführung von KI-gesteuertem autonomen Fahren die Effizienz berücksichtigen sollte, da diese leistungsstarken Rechensysteme bis zu 5 kW verbrauchen können, etwa so viel wie ein HVAC-System, was tatsächlich den Fortschritt in Richtung 5,0 mpkWh verlangsamt.
Greenwood schließt: „Es gibt keine Wunderlösung, um 5,0 zu erreichen. Wir werden all diese Dinge zusammen benötigen.“