So soll der Stromverbrauch von Elektroautos sinken
Mehr noch als Batteriegröße und Ladegeschwindigkeit entscheidet ihr Stromverbrauch über den Erfolg von Elektroautos. Diese Potenziale gibt es beim E-Motor, der Batterie und der Karosserie.
Ein kalter Tag, die Fahrten alle einen Tick zu flott und zack, zeigt das Display des E-Autos einen einen Stromverbrauch von 26 kWh pro 100 Kilometer an. Viel zu viel. Wie bei den Verbrennern liegen bei einem Elektrofahrzeug die tatsächlichen Verbräuche weit vom WLTP-Wert entfernt. Auch wenn 26 kWh so viel Energie bedeuten wie etwa 3 Liter Benzin oder 2,6 Liter Diesel, der Verbrauch ist zu hoch. Vor allem, wenn der Strompreis weiter steigt. Statt 23 Cent die Kilowattstunden zählt mancher Hausbewohner bereits 45 Cent. An Schnellladesäulen kostet eine Kilowattstunde mitunter bis zu 1,09 Euro. Da summiert sich die Kostenbilanz des E-Autos auf bis zu 30 Euro pro 100 Kilometer.
Bislang galt der Stromverbrauch bei E-Autos als gegeben. Erst seit kurzer Zeit richten Hersteller ihren Blick verstärkt auf das Thema. Die Möglichkeiten zum Stromsparen im Auto sind denen von Verbrennern ähnlich, also Gewicht senken, Luftwiderstandsbeiwert reduzieren und den Motor sparsamer konzipieren. Bei E-Fahrzeugen kommt dazu noch die Veränderung der Batterie.
Mercedes EQXX Vision soll weniger als 10 kWh verbrauchen
Mercedes hat Anfang 2022 mit dem Konzeptfahrzeug EQXX Vision gezeigt, wie es gehen könnte. Das Konzeptfahrzeug basiert auf der nächsten Mercedes Modular Architecture (MMA) und besitzt den gleichen Radstand wie künftigen kompakte Serienmodelle.
Darüber hinaus gewährt es einen Ausblick auf die nächste Batteriestruktur. Der Mercedes-Chef und Vorstandsvorsitzende Ola Källenius forderte vor knapp zwei Jahren: „Ich will ein Auto, das weniger als 10 kWh verbraucht“. Genau das entwickelten die Ingenieure in 18 Monaten als Mercedes EQXX Vision.
Der Verbrauch des neuentwickelten Motors (mit einer Leistung von 150 kW oder 203 PS) lag bei Testfahrten von Mercedes unter 10 kWh pro 100 Kilometer. In Simulationen bei fest definierten Bedingungen verbraucht die E-Maschine sogar nur rund 6 kW auf 100 Kilometer. Demnächst soll das Fahrzeug bei einer Langstreckenfahrt den Verbrauch bestätigen.
So erhöht Mercedes die Effizienz seiner E-Motoren
Herzstück des Spar-Elektro-Fahrzeugs ist sein Motor: Der eATS 2.0 mit 800 Volt und SiC-Inverter setzt auf einem Permanentmagnet-Synchronmotoren (PSM). Um Schaltverluste zu verringern, bestehen die Chips nicht aus Silicium, sondern aus Siliciumcarbid, einer Verbindung aus Silicium (Si) und Kohlenstoff (C). Vorteil: Si verringert die Verluste bei hohen Betriebsspannungen – was wiederum kürzere Ladezeiten bei mehr Stromfluss bedeutet.
Für alle Nicht-Physiker: Wer die Leistung und Effizienz einer Batterie oder eines E-Motors erhöhen will, muss den Wert für Stromstärke (A) oder Spannung (V) steigern. Erhöhen Ingenieure einseitig die Stromstärke (A), benötigen die Autos dickere und schwerere Leitungen, zudem steigen die Wärmeverluste. Bei einer höheren Bordspannung ist das nicht nötig. Nachteil: die Kosten. Software, Steuerung und Systeme müssen neu entwickelt werden, dazu gibt es noch wenig bis keine Power-Ladesäulen, die mit so einer hohen Spannung arbeiten.
Während 400-Volt-Systeme theoretisch maximal mit 400 Volt mal 500 Ampere, also 200 Kilowatt laden können, kommen 800-Volt-Autos bei gleicher Stromstärke auf 400 kW. Mit einer höheren Spannung der Batterie erhöht sich auch die Spannung für die Energieabgabe, also der Motor. Der bietet nicht nur mehr Spitzenleistung, sondern mehr Dauerleistung, arbeitet dadurch effizienter. Bisher arbeiten der Porsche Taycan und der Auto E-tron GT, beide sind aber auf 270 kW gedrosselt, um die Batterie zu schonen, aber auch weil es eh keine passenden Ladesäulen gibt. Mercedes will für die nächste E-Auto-Generation auf eine höhere Bordspannung von 400 Volt auf 800 Volt gehen.
95 Prozent der Energie kommen am Rad an
Weiterer Vorteil der neuen Chips: Kommen bei bisherigen E-Fahrzeugen 90 Prozent der Energie aus der Batterie am Rad für den Vortrieb an, sind es beim EQXX wegen geringerer Schaltverluste der Chips, geänderte Kühlung und neuer Software auf 95 Prozent – die Feinarbeit liegt im Detail. „Das klingt nicht nach viel. Aber mit den fünf Prozent lässt sich entweder die Reichweite erhöhen oder das Gewicht der Batterie reduzieren – und das erhöht wiederum die Reichweite“, sagt Conrad Sagert, Mercedes-Entwickler. Zum Vergleich: Ein normaler Verbrenner schafft lediglich 30 Prozent. Heißt: Von 100 Prozent Energie (Kraftstoff) wandeln sich nur 30 Prozent in den Vortrieb um. Der Rest verpufft in Wärme, Reibung und bremst beim Luftwiderstand.
Einen weiteren entscheidenden Beitrag zum Stromsparen leisten die Akkus. Aktuell sind Lithium-Ionen-Akkus mit flüssigen Elektrolyten Stand der Technik. Die Lithium-Ionen-Batterie mit flüssigen Elektrolyten erhält 20 Prozent mehr Energie, ein erhöhter Siliziumanteil in der Anode erhöht die Energiedichte, so dass die Batterien effektiver arbeiten können. Lagen bisherige Zellen in einer Modulbox aus Aluminium, montiert sie Mercedes nun ohne Box direkt auf einer Platte. Das spart Platz und Gewicht, weil auf den großen Alurahmen für die Batterie verzichtet werden kann. Mit 495 Kilogramm wiegt die Batterie fast die Hälfte weniger als der konventionelle Aufbau. Die dazugehörige Elektronik liegt nun nicht mehr direkt an den Zellen, sondern separat auf der Einheit, was weiter Platz spart. Mit einer passiven Kühlung durch Luftströme unter dem Fahrzeugboden verzichtet Mercedes auf bisherige Kühlkanäle, reduziert damit weiter Gewicht im niedrigen zweistelligen Bereich.
Warum die Aerodynamik besser werden muss
Die nächste Zellgeneration soll noch mehr Energie liefern und effizienter werden sowie ohne Batteriegehäuse montiert werden können. Mercedes spricht von bis zu 10 Prozent mehr Energie pro Kilogramm. Derzeit liegt sie bei rund 200 Wattstunden (Wh) pro Kilogramm, in den nächsten Jahren könnte der Wert auf bis 350 Wh steigen, Elon Musk verlangte in einem Interview sogar 400 Wh pro Kilogramm. Zum Vergleich: Die Zellen eines aktuellen Tesla liegen bei rund 260 Wh pro Kilogramm.
Das Zusammenspiel von Luftklappen, Kühlmittelventilen und Wasserpumpen sorgt beim EQXX dafür, dass der Antrieb mit der Leistungselektronik stets im optimalen Temperaturfenster arbeitet. Dabei helfen unter anderem ein Luftvorhang (Air Curtain) vor und der Luftausströmer hinter den vorderen Radhäusern.
Eine aerodynamische Karosserie verringert den Verbrauch. Und das liegt daran: Den Großteil, also gut 62 Prozent der Antriebsenergie, braucht ein Fahrzeug, um die Luft aus dem Weg zu drücken. 20 Prozent der Energie ziehen sich die Reifen und nur 18 Prozent entfallen auf das Gewicht. „Daher ist es beim Stromverbrach wichtig, Aero, Gewicht und Reifen weiter zu optimieren. Alleine dadurch lässt sich Energie sparen, gleichzeitig die Reichweite erhöhen“, erklärt Malte Sievers, Entwicklungsingenieur bei Mercedes.
Darum ist der EQXX so windschlüpfig
Flache Haube, niedrige Silhouette und ein langes Heck sorgen für einen geringen Luftwiderstand. Die A-Säulen sind komplett glatt, damit die Luft leichter drüber läuft, am besonders aerodynamischen Schweller fließt die Luft ebenso schneller hinweg. Radblenden vor den leichten 20-Zoll-Magnesiumfelgen verringern seitliche Luftverwirbelungen, durch die beiden Einlass-Nüstern strömt Kühlluft für Batterie und Motor. Die Reifen selbst sind auf Rollwiderstand optimiert. Aerodynamisch hält das verlängerte Heck die Laminarströmung so lange an der Karosserie wie möglich. Dazu integriert Mercedes einen verstellbaren Diffusor.
Bei Geschwindigkeiten ab 60 km/h rückt die Abrisskante gleichzeitig nach hinten und nach oben, so dass das Abrissgebiet am Heck sich stark verkleinert. Die Folge: Der am Heck entstehende Sog und somit der Windwiderstand reduzieren sich entscheidend. Für lange Strecken auf Autobahnen zeigt sich die Karosserie ideal – eigentlich nicht der ideale Einsatzort für Elektrofahrzeuge. Aerodynamisch neutrale Kühlplatten im Unterboden und die Integration von passiven und aktiven Aero-Elementen in der Karosserie machen diese besonders windschlüpfig.
Elektroautos sind zu schwer
Elektrofahrzeuge mit einem Gewicht von über zwei Tonnen sind vor allem eins: deutlich zu schwer. Der BMW i3 war das nie. Der 2013 vorgestellte E-Kleinwagen wiegt mit einer 60-Ah-Batterie nur 1.270 Kilogramm. Das noch aktuelle Modell mit einer 120-Ah-Batterie kommt auf 1.365 Kilogramm, was auch an der Vollcarbon-Karosserie lag. Auf dieses Gewichtsniveau müssen die Hersteller wieder, trotz schwerer Batterie und hoher Reichweiten. Ein aktueller VW ID.3 wiegt fast 1,8 Tonnen.
Mit bionischer Optimierung versuchen es Ingenieure. Je nach Bauteil können sie mit der Technik zwischen 15 und 20 Prozent Gewicht einsparen. Dabei wird auf Flächen dort Material weggelassen, auf denen keine Kräfte wirken. „Bisher wurden Leichtbauteile vollständig aus Aluminium gefertigt. Die Radkästen müssen an den meisten Stellen aber nur Wasser abhalten, da reicht auch eine leichte Kunststofffolie“, sagt Malte Sievers.
Die Ideen sind nicht neu. Schon der VW XL von 2014 hatte einen cW-Wert von 0,19 und wog 870 Kilogramm, der Mercedes-Rennwagen W125 von 1938 hatte sogar einen cW-Wert von 0,17. Neu ist, dass dieses Konzeptfahrzeug keine hinteren verkleideten Radhäuser besitzt und nicht wie eine fahrende Verzichtserklärung aussieht. „Den cW-Wert von 0,17 können wir nicht weiter reduzieren, sonst wird das Auto hässlich“, sagt Chefdesigner Gordon Wagener. Denn auch wenn ein E-Auto wenig Strom verbrauchen soll, muss es attraktiv aussehen. Sonst will es ja niemand fahren.
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