kWh/100 km: Was bestimmt den Wert? Auf den Spuren der Wirkungsverluste

Der kWh/100 km-Wert zeigt, wie viel Energie das Fahrzeug für eine Strecke von 100 Kilometern aus seiner Batterie zieht. Dieser Wert wird durch jedes verlustbehaftete Glied in der Energiekette von der Batterie bis zum Rad bestimmt - durch den Wirkungsgrad von Motor und Wechselrichter, die Heiz- und Kühllast, den aerodynamischen Widerstand sowie den Rollwiderstand. Selbst dasselbe Fahrzeug, dieselbe Batterie und dieselbe Strecke können diesen Wert bei unterschiedlichen Bedingungen erheblich verändern.

Wenn Sie sich die Verbrauchstabelle eines Elektrofahrzeugs ansehen, lesen Sie tatsächlich die letzte Zeile eines Energieflusses. Jede Kilowattstunde, die die Batterie verlässt, unternimmt eine Reise über den Wechselrichter zum Motor und vom Motor zum Rad; auf dem Weg wird sie als Wärme, als magnetische Verluste und als Widerstand, den die Reifen auf den Untergrund ausüben, verbraucht. In diesem Artikel verfolgen wir diese Reise von Anfang bis Ende und erklären über die Verlustkette, warum dasselbe Fahrzeug an einem Tag 14 und am nächsten Tag 22 kWh/100 km anzeigen kann.

Von der Batterie bis zum Rad: Wo geht Energie verloren?

Der elektrische Antriebsstrang ist strukturell effizienter als der Benzinantriebsstrang; doch "effizient" bedeutet nicht "verlustfrei". Jedes Glied der Kette hat seinen Anteil. Der Innenwiderstand der Batterie, die Schaltverluste des Wechselrichters, die elektrischen und magnetischen Verluste im Motor sowie die mechanische Reibung im Antriebsstrang - sie alle wandeln einen Teil der aus der Batterie gezogenen Energie in Wärme um.

Das verlustreichste Glied der Kette ist der Motor. Lithium-Ionen-Batterien erreichen einen coulometrischen Wirkungsgrad von über 99 %, das heißt, die Batterie verliert kaum etwas als Wärme. Beim Motor sieht es anders aus: Die ohmschen (Kupfer-)Verluste in den Wicklungen, die Eisenverluste im Magnetkreis und bei Permanentmagnetmotoren die Verluste, denen die Magnete selbst ausgesetzt sind, begrenzen die Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie. Der Motor wandelt etwa 80 % der Elektrizität in mechanische Energie um; der theoretische maximale thermische Wirkungsgrad eines Benzinmotors mit Hunderten oder gar Tausenden beweglicher Teile bleibt dagegen im Bereich von 35-40 %, und nur 15-30 % der Kraftstoffenergie erreichen die Räder. Dieser eine Vergleich fasst zusammen, warum der Verbrauchswert des Elektroautos insgesamt niedrig ist.

Der zwischen Motor und Batterie stehende Inverter wandelt Gleichstrom in dreiphasigen Wechselstrom um, der für den Motor geeignet ist, und die Verluste wirken sich unmittelbar auf die Reichweite aus. Schaltverluste bedeuten, dass die Halbleiter bei jedem Ein- und Ausschalten eine gewisse Energiemenge als Wärme abgeben; je höher der Wirkungsgrad des Inverters, desto besser Reichweite und thermisches Verhalten. Derselbe Inverter ist auch bei der rekuperativen Bremsung entscheidend, da bei der Rückgewinnung die Energie in umgekehrter Richtung, vom Motor zur Batterie, durch dieselbe Leistungselektronik fließt.

Wie der Motortyp den Wirkungsgrad beeinflusst

Bei Elektrofahrzeugen gibt es zwei grundlegende Motorfamilien: permanenterregte Synchronmotoren und Asynchronmotoren (Induktionsmotoren). Der Ursprung des Unterschieds liegt in einem physikalischen Prinzip, dem Schlupf. Beim Synchronmotor dreht der Rotor Schritt für Schritt synchron mit dem rotierenden Magnetfeld des Stators; beim Asynchronmotor bleibt der Rotor dagegen bewusst hinter dem Statorfeld zurück, um Drehmoment erzeugen zu können, und dieser Unterschied tritt in den Rotorstromkreisen als Verlust auf. Aus diesem Grund sind permanenterregte Synchronmotoren in der Regel einige Prozentpunkte effizienter - der Unterschied liegt demnach in der Größenordnung von etwa 2-3 %.

Demgegenüber hat der Asynchronmotor seine eigenen Vorteile: Er ist selbststartend, bietet bei hohen Drehzahlen eine solide Leistung und verursacht keine Magnetkosten. Viele Hersteller bevorzugen daher einen hybriden Aufbau: einen Synchronmotor für den Hauptantrieb, wo die Effizienz entscheidend ist, und einen Asynchronmotor für die Sekundärachse. Wer den Verbrauchswert liest und weiß, welchen Motortyp das Fahrzeug trägt, erklärt einen Teil des Unterschieds von ein bis zwei kWh zwischen zwei Fahrzeugen derselben Klasse in der Tabelle.

Geschwindigkeit und Aerodynamik: Der Faktor, der den Verbrauch am schnellsten in die Höhe treibt

Der Hauptgrund, warum ein Elektrofahrzeug auf der Autobahn mehr Energie verbraucht als in der Stadt, ist eine einfache physikalische Regel: Der aerodynamische Widerstand steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Verdoppeln Sie die Geschwindigkeit, vervierfacht sich der Luftwiderstand; die Leistung, die zu seiner Überwindung nötig ist, wächst noch schneller. Aus diesem Grund werden Elektrofahrzeuge bei hohen Geschwindigkeiten exponentiell ineffizienter, und der Autobahnwert in der Reichweitentabelle liegt immer über dem Stadt wert.

Die Skala ist konkret: Der aerodynamische Widerstand kann bei Autobahngeschwindigkeiten bis zu 50 % des Gesamtverbrauchs ausmachen. Eine Verringerung des Luftwiderstands um 10 % verbessert die Autobahneffizienz um etwa 5 % - das erklärt, warum Unterschiede im Design der Frontstoßstange oder der Radkappen so wichtig sind. Eine Folge dieser Regel lautet auch: Die theoretisch effizienteste Geschwindigkeit eines Elektrofahrzeugs ist sehr niedrig. Denn feste Verbraucher wie Klimaanlage, Heizung und elektrische Systeme machen bei niedrigen Geschwindigkeiten einen relativ großen Anteil aus; mit steigender Geschwindigkeit wird der Luftwiderstand dominierend. In der Praxis ist das effizienteste Band der mittlere Bereich, in dem sich die festen Verbraucher "verbraucht" haben und der Widerstand noch nicht explodiert ist.

Reifen, Felgen und Rollwiderstand

Mit sinkender Geschwindigkeit nimmt der Luftwiderstand ab und der Rollwiderstand übernimmt die Bühne. Reifen können die Reichweite eines Elektrofahrzeugs um 20-40% beeinflussen. Beim Benziner gehen etwa 5% der Energie in den Reifen verloren, beim Elektrofahrzeug steigt dieser Anteil auf 16% - denn die Gesamtenergie ist beim Elektrofahrzeug ohnehin gering, daher ist der Anteil jedes Verlusts groß.

Auch der Reifendruck spielt eine Rolle: Jedes PSI unter dem empfohlenen Druck erhöht den Rollwiderstand und zieht mehr Energie aus der Batterie. Die Felgengröße sorgt sogar für einen Unterschied, der sich in den Herstellerdokumenten niederschlägt. Beim Hyundai Ioniq 6 mit derselben 77.4-kWh-Batterie führte der Wechsel von 18 auf 20 Zoll - also nur 11% mehr Felgengröße - zu einem Effizienzverlust von 14%. Große Felgen bedeuten im Vergleich zu Reifen mit dickem Profil eine größere Aufstandsfläche und eine härtere Seitenwirkung; die Kombination aus kleiner Felge und dickem Profil liefert weiterhin die größte Reichweite.

• Halten Sie den empfohlenen Reifendruck ein; jedes fehlende PSI geht auf die Batterierechnung.
• Schnee, Schlamm und kalte Untergründe erhöhen den Rollwiderstand.
• Bei der Felgenwahl gibt es einen direkten Kompromiss zwischen Design und Reichweite.

Kabinenheizung und -kühlung: Der unsichtbare Verbrauch

Beim Benziner kommt die Kabinenheizung fast gratis aus der Abwärme des Motors. Beim Elektrofahrzeug gibt es diesen Luxus nicht: Klimaanlage, Heizung und alle Nebensysteme werden direkt aus der Hochvoltbatterie gespeist. Ein Teil des kWh/100-km-Werts geht also nie an die Räder; er fließt in die Heizung und in den Kompressor. Ein durchschnittliches Fahrzeug benötigt bei kaltem Wetter 4-8 kW Heizleistung - das ist eine Leistung nahe der Antriebsleistung eines Motors und kann den Verbrauch bei niedrigen Stadtgeschwindigkeiten leicht verdoppeln.

Die Wirkung der Kälte ist messbar. Bei Temperaturen um den Gefrierpunkt liegt der durchschnittliche Reichweitenverlust bei etwa 20% und steigt mit sinkender Temperatur. In einer Studie sank die Reichweite eines vollelektrischen Fahrzeugs bei -7°C um 41%; unter ähnlichen Bedingungen betrug der Rückgang beim Benziner 10%. Der Reichweitenverlust bei Kälte hat nicht nur eine Ursache: die Kabinenheizung, der hohe Innenwiderstand der kalten Batterie und der erhöhte Rollwiderstand tragen alle zur gleichen Rechnung bei. Die Wärmepumpe ist die Haupttechnologie, die diese Rechnung mildert; im Vergleich zum Heizelement kann sie die Reichweite bei kalten Bedingungen um 8-10% steigern.

Extreme Hitze erhöht ebenfalls den Verbrauch: Im Bereich von 46-50°C steigt der Energieverbrauch im Vergleich zu 26-30°C um bis zu 28%. Die Kompressorlast und der Versuch des Thermomanagements, die Batterie kühl zu halten, sind die Hauptursachen dafür. Im optimalen Temperaturband - grob zwischen 10 und 30°C - nutzen Elektrofahrzeuge ihre volle Reichweite oder sogar mehr; dieses Band entspricht am ehesten den Referenzbedingungen, unter denen die offiziellen Verbrauchswerte gemessen werden.

Warum schlägt die Stadt die Autobahn? Der Anteil der rekuperativen Bremsung

Beim Benziner ist eine Ampel reine Verschwendung; beim E-Auto ist Bremsen dagegen ein Energiegewinnungsprozess. Die rekuperative Bremsung wandelt die kinetische Energie des Fahrzeugs in Strom um, indem der Motor wie ein Generator betrieben wird, und schreibt sie in die Batterie zurück. Bis zu 60-70 % der gewonnenen kinetischen Energie kann in die Batterie zurückfließen; 25-40 % der Bremsvorgänge lassen sich rekuperativ zurückerlangen. Bei gemischtem Stadt-/Autobahnbetrieb wird der Rückgewinnungswert bei reinen Elektrofahrzeugen auf etwa 22 % geschätzt. Im Stop-and-go-Verkehr ist dieser Anteil noch bedeutender, und bei Bergabfahrten lädt die Batterie tatsächlich echte Energie nach.

Das Ergebnis kehrt die klassische Gewohnheit um: Viele Modelle erzielen im Stadtverkehr eine 15-25 % bessere Energieeffizienz, während auf der Autobahn die Effizienz um 10-30 % sinkt. Der Großteil der Stadt-Autobahn-Differenz beim kWh/100 km-Wert desselben Fahrzeugs kommt genau daher - in der Stadt speisen die Bremsvorgänge die Energie zurück, auf der Autobahn besteht unsere einzige Aufgabe darin, den Luftwiderstand zu überwinden.

Unterschied zwischen offiziellem Wert und Realwert

Der kWh/100 km-Wert aus dem Katalog wird unter einem definierten Testprotokoll, bei einer gemessenen Temperatur und mit einer bestimmten Rad-Reifen-Kombination ermittelt. Die echte Straße erzählt jedoch eine andere Geschichte: Fahrgeschwindigkeit, Außentemperatur, Innenraumheizung, Reifendruck, Zuladung und Fahrstil schreiben demselben Fahrzeug unterschiedliche Werte zu. Die Hersteller weisen auch ausdrücklich darauf hin: Die Reichweite kann sich je nach Temperatur, Gelände, Batteriealter und Zuladung erheblich ändern. Eine Abweichung von bis zu 41 % bei -7°C zeigt das Ausmaß dieser Warnung.

Beim Lesen des Verbrauchswerts hilft es, folgende Übersicht im Kopf zu behalten:

Praktische Wege zur Wertverbesserung

Wenn Sie die Verlustkette kennen, wissen Sie auch, wo Sie ansetzen müssen, um den Wert zu verbessern. Drei Punkte stehen im Vordergrund: die Geschwindigkeit im Zaum halten, die Innenraumlast managen und die Reifen unter Kontrolle behalten. Den Grundverbrauch mit einer Wärmepumpe senken, mit dem richtigen Druck und wenn möglich kleineren Felgen den Rollwiderstand verringern und auf der Autobahn mit Geschwindigkeitsdisziplin den Luftwiderstand mindern - alle drei zusammen erzeugen am selben Fahrzeug einen messbaren Unterschied. Außerdem sollte einkalkuliert werden, dass 12-15 % der in eine Batterie eingespeisten Energie beim Ladevorgang verloren gehen; der Verbrauch entsteht nicht nur beim Fahren, sondern auch auf dem Weg von der Steckdose zur Batterie.

Kurz gesagt ist kWh/100 km keine Fahrzeugeigenschaft, sondern das Ergebnis eines Systems. Batterie, Motor, Wechselrichter, Reifen und Luft - alle fünf setzen ihre Unterschrift unter diese Zahl. Wenn Sie verstehen, warum der Wert schwankt, ist die Reichweitenprognose kein Glücksspiel mehr; sie wird zu einem messbaren ingenieurstechnischen Problem.

Quellen

• Effizienz zählt: Alles über die Effizienz von E-Autos
• Vorteile und Überlegungen bei Elektrofahrzeugen
• Energienutzung für den Transport: Elektrofahrzeuge
• Auswirkungen kalter Umgebungstemperaturen auf die Leistung von BEVs
• Studie: Wie viel Wärmepumpen die E-Auto-Reichweite steigern
• Wie Temperatur und Geschwindigkeit die E-Auto-Reichweite beeinflussen
• Wie Temperatur die Reichweite von Elektrofahrzeugen beeinflusst
• E-Autos erklärt: Ladeverluste
• Wie Reifen die Reichweite Ihres Elektrofahrzeugs beeinflussen
• So optimieren Sie die Reichweite Ihres Elektroautos
• Verluste in Wirkungsgradkarten von Elektrofahrzeugen: Ein Überblick
• Ein genauerer Blick auf die Verluste in E-Auto-Motoren
• Wechselrichter in Elektrofahrzeugen: Funktion, Typen und Effizienz
• Auswirkungen extremer Hitze auf den Energieverbrauch von Elektrofahrzeugen
• Entwicklung von Rekuperationsbremssystemen
• Rekuperatives Bremsen bei E-Autos verstehen