4. Durchführung eigener Testerhebungen In diesem Kapitel der Arbeit wird versucht mit dem Elektrofahrzeug VW e-up die saisonalen Einflüsse auf die Energieeffizienz des Fahrens eines Elektroautos praxisnah durch Testfahrten zu untersuchen und darzustellen. Der Test konzentriert sich darauf, herauszufinden, ob die Einflüsse auf die Reichweite vorwiegend auf saisontypische elektrische Verbraucher zurück zuführen sind und auf welche Höhe diese sich belaufen. Zu Beginn werden die technischen Daten des VW e-up genannt. Im Anschluss wird die Rahmenbedingung sowie die Modellbildung des durchgeführten Test veranschaulicht. Im nächsten Schritt werden der Vorgang des Tests und die Bewertung der Ergebnisse beschrieben. Im Anschluss erfolgt eine kritische Beurteilung die Erhebung. 4.1. Testfahrten anhand des VW e-up Abbildung 8: VW e-up Quelle: Eigene Abbildung Der VW e-up hat eine Batteriekapazität von 18,7 kwh und ein Batteriegewicht von 230kg. Die maximale Leistung liegt bei 60 kw bzw. 82 PS. Der Stromverbrauch und die maximal zu erreichende Reichweite wurden nach dem NEFZ unter standardisierten Bedingungen ermittelt. Der Stromverbrauch beträgt auf km 11,7 kwh und die damit maximale zu erreichende Reichweite liegt bei 160 km. Die Energiedichte, also die elektrische Energiemenge pro Kg der Zelle, beläuft sich auf 81 Wh. Rahmenbedingung und Modellbildung des Tests Das Ziel der Testfahrten war, nachzuvollziehen, welchen Einfluss saisonale Temperatur und Wetterschwankungen (Sonne, Regen, Schnee) auf die Energieeffizienz und somit auf
die maximal zu erreichende Reichweite haben könnten. In Kapitel 3.2 wurde erläutert, dass die Leistungsfähigkeit der Batterie durch die Außentemperatur und der aus der Wetterlage resultierende typische Einsatz der elektrischen Nebenverbraucher in Zusammenhang stehen. Da die Außentemperaturen für die Testfahrten nicht regulierbar sind bzw. nicht nach gebildet werden können, kann dieser Einfluss auf die Batteriekapazität in unserem Test nicht überprüft werden. Auch Auswirkungen durch Fahrwiderstände konnten nicht simuliert werden, dürften aber im Verhältnis zu den anderen Einflüssen relativ gering sein und somit vernachlässigbar sein. Die elektrischen Verbraucher sind daher bei den Testfahrten als einzige Bemessungsgrundlage für die Bewertung sowie auch für die Beurteilung der Ergebnisse ausschlaggebend. Um den Energieverbrauch der saisontypischen Nebenverbraucher und deren Auswirkung auf die Reichweite zu ermitteln, wurden zwei Prüfszenarien (Sommer, Winter) entwickelt und das typische Gebrauchsverhalten dieser Verbraucher in den Jahreszeiten nachgestellt. Die Rahmenbedingungen für die Tests lassen sich wie folgt beschreiben: Die Fahrten wurden in der Mittagszeit bei einer Außentemperatur von etwa 14 C auf einer ca. 3 km langen Teststrecke innerorts durchgeführt. Die ausgewählte Strecke setzt sich aus einem stark frequentierten Streckenabschnitt im innerstädtischen Bereich, und einer mäßig befahren Straßen, im Außenbereich, zusammen. Die Gesamtstrecke hat 13 Ampeln, kaum merkliche Höhenunterschiede und eine erlaubte Höchstgeschwindigkeit von 50 km/h.
Außerhalb des Stadtkerns mit mäßigem Verkehrsaufkommen Innerstädtischer Bereich mit hohem Verkehrsaufkommen Abbildung 9: Teststrecke Quelle: Google Maps Ein Kriterium für die Streckenauswahl mit der kurzen Stadtdistanz war, dass Elektroautos derzeit hauptsächlich für den Stadt- und Kurzstreckenverkehr geeignet sind. Ein weiterer Punkt ist, dass die Reichweitenbestimmung nach dem NEFZ zum größten Teil auch aus dem Stadtzyklus besteht. Für den Gebrauch der Nebenverbraucher bzw. Aggregate in den Prüfszenarien wurden folgende Annahmen getroffen: a) Im Winter werden hauptsächlich die Nebenverbraucher Radio, Lüftung, Abblendlicht, Sitzheizung, Heckscheibenheizung und die elektrische Heizung eingeschaltet. b) Im Sommer werden Radio, Lüftung, Klimaanlage sowie die Innenraumlüftung und das Abblendlicht als charakteristische Nebenverbraucher angesehen. c) Im Ausgangsszenario sind die Nebenverbraucher Radio, Lüftung und Abblendlicht in Betrieb. Um für die ausgewählte Teststrecke ein vergleichbares Resultat bei der Verbrauchs- und Reichweitenbestimmung von Winter- und Sommerszenario zu erhalten, wird ein Ausgangsszenario herangezogen. Damit soll eine realitätsnahe Simulation wiedergespiegelt werden. Der Grund für das eingeschaltete Radio liegt in der Annahme, dass kein Autofahrer ohne Radio (Verkehrsnachrichten) fährt. Das Abblendlicht wird aus Sicherheitsgrün-
den in den Betrieb genommen. Die Lüftung ist auf der niedrigsten Stufe auf 21 C konditioniert, da ebenfalls angenommen wird, dass jeder Autofahrer die Lüftung beim Fahren einschaltet. Darüber hinaus wird im Ausgangsszenario die niedrigste Rekuperationsstufe eingeschaltet. Um den Energieverbrauch und die Auswirkungen auf die Reichweitenreduktion für jeden einzelnen Nebenverbraucher zu ermitteln, wird die Fahrstrecke in den jeweiligen Fahrzyklen 1 bis 6 unter Benutzung der einzelnen Verbraucher (Aggregate 1 bis 4) mehrmals zwecks Fehlerminimierung gefahren und anschließend aus den ermittelten Verbrauchswerten ein Durchschnittverbrauch gebildet. Dadurch sollten Messwerte für die einzelnen elektrischen Verbraucher und die Saisons ermittelt werden. 4.3 Testdurchführung Zunächst wurde ein Durchschnittverbrauch anhand von vier Fahrten (Ausgangsszenario) erfasst. Zur Messung des Verbrauchs von Sitzheizung (A1), Heckscheibenheizung (A2), Heizung (A3) und der Klimaanlage (A4) wurde die Strecke zur Ermittlung eines Durchschnittsverbrauches mit den Verbrauchern wie im Ausgangsszenario ebenfalls viermal gefahren. Vor jeder Fahrt zur Datenmessung wurden das Tachometer und die Anzeige mit der Durchschnittsgeschwindigkeit sowie des durchschnittlichen Energieverbrauchs zurückgesetzt. 33 Um möglichst vergleichbare und realistische Werte zu bekommen wurde eine vorrauschauende Fahrweise versucht, d. h. bei Sicht einer roten Ampel wurde der Fuß vom Gaspedal genommen, um an Geschwindigkeit zu verlieren, aber nicht abbremsen zu müssen. Der Gedanke dahinter war, dass beim Bremsen und erneutem Beschleunigen zusätzliche Energie verbraucht wird und diese die Messergebnisse über den Verbrauch der elektrischen Aggregate verfälschen könnten. 4.4 Bewertung der Ergebnisse Als Bewertungskriterium wird in den folgenden Auswertungen die verfügbare Reichweite des Elektrofahrzeugs ermittelt. Die Reichweite lässt sich stark vereinfacht rechnerisch durch die Formel 3 berechnen. Um den Stromverbrauch pro km zu erhalten, muss der Stromverbrauch in der Einheit bei der Berechnung durch km dividiert werden 33 Eine detaillierte Datenkundgabe des Tests befindet sich im Anhang I
ä [ ] / = (3) Zur Probe ergibt sich nach den technischen Daten des VW e-up und durch Einsetzen der Batteriekapazität und des Stromverbrauchs in die Formel, eine Reichweite von 160 km.,, / = 159.83 160 In der folgenden Tabelle 1 sind für die einzelnen Nebenverbraucher sowie für das Ausgangs-, Winter- und das Sommerszenario der durchschnittliche Stromverbrauch sowie die verfügbare Reichweite ersichtlich. Die angegebenen durchschnittlichen Stromverbräuche ergeben sich aus den Messergebnissen der vier Überprüfungsfahrten je getesteten Verbraucher bzw. Szenarien. Die einzelnen Verbrauchswerte wurden von der Verbrauchsanzeige hinterm Lenkrad bzw. vom Bordcomputer abgelesen und notiert. Tabelle 1: Ergebnisauswertung Elektrischer Ø-Stromverbrauch Rechnung verfügb. Reichweite Verbraucher in [ ] in [km] Ausgangsszenario 10,75 18,7 10,75 / Sitzheizung (A1) 11,5 18,7 11,5 / 174 163 (= -6,32%) Heckscheibenheizung (A2) 12,4 18,7 12,4 / 151 (= -13,22%) Heizung (A3) 26,3 18,7 26,3 / Klimaanlage (A4) 12,9 18,7 12,9 / 71 (= 59,2%) 145 (= -16,67%) Winterszenario (mit A1,A2,A3) 32 18,7 32 / 58 (= -66,67%) Sommerszenario (A4) 12,9 18,7 12,9 / 145 (= -16,67%) A = Aggregat
Die in der Tabelle rechnerisch ermittelten Reichweiten wurden aufgerundet. Zusätzlich wurde die prozentuale Veränderung der Reichweite bei Zuschaltung der Aggregate bei den einzelnen Fahrzyklen sowie der Sommer- und Winterszenarios gegenüber dem Ausgangsszenario ermittelt und angegeben. Anhand der ermittelten Ergebnisse wird deutlich, dass die Inbetriebnahme der elektrischen Nebenverbraucher, Klimaanlage sowie die Heizung, die Reichweite am stärksten beeinflussen. Den stärksten Einfluss weist das Winterszenario auf bei gleichzeitiger Zuschaltung der Sitzheizung, der Heckscheibenheizung und der Heizungsluft zusammen. Denn in diesem Fall wird die Reichweite um reduziert. 4.5 Kritische Betrachtungen durch Vergleich mit NEFZ Da es seitens der Industrie keine öffentlichen, ausführlichen und eindeutigen Studien bzgl. saisonaler Einflüsse auf die Reichweite von Elektrofahrzeugen und das energieeffiziente Fahren gibt, versuchten wir eigene Testerhebungen durchzuführen. Das standardisierte Messverfahren des NEFZ (Neue europäische Fahrzyklus) nach ECE R-101 ermittelt den Stromverbrauch und die Reichweite der Fahrzeuge unter idealen Testbedingungen während einer knapp 20-minütigen Simulation von einem Stadt- und Landfahrzyklus (kombiniert) auf einem Rollenprüfstand. Strecke, Fahrzyklus und äußere Bedingungen wie Roll- und Luftwiderstand sowie Temperaturen sind genau festlegt. Der standardisierte Fahrzyklus des NEFZ ist in Abbildung 10 abgebildet. Die dort ermittelten Werte werden für die Datenblätter und die Zulassung beim KBA erhoben. Durch dieses Messverfahren ist zwar eine Vergleichbarkeit zwischen den verschiedenen Herstellern und Modellen gewährleistet und ermittelt die maximal zu erreichende Reichweite, jedoch berücksichtigt es nicht die realitätsnahen äußeren Einflüsse und die Verwendung von Nebenverbrauchern. 34 Welche Reichweite im Alltag tatsächlich erreicht werden kann, wird nicht angegeben und ist ohnehin durch die variablen Einflüsse schwer kalkulierbar. 34 Vgl. Amtsblatt der Europäischen Union (2012), S. 71 ff.
Abbildung 10: Kombinierter Fahrzyklus im NEFZ gemäß ECE R-101 Quelle: Amtsblatt der Europäischen Union (2012), S.41 In den durchgeführten Testfahrten wurde ebenfalls versucht, eine Vergleichbarkeit und zwar zwischen den einzelnen Fahrzyklen mit den getesteten Aggregaten 1 bis 4 zu erzielen. Für die Testfahrten wurde eine kürzere Strecke und ein kürzeres Zeitintervall gewählt als wie im NEFZ. Die Testfahrten entsprechen keinem vorgeschriebenen Fahrzyklus wie in Abbildung 10, es wurde aber während der Fahrten annähernd gleiche Durchschnittsgeschwindigkeit von ca. 30 km/h gefahren. Durch die Wahl der niedrigsten Rekuperationsstufe und eine gleichmäßige Fahrt ohne Bremsen sollte eine Verfälschung der Messergebnisse durch die Rekuperationsgewinne bzw. Bremsverluste vermieden werden. Dies konnte aufgrund des nicht beeinflussbaren Verkehrs (Menge der Autos, Verkehrsfluss, Anzahl der roten Ampeln, etc.) nur teilweise realisiert werden. Der Einfluss des Verkehrs wirkte in die Messungen bei jedem neuen Fahrtzyklus unterschiedlich stark ein und führte zum Variieren der Fahrweise, der Geschwindigkeit und der Rekuperation je nach den Fahrvoraussetzungen. Um diese Messungenauigkeiten zu minimieren, wurde mit jedem Aggregat vier Testfahrten durchgeführt und ein Durchschnittsverbrauch gebildet. Dennoch enthalten die Messergebnisse nach wie vor Abweichungen. Dass der Stromverbrauch des Ausgangsszenarios mit 10,75 niedriger und energie-
sparsamer als der Verbrauch von 11,7 im standardisierten Messverfahren NEFZ, unter idealen Bedingungen, ausfällt, scheint realistisch zu sein. Im NEFZ wird mehr Energie durch die Landfahrten im Fahrzyklus verbraucht, wodurch mehr Energie verfahren wurde. Die Testfahrten in diesem Kapitel beschränken sich jedoch auf die, in Abbildung 9 abgebildete Teststrecke innerhalb der Stadt. Bei der Analyse der Messergebnisse ist es wichtig zu beachten, dass die Erhebung zwar unter realen Bedingungen im Straßenverkehr durchgeführt wurden, die elektrischen Verbraucher aber während der gesamten Testfahrt durchgängig und unter Volllast eingeschaltet waren. Dies ist wenig realitätsnah. Durch die Betriebsweise in unserem Test wird aufgezeigt, wie sich der maximale Stromverbrauch durch die Aggregate auf die Reichweite im Extremfall auswirkt. Zusammenfassend wird bei kritischer Betrachtung der getätigten Testfahrten deutlich, dass die erhobenen Messwerte keine absolute, aber dennoch eine relative Aussagekraft über den Stromverbrauch der getesteten Aggregate 1 bis 4 und die daraus resultierende Reichweitenverminderung im Winter und Sommer haben. Unsere Ergebnisse können deshalb nur als Orientierungshilfe herangezogen werden.