Maximaler Temperaturunterschied von 60 Grad: Wie lässt sich das Problem des Autofahrens bei niedrigen Wintertemperaturen ideal lösen?

Text | Li Anqi

Redaktion | Li Qin 

Was verbraucht im Winter bei Elektrofahrzeugen am meisten Strom? Die erste Reaktion vieler Autobesitzer ist die Klimaanlage.

Kürzlich, während des Technologietags für Winterfahrzeuge bei Li Auto, erklärte Tang Huayin, der Leiter für elektrische Gesamtfahrzeugprodukte bei Li Auto, dass der Verbrauch der Klimaanlage 15% und der Batterieverschleiß 10% ausmacht. Dies sind wichtige Gründe dafür, dass die Reichweite von Elektrofahrzeugen im Winter oft "schrumpft".

Neben der Klimaanlage als Hauptverbraucher sagte Tang Huayin auch, dass in kalten Umgebungen Veränderungen in den physikalischen Eigenschaften von Materialien wie Reifen zu erheblichem Rollwiderstand führen können, was den Energieverbrauch erhöht. Zum Beispiel erhöht sich der Rollwiderstand der Reifen bei -7 °C um 50% und der Luftwiderstand des Fahrzeugs um 10% im Vergleich zu normalen Temperaturen.

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Angesichts der verschiedenen Probleme des Winterfahrens hat Li Auto eine Reihe von Optimierungsmaßnahmen für seine vollelektrischen MEGA-Modelle und die erweiterten L6-Modelle ergriffen.

Zum Beispiel ist langsames Aufwärmen im Fahrzeug und ungleichmäßige Temperaturverteilung ein Problem, das viele Nutzer im Winter betrifft. Tang Huayin erklärte, dass Elektrofahrzeuge in den kalten Wintermonaten im Norden Chinas das größte Temperaturgefälle von 60 Grad überwinden müssen, um eine angenehme Temperatur zu erreichen.

Daher hat Li viel in das Wärmemanagementsystem investiert, das für die Heizung zuständig ist. Laut Li Auto gibt es derzeit zwei gängige Lösungen in der Branche für die Winterheizung von Elektrofahrzeugen. Die am weitesten verbreitete Lösung ist die direkte Heizung von Wasser oder Luft mit einem PTC-Heizer (eine Wärmequelle zur Batterie- oder Fahrgastraumbeheizung), was einfach und schnell ist. Aber um auch in kälteren Regionen wie -20 Grad Celsius zu heizen, würden Volumen, Gewicht und Energieverbrauch erheblich zunehmen. Einige Autohersteller verwenden zur Heizung einen elektrisch angetriebenen Kompressor, was jedoch zu einem langsamen anfänglichen Heizungseffekt sowie hohen Kompressorengeräuschen führt.

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Um die Nachteile dieser Lösungen zu überwinden, nutzt Li MEGA ein selbstentwickeltes Mehrquellen-Wärmepumpensystem mit 43 Modi, das für verschiedenste Szenarien geeignet ist. Bei unzureichender Klimaanlagenheizung im Niedrigtemperaturbereich kann das Heizproblem über eine schnelle Selbstversorgung mit Wärme durch den Kompressor gelöst werden: Durch das schnelle Erwärmen des Kältemittels mit der immer noch warmen Kühlflüssigkeit, die nach der Klimaanlagenheizung verbleibt, wird die Wärmepumpeneinheit aktiviert und der elektrisch betriebene Verdichter erzeugt zusätzliche Heizleistung. Diese Lösung bietet im Vergleich zu den gängigen Branchenlösungen schnellere Heizzeiten und eine größere Spitzenheizleistung.

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Nach der Lösung des Heizproblems für die Klimaanlage hat Li Auto auch eine Reihe von "Einsparungs- und Effizienzsteigerungs"-Lösungen für den Batteriestrom des gesamten Fahrzeugs vorgeschlagen: Den Verbrauch der Klimaanlage zu senken, ohne den Fahrkomfort zu beeinträchtigen, während die Entladungsleistung der Batterie bei niedrigen Temperaturen erhöht wird.

Im Bereich "Einsparung" hat Li Innovationen in der Architektur des Wärmemanagementsystems vorgenommen. Zum Beispiel kann während des Winterpendelns am Morgen im Stadtverkehr das Wärmemanagementsystem von Li das Innere direkt mit der elektrischen Antriebseinheit beheizen, statt dies über die Heizung der Batterie zu tun. Dies spart rund 12% Energie im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen.

Dies wäre nicht möglich ohne Li's integriertes Design der Wärmemanagementkomponenten. Laut Li Auto integriert das Wärmemanagementmodul von Li MEGA 16 Hauptkomponenten wie Pumpen, Ventile und Wärmetauscher, verringert die Anzahl der Komponenten erheblich, reduziert die Leitungsstrecke um 4,7 Meter und minimiert den Wärmeverlust der Leitungen um 8%. Bei den erweiterten Modellen ist das Li L6 ebenfalls mit einem hochintegrierten Modul-Wärmepumpensystem ausgestattet, welches die Platzierungsprobleme löst.

Gleichzeitig zielt Li auch auf die "Erschließung" der Entladungsleistung der Batterie in kalten Umgebungen ab.

Li Xiang, CEO von Li Auto, erklärte zum Beispiel, dass die Verwendung von Lithium-Eisenphosphat-Batterien in erweiterten Hybrid- oder Plug-in-Hybridfahrzeugen problematisch ist, hauptsächlich aufgrund der instabilen Spannungsmessung, die die Steuerstrategie stören kann.

Beim Winterfahrzeug-Technologietag erklärte auch das Technikteam von Li Auto, dass viele Lithium-Eisenphosphat-Batterie-Nutzer im Winter unerwartete Leistungseinbußen oder sogar Ausfälle erleben, obwohl die Anzeige noch verfügbare Kapazität zeigt. Der Grund ist die ungenaue Abschätzung der Batterieenergie bei niedrigen Temperaturen.

Das Problem liegt im Wesentlichen darin, dass Lithium-Eisenphosphat-Batterien selten eine Gelegenheit zur Kalibrierung bieten. Im Gegensatz dazu ist die verbleibende Kapazität von NCM-Batterien leichter zu beobachten, weil ihre Leerlaufspannung in der Regel in einer festen Beziehung zur verbleibenden Kapazität steht, was eine genaue Schätzung durch Spannungsmessung ermöglicht.

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Für Lithium-Eisenphosphat-Batterien sieht es jedoch anders aus, da dieselbe Leerlaufspannung mehreren Kapazitätswerten entsprechen kann, was die Kalibrierung schwierig macht. Viele Autohersteller empfehlen, die Batterie regelmäßig vollständig aufzuladen, um die Kapazität zu kalibrieren; allerdings sind Erweiterungs- oder Plug-in-Hybridbenutzer oft nicht daran gewöhnt, die Batterie vollständig aufzuladen, was die Kalibrierung von Lithium-Eisenphosphat-Batterien erschwert.

Eine genaue Kapazitätsschätzung ist wichtig für den effektiven Einsatz von Lithium-Eisenphosphat-Batterien. Daher hat Li angekündigt, dass es seinen ATR-Algorithmus zur adaptiven Trajektorienrekonstruktion entwickelt hat und diesen in den mit Lithium-Eisenphosphat betriebenen Modellen Li L6 einsetzt.

Li erklärt, dass dieser Algorithmus die Möglichkeit bietet, die Kapazität auf Basis der regulären Nutzungszyklen aufzuladen und zu kalibrieren, selbst wenn Benutzer die Batterie über längere Zeit nicht vollständig laden. Der Fehler bei der Kapazitätsschätzung kann so bei 3% bis 5% gehalten werden, was eine Verbesserung um mehr als 50% im Vergleich zum Branchendurchschnitt darstellt.

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In Bezug auf das Problem der "geringen Leistung bei niedrigen Temperaturen" vermeldet Li, dass im Winter bei niedrigen Temperaturen die Entladungsfähigkeit der Batterie verringert wird und der Range Extender frühzeitig eingeschaltet wird, selbst wenn die verbleibende Kapazität noch hoch ist. Dies erfordert eine Verbesserung der Entladefähigkeit der Batterie bei niedrigen Temperaturen.

Laut Li sind die Prinzipien der Batterieentladung und Leistungsabgabe vergleichbar mit dem Wasserablassen eines Damms. Je größer die Spannungsdifferenz beim Entladen ist, desto höher ist die Leistungsabgabe. Sobald die Spannung jedoch unter die Sicherheitsgrenze fällt, könnte dies die Batteriehaltbarkeit beeinträchtigen. Weil niedrige Temperaturen für größere Spannungsdifferenzen verglichen mit normalen Temperaturen sorgen, setzt die Branche normalerweise konservative Leistungssteuerungsalgorithmen ein, um die Spannungsdifferenz beim Entladen der Batterie unter kalten Bedingungen zu begrenzen.

Um dieses Problem zu beheben, hat Li den APC-Leistungssteuerungsalgorithmus eingeführt, der auf einem hochpräzisen Spannungsprognosemodell basiert. So können Batteriebetriebsbedingungen im Millisekundenbereich vorhergesagt werden, um innerhalb der Sicherheitsgrenzen maximal Leistung freizugeben. Dies erhöht die Spitzenleistung der Batterie beim Li L6 um mehr als 30% und steigert die Entladekapazität vor dem Start des Range Extenders um mehr als 12%.

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In den vollelektrischen MEGA-Modellen arbeitet Li mit CATL bei der Entwicklung von 5C-Zellen zusammen, um den Innenwiderstand der Zellen zu reduzieren. Dies erfüllt nicht nur die Anforderungen an eine niedrige Hitzeentwicklung während ultraschneller Ladungen, sondern erhöht auch die verfügbare Kapazität bei niedrigen Temperaturen.

Zum Beispiel hat Li die Zellen in drei Ebenen mit 17 Innenwiderstandskomponenten zerlegt und jede optimiert. Dadurch konnte der Kältewiderstand der MEGA 5C-Zellen um 30% gesenkt und die Leistungsfähigkeit um mehr als 30% erhöht werden. Die Einführung von CATLs Kirin-Architektur bietet der MEGA zudem ein großflächiges Wärmemanagementsystem, das die Gesamtaustauschfläche im Vergleich zur vorherigen Kühlung am Boden um das Fünffache verbessert hat.

Zusätzlich hat Li einen intelligenten Vorwärm- und Kühlalgorithmus entwickelt, der den MEGA bei optimaler Ladetemperatur hält. Wenn ein Navigationsziel zu einer Schnellladestation gesetzt wird, kann das Fahrzeug auf Grundlage des Echtzeitstatus der Batterie adaptiv die Vorwärmzeit und die Vorwärmwassertemperatur regulieren, um sicherzustellen, dass die Batterietemperatur beim Ankommen am Ziel im optimalen Bereich liegt.