Es ist 2024, können Elektroautos immer noch nicht Minus 20 Grad standhalten?

Der Winter ist eine große Herausforderung für die Reichweite von Chinas Elektrofahrzeugen.

Im Winter 2024 wird der Markt für Elektrofahrzeuge den bisher größten kollektiven Test erleben. Laut Daten des Ministeriums für öffentliche Sicherheit gab es bis Ende Juni dieses Jahres 24,72 Millionen Elektrofahrzeuge in ganz China. Im ersten Halbjahr dieses Jahres wurden 4,397 Millionen neue Elektrofahrzeuge registriert, ein Anstieg von 39,41% im Vergleich zum Vorjahr, was einen neuen Rekord darstellt. Die Marktdurchdringungsrate von Elektrofahrzeugen lag auch über mehrere Monate hinweg bei über 50%.

Mit der Entwicklung von Technologien wie Batterien und Hochspannungsplattformen hat sich die Akzeptanz für Elektrofahrzeuge kontinuierlich verbessert.

Allerdings ist die regionale Verteilung ungleichmäßig. Die Städte mit den höchsten Verkaufszahlen von reinen Elektroautos befinden sich meist im Südosten und Südwesten des Landes, während es im Norden nur zwei Städte gibt - Tianjin und Xi'an. Dies liegt daran, dass die Wintertemperaturen im Norden niedriger sind und die Reichweite von Elektroautos bei niedrigen Temperaturen erheblich sinken kann.

Viele Menschen glauben, dass die Batterie der Hauptgrund für die geringe Reichweite von Elektroautos im Winter ist, da die Aktivität der Batterie bei niedrigen Temperaturen abnimmt. Es gibt jedoch viele andere Faktoren, die ebenfalls eine Rolle spielen, wie die Batteriekapazität, die Lade- und Entladefähigkeit, die Effizienz des Antriebs, die Heizleistung des Fahrgastraums, der Luftwiderstand und der Rollwiderstand.

Um den Fahrern die jährlich unangenehme "Gefängnis"-Erfahrung im Winter zu ersparen, müssen alle Fahrzeugkomponenten in einer angenehmen Umgebung arbeiten können. Dies erfordert Anstrengungen in verschiedenen Bereichen, zum Beispiel die Bereitstellung von Batterien mit längerer Reichweite und besserer Kältebeständigkeit sowie effizientere Wärme- und Batteriemanagementsysteme.

Technische Theorien sind jedoch nur Theorien; letztlich zählt das tatsächliche Testergebnis.

Diesen Winter sind wir wieder in die Innere Mongolei gereist und haben ein Tesla Model 3 sowie den neuen Zhijie S7 mit einer Sommerreichweite von bis zu 855 km und angeblich führend in seiner Klasse mitgebracht, um bei harten Praxistests herauszufinden, ob Elektrofahrzeuge bei Temperaturen von minus 20 Grad Celsius standhalten können.

Niedrige Temperaturen bleiben eine enorme Herausforderung für Elektroautos

Das Funktionsprinzip von Elektroautos führt dazu, dass bei niedrigen Temperaturen Probleme wie Energieverlust, Vorwärmungsverbrauch, erhöhter mechanischer Reibung und ein höherer Energieverbrauch der Heizung auftreten.

Die Kälte reduziert nicht nur die Reichweite erheblich, sondern führt auch zu einer langsameren Ladegeschwindigkeit und längeren Vorwärmzeiten, was eine Reihe von Kettenreaktionen auslöst. Allein die Reichweitenerfüllung gemessen an der Ende 2023 erstellten Rangliste von "Dongchedi" für Wintertests zeigt, dass das beste Ergebnis weniger als 60% der beanspruchten Reichweite beträgt.

In diesem Test haben wir den Zhijie S7 Ultra, den Allrad-Long-Range-Version, sowie das Tesla Model 3 Long Range All Wheel Drive getestet. Die offizielle Reichweite dieser Fahrzeuge beträgt 785 km bzw. 713 km, bei einer Batteriekapazität von 100 kWh bzw. 78,4 kWh; beide verwenden Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Akkus (NCM).

Bei Durchschnittstemperaturen zwischen minus 15 und 20 Grad Celsius in der Region der Inneren Mongolei haben wir die Reichweitenerfüllung bei niedrigen Temperaturen, die Ladeeffizienz bei kaltem Auto sowie die Effizienz des Heizsystems bei kaltem Auto getestet.

Die Testergebnisse zeigen, dass beide Elektrofahrzeugmodelle Abstriche bei der Reichweite machen mussten. Vom vollen Akku bis zum 0 Ladezustand betrug die tatsächliche Fahrstrecke des Zhijie S7 467,2 km, während das Tesla Model 3 371 km fuhr, was einer Erfüllungsrate von 59,7% bzw. 52% entspricht.

Obwohl es sich bei beiden getesteten Fahrzeugen um Flaggschiffmodelle ihrer Marken handelt, bleibt extreme Kälte eine erhebliche Herausforderung für Elektrofahrzeuge. Die längere Reichweite des Fahrzeugs bietet jedoch einen größeren Puffer für den Betrieb bei niedrigen Temperaturen, was dem Zhijie S7 einen Vorteil von fast 100 Kilometern im Vergleich zum Tesla Model 3 verschafft.

Man kann die Winterreichweite von Elektrofahrzeugen auf zwei Arten verbessern – durch erhöhte Energieeffizienz und Energiesparen.

Unter Energieeffizienz versteht man größere Batterien und bessere Batteriematerialien für eine längere Reichweite. Batterien sind die Hauptantriebsquelle für Elektroautos, und bei sinkenden Temperaturen wird der Elektrolyt zäher, was die Wanderungsrate der Lithiumionen verlangsamt und die Batterieleistung verringert. Die Temperaturabnahme senkt auch die Lade- und Entladeleistung und die verfügbare Energie der Batterie.

Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Batterien bieten eine bessere Kältestabilität und Energiedichte als Lithium-Eisenphosphat-Batterien, sind aber teurer. Der Durchschnittspreis für Lithium-Eisenphosphat-Batteriesysteme liegt derzeit unter 1 Yuan/Wh, während der Preis für Zellen bei etwa 0,6 bis 0,7 Yuan/Wh liegt. Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Batteriesysteme kosten zwischen 1,1 und 1,3 Yuan/Wh, während Zellen zwischen 0,9 und 1,05 Yuan/Wh kosten. Das bedeutet, dass die Kosten für Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Batterien mindestens 10% bis 30% höher sind.

Größere Batteriepacks bedeuten auch höhere Preise, was für viele Automobilunternehmen im Kontext des aktuellen Preiskampfes nur eine von wenigen Optionen ist, in die sie investieren möchten. Die Bereitstellung größerer Batterien ist nur eine von vielen Möglichkeiten, die Effizienz der Winterreichweite von Elektroautos zu optimieren.

Gezielte Maßnahmen, zweigleisiger Ansatz

Neben der Energieeffizienz ist es wichtig, bei der Energiesparung anzusetzen – nämlich den Energieverbrauch in allen Bereichen so weit wie möglich zu reduzieren. Das erfordert ein präzises Vorgehen.

Um zu verstehen, wie man die Winterreichweite von Elektroautos verbessern kann, muss man zunächst wissen, welche Faktoren die Reichweite bei niedrigen Temperaturen beeinflussen. Nur so kann man gezielte Maßnahmen ergreifen.

Neben der Batterie gibt es viele andere Faktoren, die die Winterreichweite von Elektrofahrzeugen beeinflussen, wie der Energieverbrauch für den Antrieb und die Beheizung des Fahrgastraums.

Studien zeigen, dass der Energieverbrauch durch den Antrieb einer der Hauptfaktoren für den erhöhten Energieverbrauch bei niedrigen Temperaturen ist, was 75% des Gesamtenergieverbrauchs eines Fahrzeugs ausmacht.

Bei niedrigen Temperaturen steigt der Energieverbrauch des Antriebs, da sich die physikalischen Eigenschaften der Materialien ändern. Zum Beispiel wird der Reifen bei -7 °C hart, was den Rollwiderstand um 50% im Vergleich zur normalen Temperatur erhöht; auch das Schmieröl im Antriebssystem wird zähflüssiger, wodurch die Effizienz um 2% sinkt, was ebenfalls einen Teil der Wärmeenergie verbraucht, um das Schmieröl betriebsfähig zu machen.

Die äußeren Bedingungen ändern sich ebenfalls im kalten Wetter. Ein Elektromobilitäts-Produktmanager eines Unternehmens erklärte, dass der Luftwiderstand als Autokollision mit Luftmolekülen verstanden werden kann. "Bei kaltem Wetter ist die Molekülendichte höher, und die Anzahl der vom Auto getroffenen Moleküle erhöht sich, was den Energieverbrauch des Autos beim Fahren erhöht."

Die restlichen 25% Energie werden vom Klimasystem verbraucht. Im Winter ist die Beheizung im Fahrzeuginnenraum eine größere Herausforderung als die Kühlung im Sommer, da der Temperaturunterschied zwischen der Außenluft und dem Fahrgastraum viel größer ist und bis zu 60 Grad erreichen kann.

Alle diese Faktoren führen zu einer erheblichen Verkürzung der Reichweite von Elektrofahrzeugen im Winter.

Um den Energieverbrauch durch den Antrieb und die Heizung zu reduzieren, sind die Effizienz des Antriebssystems und das Wärmemanagementsystem des Fahrzeugs entscheidend.

Traditionelle Wärmemanagementsysteme sind komplex, mit vielen Rohren und Komponenten, und die Energie wird über mehrere Ebenen übertragen, was einen schnellen Energieverbrauch zur Folge hat. Gleichzeitig ist die Anpassungsfähigkeit an niedrige Temperaturen schlecht, bei unter -10 Grad Celsius kann der Fahrzeugstart sehr schwierig sein. Zudem sind sie in puncto Effizienz und Intelligenz niedrig und bieten keine präzise Energieregulierungsstrategie.

Die Steigerung der Effizienz des Wärmemanagementsystems ist ein Schwerpunkt bei der Optimierung des Energieverbrauchs von Elektrofahrzeugen in der Industrie. Der Zhijie S7 verwendet beispielsweise das TMS-Wärmemanagementsystem von Huawei, das eine höhere Integrationsdichte aufweist, die Komponenten neu gestaltet hat und die Anzahl der Komponenten und die Länge der Rohrleitungen reduziert hat, was auch den Energieverlust durch die Rohrleitungen vermindert.

Neben der höheren Integrationsdichte ist die Digitalisierung ein weiterer starker Trend in der Optimierung von Wärmemanagementsystemen. In älteren Systemen waren manuelle Einstellungen erforderlich, während jetzt mehr intelligente Steuerungen eingesetzt werden.

Beispielsweise kann das Wärmemanagementsystem des Zhijie S7 die Heizleistung der Sitze, des Lenkrades und der Klimaanlage intelligent steuern und so den Energieverbrauch erheblich senken. In der Praxis kann die Wärme im Auto flexibel verteilt werden, um Komfort zu gewährleisten, während Strom gespart wird. Laut Zhijie kann im Vergleich zu traditionellen Elektroheizsystemen der Energieverbrauch des Zhijie S7 um 50% gesenkt werden.

Um den Energieverbrauch durch den Antrieb zu optimieren, stellt auch der Einsatz effizienter Motorplattformen und ein leichteres Fahrzeugdesign eine Lösung dar. Der Zhijie S7 ist zum Beispiel mit der HUAWEI 800V Hochvolt-Siliziumkarbid-Plattform ausgestattet, die zur Reduzierung der Energieverluste beiträgt. Die Plattform weist eine Maximaldrehzahl von 22.000 U/min auf und erreicht eine Effizienz von 98%. Die Effizienz der Siliziumkarbid-Technologie übersteigt die des herkömmlichen IGBT um 4,4%, und der Energieverlust des Motors ist minimal.

Darüber hinaus verfügt der Zhijie S7 über einen Luftwiderstandsbeiwert von nur 0,203 Cd und die Reifen mit niedrigem Rollwiderstand verringern den Einfluss der Reifenverhärtung im Winter. Regeneratives Bremsen und ähnliche Strategien führen ebenfalls zu einem überaus geringen Energieverbrauch des Zhijie S7.

Für die Kühlung ähnelt das Prinzip der in Elektrofahrzeugen verwendeten Systeme denen der herkömmlichen Autos. Für die Heizung nutzen konventionelle Fahrzeugklimaanlagen die Abwärme des Motors, während Elektrofahrzeuge auf PTC (Positive Temperature Coefficient – temperaturabhängiger Widerstand) zurückgreifen. Allerdings ist die Heizleistung von PTC aufgrund der Energieumwandlung nicht sehr effizient.

Die Branche favorisiert bei erweiterten Leistungstests von Elektrofahrzeugen bei niedrigen Temperaturen allgemein Wärmepumpenlösungen, darunter auch das bei diesem Test genutzte Tesla Model 3 und Zhijie S7, da die Heizleistung von Wärmepumpen in einer vergleichbaren Umgebung 1,8-2,4 Mal höher als die von PTC ist. Außerdem kann der durch das Heizen verursachte Reichweitenverlust um 40-50% reduziert werden.

Selbst bei elektrisch geregelten Klimaanlagen wie der Wärmepumpe gibt es Unterschiede. Bei diesem Test trat bei der Heizpumpe des Tesla Model 3 in verschiedenen Betriebsmodi, wie Laden, Fahren und Parken, ein hörbarer Geräuschpegel auf, der störend für die Passagiere werden kann.

Das hängt stark davon ab, ob bei der Produktentwicklung Wert auf die Benutzererfahrung gelegt wird.

Heutige Fahrzeuge betonen nicht nur ihre Funktionalität, sondern auch die Benutzererfahrung und vermitteln das Gefühl eines mobilen und komfortablen Aufhaltes. Wenn kalte Winterperioden eintreten, müssen die Strategien der Automobilhersteller zur Verlängerung der Reichweite neben den Aspekten, Reichweite, Effizienz und Kosten auch das Nutzererlebnis berücksichtigen.

Auf dem hart umkämpften Markt für Elektrofahrzeuge gibt es keinen Mangel an 800V Hochspannungsplattformen, Batterien mit Reichweiten von bis zu 800 km oder Wärmepumpenklimaanlagen. Was fehlt, sind wirklich herausragende Produkte ohne Schwachstellen, welche zudem von der Nutzererfahrung inspiriert sind und ein perfektes Gesamtpaket bieten. Winterliche Reichweitenängste durch technologische Lösungen zu adressieren ist wichtig, doch auf dem Weg zu noch längeren Reichweiten darf nicht vergessen werden, das Kundenerlebnis in den Fokus zu rücken.

Dieser Artikel wurde ursprünglich bei “36Kr” veröffentlicht, mit freundlicher Genehmigung von 36Kr.