Der Winter ist für alle Arten von Autos eine Herausforderung. Verbrenner springen nicht an. Es dauert ewig bis es im Auto warm wird. Der Verbrauch ist deutlich erhöht. Und im Winter stinkt es auf den Straßen intensiver als im Rest des Jahres. Bei den meisten Autos wird bei unter 10 Grad die Abgasreinigung zum Schutz des Motors heruntergefahren.
Auch bei Elektroautos gibt es im Winter einige technische Herausforderungen. Im aktuellen nextmove-Video geht es um die Winter-Performance von Elektroautos im Allgemeinen und um die Wintertauglichkeit, die Heizung, die Hochvoltbatterie und das schnelle Laden bei kalten Temperaturen.
Hierzu haben wir mit dem VW ID3 verschiedene Tests mit mehreren Fahrzeugen durchgeführt. Die Ergebnisse haben uns sehr überrascht. Konkret gehen wir diesen Fragen auf den Grund:
- Braucht man zwingend die Wärmepumpe?
- Wie arbeitet die Akkuheizung des ID.3 im Winter?
- Kann ich den Akku über die App vorwärmen?
- Warum ist der Verbrauch im Winter auf der Kurzstrecke doppelt so hoch wie im Sommer?
- Warum lädt das Auto im Winter langsamer?
- Was muss ich tun, um volle Ladeleistung zu bekommen?
- Wo liegen die Knackpunkte beim E-Auto im Winter und wo die Vorteile?
Beim E-Auto liegt der Winter-Knackpunkt nicht im Motor, sondern im Akku. Ein kalter Akku bietet weniger Leistung, weniger Reichweite, er altert schneller und kann ni
cht so schnell geladen werden. Die Herausforderung für die Hersteller ist es, die Zielkonflikte in diesem magischen Viereck bestmöglich auszubalancieren.
Nicht nur Passagiere haben Komfort-Bedürfnisse und wollen bei Wohlfühltemperatur chauffiert werden, sondern auch der Akku. Gleichzeitig soll der Verbrauch nicht zu stark steigen, bzw. die Reichweite sinken. Das ist die Aufgabe des sogenannten Thermal-Managements, das die meisten aktuellen Elektroautos an Bord haben. Die Außen-Temperaturen lagen bei allen Tests zwischen -2 und +3 °C.
Test Nr. 1: Der Kaltstart eines E-Autos
Man will früh losfahren, der ID.3 stand nachts draußen, es war Frost, der Akku ist kalt, der Innenraum ist kalt. Das Auto wurde nicht vorgeheizt und auch keine Abfahrtszeit programmiert. Bei Fahrten auf der Kurzstrecke kommt es dann zu einem Durchschnittsverbrauch von 30-40 kWh pro 100 Kilometer, während im Sommer unter 15 kWh nötig sind. Woher kommt das?
Natürlich ist der Innenraum komplett durchgefroren und es kostet ordentlich Energie diesen aufzuheizen. Aber, der ID.3 wärmt auch den Akku (Thermomanagement). Wir haben die Werte mitgelesen und zeigen, was passiert.
Die Grafik zeigt das Kaltstartverhalten des ID.3 im Bereich des Hochvolt-Akkus. Neben der Innenraumheizung gibt es einen zweiten Heizkreislauf – eine Fußbodenheizung für den Akku sozusagen. Die Werte dieser Akkuheizung sehen wir nach dem Start relativ schnell auf fast 30 °C hochlaufen. Der Akku wiegt aber ca. 400 kg, den muss man erstmal durchheizen und das dauert.
Demzufolge steigt die Akkutemperatur nur langsam und zeitlich verzögert. Nach ca. 10 min schaltet die Fußbodenheizung ab, aber die Restwärme heizt den Akku weiter auf. Die Zieltemperatur für den Akku liegt bei 13 °C und wurde im Test nach ca. 17 min erreicht.
Warum macht der ID.3 das? Einerseits um die Zellchemie im Akku zu schützen – also vorzeitige Akku-Alterung zu verhindern. Andererseits, um optimale Leistung zu ermöglichen – sowohl bei der Entnahme (Beschleunigen), als auch bei der Energie-Rückgewinnung (Rekuperation). Und genau das macht der ID.3 immer, wenn man mit kaltem Akku losfährt. Deshalb ist der Verbrauch auf den ersten Kilometern auch so hoch. Die magischen 13 Grad haben wir relativ konstant in allen Tests erreicht – das scheint also der Zielwert zu sein.
Test Nr. 2: Vorheizen via App
Aber es gibt ja für fast alle E-Autos eine schlaue App zum Vorheizen oder im Auto eine Vorprogrammierung für die Abfahrtszeit. Warum also nicht den Akku heizen vor der Abfahrt? Gesagt getan. Auch dazu liefern wir eine Grafik.
Beim Start der Heizung hatte der Akku 4,5 °C und es passiert genau das gleiche wie beim Losfahren. Die Einschaltschwelle liegt übrigens ca. bei 8 °C, d.h. wenn der Akku am Start noch Restwärme hat und über diesem Wert liegt, dann wird er nicht nochmal hochgeheizt.
Aber was kostet das denn nun, den Akku einmal „Hochzuheizen“? Auch das wurde analysiert.
Die Grafik zeigt Spannung und Stromstärke, multipliziert ergibt sich die Leistung und damit indirekt der Energieverbrauch für die Heizung im entsprechenden Zeitfenster.
Wir haben zuvor gezeigt, dass der ID.3 nach ca. 10 min seine Akku-Fußbodenheizung abschaltet. Und beim Energiebedarf sehen wir in den ersten 10 min das Gleiche, also einen deutlich erhöhten Verbrauch. Der Verbrauch im Stand liegt bei ca. 9 kW Leistung in den ersten 10 min. Zum Vergleich: 9 kW – das reicht, um ein E-Auto mit konstant Tempo 50 dahin rollen zu lassen, und hier verballern wir diesen Strom für Abwärme!
Man könnte auch sagen: Wir investieren ihn. Denn ein warmer Akku fährt auch entsprechend sparsamer, lädt schneller und hält länger. Nach 10 min springen die Werte und das Auto heizt dann nur noch den Innenraum mit ca. 3 kW Leistung. Grob gesagt kostet dieser kombinierte Komfort einen Euro, davon ⅔ für die Insassen und ⅓ für den Akku.
Kritisch gesprochen, könnte man auch sagen, dass 30 Cent in der Garantie-Kasse des Herstellers landen, denn der geheizte Akku kommt natürlich besser über die Jahre und wird hoffentlich kein Garantiefall. Der unbeheizte Akku würde etwas schneller altern und über die Jahre mehr Kapazität verlieren.
Das Ganze hängt natürlich immer von den Außentemperaturen ab, wie lange das Auto zuvor gestanden hat und natürlich wurde die Heizleistung dann später beim Fahren auch niedriger. Ob man das Auto über die App vorheizt oder kalt losfährt, macht eigentlich keinen großen Unterschied beim Gesamtverbrauch, denn das Auto verhält sich in beiden Fällen gleich. Vorheizen ist natürlich komfortabler.
Aber das Vorheizen kostet uns aber auch immer paar Prozentpunkte an Ladestand und damit auch Reichweite. Deswegen ist es ja viel cleverer, sofern möglich, den Strom gleich noch vorm Start aus der Wallbox mitzunehmen. Auch das wurde getestet und der ID.3 überrascht, denn er kann es nicht. Das zeigen auch die Daten.
Beim Vorheizen am Ladekabel verändert sich der Ladestand nicht, der Innenraum wird mit dem Strom aus der Wallbox geheizt, aber der Akku bleibt auf 4,5 °C. Das war sehr überraschend. Der Test wurde wiederholt: Türen geöffnet, das Auto eine Stunde gelüftet, Ladekabel getrennt. Dann Türen zu, Auto zu und nochmal via App die Heizung gestartet.
Und siehe da: Anders als zuvor heizt er den Akku – mit dem Strom aus dem eigenen Akku, zu sehen rechts im Diagramm, der Ladestand geht nach unten und Akkutemperatur steigt.
Wir haben VW damit konfrontiert – was sagt der Hersteller? Zitat: “Das Thema ist bekannt – eine Lösung kommt im Rahmen des anstehenden Softwareupdates.” Also Entwarnung an dieser Stelle, wobei VW nicht schreibt, welches Update gemeint ist. Ob und wann der Akku geheizt wird, ist natürlich von Hersteller zu Hersteller verschieden, ein zweites Beispiel folgt später.
Winter-Vorteile der Elektroautos
E-Autos haben natürlich auch Vorteile im Winter, die aus unserer Sicht die Nachteile mehr als kompensieren: Eine Standheizung ist bei fast allen Modellen Serie, kostet also nichts extra. Vorheizen ist über die App oder Zeitprogrammierung möglich.
Wenn nicht vorgeheizt, sind E-Autos innen trotzdem schneller warm als Verbrenner. Die Heizung darf im Auto sitzend beim Parken laufen gelassen werden, der Motor eines Verbrenners dagegen nicht. Das kostet 80 € Strafe z.B. beim Eiskratzen, was ja aber beim E-Auto dank Klimatisierung per App sowieso wegfällt.
Die untere Betriebstemperatur-Schwelle liegt für das E-Auto unter dem Diesel. Bei normalen Dieselkraftstoff liegt die Schwelle meist bei -22 °C, beim ID.3 sagt VW “nicht länger als 24 h unter -30 °C abstellen”, d.h. Fahren geht auch noch bei -40 °C.
Nochmal zur Erinnerung: Ein Auto mit Verbrennungsmotor ist energetisch gesehen überhaupt kein “Automobil”, sondern eigentlich eine fahrende Heizung. Denn ca. 2/3 der eingebrachten Energie geht zur Wärmeerzeugung drauf und nur ein kleiner Teil für Fortbewegung, energetisch gesehen ist das Fahren also ein Nebeneffekt.
Wintertauglichkeit & Wärmepumpe
Zu kaum einem Thema rund um das E-Auto gibt es mehr Mythen und Meinungen. Der ID.3 hat sie, aber nicht in Serie, sondern der Nutzer hat die Qual der Wahl, denn billig ist die Baugruppe nicht. Das Feature ist VWs besondere Empfehlung im Konfigurator für ca. 1250 Euro. VW verspricht bis zu 30 Prozent mehr Reichweite im Winter! … also nicht 30 Prozent weniger Heizung, sondern 30 Prozent mehr Reichweite, dank 30 Prozent weniger Gesamtverbrauch.
Wie soll das funktionieren? VW schreibt dazu:
“Ein hocheffizientes Wärmepumpensystem verdichtet Kältemittel unter hohem Druck. Die dabei entstehende Wärme wird genutzt, um durchströmende Kaltluft zu erhitzen. Dadurch wird weniger Energie aus der Batterie für die Hochvoltheizung genutzt, und es ergibt sich ein Reichweitenvorteil gegenüber Elektrofahrzeugen ohne Wärmepumpe.”
Im Bereich um 0 °C legen VW-Dokumente einen Vorteil von 20 Prozent mehr Reichweite nahe.
Als wir die VW-Ankündigungen zur Wärmepumpe gesehen hatten, wussten wir, dass dies eine sehr ambitionierte Ansage ist, die es sich lohnt in der Praxis zu überprüfen.
Verbrauchstest Wärmepumpe
Um die Effizienz zu testen, wurden zunächst zwei ID.3 mit und ohne Wärmepumpe sowie ein KIA eNiro mit Wärmepumpe als Referenz über Nacht neun Stunden statisch betrieben, und der Innenraum dauerhaft auf 23 Grad geheizt, soweit möglich in allen Autos identische Einstellungen gewählt.
Auf Basis der entnehmbaren Kapazität vorangegangener Tests wurde die durchschnittliche, dauerhafte Heizleistung berechnet.
Der ID.3 mit Wärmepumpe hatte dabei den höchsten Verbrauch der getesteten Fahrzeuge. Eigentlich sollte das Auto ja sparsamer sein, als das Vergleichsfahrzeug ohne Wärmepumpe. Aber, es sind ja Fahrzeuge und keine Stehzeuge. So ein Standtest ist nur die halbe Wahrheit. Denn so ein E-Auto hat ja auch ein bisschen Abwärme aus dem Antrieb und bei einigen Herstellern ist bekannt, dass man diese Verluste im Wärmepumpensystem mit auffängt und nutzt.
So verspricht Hyundai in einer Pressemeldung vom Juni diesen Jahres wörtlich: “Beheizung des Fahrzeuginnenraums ohne Energieverlust”, und weiter: “Die Wärmepumpe der Hyundai Motor Group ist eine Innovation im Wärmemanagement, die aus einem Kompressor, einem Verdampfer und einem Kondensator besteht. Die Abwärme der elektrischen Komponenten des Fahrzeugs wird von der Wärmepumpe aufgenommen und zur Beheizung des Innenraums genutzt, ohne die elektrische Reichweite wesentlich zu beeinflussen.”
Am Folgetag wurde ein Test über knapp 300 km in Synchronfahrt mit beiden ID.3 gefahren. Die Grafik zeigt die Verbräuche der beiden Fahrzeuge lt. Bordcomputer.
Die Werte des Fahrzeuges ohne Wärmepumpe liegen im Schnitt sogar leicht unter denen des ID.3 mit Wärmepumpe. Die Kontrolle über die Abnahme im Ladestand bestätigte das Wertebild. Das Fahrzeug ohne Wärmepumpe hatte nach den ersten beiden und auch nach der dritten Runde immer ein Prozent mehr Ladestand. Am Start waren beide Autos immer gleich voll geladen.
Auch diese Ergebnisse haben wir VW gesendet und Antwort bekommen:
“Ohne Nennung weiterer Randbedingungen (Außentemperaturen, Vorkonditionierung der Fzg., Einstellungen, …) ist das beschriebene Problem aus Sicht unserer Techniker leider nicht hinreichend analysierbar. Eventuell war die Wärmepumpe noch nicht im Wärmemodus, sondern im Modus „Entfeuchten“ (Klima)? Grundsätzlich halten wir an unserer Zielsetzung fest, durch den Einsatz der Wärmepumpentechnik einen signifikanten Reichweitenvorteil erzielen zu können.”
Diese Antwort ist natürlich etwas ausweichend. Keine Bestätigung unserer Zahlen, aber auch kein klares Dementi. Die Randbedingungen hatte ich natürlich detailliert geschildert und bei neunstündigem Dauertest, fällt auch die Akkuheizung der ersten 10 min ja nicht mehr ins Gewicht. Sehr spannend aber ein Wort in der Antwort, nämlich das Wort “Zielsetzung”, regelmäßige Zuschauer unserer Videos bei nextmove wissen natürlich, so richtig fertig ist der ID.3 noch nicht. In der Antwort von VW stand am Ende noch dieser spannende Satz:
“Unabhängig davon arbeiten wir grundsätzlich an einer kontinuierlichen Steigerung der Klimaeffizienz unserer Modelle.”
In dieser Richtung gingen auch unsere Vermutungen nach den Testergebnissen. VW hat mit dem ID.3 zwar in vielen Punkten ein sehr gutes Gesamtpaket geliefert. Aber vor dem Hintergrund der zahlreichen Probleme im Bereich Software und Zeitverlust durch Corona, hat man sich sich vermutlich zunächst darauf konzentriert, dass die Autos einigermaßen störungsfrei laufen und Effizienz-Themen in der Priorisierung hinten angestellt. Beim ID.3 ist ganz sicher in vielen Bereichen noch viel Luft nach oben. Natürlich müssen zunächst Bugs abgestellt werden und dann kann können die Themen nacheinander angegangen werden. Ehrlicherweise müssten natürlich die Werbeaussagen auf der Homepage zur Wärmepumpe anpassen, z.B. so: “Bis zu 20 Prozent mehr Reichweite. Die Energiesparfunktion wird bis Jahresende im Update nachgeliefert.”
Ist die Wärmepumpe nun empfehlenswert oder nicht?
Stand heute können wir die Frage für den ID.3 noch nicht abschließend beantworten. Wenn VW die Effizienz noch steigert, dann sehen wir die Zielgruppen in etwa so:
- JA: für Vielfahrer, Langstreckenfahrer, Nutzer aus kälteren Regionen, für die der Anschaffungspreis nicht so relevant ist
- NEIN: für Wenigfahrer mit limitiertem Budget aus Gebieten in denen Schnee eher die Ausnahme ist.
Außerdem klären wir noch eine offene Frage: Wenn der ID.3 den Akku einmal auf 13 °C hoch heizt, wie lange hält diese Temperatur dann, wenn ich nicht fahre? … z.B. also im Winter tagsüber am Arbeitsplatz oder über Nacht. Die passende Grafik zeigt: Nach der neunstündigen Standzeit war der Akku auf 9 °C abgekühlt, ohne das das Auto in dieser Zeit versucht hat, ihn nochmal nachzuheizen.
Und gleich noch eine Frage hinter: Erwärmt sich der Akku nicht auch passiv, beim normalen Aufladen an einer Wallbox? Ja, das tut er. Auch das wurde getestet und wir zeigen die Werte für einen Ladevorgang mit 11 kW Leistung. Der Akku ist in einer Stunde ca. 1 Grad wärmer geworden. Diesen Effekt kann man natürlich nutzen, um im Winter passgenau auf die Abfahrtszeit das Auto vollzuladen, wobei ja VW im Alltagsbetrieb nicht empfiehlt auf 100 Prozent zu laden. Aber ihr habt ja den Effekt, auch wenn das Auto nur bis 80 Prozent geladen wird.
Schnelles Laden des ID.3 im Winter?
Oder die Frage von vielen neuen Besitzern des ID3 oder anderer E-Autos: “Mein Auto lädt nur XY kW. Ich dachte der kann das Doppelte. Ist mein Auto kaputt? Ist die Ladesäule schuld?” Das sind die Fragen, die dann gestellt werden.
Der aktuelle Stand der Batterietechnik in all unseren E-Autos ist, das der Akku bei Kälte nicht so viel Strom verträgt und deshalb die Ladeleistung reduziert ist. Die Hersteller gehen auch mit dieser Herausforderung sehr unterschiedlich um. Natürlich kann der Hersteller über die Wahl des Zellherstellers und der verwendeten Zell-Chemie hier schon in der Produktentwicklung bzw. im Einkauf Prioritäten setzen, wie wichtig die Wintereigenschaften sind. Oder/und der Hersteller löst es über ein aktives Thermalmanagement.
Fakt ist, wer im Winter schneller Laden will als andere, muss meist auch höhere Verluste durch zusätzliche Akkuheizung in Kauf nehmen und über den Verbrauch mit bezahlen. Aber, der Akku hat ja auch eine Eigenerwärmung beim Fahren. Aber wie lange muss man denn fahren, um den Akku warm zu kriegen und wie schnell?
Wir zeigen die Werte für einen der beiden ID.3 im Testablauf, das Verhalten der beiden Autos war nahezu identisch.
Unsere kommentierte Rohdaten-Grafik zeigt über vier Stunden den Verlauf des Ladestandes der Batterie und den Temperaturverlauf des Akkus, zwischen 10 und 44 °C. Vor dem gezeigten Testzyklus haben wir ein paar Minuten geladen um beide Autos auf 75 Prozent zu bringen. Zum Start hatten beide Autos den bekannten Wert von 13 °C Batterietemperatur und wurden dann über 190 km mit Tempo 90 km/h gefahren. Dabei erwärmte sich der Akku nicht. Der Fahrtwind kühlt den Akku sogar etwas aus.
Bei Ankunft am ersten Ladestopp mit unter 20 Prozent Ladestand lag die Ladeleistung im Bereich 55-65 kW. Das Fahrzeug hat dabei nicht aktiv zusätzlich die Batterie geheizt, dies zeigt Temperatur aus dem Heizkreis.
Wir sehen die Akku-Temperatur hochlaufen, aber der Heizkreis verändert sich in den ersten Minuten der Ladung überhaupt nicht. Erst bei ca. 25 °C Akkutemperatur wirft der ID.3 den Kreislauf an, aber nicht um zu heizen, sondern um die Akkutemperatur bei ca. 30 °C abzufangen. Der ID.3 begnügt sich sozusagen mit Ladeleistungen im Bereich 60 kW. Dadurch das er nicht heizt, steht der Nutzer ein paar Minuten länger, hat aber weniger Verluste. Ob wir demnächst bei VW eine navigations-basierte intelligente Vorheizung des Akkus in der Vorschau auf so einen Schnellladevorgang wie bei Tesla oder Porsche erleben, wissen wir noch nicht.
Im weiteren Verlauf der Testfahrt über 95 km bei 150 km/h bleibt der Akku warm bzw. wurde sogar trotz Fahrtwind noch wärmer. Die Wellenbewegung in der Grafik ist durch das Arbeiten des Thermalmanagment bedingt.
Zur Ankunft am zweiten Ladestopp hatte der Akku 28°C und beide Autos konnten mit maximaler Leistung von 101 und 104kW geladen werden. Die Temperatur stieg beim Laden weiter an. In der Grafik sehen wir, dass die Temperatur auch beim zweiten Ladevorgang wieder steil nach oben läuft. Maximum liegt bei 44°C. Das Thermalmanagment erlaubt also höhere Temperaturen als beim Ladestopp zuvor.
Unser Fazit in dieser Disziplin: Die Software priorisiert aktuell Effizienz vor maximaler Ladeleistung, aber ab dem zweiten Ladestopp solltet kann der ID3 auch im Winter volle Leistung am Schnelllader bekommen. Nutzer sollten die Ladestopps so planen, dass man möglichst im Bereich 10-20% Ladestand am Schnelllader ankommen. Vielleicht übernimmt ja demnächst auch das Auto diese Planung.
Winterverhalten Kia im Vergleich
Wie hält es der Wettbewerb aus Korea mit dem Thema Winter-Effizienz, Vorheizen, Akkuheizung und Schnelles Laden. Stellvertretend für die aktuellen Fahrzeuge von Hyundai und Kia mit dem 64 kWh-Akku, die sich vermutlich alle gleich verhalten, zeigen wir den Testdurchlauf eines KIA e-Niro.
Vorheizen via App: Der Akku bleibt kalt und das obwohl er nur ca. 1 °C hatte. Losfahren mit fast gefrorenem Akku ist dem Auto egal. Der Akku wird nicht geheizt. Der Verbrauch bleibt niedrig auf der Kurzstrecke. Der sogenannte Wintermodus war übrigens aktiviert.
Bei Ankunft am Schnelllader lädt das Auto auf den 2 °C kalten Akku immerhin mit 25 kW Leistung. Das klingt wenig, aber ein Tesla-Akku hätte vermutlich gar nicht geladen, sondern erstmal nur kräftig geheizt. Kräftig geheizt wird jetzt auch beim Kia.
Nach ca. 14 min hat das System den Akku auf 5 °C, das reicht für den nächsten Sprung dann 44 kW Lade-Leistung. Die Ladeleistung seht ihr übrigens nicht in der Grafik, da immer nur zwei Werte angezeigt werden können. Daher wurde diese parallel ermittelt und in der Grafik eingetragen. Nach weiteren 16 min ist der Akku auf 15 °C und die Ladeleistung springt hoch auf 58 kW und liegt damit relativ nah am technisch möglichen Optimum für diese Plattform von 72 kW Leistung.
Der Heizkreis war voraus geeilt und hat zu diesem Zeitpunkt bereits 34 °C und beschließt zugleich, dass genug geheizt ist. 58 kW Ladeleistung muss reichen, die Koreaner sind ja schließlich sparsame Autos. Der zeitliche Versatz zeigt aber auch nochmal die Trägheit der Systeme. Wegen der hohen Masse des Akkus bedarf es sicher einiges an Tests durch die Hersteller um die richtigen Schwellenwerte und Schaltpunkte zu finden. Kia macht es also anders als VW. VW heizt den Akku bei Kälte bei jedem Start und am Schnelllader muss der Akku dann selbst auf Temperatur kommen. KIA lässt den Akku im Alltag kalt und heizt erst am Schnelllader.
VW ist ja zukünftig auch in der Lage, via Software-Update nachzusteuern und die Fahrzeuge des neuen Baukastens in der Flotte fortlaufend zu optimieren. Wir sind gespannt, wie sich VW in dieser Disziplin schlägt.
