Wirkungsgradverbesserung EV Komponenten

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Wirkungsgradverbesserung EV Komponenten

Beitragvon Priusfahrer » Di 15. Mär 2016, 06:41

Hallo,

man liest hier so im Forum Verbräuche zwischen 10 und teilweise über 20kWh/100km. Im Vergleich dazu kann man manche konventionelle Fahrzeuge mit unter 40kWh/100km fahren bei lächerlichem 30-40% Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine.

Daher frage ich mich wie hoch der reelle Wirkungsgrad der EV tatsächlich ist. 60%-80%? Oder mehr?

Und wohl die wichtigtste Frage. Kann man diesen Wirkungsgrad noch deutlich verbessern?

Der Motor soll wohl so bis zu 95% Wirkungsgrad aufweisen. Der Entladewirkungsgrad bei mäßiger Strombelasung ebenfalls. Leistungselektronik und Kabel kann fast vernachlässigt werden. Also theorethisch wären so bis zu 90% möglich.

Mich würde dazu mal Eure Gedanken interessieren.

VG Jan
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Re: Wirkungsgradverbesserung EV Komponenten

Beitragvon mustanse » Di 15. Mär 2016, 12:31

Hallo Priusfahrer,
gefährliches Thema hier im Forum, bei dieser Betrachtung fühlen sich hier einige auf den Schlips getreten und es könnte nach Kritik am Elektroauto klingen.
Tatsächlich wird man die Leistungselektronik in der Betrachtung des E-Autos nicht vernachlässigen können. Ich schätze wir liegen im realen Optimum eher in den hohen 80% Wirkungsgrad ab Steckdose. Dazu kommt, dass z.B. der Zoe-Motor bei über 90 km/h schon deutlich sein Wirkungsgradoptimum verlassen hat und der Gesamtwirkungsgrad sinkt. Vielleicht sind 60% Minimum meistens zu tief gegriffen, aber im ungüstigen Fall kann das schon passieren. (irgendwo habe ich ein Wirkungsgraddiagramm für den Zoe-Motor gesehen, habe es aber gerade nicht parat).
Man kann also die unter ähnlichen Bedingungen realen Verbräuche von 10-20 KWh elektrisch mit realen Verbräuchen von 25-40 KWh (vermutlich erreichbar mit dem Prius 4) ab Steckdose/Zapfsäule vergleichen. Bleibt ein Faktor von etwa zwei.
Jetzt kommt es darauf an woher der Strom kommt, wenn man effektiv klima- und schadstoffgünstiger sein möchte.
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Re: Wirkungsgradverbesserung EV Komponenten

Beitragvon Super-E » Di 15. Mär 2016, 14:26

Hi Priusfahrer,
das ist auch anderweitig ein schwieriges Thema.
Zum einen hat ein Elektromotor wia auch ein Verbrenner nicht "einen Wirkungsgrad" sondern ein Kennlinienfeld und je nach Geschwindigkeit (Drehzahl) und Drehmoment weißt er sehr unterschiedliche Wirkungsgrade auf. (Stichwort Energieeinsparung durch Dualdrive bei Tesla)
Zum Anderen interessiert natürlich der Systemwirkungsgrad. Un da hat man bei den Sekundärverbrauchern (besonders Heizung/Klima) noch sehr viel mehr Potential. Dabei meine ich hauptsächlich, dass ein Auto heute noch nicht auf Wärmesparen ausgelegt ist, da das bei Verbrenner ein Abfallprodukt ist. Thermoglasscheiben, gedämmte Wände und Türen, etc. Hier besteht potential. Aus Umweltaspekten ist natürlich auch der Ladewirkungsgrad etc. von Interesse. Was ist aber eigentlich Deine Nutzenergie, die Du in den Zähler setzt? Das Verdrängen von Luft und überwinden der Rollreibung? Das kann man auch optimieren. Wenn Du dich ansonsten nur in der Ebene bewegst verrichtet man ansonsten gar keine Nutzarbeit ;-).

Die 40% des Verbrenners beziehen sich ja auch nur darauf, was an "Mechanischer" Energie im Vergleich zur Chemischen, die rein geht aus dem Motor raus geht. Die 60% Wärmeverlust werden ja teilweise zum Heizen recycelt (Kraft-Wärme-Koppelung - sozusagen)

Grundsätzlich ist das jedoch ein Traum für Ingenieure. Mann muss nicht mehr um wenige Prozentbruchteile kämpfen, sondern kann die nächsten Jahre noch richtig viel einsparen...
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Re: Wirkungsgradverbesserung EV Komponenten

Beitragvon Priusfahrer » Di 15. Mär 2016, 17:04

@mustanse: Mir ging es ganz und garnicht darum in irgendeiner Form das Elektrofahzeug schlecht zu machen. Ganz im Gegenteil. Ich wollte eher darüber diskutieren in welcher Größenordnung noch mit einem Reichweitengewinn durch die Verbesserung des Wirkungsgrades realistisch gerechnet werden kann. Umweltspekte oder so sollten dabei unberücksichtigt bleiben.

Ich denke das meiste Potential steckt noch im Akku. Dieser erwärmt sich ja bekanntlich bei starker Leistungsabgabe deutlich. Das sind eben leider Verluste. Hat dieser jedoch die doppelte Kapazität so halbiert sich auch der Innenwiderstand und somit der Spannungsfall, wenn der Strom gleich bleibt.

Bei meinem vergleichweise kleinen Akku bricht beim Beschleunigen die Spannung von ca. 200V auf teilweise nur 150V zusammen lt. Busscanner. Beim Rekuperieren geht diese auf bis zu 250V hoch. Sind also mal stolze 25% Verlust nur am Akku. Wenn ein TESLA seine bis zu 550KW umsetzt, sieht das wahrscheinlich ähnlich aus nur mit anderen Spannungen.

Im Modellbau kenne ich Gleichstromleistungssteller, die haben nichtmal einen Kühlkörper, können aber kuzzeitig bis zu 1000A regeln. Also sollte man dessen Verluste durchaus vernachlässigen können. Ob die in den aktuellen EV´s ähnlich gute Wirkungsgrade haben, kann ich schlecht beurteilen. Aber ich denke über 98% sollte immer drin sein.

Keine Ahnungwas das bessere Motorkonzept ist. Synkron- oder Asynkronmaschine. Fremderregt oder mit Permanentmagneten. Im Modellbau schwört man ja seit einigen Jahren auf die Drehstromsynkronmotoren mit Außenläufer. Sehr guter Wirkungsgrad bei sehr hoher Leistungsdichte. Und das bei einfacher und kleiner Bauform und keine Verschleißteile, mal vom Lager abgesehen.

Inzwischen ist fast alles bei den elektrisch angetriebenen Fahrzeugen anzutreffen. Was wird sich auf Dauer durchsetzen?
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Re: Wirkungsgradverbesserung EV Komponenten

Beitragvon mustanse » Di 15. Mär 2016, 17:41

@Priusfahrer
Das mit dem Schlechtreden wollte ich auch gar nicht andeuten. Habe hier im Forum nur schon mal erlebt, das solche Fragen regelrechte Flamewares auslösen.
Zum Thema: Ich glaube nicht, dass an den Wirkungsgraden der Komponenten noch dramatisch geschraubt werden kann, die sind ja jeweils schon in den hohen 90%. Wahrscheinlich rechnet sich das weitere Hochschrauben hier nicht.
Luft ist sicherlich noch deutlich bei der Energie- und Leistungsdichte der Batterien. PKW mit 100-200KWh sind sicher erreichbar und mit überschaubaren Ladeleistungen von 100-200 KW vollständig allzwecktauglich.
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Re: Wirkungsgradverbesserung EV Komponenten

Beitragvon lamouette » Di 15. Mär 2016, 18:23

Priusfahrer hat geschrieben:
Daher frage ich mich wie hoch der reelle Wirkungsgrad der EV tatsächlich ist. 60%-80%?

Wenn sich drei gute Wirkungsgrade verketten: Motor 95% x Motorcontroller 95% x Akku 90% dann bist Du schon bei 81% Gesamtwirkungsgrad. Und die Idealbedingungen der einzelnen Komponenten wird man im echten Alltag kaum treffen.
Den tatsächlichen, realen Wirkungsgrad müsste man mal versuchen zu ermitteln. Das Auto einmal beschleunigen oder auf einen Berg fahren, Kapazitätsverlust ablesen und die Widerstände (Luft- und Reifenwiderstand) rausrechnen. Ich schätze das gibt eta <0,5 beim E-Auto (und <0,2 beim Dieselauto).
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Re: Wirkungsgradverbesserung EV Komponenten

Beitragvon mmm » Mi 16. Mär 2016, 10:13

Habe mir auch mal so Gedanken gemacht, was dann da noch "drin" sein könnte.
Wie Super-E schreibt, in der Ebene ist theoretisch keine Energie nötig, um von einem Punkt zum anderen zu kommen.
Theroretisch.
Heisst aber, dass es (theoretisch) möglich ist, Richtung Null-Verbrauch zu kommen.
Also es gibt mal keine physikalische Untergrenze für den Energieverbrauch bei Bewegung in der Ebene - das ist gut.

Was ich interessant finde, ist dass die Energieverbräuche von allen möglichen E-Fahrzeugen nahezu ident sind, von der Größenordnung her.
Beim Verbrenner hatten wir den Golf, der unter 5 Liter Diesel braucht, und die S-Klasse mit 14 Litern Super und mehr. Faktor Drei.
Beim E-Auto dürfte die praktische Untergrenze so bei 10 kWh / 100 km liegen (was Ihr im Forum so schreibt).
Auch einen Tesla kriegt man bei Tempo 80 auf unter 12 kWh / 100 km bzw. inkl. Ladeverluste auf ca. 13,x kWh.
Und im Winter sind wir alle rund um die 20 kWh / 100 km - je nach Fahrprofil.
Also von der Größenordnung her sieht das nach einem "Limit" bei ca. 10 kWh aus, alle nahe beieinander.

Aus meiner Sicht wären das die Ansatzpunkte:
1. Luftwiderstand: Wäre kein Problem, so ein Fahrzeug mit extrem geringem Luftwiderstand zu bauen. Aber: Das Ding hat dann die perfekte Stromlinienform wie die div. Weltrekordfahrzeuge. Sehr langes Fahrzeug bei wenig Laderaum. Crashsicherheit?
Der Kompromiss kostet Energie. Ich glaub da geht nicht mehr viel.
2. Rollwiderstand: auch kein Problem, einfach Asphaltschneider drauf, wie beim Rennrad. Geringster Widerstand. Problem: Grip und Comfort.
Der Kompromiss kostet Energie - Sicherheit ist wichtig, ich denke nicht dass man sich da zu sehr traut den Grip zu reduzieren.
3. Heizung / Kühlung: Hier kann ich mir vorstellen, dass mehr Technologie von Passishäusern übernommen wird, um den Energiebedarf zu minimieren. Isolierende und Hitzeabweisende Scheiben, perfekte Isolierung des Fahrzeuges. Wärmetauscher für Frischluft.
Da glaube ich ist Potenzial drin.
4. Da und dort an Schräubchen drehen: Sicher kann man noch das eine oder andere % überall rausholen. Aber das sind wohl nur Peanuts.
5. Dual-Motor: Tesla hat es mit dem Dual Motor gezeigt, dass ein zusätzlicher Motor, anders abgestimmt, bei höherer Fahrzeugmasse doch zu geringerem Verbrauch führen kann.
Könnte mir sehr gut vorstellen, dass andere Hersteller das übernehmen, um für einen großeren Geschwindigkeitsbereich gute Wirkungsgrade zu erzielen.
6. Größere Akkus: Da sehe ich etwas mehr Potenzial. Grund: Großer Akku hat geringeren Spannungsabfall bei selber Last. Ich denke das ist ein Geheimnis des relativ geringen Verbrauchs bei Tesla.
7. Super-Caps: Ich könnte mir vorstellen, dass parallel zum Akku für kurzzeitige Lade / Entladevorgänge (beschleunigen / rekuperieren) eine kleine Batterie an Super-Caps verbaut ist. Die sollen ja was Lebensdauer und Effizienz betrifft unschlagbar sein.
8. Geringeres Fahrzeuggewicht: Wäre sicher schön, aber: Crashsicherheit hat auch etwas mit Masse zu tun. Und wenn das Fahrzeuggewicht eine bedeutende Rolle spielen würde, warum ist dann ein i3 nicht viel effizienter als ein Tesla? (bevor ein Shitstorm ausbricht: i3 = halb so schwer, Normverbrauch Alles in Allem aber nur 2/3 vom Tesla - bei höheren Geschwindigkeiten sogar fast ident mit Tesla - Größenordnung). Also das Gewicht ist es nicht - auch wenn ich vernünftigerweise ein leichteres Fahrzeug begrüßen würde.

Mein Fazit für die Zukunft:
Ein paar mickrige Prozentpünktchen finden sich bei Luft und Rollwiderstand, sowie Gewichtsoptimierungen.
Ein paar mehr Prozente finden sich durch größere Akkus, Dual-Motor (oder Getriebe - wer weiss, vielleicht doch noch mal?).
Das meiste Potenzial sehe ich bei Fahrzeugisolation ähnlich einem Passivhaus, damit es auch im Winter viel besser aussieht mit der Reichweite.
Die Super-Caps gehen mir nicht aus dem Kopf - ich kann mir sehr gut vorstellen, dass der Realverbrauch besonders im Stadtgebiet deutlich gesenkt werden kann.
Dadurch würde sich aus meiner Sicht zwar nur unwesenltich etwas am Normverbrauch ändern, aber der Praxisverbrauch müsste näher Richtung Normverbrauch kommen.

Die eigenen Zeilen nochmals betrachet, nun mal der Ansatz von der anderen Seite:
Warum am Wirkungsgrad feilen - und nicht statt dessen den Energieverbrauch reduzieren?
Was verbraucht im Moment eigentlich die meiste Energie?
Ich behaupte: Rollwiderstand.
Begründung:
Tesla-Björn hat bei seiner Rekordfahrt mit glaub ich ca. 40 km/h einen Verbrauch laut Anzeige von 10 kWh / 100 km gehabt (Dual Motor)
Ich hab bei 82 km/h Schnitt einen Verbrauch von 12 kWh / 100 km gehabt (altes Modell mit Heckmotor).
Wäre der Luftwiderstand linear, wäre der Verbrauch ohne Luftwiderstand ca. 8 kWh / 100 km.
Spannungsabfall nicht nennenswert bei der geringen Last (weit unter 10 kW bei 85er Akku).
Heizung / Kühlung war sowieso off bei beiden Fahrten.
Der Dual Motor hat Björn auch nicht viel weiter geholfen.
Die paar Watt an Bordelektronik sind aus meiner Sicht auch vernachlässigbar (verglichen mit den 5-10.000 W für den Motor bei Schleichfahrt).

Also kann es ja nur mehr der Rollwiderstand sein, der das derzeitige "untere Limit" von ca. 8 kWh / 100 km besiegelt.
Und bei hohen Geschwindigkeiten wissen wir ja - ist es der Luftwiderstand.

Ich kann mir nicht vorstellen, den Rollwiderstand deutlich zu reduzieren. Außer man fährt auf Schienen oder verzichtet auf jeglichen Grip und Comfort.

Oder natürlich: kleine, schlanke, leichte Fahrzeuge! OK - Verzicht auf Sicherheit wäre das Manko...
Sonst geht da nicht mehr viel...

Grüße,

mmm
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Re: Wirkungsgradverbesserung EV Komponenten

Beitragvon mustanse » Mi 16. Mär 2016, 13:01

Vielleicht deutet die Nähe der Verbräuch darauf hin, dass beim Verbrauch mehr die Fahrphysik (mit Masse, Roll- und Luftwiderstand) als die technische Realisierung des el. Antriebs die Hauptrolle spielt:
Stadtverkehr: geringere Masse - Vorteil I3
mittlere Geschwindigkeit: Rollwiderstand - bei allen Fahrzeugen relativ ausgeglichen
höhere Geschwindigkeit: Luftwiderstand - Vorteil Tesla
Die Idee mit dem Dualmotor finde ich interessant: Ein Motor, der bei niedrigen Drehzahlen in der Stadt/Überland optimal effektiv arbeitet, ein Motor, der bei Autobahngeschwindigkeit 110-140km/h im Sweet-Spot läuft.
Da könnte aber ein automatisches Schaltgetriebe effizienter und mit 2-3 Gängen einfacher zu bauen sein.
Mal sehen, was sich die Hersteller für die Langstreckenfahrzeuge einfallen lassen (also am Ehesten das nächste Model S).
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Re: Wirkungsgradverbesserung EV Komponenten

Beitragvon xado1 » Mi 16. Mär 2016, 14:33

ich denke mal bei den antriebskomponenten inkl.reku max.10%
bei den lithiumakkus sicher nicht mehr als 10%,vor 2 jahren lag meine schätzung bei ungefähr 20-25%,wovon ja ein teil bei den neuen akkus schon verwirklicht wurde.
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Re: Wirkungsgradverbesserung EV Komponenten

Beitragvon Priusfahrer » Mi 16. Mär 2016, 18:16

mmm hat geschrieben:
Also von der Größenordnung her sieht das nach einem "Limit" bei ca. 10 kWh aus, alle nahe beieinander.


Oh ich denke da ist noch etwas mehr drin. Ausgerechnet die verhältnismäßig schweren Plug-In Hybriden markieren hier diese Marke. Der Ampera kann bei extremer Sparfahrt über 100km mit den nutzbaren 8-9kWh erreichen. Und das ohne Abstriche bei Sicherheit. Würde man das ganze Verbrennergedöns ausbauen, wären sicher noch 20-30% weniger drin. Ähnlich sieht es beim Prius-Plug-In aus. Hier kommt man mit den reichlich nutzbaren 3kWh locker auf über 35km, wenn man es darauf anlegt.

Das Geheimnis liegt wahrscheinlich in der variablen Übersetzung. Das könnte auch in reinen EV´s funktionieren. Einfach 2 Motoren an ein Planetengetriebe geflanscht und fertig. Beide Motoren haben ihren maximalen Wirkungsgrad bei unterschiedlichen Drehzahlen. Je nach Fahrsituation treibt mal mehr der eine und mal der andere an. Stufenlos geregelt durch die Elektronik. Im Bedarfsfall kann die Reglung auch auf das maximale Drehmoment regeln. Zum Beispiel, wenn mal schnell ein Porsche versägt werden soll. :lol: Das würde sogar die "Drehmomentschwäche" beim Tesla ab etwa 150km/h etwas abmildern.

Derzeit liegt das Kapazitätsgewicht bei LiIon Akkus (nur die reinen Zellen) bei etwa 4kg/kWh. Dennoch soll der Teslaakku 800kg wiegen. Also fast 500kg mehr als die nackten Zellen mit Gehäuse. Hier gibt es also noch eine Menge Potential. Die Akkus anderer EV´s sind bezogen auf ihre Kapazität noch deutlich schwerer.

Aus diesem Grund halte ich Verbräuche von unter 10 kWh in 10-20 Jahren im Kompaktsegment durchaus für realistisch. Selbst im Winter mit Wärmepumpenheizung oder im Sommer mit Klima bei vernünftigen Geschwindigkeiten sollte kaum mehr als 12-15 kWh/100km benötigt werden.

Und wenn dann 50kWh+ Akkus selbst in Kleinwagen Realität sind, werden 500km und mehr Reichweite zum Alltag gehören. :D

VG Jan
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