Wie die WLTP-Reichweite von Elektroautos ermittelt wird
Wer bietet mehr? Renault gibt die Reichweite der Zoe mit 395 Kilometern an. Beim Volkswagen ID.4 sind es 517 Kilometer. Und Tesla nennt fürs Model 3 Long Range 602 Kilometer. Wir wissen, dass solche Strecken unter günstigen Bedingungen möglich sind. Trotzdem sind die Autohersteller vorsichtig und machen Einschränkungen.
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Wir haben mit Fachleuten von Volkswagen und dem International Council on Clean Transportation (ICCT) gesprochen und machen ein Update: Unsere Erklärung der Reichweitenermittlung für Batterie-elektrische Autos (BEV) im Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure (WLTP) wird transparenter, präziser und verständlicher. Und wir nehmen uns ein konkretes Beispiel vor, um die Details dazustellen: Den Volkswagen ID.4 Pro Performance mit einem Energieinhalt von 77 Kilowattstunden (kWh) in der Traktionsbatterie.
Volkswagen nennt für den Normverbrauch nach dem ausgelaufenen Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) 16,3 kWh/100km. Die Hersteller sind in Deutschland verpflichtet, diesen veralteten Wert anzugeben. Eigentlich hätte der Gesetzgeber – namentlich der ehemalige Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier (CDU) – die Verbrauchskennzeichnungsverordnung für Autos (Pkw-EnVKV) zum 1. Januar 2021 novellieren müssen. Das aber ist nicht geschehen, und so sind Neugierige mit dem alten Verbrauchswert nach NEFZ konfrontiert, während der neue Wert freiwillig ist: Volkswagen gibt einen kombinierten Stromkonsum nach dem aktuellen WLTP mit 16,9 kWh/100km an.
Eigentlich könnte man nun erwarten, dass sich die Reichweite ergibt, indem 77 kWh Batteriekapazität durch 16,9 kWh/100km Normverbrauch nach WLTP geteilt werden. Rechnerisch wären das 456 km. Stattdessen stehen aber zwei andere Werte im Datenblatt des Volkswagen ID.4: Die kombinierte Reichweite mit 517 km und die städtische mit 701 km.
23 Grad, Wohlfühltemperatur
Um zu verstehen, was hier passiert, ist ein genauerer Blick auf das Verfahren WLTP nötig. WLTP ist dabei das Verfahren (P steht für Procedure), also die Beschreibung des gesamten Reichweitenermittlungsvorgangs inklusive der Vorgabe für die Außentemperatur von für Elektroautos wohltuenden 23 Grad, die im Labor sichergestellt werden. Kern des WLTP ist dabei der Fahrzyklus WLTC (C für Cycle), also die Geschwindigkeitskurve, die im Labor exakt nachgefahren werden muss.
Der WLTC besteht aus den vier Teilzyklen Low, Medium, High und Extra High. Die Begriffe stehen für Geschwindigkeitsniveaus. So wird in Low maximal 56,5 km/h gefahren. Und auf 56 Prozent des 3.095 Meter langen Low-Abschnitts steht das Elektroauto auf dem Prüfstand still. Hier werden eine Ampelphase oder Stop and Go-Verkehr simuliert.
Die Teilzyklen Low und Medium bilden zusammen den so genannten City-Zyklus. Kurzer Einschub: Die Reichweitenangabe für Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEV) bezieht sich ausschließlich auf diesen City-Zyklus. In der Folge ist es für PHEV leichter, die für Steuererleichterungen erforderlichen Mindestreichweiten zu erzielen, als wenn der volle WLTC die Bemessungsgröße wäre.
Vmax: 131,3 km/h
Die höchste und nur für wenige Sekunden gefahrene Geschwindigkeit im Teilzyklus Extra High beträgt 131,3 km/h. Betrachtet man den kompletten Fahrzyklus WLTC, kombiniert aus den Teilzyklen Low, Medium, High und Extra High, liegt das Durchschnittstempo inklusive Haltephasen bei nur 46,5 km/h.
Jeder Elektroautofahrer weiß, dass die Höhe der Geschwindigkeit einer der wichtigsten Parameter für den Stromverbrauch und folglich für die Reichweite ist. Eine Dissonanz zwischen dem kombinierten Prüfstandswert mit durchschnittlich 46,5 km/h und der Realität ergibt sich also vor allem für Autobahnpiloten.
Zurück zum WLTP: WLTP unterteilt die so genannte verkürzte Testprozedur für reine Elektrofahrzeuge in zwei dynamische und zwei konstante Segmente; im ersten und im dritten Segment wird beschleunigt und verzögert, das zweite und das vierte ist eine Konstantfahrt mit 100 km/h.
In den dynamischen Segmenten 1 und 3 wird zuerst der komplette WLTC gefolgt vom City-Zyklus gefahren. Es ergibt sich also eine Distanz von jeweils 31,113 km. Die dynamischen Segmente dienen dabei zur Bestimmung des elektrischen Energieverbrauchs während des Fahrens. Die Konstantfahrt ist vorhanden, um eine beschleunigte Leerung des elektrochemischen Speichers zu ermöglichen, also um die Zeit für die Prüfstandsmessung zu reduzieren. Die Länge der 100 km/h-Sequenzen hängt von der Batteriekapazität ab. Während der gesamten verkürzten Testprozedur werden Strom und Spannung an der Traktionsbatterie permanent gemessen.
Eine Messfahrt, viele Daten
Es werden folglich auf einer einzigen langen Messfahrt mehrere Werte erhoben: Zum einen der tatsächlich entnehmbare Energieinhalt der Traktionsbatterie und zum anderen der Stromverbrauch in den dynamischen Abschnitten.
Die Prüfstandsmessfahrt gilt als beendet, wenn im letzten Konstantsegment die Geschwindigkeit von 100 km/h nicht mehr gehalten werden kann. Anschließend wird die Batterie vollständig geladen. Weil bei der Umwandlung von Wechselstrom aus dem Netz zu Gleichstrom für die Batterie Verluste entstehen, unterscheiden sich die Werte des entnommenen Energieinhalts und des nachgeladenen Stroms.
Relevant für die kombinierte Reichweite nach WLTP sind die beiden vollen WLT-Zyklen aus Low, Medium, High und Extra High in den Segmenten 1 und 3. Der Stromverbrauch in Segment 1 und 3 ist nicht identisch, obwohl die Fahrkurven gleich sind. Das liegt daran, dass es zu Beginn eine Kaltstartphase gibt – die ist für Elektroautos naturgemäß weniger wichtig als für Pkw mit Verbrennungsmotor, bei denen das Öl erst warmwerden muss – und dass die Traktionsbatterie zu Beginn so voll ist, dass nicht sofort voll rekuperiert werden kann. Dadurch steigt der Verbrauch in Segment 1 leicht an.
Die kombinierte Reichweite nach WLTP, im Fall unseres Beispiels des Volkswagen ID.4 also 517 km, ergibt sich, indem der gemessene Energieinhalt ohne Ladeverluste durch den Stromverbrauch aus dem gewichteten Mittel der beiden vollen WLT-Zyklen dividiert wird. Die städtische Reichweite ergibt sich, indem das gleiche mit den Werten aus dem City-Zyklus (zur Erinnerung: Das sind die Teilzyklen Low und Medium) geteilt wird, beim ID.4 also 701 km.
ICCT: Tieftemperaturtest bei minus 7 Grad ergänzen
Der kombinierte Stromverbrauch nach WLTP von in 16,9 kWh/100km wiederum ist inklusive Ladeverlusten berechnet, denn die müssen vom Halter schließlich bezahlt werden. Theoretisch lassen sich so die Ladeverluste sogar berechnen. Eine exakte Vorgabe, wie genau geladen wird, ob etwa mit einer dreiphasigen Wallbox und elf kW Ladeleistung, ist noch nicht definiert, jedoch wird zeitnah eine Präzisierung in der Gesetzgebung durchgeführt werden.
Nutzer von Elektroautos machen in der Lebensrealität einerseits die Erfahrung, dass sie die Reichweiten aus den digitalen Prospekten erreichen können, wenn sie bei günstigen Wetterbedingungen und in einem niedrigen Geschwindigkeitsprofil abseits der Autobahn unterwegs sind.
Das Gegenteil passiert bei höheren Geschwindigkeiten und vor allem bei Kälte: Der Stromverbrauch steigt wegen des Luftwiderstands beim Schnellfahren deutlich an, und bei niedrigen Temperaturen können die Batteriezellen viel weniger elektrische Energie liefern, wie wir in Zusammenarbeit mit P3 Automotive festgestellt haben. Kommt beides zusammen, bricht die Reichweite ein.
Jan Dornoff, Emissionsspezialist beim eingangs erwähnten ICCT, sieht hier Verbesserungspotenzial. Die Prüfprozedur bei 23 Grad und ohne Nebenverbraucher wie die Klimaanlage führe zu idealisierten Messwerten, so Dornoff. Zusätzlich sollten daher Stromverbrauch und Reichweite im so genannten Tieftemperaturtest für alle Fahrzeuge erhoben und öffentlich gemacht werden: „Auf UNECE-Ebene gibt es bereits einen Tieftemperaturtest für Elektrofahrzeuge. Dieser wird bei minus sieben Grad und mit aktivierten Nebenaggregaten gefahren“, erklärt Jan Dornoff. Ein Zeitplan zur Einführung dieses Verfahrens in der Europäischen Union ist nicht bekannt, aber „wir beim ICCT empfehlen eine schnellstmögliche Einführung, um für Kunden und Gesetzgeber Transparenz zu schaffen“.