Elektroauto: Auswirkung von Steigung auf Verbrauch

Wissenschaft Physik
#1

Hallo,

ich mache für mein Studium gerade eine kleine Arbeit und möchte dabei auch die Wirtschaftlichkeit von Elektroautos gegenüber Kraftstoffautos ermitteln.

Ein zentraler Bestandteil soll die Auswirkung von Steigungen und Neigungen auf den Verbruach beider Fahrzeugtypen sein. Ich bin bisher in der Lage über eine mir beliebige Strecke das Höhenprofil ausgeben zu lassen mit der Ausprägung der Steigung und der Länge der zu fahrenden Strecke.

Ich bin nun auf der Suche nach wissenschaftlich begründbaren Formeln und Methoden um irgendwie den Mehrverbrauch bei Steigungen sowie den Minderverbrauch bei Neigungen zu ermitteln. Gerne dürfen die Formeln Parametrisiert sein, damit verschieden Fahrzeugtypen untersucht werden können (Gewicht, Normalverbrauch, Energierückgewinnung).

Leider fehlen mir jegliche Ansätze und das notwendige physikalische Hintergrundwissen. Eine Idee war bisher die Kraft zu errechnen, die in einer schiefen Ebene benötigt wird. Aber dieser Ansatz berücksichtigt dann ja noch keine Geschwindigkeit, zumindest gehe ich davon aus, dass bei zunehmender Geschwindigkeit neben dem exponentiellen Verbrauch (durch die Geschwindkeit) auch die Anstrengung für den Anstieg exponentiell steigt und nicht eine Konstante ist.

Und eine Frage vlt. noch neben bei. Daher würde ich mich auch freuen, wenn ggf. Vergleiche zu selber Thematik für Brennstoffmotoren gezogen werden. Stimmt es, dass ein z.B. Benziner weniger „zusätzliche“ Mühe hat den Berg hochzufahren wenn er eh schon fährt gegenüber einem Elektrofahrzeug? Oder ist es genau andersherum? Als fahrrad und Motorradfahrer würdeich ersteres sagen…

Danke für sämtliche Diskussionen und Hilfestellungen.

#2

Hallo!

Tut mir Leid. Damit kenne ich mich gar nicht aus.
Viel Erfolg noch!

#3

Interessante Frage, aber wirklich etwas für Physiker…

#4

Hallo, zunächst würde ich das ganze von der Energieperspektive her betrachten.
Also, der Ansatz, welche Energie wird benötigt, um eine Steigung zu überwinden, zunächst formeltechnisch einfacher mit V=konst, also ohne Beschleunigung am Berg.
Die Massen der Fahrzeuge spielen ja eine erhebliche Rolle dabei, insofern sollten zunächst auch die Massen, sprich das Gewicht, formeltechnisch (Verbrenner und E-Auto) gleichgesetzt werden.
Rein Theoretisch und logisch überlegt:
Wenn beide Vergleichskandidaten dieselben Bedingungen haben, also Masse und Geschwindigkeit, müßte nach dem Energieerhaltungssatz folgendes entscheidend sein:
Der Wirkungsgrad. D.h.: die Energie, die für den Testvorgang „reingesteckt“ wird (egal ob gemessen via Kapazitätsmessung der Batterie oder Messung des Spritverbrauches). Also braucht man Messmethoden, um diese beiden Werte zu ermitteln, nämlich den Energieverbrauch. Das ist messetchnisch kein Problem: Die verbrauchte Spritmenge läßt nachmessen und die verbrauchte elektrische Energie läßt sich ebenfalls leicht ermitteln.
Mit obigem Ansatz m1=m2 und v1=v2=konst. haben wir den direkten Vergleich, wieviel Energie von Kandidat 1 und 2 für den Testvorgang benötigt wurde.
Vorweggenommen: ein E-Antrieb ist deutlich effizienter als ein Verbrennerantrieb. Selbst wenn im Verbrenner sämtliche Verluste auf extremste Weise reduziert werden, z.B. alle elektrischen Verbraucher ausgeschaltet und optimale Drehzahl bei max. Drehmoment anliegt, kann der Verbrenner dem E-Antrieb niemals das Wasser reichen in Sachen Wirkungsgrad. Die thermischen Verluste sind hierbei viel zu hoch. Weshalb man einen Verbrenner auch als rollende Heizung mit nochmals verlustbringendem Kühlsystem bezeichnen könnte. Die mechanische Energie, die zur Bewältigung der gestellten Testaufgabe an den Antriebsrädern verbleibt, wird auf ca. 30% der im verbrauchten Kraftstoff enthaltenen Energie angegeben.
Der Wirkungsgrad eines E-Antriebes wird beim E-Auto mit min. 60% angegeben. Wobei der reine elektromechanische Umwandlungsvorgang noch deutlich mehr Effizienz aufweist, moderne Elektromotoren haben mehr als 80 % Wirkungsgrad.
Formeln zur Energieberechnung finden sich in jeder guten Formelsammlung.

#5

Hallo,
kenne ich mich nicht aus, leider
Gruss

#6

Hallo,

also, physikalisch und mathematisch hab ich nicht genug Ahnung um irgendwelche Formeln aufzustellen.

Um an Info zu kommen wie der Verbrauch von Fahrzeugen ermittelt wird, würde ich mir irgendwelche Standards anschauen, die für die Verbrauchsermittlung bei normalen Autos verwendet werden. Die sind bestimmt irgendwo frei zugänglich und je nach dem welcher Standard das ist, kommen dabei auch bestimmt Steigungen vor.
Vielleicht kommst du über diese Testverfahren auch drauf ob es vergleichbare Standards für Elektroautos gibt oder ob schon jemals jemand mit dem selben Testverfahren el. und Verbrennungsmotorautos miteinander verglichen hat.

Mal ganz grundsätzlich: das el. Auto ist so wie es jetzt vorhanden ist nur eine Nischenlösung. Die Nische: kurze Strecken, niedrige Geschwindigkeit, wenig Nutzlast, . . .
So wie ich das sehe, könnte ein aktuelles el. Auto jetzt in dieser Nische schon wirtschaftlich sein (mit den laufenden Kosten). ABER: zu den wirtschaftlichen Kosten gehören auch die Anschaffungskosten.

Die Schwierigkeit dabei ist, daß die Technologien zu verschieden sind. Beispiel: es würde keiner auf die Idee kommen einen jetzigen Computer mit einem Testvervahren zu testen das 15 Jahre alt ist.

Wenn man alleine die Energiedichte von Diesel und einer Batterie vergleicht, kommt man drauf, daß eine Batterie, die die Energie von 40 kg Diesel bei einer

  • Bleibatterie 16509 kg = 16,5 Tonnen
  • Li-Ionen-Akku 3632 kg = 3,6 Tonnen
    wiegen würde.

Ich hoffe ich konnte dir weiterhelfen.

Gruß

Florian