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Höhere Reichweite von Elektrofahrzeugen dank besserer Aerodynamik

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Aerodynamiksimulation beim Tesla Model S  Foto: EXA

Elektrofahrzeuge sind aufgrund der zunehmenden Vielfalt an verfügbaren Modellen und technischer Verbesserungen beliebter denn je – es ist beachtlich, welche Reichweiten neu vorgestellte Fahrzeuge mit einer einzigen Batterieladung bereits erreichen können.

Ein Bereich, in dem die Automobilhersteller weiterhin einen Wettbewerbsvorteil suchen, da er die Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs deutlich verbessern kann, ist die Aerodynamik. Untersuchungen von Exa (auf Simulations-Software spezialisiertes Unternehmen) haben ergeben, dass durch eine zehnprozentige Reduzierung des Luftwiderstands die Reichweite eines Elektrofahrzeugs um fünf Prozent erhöht werden kann.

80 km mehr Reichweite beim Model S

Die Firma Tesla stellte in einem SAE-Artikel im Jahr 2013 dar, dass der Luftwiderstandsbeiwert des Model S beim endgültigen Design im Vergleich zu frühen Konzepten mithilfe digitaler Simulation um 0,08 verbessert werden konnte. Nach Berechnungen von Exa trägt diese Optimierung dazu bei, die elektrische Reichweite des Fahrzeugs um 80 Kilometer zu erhöhen.

Glatter Unterboden bei Elektroautos von Vorteil

Beim Versuch, den Luftwiderstand zu reduzieren, zählt jedes Detail. Und bei der Analyse einiger kürzlich vorgestellter Elektrofahrzeuge zeigt sich, wie sich die Hersteller den aerodynamischen Herausforderungen nähern. Elektrofahrzeuge bieten konzeptbedingt einige spezifische Möglichkeiten, den Luftwiderstand zu verringern. Zum Beispiel leitet der bei Elektrofahrzeugen charakteristische flache Fahrzeugunterboden den Luftstrom schnell und gleichmäßig nach hinten. Auch sind scharfe Kanten an der Vorderseite von Elektrofahrzeugen eher die Ausnahme.

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Der FF 91 von Faraday Future aus Kalifornien  Foto: Faraday Future

So trägt die glatte, abgerundete Front des Faraday Future FF91 dazu bei, den Luftstrom schnell auf den Unterboden zu leiten. Und dort wurde sicherlich der Entwicklungsfokus darauf gelegt, wie diese Strömung mit anderen Teilen des Autos interagiert, insbesondere mit den Rädern.

Räder, die ihre Form mit der Geschwindigkeit verändern

Radhäuser und Räder sind typischerweise für ein Drittel des Luftwiderstands verantwortlich, sodass sie für die aerodynamische Effizienz von entscheidender Bedeutung sind. Faraday Future sagt, dass die sogenannten Aerologic Wheels des FF91 ihre Form kinetisch verändern und so bei hohen Geschwindigkeiten eine aerodynamischere Form annehmen. Generell lässt sich die Performance eines Fahrzeugs steigern, Wenn man den Einfluss minimiert, den die Räder auf die Wirbelströmung haben, und damit den Luftstrom am Heck beruhigt. Und der Entwurf eines Rads, das sich „schließt“, ist sicherlich dazu geeignet.

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Räder und Radhäuser sind für ca 1/3 des Gesamtluftwiderstands verantwortlich. Foto: EXA

Gemeinsamkeiten vom Chrysler Portal und dem FF91

Aerodynamische Effizienz kann viele Formen annehmen, und Kritiken am „kastenhaften“ Design des Chrysler Portal, das einen negativen Effekt auf den Luftwiderstand haben soll, sind nicht notwendigerweise richtig. Stehen ausreichend Zeit und die richtigen Entwicklungswerkzeuge zur Verfügung, lässt sich fast jede Form aerodynamisch optimieren. Außerdem hat der Portal viele Details mit dem FF91 gemein – etwa eine sorgfältige Bearbeitung aller Kanten und eine sehr glatte Oberfläche, eine Front, die über keine großen Kühllufteinlässe verfügt, und ein glattes Radhausdesign.

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Foto: Chrysler

Wenn FCA-Ingenieurin Ashley Edgar sagt, „smart is the new sexy“, ist verständlich, was sie damit im Bezug auf den Portal meint. Man muss sich nur die Art anschauen, wie die große Windschutzscheibe bis an die Oberkante des Fahrzeugs läuft – das sieht schnittig aus und ist strömungsgünstig. Das ungewöhnliche geometrische Design der Flanken des Fahrzeugs ist schwungvoll, ohne zwangsläufig aerodynamische Probleme zu verursachen – solange man einen „Treppenstufen-Effekt“ vermeidet, der Hindernisse für den Luftstrom verursacht.

Ein Kühlergrill ist bei einem Elektroauto Nebensache

Elektrofahrzeuge haben andere Kühlanforderungen als konventionelle Fahrzeuge, daher besitzen FF91 und Portal keine ausgeprägten Kühlergrillöffnungen. Im ganz besonderen Maße gilt das für den VW I.D. Buzz, der Anleihen am klassischen Bulli nimmt und auf den Frontgrill komplett verzichtet. Dieses Konzept schafft es, sowohl retro als auch futuristisch zu sein und sieht so aus, als ob es bewusst auf aerodynamische Effizienz hin optimiert wurde. Die Oberflächen machen einen wunderbar geformten Eindruck, genauso wie das Gesamtfahrzeug.

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VW I.D. Buzz – Retro trifft auf aerodynamische Moderne.  Foto: Volkswagen

Die aufgeführten Modelle und Elektrofahrzeuge im Allgemeinen bieten konzeptbedingt erhebliche aerodynamische Möglichkeiten, den Luftwiderstand zu minimieren. Wenn dies früh genug im Entwurfsprozess berücksichtigt wird, lässt sich eine Abstimmung finden, die zu höherer Performance und Reichweite des Fahrzeugs führt.

Auch wenn Elektrofahrzuge lokal null Emissionen haben, ist die Performance im Realbetrieb nach wie vor ein großes Thema für die Käufer, und da könnten 80 Kilometer mehr Reichweite durchaus den Unterschied machen.

15 Comments

  1. Ja, Elektrofahrzeuge haben keinen Auspuff und folglich auch einen geringeren Windwiderstand.
    Aber auch bei E-Fahrzeugen gibt es noch weiteres Potential Energie einzusparen. Mit einem geringeren Gewicht und schmaleren Reifen könnte man noch viel mehr Reichweite herausholen. Die Tesla S Klasse hat zwar eine Reichweite von über 400km, wiegt aber leer über 2 Tonnen !
    Sind nicht kleinere, leichtere Fahrzeuge sinnvoller, weil sie noch weniger Energie benötigen und am Ende dadurch auch günstiger sind ?

    Martin Oberdoerfer-Schmidt
    http://www.e-car-tech.de

    • Der BMW i3 hat mit seinen 1.250 kg als Leichtbau gezeigt, dass geringes Gewicht nur bedingt Verbrauchsvorteile bringt. Er hat das nicht mit Gewicht und schmalen reifen wett gemacht, dass er durch schlechten cw-Wert verliert. Somit ist er verbrauchsseitig doch nur Durchschnitt. Es ist eben ganz wesentlich der Luftwiderstand. Ein Model S mit seinen über 2 Tonnen bewegt sich etwas träger aber wenn es rollt gibt es die (kinetisch geladene) Energie eben auch wieder ab. D.h. die zukünftigen Reichweitenautos/Überlandfahrzeuge werden hier weiter optimiert werden. Es sei denn, Akkukapazität ist leicht und günstig einzubauen.

      • Hallo Andreas,
        auf was für einen durchschnittlichen Verbrauch kommt ihr mit dem BMW i3? Wie viel kW braucht denn die Heizung im Winter bei -15°? Der ZOE ist da trotzdem nicht über 3 kW hinaus gegangen, was schon gut ist.
        Wird beim i3 auch die Heizung bzw. der Klimakompressor immer lauter? Das finde ich beim ZOE weniger schön – da ist er lauter als ein aktueller Verbrenner – von wegen Elektroautos sind so leise. ;-)

    • Bernhard von Gestern says:

      Über Jahrzehnte hinweg wurde dem Autofahrer deutlich vor Augen geführt, dass höheres Gewicht auch unbedingt mehr Energie vergeudet. Ein schweres Auto muss mit viel PS bescheunigt werden und danach ist Hitze und Abgas eines Verbenners in der Atmosphäre. Beim Abbremsen dieser kinetischen Energie werden dann die Bremsscheiben heiß, und wieder wird die Atmosphäre augeheizt…Es wird lange dauern, bis der Otto Normalverbrauicher lernt, dass der E-Motor auch als E-Generator wirkt, und dass dadurch ein Großteil der Kinetischen Energie beim Bremsen wieder in den Akku geleitet wird (es gibt E-Autos mit verrosteten Bremsscheiben, z.B. meines!).
      Also: beim E-Auto kommt es hauptsächlich auf den Luftwiderstand an; die Masse spielt eher eine Nebenrolle und kann durch härtere Reifen kompensiert werden.

      • Ja, durch die Rekuperation lässt sich beim bremsen oder bergab fahren Energie in die Batterie zurückführen.
        Aber das geht leider nicht ohne entsprechende Verluste. Die Energie die ich aus der Batterie nehme um 500Kg Mehrgewicht den Berg hinauf zu bringen bekomme ich beim bergab fahren leider nicht zu einem Großteil wieder zurück. Die Verluste sind nicht unerheblich. Auch hier gibt es weiteres Potential um Energie einzusparen bzw. mehr Reichweite zu erreichen.

        • Bernhard von Gestern says:

          Es gibt außer mir noch mehr E-Kollegen, die bei einer genauen Betrachtung von „erfahrenen“ Werten (Großglockner, Stilfser Joch u.a.) unter Berücksichtigung des Luftwiderstands (gleiche niedrige! Geschwindigkeit beim Bergauf- wie beim Bergabfahren!) den reinen Rekuperationswirkungsgrad von ca. 60…80 % , den Opel beim Ampera angegeben hatte, nachweisen konnten. Sobald man über 50 km/h fährt überwiegt natürlich zunehmend der Luftwiderstand und es bleibt nur kurzzeitig beim aktiven Bremsen etwas für den Akku übrig.
          Also, aufgemerkt: Flachlandindianer haben weniger Rekuperationseinsparung als wir Bergvölker!!
          Aus genau dem gleichen Grund ist der Stadtverkehr (bis 50 km/h) so ideal für E-Autos. Für den Überlandverkehr jedoch braucht man einen niedrigen Cw-Wert. Dafür ist dann die Masse völlig egal (mehr Masse abbremsen ergibt mehr Strom im Akku).

  2. Hier wäre auch noch der IONIQ positiv zu erwähnen. Auch er hat einen cW Wert von 0,24 und wiegt sogar weniger als der ZOE. Dies führt dazu, dass der IONIQ zum Teil im Winter bedrohlich Nahe an die Reichweite des neuen ZOE Z.E. 40 herankommt!
    Seine Nase ist auch geschlossen und die Linienführung ist einfach limousinentypisch effizienter…

  3. Bis auf den Kühlergrill sind sämtliche hier genannten Ansätze auch für Verbrennerfahrzeuge umsetzbar.
    Beim Kühlergrill hat das E-Fahrzeug aber auch nur bedingt Vorteile, da zwar weniger Wärmeleistung abtransportiert werden muss, dafür aber ein deutlich geringerer Temperaturunterschied zur Verfügung steht
    Bestes Beispiel ist Tesla, die zwar keinen offensichtlichen Kühlergrill haben, dafür sind aber mehrere riesige Kühler hinter den „Kiemen“ versteckt.

    • Bernhard von Gestern says:

      „Weniger Wärmeleistung“ ist sehr zurückhaltend formuliert (grins)! Es könnte auch durchaus etwas deutlicher ausgedrückt werden, denn der Unterschied kommt vom unterschiedlichen Wirkungsgrad der Antriebe: typ. 5 % Verlust gegenüber ca. 65 % Verlust; das ist ein Faktor 13 !! Das mit dem Temperaturunterschied stimmt natürlich.

  4. Lauter interessante Kommentare. ;-) Finde auch schade, dass BMW den i3 so hoch gebaut hat und beim cw-Wert so viel verschenkt. Dass man einen großen Akku im Boden unterbringen kann und trotzdem flach daher kommt, zeigt ja das Model S, welches ja den gleichen cw-Wert mit 0,24 wie der Ioniq hat.

    Ich kann mich noch gut erinnern, was für einen Sensation in den 80er der Audi 100 war.

    Wikipedia: im August 1982 präsentierte Audi 100 C3 stellte einen Weltrekord im Bereich der Aerodynamik auf. Der Luftwiderstandsbeiwert (cw) der sehr geräumigen Karosserie von 0,30 ließ die Fachpresse aufhorchen, neue Probleme wie „Innenraumaufheizung“ wegen der stark geneigten Scheiben wurden durch dieses Modell aufgeworfen.

    Wenn heute ein Auto wie der i3 (angeblich) cw-Wert 0,30 (0,29) hat, ist das 35 Jahr später eigentlich ZU VIEL!

    Verstehe auch nicht, warum man nicht die Räder mehr verbaut, hat ja genug Konzepte auch hierzu gegeben.

  5. Hier noch eine Info, die ich im Nachhinein von EXO erhalten habe.

    Abgedeckte Radhäuser können demnach durchaus für die Aerodynamik hilfreich sein, werden aber aus anderen Gründen nicht umgesetzt. Vorne ist es technisch nicht machbar (obwohl es vielleicht eine zukünftige Technologie zulassen würde). Hinten sind sie nicht wirklich praktisch: sie sind teurer und machen die Prüfung des Reifendrucks und den Reifentausch schwieriger. Zudem scheinen viele Kunden sie aus optischen Gründen abzulehnen, da eine Symmetrie zwischen Vorder- und Hinterwagen fehlt.

  6. Michael P. says:

    Es gab 1966 schon ein französisches Renn-Auto mit cw 0,12. Und es sah optisch nicht schlecht aus. Heute liegen die besten über 0,2. Enttäuschend. Sind die konservativen Kunden schuld?

  7. Michael P. says:

    Panhard hiess das gute stück

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