WLTP: So werden Reichweite und Verbrauch bei Elektroautos ermittelt

Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure – kurz WLTP. Hinter dieser sperrigen Abkürzung verbirgt sich die Beschreibung für die aktuell gültige Testvorschrift zur Ermittlung von Reichweite und Verbrauch von Elektroautos.

Seit 01. September 2017 müssen neue Fahrzeugtypen gemäß der neuen Testprozedur WLTP zertifiziert werden, der den unrealistischen NEFZ ablöst. Seit 01. September 2018 ist der Testzyklus verpflichtend für alle Neufahrzeuge, also auch für Fahrzeugtypen, die vor September 2017 bereits nach NEFZ zertifiziert wurden. Der WLTP soll dabei für genauere und realitätsnähere Verbrauchs- und Emissionsangaben im Fahrzeugprospekt sorgen. Doch wie läuft die Testprozedur für Elektroautos ab? Und wie hängen die Reichweiten- und Verbrauchsangaben zusammen? Diese Fragen klärt dieser Artikel.

Ein mehr als 370 Seiten starkes Dokument beschreibt die Anforderungen, Messmethodiken und Berechnungsgrundlagen des WLTP (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure = weltweit vereinheitlichte Testprozedur für PKW und leichte Nutzfahrzeuge bis 3,5t). Darin enthalten sind sämtliche Vorgaben an reine Verbrenner-, an Hybrid- und Plug-in-Hybrid-, sowie an Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeuge. Reinelektrische Autos werden in dem Dokument PEV genannt, was für „pure electric vehicle“ steht. In diese Kategorie fallen sämtliche batterieelektrischen Fahrzeuge, die hier exklusiv betrachtet werden sollen.

Ein Teil der gesamten Testprozedur WLTP ist die Definition des eigentlichen Fahrzyklus. Dieser wird WLTC genannt, eine Abkürzung von „Worldwide Light-duty Test Cycle“ (=weltweiter Testzyklus für leichte Fahrzeuge).

Differenzierung der Fahrzeugklassen

Schauen wir uns den WLTC einmal im Detail an. Der WLTC ist in drei Klassen unterteilt, die nach dem Leistungsgewicht (Nennleistung je Tonne Fahrzeugleermasse) gestaffelt sind. In Klasse 1 fallen Fahrzeuge mit weniger als 22 kW je Tonne (kW/t) Fahrzeuggewicht. Klasse 2 besteht aus Fahrzeugen mit einem Leistungsgewicht zwischen 22 und 34 kW/t und in Klasse 3 fallen alle Fahrzeuge mit mehr als 34 kW/t. In der Praxis dürften die meisten Elektroautos in die Klasse 3 fallen. Ferner wird die Klasse 3 in zwei Unterklassen 3a und 3b unterteilt. In Klasse 3a fallen alle Fahrzeuge mit einer Höchstgeschwindigkeit von unter 120 km/h, in Klasse 3b entsprechend die restlichen Fahrzeuge. Da die meisten Elektro-PKW der Klasse 3b zugeordnet werden können, konzentrieren wir uns auf diese.

Aufbau des Testzyklusses

Der eigentliche Fahrzyklus besteht aus vier Teilen: Low, Medium, High und Extra High. Jeder Teilzyklus beginnt und endet mit einem Stillstand. Der Low-Anteil simuliert eine typische Fahrt durch eine Stadt. Die Höchstgeschwindigkeit liegt bei 56,5 km/h und die Durchschnittsgeschwindigkeit bei lediglich 18,9 km/h, bedingt durch die zusätzlichen Stopps und Haltephasen in diesem Teilzyklus.

Darauf folgt der Medium-Teil, bei dem bis zu 76,6 km/h schnell gefahren wird. Abgesehen von den obligatorischen Pausen am Anfang und am Ende des Teilzyklus, gibt es hier keine zusätzlichen Stopps. Stattdessen reduziert das Fahrzeug mehrmals die Geschwindigkeit auf bis zu 12 km/h, weshalb die Durchschnittsgeschwindigkeit bei lediglich 39,5 km/h liegt. Dieser Teilzyklus entspricht einer außerstädtischen Fahrt.

Der Low- und der Medium-Anteil zusammen bilden den WLTP Stadtzyklus, was später für die Reichweitenangaben relevant ist.

Als dritter Teilzyklus des WLTC folgt der High-Anteil, bei dem eine Schnellstraßenfahrt nachgebildet wird. In diesem Teilzyklus beschleunigt das Fahrzeug unter anderem von 12 auf bis zu 97,4 km/h. Im Durchschnitt wird mit einer Geschwindigkeit von 56,6 km/h gefahren.

Beim vierten und letzten Teilzyklus geht es auf eine imaginäre Autobahn. Dieser Teil wird Extra High genannt und weist Höchstgeschwindigkeiten von bis zu 131,3 km/h auf. Dieser Teilzyklus enthält insgesamt einen langen Anteil mit einer Fahrt von über 100 km/h, wodurch die Durchschnittsgeschwindigkeit auf 92 km/h klettert.

Alle vier Teilzyklen zusammen ergeben den WLTC, der in Summe 1.800 Sekunden bzw. 30 Minuten dauert. Dabei wird eine Distanz von etwas über 23 Kilometern zurückgelegt. Sowohl im Stadtzyklus als auch im gesamten WLTC wird über externe, hochgenaue Messtechnik die der Batterie entnommene elektrische Energiemenge in Wattstunden ermittelt und dokumentiert. Der Verbrauch über den gesamten Zyklus wird später „kombinierter Verbrauch“ genannt.

	Low	Medium	High	Extra High	Gesamt
Höchstgeschw. (km/h)	56,5	76,6	97,4	131,3	131,3
Durchschnitts- geschw. (km/h)	18,9	39,5	56,6	92	46,5
Dauer (s)	589	433	455	323	1.800
Distanz (m)	3.095	4.756	7.158	8.254	23.262

Reichweitenermittlung im WLTP

Der WLTC wird zunächst einmal durchfahren. Da die Strecke mit 23 Kilometern relativ kurz ist, wird hiernach kaum ein Elektrofahrzeug eine leere Batterie aufweisen. Daher wird fleißig weitergefahren – und zwar bis die Batterie praktisch leer ist.

Dazu gibt es zwei Möglichkeiten: Im normalen Zyklus würde man den WLTC solange wiederholen, bis die Batterie leer ist. Schafft ein Fahrzeug höchstens eine Reichweite von drei WLTCs (also weniger als 70 km), dann werden diese maximal drei Zyklen einfach hintereinander durchfahren. Die große Mehrheit der Elektroautos hat natürlich eine deutlich größere Reichweite. Da das Durchfahren einer hohen Anzahl von WLTCs viel zu lange dauern würde, um die Reichweite zu ermitteln, wurde eine Methode definiert, um den Zyklus zu verkürzen. Folgerichtig wird diese Testprozedur auch „Shortened Test Procedure“ genannt.

Nachdem das Fahrzeug einmal den WLTC durchfahren hat, folgt bei der verkürzten Testprozedur ein zusätzlicher WLTC Stadtzyklus, also ein Low- und ein Medium-Anteil. Dieses Segment, bestehend aus einem WLTC und einem Stadtzyklus wird „dynamisches Segment 1“ (DS1) genannt. Der Verbrauch über den ersten WLTC (Low, Medium, High, Extra High) geht in den kombinierten Verbrauch ein. Die Verbrauchsanteile der beiden Stadtzyklen (Low, Medium) werden später in den Stadtverbrauch eingerechnet.

Verkürzung der Testprozedur durch Konstantfahrten

Nun folgt eine Konstantfahrt mit 100 km/h. Bei diesem Abschnitt wird die Batterie deutlich schneller entladen als beim eigentlichen Testzyklus. Auch hier wird der elektrische Verbrauch ermittelt, allerdings nicht zum Stadtverbrauch oder dem kombinierten Verbrauch hinzugerechnet, da die Konstantfahrt sehr lange dauern kann und der Verbrauch bei 100 km/h relativ hoch ist. Je nach Dauer der Konstantfahrt würde sonst dieser Verbrauchswert zu stark gewichtet. Dennoch ist die entnommene Energiemenge für die spätere Reichweitenberechnung wichtig.

Der Hersteller des Fahrzeugs muss vorab abschätzen und angeben, wie lang diese Konstantfahrt dauert. Schließlich folgt auf die (vom Hersteller abgeschätzte) Konstantfahrt ein weiteres, dynamisches Segment (DS2). Dieses besteht, wie DS1, aus einem kompletten WLTC und einem angehängten Stadtzyklus. Der kombinierte Verbrauch wird wieder über den WLTC-Anteil ermittelt und der Stadtverbrauch über die beiden Stadtzyklen. Abschließend folgt eine zweite Konstantfahrt bei 100 km/h.

Vor Beginn der zweiten Konstantfahrt darf die Batterie maximal noch einen Ladezustand von 10% aufweisen. Daher ist es wichtig, dass die erste Konstantfahrt ausreichend lang ist.

Die zweite Konstantfahrt wird nun solange durchgeführt, bis die Leistung des Energiespeichers aufgrund des abnehmenden Ladezustands nicht mehr ausreicht, um das Fahrzeug mit 100 km/h zu bewegen. Wird diese Geschwindigkeit für mehr als vier Sekunden unterschritten, gilt der Test als beendet.

Unterscheidung der Verbräuche

Der Stadtverbrauch und der kombinierte Verbrauch der beiden durchfahrenen dynamischen Segmente DS1 und DS2 werden nun zueinander gewichtet und gemittelt. Der Stadtverbrauch von DS1 wird mit dem Stadtverbrauch von DS2 verrechnet und der erste kombinierte Verbrauch mit dem zweiten Messwert. Der Verbrauch des zweiten dynamischen Segments hat dabei einen deutlich höheren Stellenwert als der Verbrauch des ersten. Die Unterschiede dürften allerdings marginal sein, da der WLTP bei 20 bis 23°C durchgeführt wird, also im Wohlfühlbereich einer Batterie. Da sich die Batterie während des Testzyklus erwärmt, könnte der Verbrauch aufgrund des damit verbundenen, geringeren Innenwiderstands der Batterie im zweiten Teil leicht abnehmen. Im Gegenzug ist die Spannung der Batterie nun deutlich niedriger als zu Beginn. Die Leistung muss also über höhere Ströme generiert werden, was wiederum zu höheren ohm’sche Verlusten führt. Anderseits dürfte die Rekuperationsleistung bei niedrigem Ladezustand deutlich höher sein. Es spielen hier also verschiedene Faktoren eine Rolle, weshalb es sinnvoll ist, den WLTC einmal mit voller und einmal mit vergleichsweise leerer Batterie zu fahren.

Für die Reichweitenberechnung wird die gesamte, während der Testprozedur entnommene Energie der Batterie durch den kombinierten Verbrauch geteilt. Die angegebene Reichweite ist also nicht die Strecke, die das Fahrzeug während der Testprozedur zurückgelegt hat, sondern ein errechneter Wert aus entnommener Energiemenge (was ungefähr dem Netto-Energieinhalt der Batterie entspricht) und dem Verbrauch, der während der Testzyklen gemessen wurde. Dieser Wert spiegelt die offizielle Reichweitenangabe des Elektroautos wider. Analog wird mit der Stadtreichweite verfahren, die allerdings nicht immer angegeben wird.

Der Verbrauch, der während der Fahrt ermittelt wurde, wird leider nicht veröffentlicht, ebenso wenig die entnommene Energiemenge der Batterie. Durch letztere ließe sich der Netto-Energieinhalt des Speichers relativ einfach nachzeichnen.

So wird der Verbrauch ermittelt

Für die Prospektangaben fehlen also noch die Verbrauchswerte. Dazu wird anschließend die Batterie über das werksseitig verbaute AC-Ladegerät vollgeladen. Dies geschieht mit maximal 22 kW. Auf Wunsch des Herstellers kann die Ladeleistung auch verringert werden, wenn beispielsweise der Wirkungsgrad des On-Board-Ladegeräts bei 11 kW höher ist. Dabei wird die gesamte Energiemenge, die während des Ladevorgangs der Steckdose entnommen wird, mitgemessen. Hierin enthalten sind also sämtliche Ladeverluste, die im  On-Board-Lader, in den Leitungen des Fahrzeugs und der Batterie während des Ladevorgangs entstehen. Diese Energiemenge ist letztlich auch die, die der Kunde beim Nachladen bezahlen muss, weshalb diese Betrachtung aus Kostensicht zu begrüßen ist.

Die nachgeladene Energiemenge wird nun durch die zuvor berechneten Reichweiten geteilt. Daraus ergeben sich der Stadtverbrauch und der kombinierte Verbrauch, der nun im Prospekt erscheint.

Es wird hierbei allerdings deutlich, dass der angegebene Verbrauch nicht zwingend mit den Werten übereinstimmen muss, die für die Fahrt ermittelt wurden. Die Verbrauchswerte für die Fahrt erfährt der Kunde leider nicht. Durch die fehlenden Angaben lässt sich auch der (Netto-)Energieinhalt der Batterie nicht einfach durch Multiplikation von Prospektreichweite und Prospektverbrauch ermitteln – was bereits vielfach zu Diskussionen in einschlägigen Foren geführt hat.

Seit Einführung des WLTP muss auch der Verbrauch eines jeden, individuell konfigurierten Fahrzeugs ausstattungsabhängig angegeben werden. Da der Aufwand damit natürlich enorm steigt, wird hier die Prozedur etwas vereinfacht. Der WLTP muss mit dem Fahrzeug mit dem geringsten und mit dem höchsten Energieverbrauch durchgeführt werden. Dazwischen darf – entsprechend der gewählten Ausstattung – interpoliert werden.

	WLTP	NEFZ
Starttemperatur	kalt	kalt
Zyklusdauer	1.800 s	1.180 s
Standzeit	242 s	267 s
Stoppanteil	13,4%	22,6%
Distanz	23.262 m	10.931 m
Höchstgeschw.	131,3 km/h	120 km/h
Durchschnitts.-geschw.	46,5 km/h	33,35 km/h
Sonderausstattung	berücksichtigt	nicht berücksichtigt
Temperatur	23°C	25 +/- 5°C

 

Fazit

Der WLTP bietet eine deutlich genauere Reichweiten- und Verbrauchsprognose als der bisher gültige NEFZ. Dennoch ist es aus Sicht der Kunden unverständlich, warum wichtige Zusatzangaben, wie der Verbrauch während der Fahrt oder die im Test entnommene Energiemenge, nicht veröffentlicht werden müssen. Diese Infos sind für E-Mobilisten äußerst wertvoll. Dann wird auch für den Kunden einfach nachvollziehbar, wie Verbrauch, Ladeeffizienz, Reichweite und Batteriegröße voneinander abhängen.

Weiterführende Links:

Mehr zur Technik von Elektrofahrzeugen auf Generation Strom.

Disclaimer:

Dieser Artikel erschien in seiner ursprünglichen Fassung im Magazin Elektroautomobil (Ausgabe 03/2019, www.elektroautomobil.com).

Abbildungen: © Elektroautomobil und © GenerationStrom.com