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Wieviel Energie wird pro Grad Akkutemperatur verheizt?

Hallo Leute! Ich habe mal eine Frage an die Technikbegeisterten von euch:

Die Tesla 2170 Zellen von Panasonic wiegen je 70g.

Das Long-Range Model 3 hat 4.416 Zellen.

Ich nehme an, dass die Wärmekapazität für diese Zelle bei 0,205 Wh/kgK liegt (näherungsweise, mangels einer besseren Quelle)

Da nicht der Akku selbst geheizt wird, sondern die Motoren und die Wärme dann über einen Flüssigkeitskreislauf verteilt werden, welcher natürlich auch noch angewärmt werden muss und Wärme abstrahlt und die Akkus noch in irgendeinem Polymer vergossen sind, welches ebenfalls angewärmt werden muss und das ganze System eher nicht gegen Wärmeverluste isoliert ist, nehmen wir mal an, dass die Erwärmung einen Wirkungsgrad von 70% hat.

Macht also: 4416 * 0,07kg * 0,205Wh/kgK = 63,37 Wh/K

Mit Verlusten wären das rund 90,5Wh, die pro Grad Erwärmung des Akkus aufgewendet werden.

Wenn ich meinen Akku morgens von sagen wir mal 0 Grad anfangend vortemperiere, dann ballern die Statoren mit 6-7 kW los. In einer halben Stunde habe ich also rund 3,5kWh verheizt. Der Akku sollte laut Rechnung dann bei fast 40 Grad sein. Das ist aber definitiv nicht der Fall, denn meist habe ich noch deutliche Einbußen in der Rekuperation.

Leider habe ich kein ScanMyTesla und kann die Werte daher nicht selbst ablesen. Mich würde aber interessieren, wo der Rechenfehler liegt, oder was ich vergessen habe. Vermutlich sollte man z.B. die Masse der Motoren selbst mitrechnen, die muss ja auch noch warm werden, sowie die Kühlflüssigkeit…

Noch schöner wäre es aber, wenn mal jemand nachmessen könnte!

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Mein erster Tipp wäre, dass in der Rechnung die geringe Wärmeleitfähigkeit der Zellen nicht berücksichtigt ist. Auch wenn das System wie irre heizt, werden dadurch erst mal nur die Teile warm, die auch tatsächlich direkten Kontakt mit dem Heizsystem haben. Bis die Akkus selbst dann mal durchgeheizt sind, dauert es sehr lange. Nicht umsonst wurde am Battery Day am neuen Design gefeiert, dass die Wärmezu-und -ableitung nun vertikal geschieht, wo man eine gut wäremleitende Metallwicklung hat und damit die ganze Zelle erreicht. Im derzeitigen Design muss die Wärme horizontal durch hunderte wärmeisolierende Schichten durchkommen.

Dazu kommt noch, dass beim Fahren das Akkugehäuse durch den Fahrtwind sehr effektiv gekühlt wird (Stahl ist ein toller Wärmeleiter). Alleine der Unterschied, den man beim Stehenlassen in einer kalten aber windgeschützten Tiefgarage verglichen mit bei nur wenigen Grad kälter draußen stehenlassen hat, ist enorm. Habe ich selbst letztens erlebt: nach einem Tag 150km/h in der TG mit 5°C abgestellt, und zwei Tage später war der Akku noch wunderbar warm beim Losfahren. Dann einkaufen gefahren und den Wagen eine Stunde bei 1°C draußen stehen gelassen. Und schon war der Akku kalt und blieb es auch. :slight_smile:

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Zum Heizen im Stand habe ich nach kurzer Suche folgende ScanMyTesla Experimente gefunden:

Bjørn Nyland liefert dir Messwerte für sein M3P: Preheating Tesla Model 3 cabin and battery - YouTube

Hier noch ein weiterer Messpunkt von ElectricDave beim Laden und per Heizung. Bei letzterem Video hatte er wohl eine Erwärmung um 16 K in ca 36 Minuten erreicht. kA ob M3 SR+ oder LR/P.

Danke für die Links!

Hier kostet einmal aufwärmen von 0-27 Grad 6,1kWh.
Das ist rund 3 mal so viel wie errechnet.

Es stimmt natürlich, dass der Akku schlecht gegen Wärmeabstrahlung isoliert sein könnte. Ich glaub ich muss demnächst mal einfach überprüfen, ob der merklich warm wird (von außen). Das würde auch einige Verluste erklären!

Hallo pschwed,
deine Herleitung des Heizbedarfes für den (LR-)Akku von rd. 100Wh/°K denke ich passt schon ganz gut. Ich kalkuliere ähnliches wenn auch etwas anders hergeleitet (LR: 480kg des Akkus mit 0,2Wh/°K und kg = ca. 100Wh/°K). Dass dein Quervergleich mit der maximalen Heizleistung der beiden Motoren nicht paßt liegt wohl daran, dass du davon aus gehst, dass die 7KW (im LR) ständig anstehen. So kommst du auf über 3,5kWh an Energie die in einer halben Std in den Akku fliesen müssten. Dem ist aber natürlich nicht so. Die max. Heizleistung wird normalerweise ja nur gezogen wenn der Innenraum aufgeheizt werden muß und der Akku kalt ist. Nach einigen Minuten ist der Innenraum warm und die Heizleistung geht zurück. Wenn du fährst geben deine Motoren und Umrichter Wärme ab, die dann für die Akkuerwärmung genutzt wird. Ich fahre täglich eine einfache Strecke von 100km in 1 Std. Das bietet sich sehr gut an hierzu Vergleiche zu entsprechenden Stundenverbräuchen durchzuführen. Meine SMT Aufzeichnungen ergeben, dass die Abschätzung der Akkuheizenergie mit 0,2Wh/°K und kg ganz gut passt. Im Temperaturbereich von ca. 5°C Außentemperatur kann ich für meine Strecke (LR, 1h Fahrzeit, 100km) tatsächlich 1-1,5kWh Mehrverbrauch für die Akkuheizung gegenüber sommerlichen 20°C bestätigen. Natürlich kommt es ganz darauf an wie schnell du fährst, welche Last deine Motoren abgeben müssen, welche Temperaturdifferenz zw. Akku und Aussentemp. vorliegt etc.
Falls es dich interessiert hier eine SMT Auswertung einer solchen 100km Fahrt. Dazu muß man allerdings sagen, dass ich mein Auto in der Garage stehen habe und trotz 4°C Außentemp. der Akku zu Beginn schon 12°C hat. Schön zu sehen ist, dass die Motoren trotz einiger Beschleunigungen und einer BAB-Geschwindigkeit von 140-150km/h nie richtig heiß werden und den Akku immer mit einer Temperaturdifferenz von ca. 10°K nachziehen.
Das alles gilt für einen TM3 LR mit 5WV (Superbottle) und nicht für ein Refresh Modell mit 8WV. Interessant wäre wenn ein Refresh Fahrer eine ähnliche Auswertung für das 8WV (Octovalve) hier zeigen könnte.

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Ich vermute mal, dass bei der Berechnung von dem Gewicht schon einiges fehlt.
Gehäuse, Kabel, Technik im Akku usw.

Der Akku im Model S lag 2014 bei 600 kg.

Da würde ich davon ausgehen, dass der aktuelle im Model 3 irgendwo zwischen 400 und 450 kg liegt.

Nach der Rechnung oben, wäre es nur 300 kg.

Dann wären noch die erheblichen Unterschiede in der Wärmekapazität der verschiedenen Stoffe im Akku.

Ich kenne den Aufbau von dem Akku nicht, aber wenn die Heizung noch recht weit außen liegt, wird die Umgebung stärker geheizt als der Akku selbst.
Dazu noch erhebliche Kühlung durch Fahrtwind.

Das kann schon Faktor 1-2 werden.

Die Berechnung macht, meiner Meinung nach, erst Sinn, wenn weniger Variablen in der Rechnung sind.

Hier ein weiter Rechner

Siehe letzten Post:

Ich bezweifel dass der Stator mit 7 kW dauer heizen kann. Hier sind es mit Front Stator während der Fahrt nur ~ 2 - 2,5 kW, im Stand 3 kW.

Korrekt, nur die Statoren können über längere Zeit je 3,5kW Wärme für die Batterie verfeuern. Unser RWD kriegt nur besagte 3,5kW für die Batterie hin, alle AWDs eben die 7kW.

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Neben der einfachen Zelle ist auch die Masse des ganze Batteriegehäuses mit einzubeziehen. Die Wärme verteilt sich im Stahl rasant. Hinzu kommt eine sicherlich nicht kleine Menge Wasser Glykolgemisch was bei einer deutlich höheren Wärmecapazität liegt als Metall. Und dann, wird nur ein Motor oder beide zum Aufheizen verwendet? Hier gilt es Rotor und Stator mit weiteren hunderten kg mit einzubeziehen.
Und dann wie schon gesagt die Verluste durch Konvektion und Strahlung an die Umwelt. :see_no_evil:

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Also das ist schon mal richtig interessant.

Ich habe gerade zwei Fahrten absolviert, von je 350km. Bin gegen meine Gewohnheit mal mit komplett ausgekühltem Auto losgefahren und habe dann den Rekuperationsbalken beobachtet.

Bei der ersten Fahrt bei so -4 Grad im Schnitt hat es fast 200km gedauert, bis ich die volle Rekuperationsleistung hatte. Bei der zweiten Fahrt ging es etwas schneller, es war aber auch etwas wärmer (um 1 Grad). Fahrprofil war zu 90% BAB mit Tempomat auf 135km/h.

Halten wir also fest: Die Motoren laufen ziemlich effizient und geben fast kaum Hitze ab, die im normalen Fahrbetrieb ausreichen würde um bei kalten Außentemperaturen den Akku richtig warm zu bekommen.

Aber da wir die Wärmeabgabe der Motoren ja auch nicht kennen frage ich mich jetzt, wie Du auf die Herleitung des Heizbedarfs für den Akku kommst. Wenn ich das richtig verstehe, wird der doch gar nicht aktiv geheizt, also sollte der Mehrverbrauch doch ausschließlich durch den erhöhten Heizbedarf der Kabine kommen, oder sehe ich das falsch?

Das Video vom Tesla Björn bietet für die Frage, was beim Heizen im Stand passiert, ziemlich gute Daten. Muss man nur extrahieren:

Ich habe mal alle 5 Minuten abgelesen:

Die Temperatur der Akkus steigt von
1 Grad auf 1,5 dann 3,75 dann 7,25 dann 11,3 dann 15,3 und schließlich 19 Grad Celsius.

In der Zeit beträgt die Verbrauchte Energie pro 5 Minuten

0,7 dann 0,8 dann 0,8 dann 0,8 dann 0,7 dann 0,8.

Wir sehen also, die Statoren können auch dauerhaft mit 7kW heizen (zumindest über einen 30 Minuten Zeitraum).

Sehr interessant ist auch der Verlauf der Temperatur. Man sieht gut, wie die ganze Heizenergie erst mal in die Motoren entfleucht, bevor man nach 10 Minuten überhaupt erst einen merklichen Unterschied bei der Akkutemperatur sieht.

Die Frage ist, ob das der Motor auch während der Fahrt kann.

Hier fällt die Heizleistung des Front Stator während der Fahrt auf 2 kW ab. Die große Frage ist nun die, ob der hintere Fahrmotor während des Fahrbetriebes überhaupt noch so heizen kann. bzw. überhaupt heizen kann.

Wenn man sich mal die Geschwindigkeit bei Minute 18:51 anschaut dann ergibt sich folgendes:

Geschwindigkeit: 84 km/h
R Power: 10,5 kW
Luftdichte: 1,25 kg/m³ bei 5 °C
CW: 0,24
A: 2,34 m²
Masse: 1800 kg
CRR: 0,009
eta Antrieb: 0,84 (kaltes Öl)
eta Motor; 0,92

= 10,5 kW

Schaut nicht danach aus, also ob der Fahrmotor heizen kann, kann ich mir auch schwer vorstellen, es wird sicherlich bezüglich der Leistungselektronik einen speziellen Heizmodus geben. Bei einem eta von 0,92 gibt der Fahrmotor bei 10,5 kW gerade mal 0,84 kW ab. Der vordere Motor heizt im Heizmodus gerade mal mit 2 kW.
Wenn man mal mehrere Varianten durch rechnet, dann sind hohe Heizleistungen von jenseits 2 kW für den Gesamtverbrauch auch nicht förderlich. Der wird wohl eher bei der Fahrt auf 2 kW begrenzt werden, wenn dieser im Stand 3,5 kW schafft.

Die Thermische Masse bezüglich den Motor braucht man nicht berücksichtigen. Wenn der Motor kalt ist, dann hat dieser Wärmeverluste bezüglich der thermischen Massen. Mit zunehmender Erwärmung und somit Gehäusetemperatur nehmen die Verluste bezüglich der thermischen Masse ab es steigen die Verluste an der Umgebung. Die thermische Masse ist nur eine Verzögerung. Man kann einfachshalber annehmen, dass sich das Motorgehäuse gleich erwärmt hat und nun Wärmeverluste an der Umgebung entstehen. Die Drive Unit hat gerade mal eine Oberfläche von einem m². Bei 8 W / K * m² und einer Temperaturdifferenz von 35 K, betragen die Verluste gerade mal 280 Watt. Zumal sich ja nicht das ganze Gehäuse mit samt Getriebe auf z.B: 30 °C erwärmt, es wird nur am Stator gemessen, der deutlich heißer ist. Die 7 kW angenommene Heizleistung sind einfach viel zu hoch. Laut Video sind es bei der Fahrt gerade mal zwischen 1,5 und 2,5 kW + die Wärmeabgabe von Fahrmotor.

Ja, beim M3 wird die Batterie nicht aktiv geheizt (im Gegensatz zum MS). Die Batterie wird jedoch z.B. durch hohe C-Werte beim (Ent-)laden erwärmt. Werte von 1-4 C (d.h. beim SR+: 55 - 220 kW) führen zu einer signifikanten Erwärmung der Batterie. Diese Wärme wird alleinig durch die chemischen Vorgänge innerhalb der Batterie erzeugt.

Hier für eine LiFePo4 Batterie:

Wärmeverluse Akku und Motor inkl. Getriebe sind passive Heizungen, da hier keine zusätzliche Energie von Akku entnommen werden muss.

Aktive Akku-Heizung bedeutet zusätzliche Entnahme von Energie für eine aktive Heizung, das was über den Heizmodus ebenfalls durch den Motor vollzogen wird, wie in den verlinkten Videos zu entnehmen ist. Somit wird auch der Akku des Model 3 aktiv geheizt.

warum soll er das nicht können? Der SR+ hat nur den einen Motor und auch beim Heranrollen an den SuC wird die Batterie vorgewärmt. Das passiert ja nicht wenn der Wagen konstant 100kmh auf der AB rollt sondern muss durch zusätzliche Wärmeerzeugung passieren. Der LR hat eben zwei „Heizelemente“ und passt die künstlich erzeugte Verlustleistung dem angebrachten Bedarf an.

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Weil der Stator bezüglich dem Heizen entsprechend bestromt wird. im Stand hätte der Motor gar keine Verlustleistung und bei 10 kW im Fahrbetrieb sind es nur ~ 1 kW und keine 3,5 kW. Und laut Video scheint das ja auch nicht zu gehen, siehe Rechnung. Zum mal sich im Fahrbetrieb der Strom entsprechend dem induktiven und ohmischen Widerstand einstellt, denn ein Elektromotor ist kein Heizstab. Ich kenne mich zwar nicht sonderlich gut in Elektrotechnik aus, aber ich kann mir es nicht vorstellen wie das gehen soll, wenn sich der Rotor dreht und der induktive Widerstand und somit sich der Strom ändert. Man sieht ja auch das im Fahrbetrieb der drehende Frontmontor weniger Heizleistung erzeugt, vermutlich auch weil der induktive Widerstand bei zunehmender Rotordrehzahl zunimmt.

Ein Wechselstrommotor ist natürlich kein ohmscher Widerstand.
Was Tesla meiner Meinung nach macht ist den Stator ungünstig (asynchron) anzupulsen. Dadurch erwärmt er sich. Das geht ganz unabhängig davon, ob sich der Rotor gerade dreht, oder nicht.

Disclaimer: Ich bin ebenfalls kein Doktor der Elektrotechnik.

Dann wäre das aber im Fahrbetrieb wohl nicht möglich, was für einen Heizmodus sprechen würde. Sah auch laut überschläger Rechnung auch nicht so aus als ob der hintere Fahrmotor aktiv heizen würde.

ich sehe keinen Grund, warum das nicht möglich sein sollte. Alles was man tun muss, ist dem erzeugten Drehstrom eine weitere, orthogonale Frequenz zu verpassen. Damit wird dann bei jeder Umdrehung eine andere Statorspule ‚aus dem Takt gebracht‘ und erwärmt sich.

Ob die so erreichte Heizleistung dann immer noch 3,5kW beträgt, steht auf einem anderen Blatt.

ich formuliere es mal andersherum…der Markt der SR+ ist vielleicht kleiner als beim LR, aber nicht winzig. Es gibt hunderte Autos die im Winter ohne Vorheizung losfahren und am Supercharger laden wollen. Wäre es nicht möglich mittels „Stator-Heizung“ den Akku auf Temperatur zu bekommen während er fährt wäre dies mit katastrophalen Ladegeschwindigkeiten verbunden die sich schon längst medial Bahn gebrochen hätten. Der Einzige Unterschied beim LR ist, dass das Fahrzeug hier dynamisch etwas mehr Spiel hat den ein oder anderen Motor mehr anzusteuern.