E-Mobilität: Verbrauchsprognostik für mehr Reichweite

AUTOCAD & Inventor Magazin: Die vergleichsweise geringe Reichweite von Elektrofahrzeugen wird als wichtiges Hindernis beim Durchbruch der Elektromobilität angesehen. Dabei steht meist die Leistungsfähigkeit der Batterien im Fokus. Das Projekt GreenNavigation verfolgt nun einen anderen, umfassenderen Zugang zu dem Thema. Können Sie uns diesen bitte erläutern?

Alexander Viehl: Die Speicherkapazität der Batterien spielt eine wichtige Rolle, wenn es um die technische Reichweite von Elektrofahrzeugen geht. Graduelle Verbesserungen führen jedoch zu keiner deutlichen Erhöhung des Vertrauens in die Elektromobilität und einer breiteren Nutzbarkeit. Hier kommt die „Reichweitenangst“ ins Spiel, das heißt, die Unsicherheit über die verbleibende Reichweite und die Angst liegenzubleiben. Dies führt dazu, dass von der verfügbaren Reichweite ohne Nachladen – bei Elektrofahrzeugen ohne Range Extender üblicherweise unter 200 Kilometer – nochmals deutlich weniger genutzt wird, um einen Sicherheitspuffer verfügbar zu halten. Das kennt man bereits von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor: Da die angezeigte verfügbare Reichweite stark schwankt, fährt man den Tank nicht leer, um ein Liegenbleiben zu vermeiden. Eine von vielen als kritisch wahrgenommene Restreichweite von 50 Kilometern entspricht bei Elektrofahrzeugen bis zu einem Drittel der Reichweite.

Der Ansatz von GreenNavigation besteht darin, die Reichweitenangst durch verlässliche Angaben, die aus verschiedenen Informationsquellen fusioniert werden, einzuschränken und gleichzeitig die tatsächlich nutzbare Reichweite zu erhöhen. Diese Angaben umfassen etwa die Erreichbarkeit von Zielen und Ladesäulen sowie die verbleibende Reichweite auf unterschiedlichen Strecken.

AUTOCAD & Inventor Magazin: Als ein Ziel des Projekts wird erwähnt, zuverlässige Informationen über die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu gewinnen. Inwiefern sind die bereits vorhandenen Informationen nicht genau genug?

Christian Schyr: Klassische Ansätze aus dem Bereich der Verbrennungsmotoren basieren auf dem zurückliegenden Durchschnittsverbrauch. Dieser wird – zumeist pessimistisch mit Sicherheitspuffer – auf die verfügbare Restmenge fossilen Treibstoffs angewendet. Der etwas ungenaue Ansatz ist hier trotzdem passend, da die verfügbare Reichweite hoch ist und Schätzungen zumeist über verschiedene charakteristische Bereiche (Stadtverkehr, Autobahn usw.) hinweg erfolgen. Dazu kommen ein dichtes Tankstellennetz und eine sehr kurze Betankungsdauer.

Ein kompletter Ladevorgang für Elektrofahrzeuge dauert hingegen bis zu acht Stunden. Das heißt, die Reichweite muss sehr genau geschätzt werden, um inakzeptable Verzögerungen zu vermeiden. Dazu müssen sehr genaue Modelle der Energieverbraucher des Fahrzeugs und ihres Zusammenspiels, der Charakteristik des Antriebsstrangs, der eingesetzten Energiemanagement- und Optimierungsstrategien, der Beladung sowie des energetischen Einflusses von Fahr- und Betriebsstrategien bekannt sein.

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Auch muss der Fahrer, der durch seinen Fahrstil die tatsächliche Reichweite bestimmt, genau charakterisiert, mit den Auswirkungen des Fahrstils auf den Energieverbrauch konfrontiert und zu einer energieeffizienten Fahrweise angeleitet werden. Jedoch auch Umweltbedingungen wie Wetter und Verkehr oder das Höhen- und Kurvenprofil der gewählten Strecke haben Einfluss auf den Energieverbrauch.

AUTOCAD & Inventor Magazin: Könnten Sie hierfür ein Beispiel nennen, an dem diese Problematik besonders deutlich wird?

Christian Schyr: Ein Beispiel stellt das Liegenbleiben aufgrund des Energieverbrauchs der Klimatisierung dar. Tests unter extremen Umweltbedingungen zeigen, dass die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums und die Bereitstellung von geeigneten Betriebsbedingungen für die Batterien die Reichweite um bis zu 50 Prozent einschränken können. Das heißt, diese Parameter der Reisestrecke müssen zusammen mit der thermischen Konditionierung des Fahrzeugs berücksichtigt werden. Nur so kann Komfort garantiert und die Möglichkeiten bestehender Elektrofahrzeuge ausgeschöpft werden.

AUTOCAD & Inventor Magazin: Lassen sich für GreenNavigation auch Erkenntnisse und Verfahren nutzen, die bei der Verbrauchsoptimierung von Verbrennungsmotoren schon gewonnen respektive verwendet wurden?

Alexander Viehl: Grundsätzlich sind Prinzipien wie Leichtbau und deren positiver Einfluss auf Fahrzeuggewicht und Verbrauch bereits in GreenNavigation integriert. Auch werden wir mit Kennfeldern der Fahrzeugkomponenten arbeiten, um einen optimierten Verbrauch zu erreichen. Fahrstrategien wie „Segeln“ ohne Motorlast lassen sich bei Elektrofahrzeugen sehr gut einsetzen, da der Elektromotor komplett ausgeschaltet werden kann. Wir werden ferner auf eine Vielzahl von etablierten Entwurfs- und Simulationswerkzeugen zurückgreifen, um Modelle und Software schnell und ganzheitlich zu entwickeln.

AUTOCAD & Inventor Magazin: Wenn man einmal die Entwicklung der Batterien beiseite lässt, inwieweit könnten die im Projekt vorgeschlagenen Maßnahmen die Reichweite verbessern?

Alexander Viehl: Die ganzheitliche Reichweitenprognostik wird die nutzbare Reichweite erhöhen, da diese genauer und verlässlich eingegrenzt werden kann. Wir arbeiten mit Modellen und Analysen, mit denen sich die für das Gesamtsystem kritischen Verbraucher und signifikante Parameter identifizieren lassen. Daraus resultierende Anpassungsvorschläge können zur Konstruktion und Anpassung maßgeschneiderter Komponenten und Konfigurationen genutzt werden. Weiterhin soll die Verbrauchsschätzung von Streckensegmenten die Auswahl einer energieeffizienten Route unterstützen. Die im Fahrverlauf kontinuierlich erfolgende Anleitung des Fahrers wird zudem zu einer genaueren Vorhersage und einer optimierten Reichweite beitragen.

Dr. rer. nat. Alexander Viehl, Abteilungsleiter am FZI Forschungszentrum Informatik im Forschungsbereich Systementwurf in der Mikroelektronik (SiM).

AUTOCAD & Inventor Magazin:  Einige Informationen für die Verbrauchsermittlung, etwa die Standorte der Ladesäulen oder die Fahrzeugeigenschaften, unterliegen ja ständiger Veränderung. Welche Grundannahmen werden hier getroffen?

Christian Schyr: Die Flexibilität, über solche, aber auch viel kurzfristigere Veränderungen – etwa Wetterumschwung oder Stau – informiert zu werden und darauf reagieren zu können, ist eine Stärke von GreenNavigation. Neben der Modellierung der Verbrauchscharakteristik des Fahrzeugs erfolgt eine permanente Anreicherung und Aktualisierung der Informationen zu Fahrzeugkontext, Umgebung und Strecke. Diese setzen sich aus dem Höhen- und Temperaturprofil von Streckensegmenten, dem Zustand des Fahrzeugs, der Beladung sowie des Fahrertyps zusammen. Insbesondere Informationen zu Umgebung und Strecke werden neben der Sensorik durch eine im Projekt zu entwickelnde Backend-Infrastruktur bereitgestellt. Diese wird existierende und neuartige Informationsdienste verfügbar machen und durch eine Kommunikationsinfrastruktur mit der Analytik zur Verbrauchsprognose koppeln.

AUTOCAD & Inventor Magazin: Inwiefern ist das Projekt offen für die Berücksichtigung technischer Veränderungen, zum Beispiel bei der Lade-Infrastruktur und der Antriebstechnik?

Christian Schyr: Wir haben keine spezifische Bindung zu diesen Technologien. Unsere Anforderung ist, dass sie modular und austauschbar sind. Dieser flexible Ansatz ist eine wesentliche Eigenschaft von GreenNavigation. Damit stellen wir sicher, dass der Ansatz fahrzeugunabhängig entwickelt wird und auch auf andere Fahrzeuge als den im Projekt eingesetzten Peugeot 3008 FEV anwendbar ist. So können die Ergebnisse des Projekts von allen Partnern verwertet werden.

AUTOCAD & Inventor Magazin: Damit die Reichweitenvorteile tatsächlich ausgenutzt werden können, müssten die Ergebnisse der Berechnungen doch auch wieder in die Planung der Infrastruktur einfließen. Inwiefern wäre das überhaupt möglich?

Christian Schyr: Es wurde bereits früh erkannt, dass die Abdeckung und Kapazität der Infrastruktur eine Grundvoraussetzung für den flächendeckenden Einsatz der Elektromobilität ist. In ländlichen Regionen ist die Reichweite daher oft noch gering und der Einsatz von Elektrofahrzeugen im Alltag schwierig. Im Projekt wollen wir deshalb Reichweiteninformationen durch Segmentberechnungen in alle Richtungen ermitteln. Über das Gewichten von Strecken mittels Verkehrsflussinformationen lassen sich potenzielle Engpässe bei projiziertem Aufkommen von Elektrofahrzeugen aufdecken. Diese Informationen können von weiteren Projekten im Spitzencluster Elektromobilität Süd-West, den in Planung befindlichen Schaufenstern Elektromobilität, öffentlichen Planungsstellen aber auch von privaten Infrastrukturanbietern aufgegriffen werden.

AUTOCAD & Inventor Magazin: Wie könnte die praktische Umsetzung der Projektergebnisse in der Zusammenarbeit mit der Autoindustrie dann aussehen?

Alexander Viehl:<P> Hier gibt es vielfältige Einsatz- und Umsetzungsszenarien für Dienstleistungen und Produkte. In einer ersten Phase könnte die Reichweitenprognostik auf andere Fahrzeugfabrikate, Typen und Varianten anwendet werden. Für eine Durchdringung, einen hohen Grad an Automatisierung und Modularität müssen mittelfristig gemeinsam mit Automobilherstellern und Zulieferern geeignete Modelle, Austauschformate und Standards entwickelt werden, die eine genaue Reichenweitenprognostik erlauben. Parallel dazu könnte eine Kommerzialisierung der im Projekt prototypisch entwickelten Backend-Dienste erfolgen. Auch hier muss man sich früh zusammen mit der Industrie Gedanken über die Standardisierung von Daten, Diensten und Schnittstellen machen, um Synergien zu nutzen und Parallelentwicklungen zu vermeiden.

AUTOCAD Magazin: Wie sieht für Sie das optimale Elektrofahrzeug aus?

Alexander Viehl: „Optimal“ ist bei Elektrofahrzeugen wie auch bei klassischen Fahrzeugen immer sehr subjektiv. Elektrofahrzeuge werden jedoch, solange die Energiespeicherung nicht zufriedenstellend gelöst ist, weniger allgemein nutzbar sein als bisherige Fahrzeuge. Es wird auf absehbare Zeit verschiedene Subsegmente geben (zum Beispiel Stadtfahrzeuge, Langstreckenfahrzeuge mit Range Extender), die sich gegenüber klassischen Fahrzeugsegmenten (wie zum Beispiel Kleinwagen, Van) zusätzlich durch Reichweite und Antriebstechnologie unterscheiden lassen. Die Eignung eines Elektrofahrzeugs definiert sich somit am individuellen Mobilitätsbedürfnis.

AUTOCAD & Inventor Magazin: Herr Viehl, Herr Schyr, vielen Dank für das Gespräch.

 

Das Interview führte:

Andreas Müller

 

Info: Projekt „GreenNavigation“

Das im Spitzencluster Elektromobilität Süd-West vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt „GreenNavigation“ verfolgt das Ziel, die Reichweiten von Elektrofahrzeugen zu optimieren. Dazu werden die Projektpartner neuartige Fahrzeugkonzepte, moderne Kommunikationstechnologien und Entwicklungswerkzeuge intelligent miteinander verbinden. Um zuverlässige Verbrauchsvorhersagen zu generieren, wird ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt. Dieser umfasst Fahrzeugeigenschaften und Betriebsstrategien, neue Methoden zur Berechnung energieoptimierter Routen, das Fahrerverhalten sowie den Informationsaustausch zwischen Fahrzeug und Umgebung. Damit will man einen Beitrag dazu leisten, die Einsatzmöglichkeiten von Elektrofahrzeugen deutlich zu erhöhen und so das Vertrauen der Endkunden in die Elektromobilität zu steigern. Beteiligt sind die Unternehmen CarMedialab GmbH, die Daimler FleetBoard GmbH, das FZI Forschungszentrum Informatik, die IPG Automotive GmbH, die Harman Becker Automotive Systems GmbH, die PTV Group sowie die Robert Bosch GmbH. 

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