Kein Ladestress: Optimale Routenplanung lässt E-Mobile sicher ankommen

Für viele Fahrer von Elektro­fahrzeugen sind es die zentralen Fragen: Wie weit bringt mich die Batterie und wo kann ich sie möglichst schnell wieder aufladen? Die Ergebnisse eines Forschungs­projekts am Fraunhofer-Institut für Betriebs­festigkeit und System­zuverläs­sigkeit LBF im Rahmen des Verbund­vorhabens „DieMo RheinMain“ sorgen nun für Entspannung. Schon vor Beginn der Reise können Nutzer von Elektro­fahrzeugen in Zukunft mit einem Online-Routen­planer wichtige Informationen über ihren Verbrauch oder ihre Reichweite erhalten.

Mit dem kostenfreien Routenplaner vielmobil.info können sich Nutzer anhand aktueller und prognos­ti­zierter Verkehrs­zustände verkehrs­mittel­über­greifend eine Route im Rhein-Main Gebiet auswählen. Im Rahmen des vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung finanzierten Verbund­vor­habens DieMo RheinMain erweitern die Projektpartner IVM, Betreiber der Informations­plattform, und das Fraunhofer-LBF den Routenplaner gemeinsam um den Baustein Elektro­fahrzeug. Damit lassen sich diese Fahrzeuge mit ihren speziellen Anforderungen wie Restreichweite der Batterie und Lade­möglich­keiten in die Routenplanung einbeziehen. Für die Reichweite wird eine Verbrauchs­berechnung für Elektro­fahrzeuge hinterlegt, um energie­effizient vom Start- an den Zielort zu gelangen. Energie­effizientes Routing heißt zweierlei: Zum einen kann sich der Nutzer, beispiels­weise mit Angaben zu Beladung oder Startzeit – und damit verbunden dem Verkehrsaufkommen –, die Verbrauchs­werte seines Elektro­fahrzeugs für die jeweilige Strecke kalkulieren lassen. Und er kann sich die Route mit dem niedrigsten Energie­verbrauch berechnen lassen.

Eine mangelnde Ladeinfrastruktur und die Ladezeiten machen die Reichweite nach wie vor zum Knackpunkt der Elektro­mobilität. Für jedes Elektro­fahrzeug geben Hersteller einen allgemeinen Verbrauchs­wert in Kilowatt­stunden pro hundert Kilometer an, den sie unter definierten Bedingungen im Labor auf dem Prüfstand ermitteln. Aus dem Verbrauchswert und dem aktuellen Ladezustand der Batterie ergibt sich dann die voraus­sichtliche Reichweite des E-Fahrzeugs.

Die Verbrauchsangaben der Hersteller ermöglichen zwar einen generellen Vergleich von verschiedenen Fahrzeugen untereinander. Allerdings bedeuten die ideali­sierten Labor­bedingungen, dass im echten Betrieb auf der Straße Abweichungen auftreten, abhängig beispiels­weise von der Außen­temperatur, der Beladung oder der tatsächlich gefahrenen Geschwindigkeit. Die zugrundeliegenden Geschwindig­keiten für die Hersteller­angaben sind stark verall­ge­meinert. Daher bilden sie realistische Geschwindig­keits­profile nicht ausreichend ab.

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Ladezustand (SOC, engl. State of Charge) der Batterie. (Bild: Fh.-LBF)

Abhilfe schafft hier eine modell­basierte Ver­brauchs­berechnung des Fraun­hofer-LBF. Dort fließen Angaben zum Fahr­zeug­typ, Beladung, Außen­tempe­ratur, Geschwin­dig­keits­verlauf in Abhängig­keit von der Strecke und vom Ver­kehrs­auf­kommen sowie die Steigung im Strecken­verlauf ein. Die Ver­brauchs­angabe beruht auf einer Simulation, in der sich komplexe mathe­matische Glei­chungs­sys­teme verbergen, die das ent­spre­chende physi­ka­lische Verhalten des Fahr­zeuges bezie­hungs­weise der ent­spre­chenden Bau­teile beschreiben.

Im Rahmen des Projekts DieMo RheinMain hat das LBF im Simu­lations­pro­gramm Matlab/Simulink ein Fahr­zeug­modell für die Ver­brauchs­berechnung aufge­baut und unter­schied­liche Model­lierungs­ansätze untersucht. Das Modell bildet die wesentlichen Verbraucher von den Fahrwider­ständen bis zu den Antriebs­strang­verlusten ab. Es berück­sichtigt auch Heizung, Klima­anlage und andere geringere Neben­ver­braucher. In einer Rückwärts­simulation liefert das Modell als Ergebnis einen Energie­verbrauch bei vorge­gebener Geschwin­digkeit.

Um realistische Werte abzubilden, unternahmen die LBF-Wissen­schaftler zahlreiche Messungen mit unter­schied­lichen Elektro­fahrzeugen und verglichen diese mit den Teil­ergeb­nissen der Simulationen. Dazu nutzten sie unter anderem Messfahrten der elektro­mobilen Forschungs­flotte des Instituts. Entsprechend der unter­schied­lichen Elektro­motoren für den Antrieb der Elektrofahrzeuge wurden alle auf dem Markt befindlichen Bauformen im Fahrzeug­modell hinterlegt. Abschließend verglichen die Darmstädter Forscher das gesamte Modell des Fahrzeuges mit den Daten aus den Messfahrten. Die Ergebnisse zur simulierten Batterie­kapazität beziehungsweise zum Ladezustand der Batterie, englisch SOC für „State of Charge“, stimmen gut mit der Messung überein.

Am Beispiel eines Fahrzeuges der Kompakt­klasse zeigen die Ergebnisse auf einer realen Beispiel­strecke, dass der Hersteller den tatsäch­lichen Verbrauch um 25 Prozent unterschätzt, während das Fahrzeug­modell des LBF den Verbrauch um fünf Prozent leicht überschätzt. Für den zukünf­tigen Anwender der Informations­plattform http://www.vielmobil.info bedeutet dies, dass der Routen­berechnung ein konservativer Energie­verbrauch zugrunde liegt und er daher bei seiner Routen­planung auf der „sicheren Seite“ bleibt. Bereits vor Fahrt­antritt wird die kostenfreie Online­dienst­leistung dem Platt­form­nutzer die Reich­weite seines Elektro­fahrzeugs realis­tisch angeben und ermöglicht ihm eine energie­effiziente Routenwahl. (Quelle: Fh.-LBF)

Links: DieMoRheinMain: FrankfurtRheinMain vernetzt – Dienstleistungen fördern elektrische MobilitätZentrum für Systemzuverlässigkeit Elektromobilität / ZSZ-e, Fraunhofer-Institut für Betriebs­festigkeit und System­zuverläs­sigkeit LBF, Darmstadt

Weitere Beiträge: „Zentrum für System­zuver­lässig­keit / Elektro­mobi­lität ZSZ-e“ er­öffnet, energyviews.de, 27. März 2015

Bild: Messfahrten zum Realitäts-Check. (Bild: Fh.-LBF)

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