Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Einleitung:
In der heutigen Zeit führt die Knappheit an nicht erneuerbaren Energieressourcen in vielen Bereichen zu einem Trend umweltschonender Technologien. Daher ist es nötig, umzudenken und Methoden zu entwickeln, welche das Hauptaugenmerk nicht ausschließlich auf das Erzielen von hohen Geschwindigkeiten und Zeitgewinn legen, sondern vor allem den Aspekt der sparsamen Nutzung von Ressourcen beachten.
Dieser Bereich schließt auch den effizienten Gebrauch von Traktionsbatterien, deren Energie zur Fortbewegung von Elektrofahrzeugen genutzt wird, in der Elektromobilität mit ein. Mit aktuellen Batterietechnologien lassen sich Elektromotoren realisieren, die schon energieeffizienter als Verbrennungsmotoren sind, jedoch ermöglichen sie den Fahrzeugen nur verhältnismäßig geringe Reichweiten. Hauptsächlich liegt dies daran, dass Batterien vergleichsweise viel Platz im Fahrzeug benötigen, da sie eine etwa um den Faktor 100 geringere Energiedichte besitzen als fossile Ressourcen wie Benzin oder Diesel. Daher hat die optimale Ausnutzung der Energie für die Mobilität bei batteriebetriebenen Fahrzeugen eine größere Bedeutung als bei herkömmlichen Fahrzeugen.
Ein möglicher Ansatzpunk für eine Verbesserung ist, eine für Elektrofahrzeuge optimal geführte Navigation durch energiebasiertes Routing zu nutzen. Dies hat den Vorteil, dass im Gegensatz zur Berechnung von kürzesten oder schnellsten Routen auf die Minimierung des Energieverbrauchs geachtet wird. Ein solches Routing ist jedoch sehr komplex und von vielen Faktoren abhängig, wie das folgende Szenario aufzeigt.
Viele Elektrofahrzeuge haben durch die begrenzte Batteriekapazität im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor nur eine geringe Reichweite. Das Fahrzeugmodell smart fortwo electric drive des Herstellers Smart, welches vollständig elektrisch angetrieben wird, besitzt eine Reichweite von etwa 135 km mit einer vollen Batterieladung, was beispielsweise einer Fahrt von Aachen nach Antwerpen entspräche. Dieser Wert wird jedoch nur vom Hersteller als Richtwert angegeben: In der Praxis werden solche Angaben sehr selten erreicht, in den meisten Fällen liegen sie darunter. Es gibt viele Gründe dafür, warum die Richtwerte des Herstellers bezüglich des Energieverbrauchs und der Reichweite oft nicht mit den Erfahrungen aus der Praxis übereinstimmen.
Steigungen:
Bei hohen Steigungen wird erheblich mehr Energie für die Anfahrt benötigt. Ebene Strecken können sich daher positiv auf den […]
In der heutigen Zeit führt die Knappheit an nicht erneuerbaren Energieressourcen in vielen Bereichen zu einem Trend umweltschonender Technologien. Daher ist es nötig, umzudenken und Methoden zu entwickeln, welche das Hauptaugenmerk nicht ausschließlich auf das Erzielen von hohen Geschwindigkeiten und Zeitgewinn legen, sondern vor allem den Aspekt der sparsamen Nutzung von Ressourcen beachten.
Dieser Bereich schließt auch den effizienten Gebrauch von Traktionsbatterien, deren Energie zur Fortbewegung von Elektrofahrzeugen genutzt wird, in der Elektromobilität mit ein. Mit aktuellen Batterietechnologien lassen sich Elektromotoren realisieren, die schon energieeffizienter als Verbrennungsmotoren sind, jedoch ermöglichen sie den Fahrzeugen nur verhältnismäßig geringe Reichweiten. Hauptsächlich liegt dies daran, dass Batterien vergleichsweise viel Platz im Fahrzeug benötigen, da sie eine etwa um den Faktor 100 geringere Energiedichte besitzen als fossile Ressourcen wie Benzin oder Diesel. Daher hat die optimale Ausnutzung der Energie für die Mobilität bei batteriebetriebenen Fahrzeugen eine größere Bedeutung als bei herkömmlichen Fahrzeugen.
Ein möglicher Ansatzpunk für eine Verbesserung ist, eine für Elektrofahrzeuge optimal geführte Navigation durch energiebasiertes Routing zu nutzen. Dies hat den Vorteil, dass im Gegensatz zur Berechnung von kürzesten oder schnellsten Routen auf die Minimierung des Energieverbrauchs geachtet wird. Ein solches Routing ist jedoch sehr komplex und von vielen Faktoren abhängig, wie das folgende Szenario aufzeigt.
Viele Elektrofahrzeuge haben durch die begrenzte Batteriekapazität im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor nur eine geringe Reichweite. Das Fahrzeugmodell smart fortwo electric drive des Herstellers Smart, welches vollständig elektrisch angetrieben wird, besitzt eine Reichweite von etwa 135 km mit einer vollen Batterieladung, was beispielsweise einer Fahrt von Aachen nach Antwerpen entspräche. Dieser Wert wird jedoch nur vom Hersteller als Richtwert angegeben: In der Praxis werden solche Angaben sehr selten erreicht, in den meisten Fällen liegen sie darunter. Es gibt viele Gründe dafür, warum die Richtwerte des Herstellers bezüglich des Energieverbrauchs und der Reichweite oft nicht mit den Erfahrungen aus der Praxis übereinstimmen.
Steigungen:
Bei hohen Steigungen wird erheblich mehr Energie für die Anfahrt benötigt. Ebene Strecken können sich daher positiv auf den […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
Vinh Yen Cao
Routing in der Elektromobilität
ISBN: 978-3-8428-1861-3
Herstellung: Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2011
Zugl. Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH), Aachen,
Deutschland, Diplomarbeit, 2011
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© Diplomica Verlag GmbH
http://www.diplomica.de, Hamburg 2011
Zusammenfassung
In dieser Arbeit wird ein Verfahren für eine Routenberechnung beschrieben, welches die
kritischen Aspekte von Elektrofahrzeugen berücksichtigt. Die Wahl einer Strecke basiert
dabei auf dem voraussichtlichen Energieverbrauch des Fahrzeugs. Da eine Bewertung
nach diesem Kriterium sehr komplex ist, werden die verschiedenartigen Einflussfaktoren
des Energieverbrauchs klassifiziert und in ein Fahrzeug- und ein Weltmodell abgebildet.
Diese Modelle implizieren die Konstruktion einer gültigen Metrik und bilden zusammen
mit einem Graphen, welcher ein Straßennetz repräsentiert, ein Grundgerüst für ein
heuristisches Suchverfahren.
Das Verfahren bildet den Kern einer Anwendung, deren Architektur eine Benutzero-
berfläche zur Interaktion, ein Logiksegment, welches die Suchroutine implementiert, und
ein Datenbanksystem zur Verwaltung geospatialer Daten beinhaltet. Um den theoreti-
schen Ansatz zu verifizieren, werden Daten mithilfe eines Elektrofahrzeugs aufgezeichnet
und analysiert, auf deren Basis die Einflussfaktoren konfiguriert und die dazugehörigen
Funktionen der Modelle konkretisiert werden.
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung
1
1.1
Szenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
Ziel dieser Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.2.1
Entwurf eines Routingalgorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.2.2
Darstellung einer Route . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.2.3
Verifizierung des Verfahrens mit einem Elektrofahrzeug . . . . .
4
1.3
Gliederung dieser Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2
Elektromobilität
7
2.1
Elektrofahrzeugkonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.1.1
Personenkraftfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.1.2
Zweiradfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
2.1.3
Schienenfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
2.2
Probleme bei Elektrofahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
2.2.1
Leistungsfähigkeit von Traktionsbatterien . . . . . . . . . . . . .
12
2.2.2
Reichweitenbeschränkung der Elektrofahrzeuge . . . . . . . . . .
14
2.2.3
Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . .
15
2.3
Anforderungen für das energiebasierte Routing . . . . . . . . . . . . . .
16
3
Navigation
17
3.1
Problemstellung in der Navigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
3.2
Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
3.2.1
Routingstrategien für treibstoffbetriebene Kraftfahrzeuge . . . .
19
3.2.2
Routingstrategien für andere Verkehrsteilnehmer . . . . . . . . .
22
3.3
Suchverfahren in Graphen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
3.3.1
Uninformierte Suche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
3.3.2
Heuristische Suche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
v
Inhaltsverzeichnis
4
Theoretischer Lösungsansatz
29
4.1
Skizzierung des Lösungsansatzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
4.2
Abbilden eines Straßennetzes in eine Graphenstruktur . . . . . . . . . .
31
4.3
Aufstellen einer Metrik auf Basis von Einflussfaktoren . . . . . . . . . .
32
4.3.1
Fahrzeugspezifische Einflussfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . .
32
4.3.2
Umweltspezifische Einflussfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
4.3.3
Konstruktion eines Fahrzeugmodells aus den fahrzeugspezifischen
Einflussfaktoren
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
4.3.4
Konstruktion eines Weltmodells aus den umweltspezifischen Ein-
flussfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
4.3.5
Komposition einer Metrik zur Bestimmung der gesuchten Route
40
4.4
Auswahl eines Suchalgorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
4.4.1
Konstruktion einer Heuristikfunktion . . . . . . . . . . . . . . . .
43
4.4.2
Beweis für die Gültigkeit der konstruierten Heuristikfunktion . .
45
4.4.3
Algorithmus zur Routenberechnung
. . . . . . . . . . . . . . . .
47
5
Praktische Umsetzung
49
5.1
Allgemeine Beschreibung der Implementierung . . . . . . . . . . . . . .
49
5.2
Architektur des Zielsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
5.3
Komponenten des Zielsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
5.3.1
Graphical User Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
5.3.2
Heuristisches Suchverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
5.3.3
Objektrelationales Datenbanksystem . . . . . . . . . . . . . . . .
54
5.4
Verwendete Frameworks und Technologien . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
5.4.1
GeoTools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
5.4.2
Geographische Daten von OpenStreetMap . . . . . . . . . . . . .
56
5.4.3
Höhenbezogene Daten von SRTM . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
5.4.4
PostgreSQL mit PostGIS als geospatiale Datenbankerweiterung .
58
5.5
Interaktionsdiagramme der Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
5.6
Realisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
5.6.1
Aufbereiten der geodäsischen Daten . . . . . . . . . . . . . . . .
63
5.6.2
Entwurf der JAVA-Klassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
5.6.3
Darstellung der Route . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
5.7
Probleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
vi
Inhaltsverzeichnis
6
Evaluation
69
6.1
Konfiguration der Metrik auf Basis eines Elektrofahrzeug
. . . . . . . .
69
6.1.1
Konfiguration der Parameter des Fahrzeugmodells . . . . . . . .
70
6.1.2
Konfiguration der Funktionen des Fahrzeug- und des Weltmodells
73
6.2
Verifizierung der Metrik auf Basis der Parametrierung . . . . . . . . . .
75
7
Diskussion und Ausblick
77
7.1
Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
8
Anhang
79
Abbildungsverzeichnis
85
Tabellenverzeichnis
87
Literaturverzeichnis
89
vii
1 Einleitung
In der heutigen Zeit führt die Knappheit an nicht erneuerbaren Energieressourcen in vie-
len Bereichen zu einem Trend umweltschonender Technologien. Daher ist es nötig, um-
zudenken und Methoden zu entwickeln, welche das Hauptaugenmerk nicht ausschließlich
auf das Erzielen von hohen Geschwindigkeiten und Zeitgewinn legen, sondern vor allem
den Aspekt der sparsamen Nutzung von Ressourcen beachten.
Dieser Bereich schließt auch den effizienten Gebrauch von Traktionsbatterien, deren
Energie zur Fortbewegung von Elektrofahrzeugen genutzt wird, in der Elektromobili-
tät mit ein. Mit aktuellen Batterietechnologien lassen sich Elektromotoren realisieren,
die schon energieeffizienter als Verbrennungsmotoren sind, jedoch ermöglichen sie den
Fahrzeugen nur verhältnismäßig geringe Reichweiten. Hauptsächlich liegt dies daran,
dass Batterien vergleichsweise viel Platz im Fahrzeug benötigen, da sie eine etwa um
den Faktor 100 geringere Energiedichte besitzen als fossile Ressourcen wie Benzin oder
Diesel [FWS09]. Daher hat die optimale Ausnutzung der Energie für die Mobilität bei
batteriebetriebenen Fahrzeugen eine größere Bedeutung als bei herkömmlichen Fahr-
zeugen.
Ein möglicher Ansatzpunk für eine Verbesserung ist, eine für Elektrofahrzeuge opti-
mal geführte Navigation durch energiebasiertes Routing zu nutzen. Dies hat den Vorteil,
dass im Gegensatz zur Berechnung von kürzesten oder schnellsten Routen auf die Mi-
nimierung des Energieverbrauchs geachtet wird. Ein solches Routing ist jedoch sehr
komplex und von vielen Faktoren abhängig, wie das folgende Szenario aufzeigt.
1.1 Szenario
Viele Elektrofahrzeuge haben durch die begrenzte Batteriekapazität im Vergleich zu
Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor nur eine geringe Reichweite. Das Fahrzeugmodell
smart fortwo electric drive des Herstellers Smart, welches vollständig elektrisch ange-
trieben wird, besitzt eine Reichweite von etwa 135 km mit einer vollen Batterieladung
1
,
was beispielsweise einer Fahrt von Aachen nach Antwerpen entspräche. Dieser Wert
wird jedoch nur vom Hersteller als Richtwert angegeben: In der Praxis werden solche
Angaben sehr selten erreicht, in den meisten Fällen liegen sie darunter. Es gibt viele
Gründe dafür, warum die Richtwerte des Herstellers bezüglich des Energieverbrauchs
und der Reichweite oft nicht mit den Erfahrungen aus der Praxis übereinstimmen.
· Steigungen
Bei hohen Steigungen wird erheblich mehr Energie für die Anfahrt benötigt. Ebene
1
http://www.smart.de/
1
1 Einleitung
Strecken können sich daher positiv auf den Zustand der Traktionsbatterie und die
Reichweite auswirken. Außerdem könnten die Schubkräfte, die durch Fahrten mit
Gefälle entstehen, für Energierückgewinnungssysteme genutzt werden.
· Fahrgeschwindigkeit
Eine höhere Geschwindigkeit bedeutet in der Regel eine höhere Belastung der
Traktionsbatterie und somit eine schnellere Entladung. Der Energieverbrauch ist
bei niedrigen Geschwindigkeiten für die gleiche Zeitspanne geringer.
· Stadt- oder Autobahnfahrt
Innerhalb von Städten stellen Ampeln oder verhältnismäßig viele Kurvenstücke
auf einer Route unterschiedliche Anforderungen an das Fahrzeug, da beispielsweise
Brems- oder Beschleunigungsvorgänge im Stadtverkehr häufiger vorkommen als
bei Autobahnfahrten.
· Individuelle Fahrweise
Starkes Beschleunigen oder Abbremsen sowie überhöhte Geschwindigkeiten kön-
nen zu einem höheren Energieverbrauch führen, wohingegen defensives Fahrver-
halten energieeffizienter ist.
· Zusätzliches Gewicht
Anhänger, Beifahrer oder Gepäck beeinflussen durch Erhöhung der Nutzlast mit-
unter die aufzubringende Energie zur Fortbewegung.
Eines der Probleme, die daraus resultieren, ist die Frage nach der sichergestellten An-
kunft an ein Ziel, welches im schlechtesten Fall unmittelbar an der Grenze der Reichwei-
tenangaben des Fahrzeugs liegt. Möchte eine reisende Person mit einem smart fortwo
electric drive von Aachen nach Antwerpen fahren, dann könnte eine weniger batterie-
schonende Fahrt dazu führen, dass das Fahrzeug nicht über genug Energie verfügt, um
sicherzustellen, dass der Reisende auch in Antwerpen ankommt.
Ein anderes Problem ergibt sich dann, wenn ein Fahrer mehrere aufeinander folgende
Strecken abfahren möchte, aber aus Kostengründen versucht, die Anzahl der Zwischen-
ladungen zu minimieren. Beispiele dafür sind Taxifahrten, ambulante Fahrdienste oder
Mietfahrzeuge. Wenn in diesem Fall ungünstige Routen gewählt würden, könnte es eine
geringere Anzahl von abgefahrenen Strecken zur Folge haben, bis eine nächste Ladung
der Traktionsbatterie nötig ist.
Eine Möglichkeit, diese Probleme zu lösen, ist, vor einer Fahrt einen energiesparenden
Weg zu einem Ziel zu bestimmen. Dies kann durch den Einsatz von Routing-Verfahren
realisiert werden, die eine optimierte Route für elektrobetriebene Fahrzeuge berechnen.
Durch die Reichweitenverlängerung kann entweder ein Fahrzeug eine zusätzliche Distanz
zurücklegen oder die überschüssige Energie als Puffer verwendet werden.
Ein Routing-Verfahren analysiert verschiedene Pfade von einem Startpunkt zu einem
Ziel und wählt den optimalen Pfad anhand einer Metrik aus. Im Fall der Elektrofahr-
zeuge ist es daher für Anwender wichtig, dass eine bezüglich des Energieverbrauchs
2
1.2 Ziel dieser Arbeit
optimale Route für die Fahrt ausgewählt wird. Strecken, die beispielsweise über Ge-
birgspässe führen, sind für ein solches Fahrzeug nicht optimal, da sie aufgrund der
Steigung sehr viel Energie verbrauchen und daher den Ladezustand der Batterie stark
vermindern. Ein Umweg, der über eine Strecke mit wenig Höhenunterschied führt, wäre
gegebenenfalls ein energiesparenderer Pfad.
Eng mit dem Thema der Routing-Algorithmen verknüpft ist die Navigation im Au-
tomobilbereich. Hier haben Navigationsgeräte, wie von den Herstellern Navigon
2
oder
TOMTOM
3
, die Aufgabe, den Benutzer mittels eines optimalen Pfads von einer aktu-
ellen Position zu einem bestimmten Ziel zu lotsen. Der Benutzer kann dabei angeben,
nach welchen Kriterien eine Route berechnet werden soll. Häufig werden hier die kürzes-
ten oder die schnellsten Wege berechnet. Diese Metriken sind nicht immer optimal: Die
Bestimmung von Pfaden für Fahrzeuge, deren Energiekapazität nur begrenzt ist und
deren Energieverbrauch einen kritischen Faktor darstellt, stimmt daher in vielen Fällen
nicht mit den optimalen Pfaden üblicher Metriken überein, weil der Energieverbrauch
überhaupt nicht mit in die Berechnung einbezogen wird.
Die Konsequenz ist, dass die Benutzung einer energiesparenden Strecke eine geringere
Entladung der Batterie zur Folge hätte und somit die Reichweite des Fahrzeugs und die
Effizienz der Batterie erhöht werden würde.
1.2 Ziel dieser Arbeit
Um eine effizientere Ausnutzung der Batterie bezüglich der Energie und der Reichweite
zu erzielen, wird in dieser Arbeit ein Werkzeug entwickelt, das eine optimale Route für
Elektrofahrzeuge bezüglich des Energieverbrauchs ermittelt. Dadurch ergibt sich eine
übergeordnete Einteilung der Arbeit in drei Aufgaben. Im ersten Schritt soll ein passen-
der Routingalgorithmus ausgewählt und angepasst werden, der eine optimale Route für
Elektrofahrzeuge bestimmt. Danach soll dem Benutzer diese Route visuell präsentiert
werden, so dass er von seiner aktuellen Position auf dem berechneten Pfad zum Zielort
gelangen kann. Zuletzt soll der angewandte Algorithmus mit einem Elektrofahrzeug
verifiziert und optimiert werden.
1.2.1 Entwurf eines Routingalgorithmus
Für die Aufgabe, eine optimale Route zu bestimmen, wird ein Algorithmus benötigt,
welcher einen optimalen Pfad von einem Startpunkt zu einem Ziel berechnet. Im We-
sentlichen besteht der Entwurf dieses Verfahrens aus zwei Schritten: Zuerst muss ei-
ne Streckenanalyse vorgenommen werden, die die Güte von Teilstrecken bezüglich des
Energieverbrauchs angibt. Auf dieser Basis wird dann ein Algorithmus zur Bestimmung
der Gesamtstrecke eingesetzt.
2
http://www.navigon.com/
3
http://www.tomtom.com/
3
1 Einleitung
Schritt 1: Streckenanalyse
Anfangs werden Teilstrecken, wie beispielsweise einzelne
Straßenabschnitte, bezüglich des Energieverbrauchs bewertet. Voraussetzung für
diese Analyse ist, Faktoren, die das Entladeverhalten der Batterie beeinflussen,
zu finden und diese zu strukturieren. Die zu beachtenden Faktoren werden in zwei
Gruppen unterteilt, die jeweils in ein Weltmodell und ein Fahrzeugmodell abgebil-
det werden. Diese Modelle bilden zusammen eine Metrik und sind die Grundlage
zur Bewertung einer Strecke beziehungsweise einer Route bezüglich des Energie-
verbrauchs.
Schritt 2: Algorithmus zur Routenbestimmung
Nachdem eine gültige Metrik aufge-
stellt wurde, muss nun eine Route berechnet werden. Eine Route wird als eine
Aneinanderreihung von Teilstrecken bezeichnet, die einen Start- und Zielpunkt
besitzt. Der zu verwendende Algorithmus soll dabei eine optimale Route ausge-
ben, die auf der vorherigen Streckenanalyse basiert. Suchalgorithmen können auf
dieser Basis eine solche Route bestimmen.
1.2.2 Darstellung einer Route
Es ist nötig, die berechnete Gesamtstrecke mit einem Werkzeug zu visualisieren und
dem Benutzer Anweisungen für seine Fahrt mitzuteilen. Eine effektive Möglichkeit ist
die Implementierung einer Benutzeroberfläche mit einer digitalen Straßenkarte, um eine
Analogie zur klassischen Faltkarte zu schaffen. Hauptaufgabe soll dabei die Darstellung
einer Route sein.
Das zu benutzende Kartenmaterial soll schon in digitaler Form vorliegen. Als ei-
ne mögliche Quelle bietet sich das Open Source-Projekt OpenStreetMap
4
[RTC10] an,
welches einen freien Zugriff auf die Datensätze erlaubt und für viele Orte ausreichend
detaillierte Karten zur Verfügung stellt.
1.2.3 Verifizierung des Verfahrens mit einem Elektrofahrzeug
Der theoretische Ansatz der Routenberechnung soll mit einem batteriebetriebenen Mo-
torroller verifiziert werden. Durch ein Abfahren von Teststrecken sollen Positions- und
Energieverbrauchsdaten aufgenommen und zu der theoretischen Berechnung in Bezie-
hung gesetzt werden. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass eine Konfigurierung für
den theoretischen Ansatz vorgenommen werden kann.
1.3 Gliederung dieser Arbeit
Diese Arbeit gliedert sich im Weiteren wie folgt:
Kapitel 2
analysiert die Anforderungen in der Elektromobilität und Probleme der Elek-
trofahrzeuge. Daraus werden Anforderungen abgeleitet, um energiebasiertes Rou-
ting zu realisieren.
4
http://wiki.openstreetmap.org/wiki/
4
1.3 Gliederung dieser Arbeit
Kapitel 3
stellt grundlegende Ideen des Routings dar. Zudem werden uniformierte und
heuristische Suchverfahren vorgestellt, die bei Graphen und beim Routing einge-
setzt werden können.
Kapitel 4
beschreibt den theoretischen Lösungsansatz für die in Kapitel 2 gestellten
Anforderungen an das System. Dabei wird insbesondere auf die konstruierten
Modelle und die Heuristikfunktion eingegangen, die als Metrik für den Suchalgo-
rithmus dienen.
Kapitel 5
beinhaltet die praktische Ausarbeitung des in Kapitel 4 beschriebenen Ver-
fahrens und die Komponenten zur Darstellung der optimalen Route.
Kapitel 6
bewertet die Evaluationsergebnisse des Verfahrens durch einen Vergleich mit
Testfahrten mit einem Elektrofahrzeug.
Kapitel 7
betrachtet abschließend das implementierte System und beschreibt weitere
mögliche Anwendungsgebiete.
5
1 Einleitung
6
2 Elektromobilität
Aus umweltpolitischen und ökonomischen Gründen wird in naher Zukunft die Elektro-
mobilität eine wichtige Rolle im Bereich der Automobilindustrie einnehmen. Großen
Einfluss darauf möchte die deutsche Bundesregierung nehmen: Im Jahr 2009 stellte sie
einen nationalen Entwicklungsplan für die Elektromobilität vor und benannte konkrete
Ziele für die Etablierung von Elektrofahrzeugen. So wird in Deutschland versucht, eine
nachhaltigere und energieeffizientere Verkehrsinfrastruktur zu schaffen, indem im Jahr
2020 eine Million beziehungsweise im Jahr 2030 fünf Millionen Zulassungen für Elek-
trofahrzeuge errreicht werden sollen [Ent09]. Des Weiteren haben auch interantionale
Richtlinien wie die Begrenzungen der CO
2
-Emissionen großen Einfluss auf die Weiter-
entwicklung von Technologien in der Elektromobilität, vor allem das aus dem Weltkli-
magipfel in Kyoto resultierende Kyoto-Protokoll [Ern10, GAE98] und die vom Welt-
klimarat IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) postulierte 2
Celsius-
Grenze zum Schutz des Weltklimas [SSO
+
09] wirken darauf ein. Aus diesen Gründen
versuchen viele Automobilunternehmen, neue Elektrofahrzeugmodelle am Markt zu po-
sitionieren, die sich hinsichtlich der Fahrzeugkonzepte stark unterscheiden.
Um einen Überblick darüber zu geben, werden am Anfang dieses Kapitels die verschie-
denen Fahrzeugkonzepte in der Elektromobilität und deren Vorzüge und Funktionsweise
beschrieben. Nachfolgend wird auf die Gründe eingegangen, weswegen es für Elektro-
fahrzeuge schwierig sein wird, sich als Alternative zu treibstoffbetriebenen Fahrzeugen
zu etablieren. Daraus wird auch ersichtlich, aus welchem Grund die Verbesserung der
Leistung und eine effizientere Nutzung der Batterie die wichtigsten Faktoren in der
Weiterentwicklung des Bereichs Elektromobilität darstellen.
2.1 Elektrofahrzeugkonzepte
Heutzutage prägen unterschiedliche Typen von Elektrofahrzeugen das Stadtbild und
bieten in vielen Bereichen des Personentransports ausreichende Leistungen, vor allem
bei der Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit. Diesbezüglich profitieren Elektro-
fahrzeuge vor allem von der Tatsache, dass sie keine lokalen CO
2
-Emissionen erzeugen.
In vielen Städten wurden bereits Pilotprojekte gestartet, bei denen Elektrofahrzeuge
zur Vermietung bereitgestellt werden und Ladesäulen installiert wurden, wie die Pro-
jekte E-mobility Berlin
1
oder smartlab
2
in Aachen, die von verschiedenen Unternehmen
unterstützt werden.
1
,,E-mobility Berlin" ist ein Kooperationsprojekt zwischen Daimler AG und RWE AG
2
Die smartlab GmbH ist ein Gemeinschaftsunternehmen der Stadtwerke Aachen Aktiengesellschaft,
der Duisburger Verkehrs- und Versorgungsgesellschaft und der Stadtwerke Osnabrück AG.
7
2 Elektromobilität
Aber auch die private Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und der Umsatz von solchen
wird mittelfristig ansteigen, wie beispielsweise die Oliver Wyman-Studie ,,Elektromobi-
lität 2025 " [wym09] belegt. Darin zeigt sich ein erhöhter Bedarf, die Forschung im
Bereich der Elektrofahrzeuge weiter zu fördern.
Auf die verschiedenen Fahrzeugkonzepte in der Elektromobilität und deren Eigen-
schaften wird nachfolgend eingegangen.
2.1.1 Personenkraftfahrzeuge
Die gängigste Form unter den Fahrzeugkonzepten stellen Personenkraftfahrzeuge dar.
Aktuell tätigen Automobilhersteller große Investitionen, um die Forschung und Weiter-
entwicklung in der Elektromobilität zu fördern. Somit können sie ihre Produktpalette
um verschiedene Elektrofahrzeugmodelle erweitern, die jedoch zum großen Teil entwe-
der noch in geringen Stückzahlen in Großversuchen eingesetzt werden oder kurz vor
der Markteinführung als Serienfahrzeug stehen. Die Personenkraftfahrzeuge kann man
hinsichtlich ihrer Technik in folgende Kategorien einteilen, die jeweils vom relativen
Fahranteil durch einen Elektromotor und von der Antriebsart abhängen.
Hybridfahrzeuge
Klassische Hybridfahrzeuge sind eine weit verbreitete Form von Fahr-
zeugen in der Elektromobilität. Für ihren Antrieb können zwei verschiedene Ener-
giequellen eingesetzt werden: ein Verbrennungsmotor und eine Traktionsbatterie.
Als Hauptmerkmal besitzt eine Traktionsbatterie einen Speicher von 1 bis 10
kWh, der nur während der Fahrt durch den Verbrennungsmotor aufgeladen wer-
den kann. Obwohl Hybride hauptsächlich über diesen Verbrennungsmotor an-
getrieben werden, kann die Treibstoffeinsparung durch die Hybridform je nach
verwendeter Technologie zwischen 5% und 20% [Nau06] liegen, wodurch sich drei
Klassifizierungen aufgrund des Fahranteils des Elektromotors ergeben.
Ein Mikrohybrid wird durch eine Starterbatterie gekennzeichnet, die zur Start-
Stopp-Automatik-Funktion genutzt und über ein Energierückgewinnungssystem
wieder aufgeladen wird. Durch das Ausschalten des Motors im Standbetrieb und
des Startens über die Batterie, wird eine kleine Einsparung erzielt. Bei einem
Mildhybrid unterstützt ein Elektromotor den Verbrennungsmotor zur Leistungs-
steigerung, wohingegen ein Vollhybrid auch rein elektrisch fahren kann.
Neben der Unterscheidung durch den Fahranteil, können Hybridfahrzeugen auch
durch die verwendete Antriebsart differenziert werden. Bei einem seriellen Hy-
bridantrieb hängt ausschließlich ein Elektromotor am Antriebsstrang des Fahr-
zeugs und wird durch eine Leistungselektronik (Umrichter) geregelt. Ein zusätzli-
cher Verbrennungsmotor schaltet sich nur dann ein, falls die Leistung der Batterie
nicht mehr ausreichend ist, und erzeugt anstelle der Batterie den Strom für den
Elektromotor über einen elektrischen Generator. Die Vorteile dieser Antriebsform
sind die Verkleinerung des Verbrennungsmotors und der hohe Wirkungsgrad des
Antriebs, der durch die ausschließliche Verwendung des Elektromotors erreicht
8
Abbildung 2.1: Aufbau eines seriellen Hybridfahrzeugs.
LE=Leistungselektronik, GE=elektrischer Generator, BAT=Batterie,
EM=Elektromotor, VM=Verbrennungsmotor
wird. Jedoch erlaubt er aufgrund seiner geringeren Maximalleistung keine hohen
Geschwindigkeiten.
Abbildung 2.2: Aufbau eines parallelen Hybridfahrzeugs.
VM=Verbrennungsmotor,
LE=Leistungselektronik,
BAT=Batterie,
EM=Elektromotor
Im Gegensatz dazu wirken bei einem parallelen Hybridantrieb Verbrennungs-
und Elektromotor direkt auf den Antriebsstrang des Fahrzeugs. Primär wird der
Elektromotor als Antrieb benutzt, es können aber auch beide Motoren gleich-
zeitig verwendet werden. Durch die Leistungsaddition beider Motoren lassen sie
sich jeweils in ihrer Größe verkleinern, was zu einer Gewichtsreduzierung führt
(,,Downsizing")[Nau06]. Lässt die Leistung der Batterie im Fahrzeug jedoch nach,
so dient der Verbrennungsmotor zeitweise zum Antrieb des Fahrzeugs und zum
Aufladen der Batterie, wodurch im Schluss eine Verringerung des Treibstoffver-
brauchs erreicht werden kann.
Abbildung 2.3: Aufbau eines Mischhybridfahrzeugs.
LE=Leistungselektronik, GE=elektrischer Generator, BAT=Batterie,
EM=Elektromotor, VM=Verbrennungsmotor
Ein anderer Ansatz ist der Mischhybridantrieb, welcher eine Kombination aus
seriellem und parallelem Hybridantrieb darstellt. Diese Antriebsart besitzt zwei
Modi, die dem seriellen und parallelen Hybrid entsprechen: Zum einen kann das
Fahrzeug vollständig von einem Elektromotor angetrieben werden, indem der Ver-
brennungsmotor dazu dient, die Batterie zu laden. Zum anderen besteht die Mög-
lichkeit des parallelen Hybridantriebs, zu dem manuell oder automatisch gewech-
selt werden kann. Dies hängt davon ab, ob eine höhere Fahrgeschwindigkeit ge-
wünscht wird oder eine leere Batterie während der Fahrt geladen werden soll.
Dadurch können die Vorzüge beider Antriebsarten genutzt werden.
Plug-in Hybrid
Im Vergleich zu klassischen Hybriden besitzen Plug-in Hybrid-Fahrzeuge
eine Batterie mit größerem Energiespeicher
3
und können somit als deren konse-
quente Weiterentwicklung aufgefasst werden. Ihr Speicher beträgt 5 bis 20 kWh
und kann im Gegensatz zu dem von klassischen Hybridfahrzeugen aus einem
Stromnetz geladen werden. Dadurch kann eine Reichweite von bis zu 80 km er-
reicht werden, ohne Treibstoff zu verwenden. Strecken, die darüber hinaus gehen,
werden durch einen herkömmlichen Verbrennungsmotor überbrückt. Man geht
davon aus, dass der Ansatz von Plug-in Hybriden in Zukunft eine tragende Rolle
einnehmen wird, da über 80% aller Fahrten die Reichweite, die mit einer Batterie
ermöglicht wird, nicht übersteigt
4
[EFK
+
10]. Als allgemeiner Kritikpunkt dieses
Fahrzeugkonzepts ist zu erwähnen, dass das Fahrzeug Treibstoff mit transportiert,
der vor allem bei kurzen Strecken nicht verwendet wird.
3
Opel wird das Plug-in Hybrid-Fahrzeug Ampera voraussichtlich im vierten Quartal 2011 ausliefern.
Die integrierte Batterie besitzt eine Leistung von 16 kWh.
4
Angenommen wurde eine Strecke von 90 km.
2.1 Elektrofahrzeugkonzepte
Elektroautomobil
Bei reinen Elektrofahrzeugen ist kein Verbrennungsmotor mehr inte-
griert, daher beziehen sie ihre Energie ausschließlich aus einer Traktionsbatterie.
Deren Speichergröße liegt aktuell zwischen 20 und 50 kWh und die Batterie wird
wie bei einem Plug-in-Hybrid aus dem Stromnetz geladen. Ökonomisch betrachtet
kann man aktuell Reichweiten von bis zu 200 km sinnvoll realisieren. Es sind zwar
höhere Reichweiten technisch möglich, jedoch nur mit leistungsstärkeren Batteri-
en, wodurch diese Automobile im Vergleich zu Fahrzeugen, die mit Treibstoff an-
getrieben werden, unverhältnismäßig teurer werden. Auf diese Problematik wird
in Kapitel 2.2.1 näher eingegangen.
Reine Elektroautomobile und Plug-in Hybride werden möglicherweise langfristig Fahr-
zeuge mit Verbrennungsmotoren aus dem Automobilmarkt verdrängen, da sie durch
Umweltförderprogramme, wie die Agenda ,,Elektromobilität 2020" der Bundesregie-
rung, subventioniert werden. Zudem besagen verschiedene Studien, dass der ,,peak oil",
der Höchststand der weltweiten Erdölförderungsmenge pro Jahr, in den nächsten 15
Jahren erreicht sein wird [Age10] oder schon überschritten worden ist [Pri08]. Daher
lässt die resultierende, weltweite Erdölverknappung und -verteuerung auf diese Ent-
wicklung zu alternativen Technologien schließen.
2.1.2 Zweiradfahrzeuge
Im Bereich der elektromotorisierten Zweiradfahrzeuge stehen das Pedelec (Pedal Elec-
tric Cycle) und der Elektromotorroller im Mittelpunkt. Sie besitzen nur eine ungefähre
Reichweite von bis zu 80 Kilometern und sind für den Stadtverkehr sowie für Kurzstre-
cken konzipiert.
Pedelecs besitzen im Gegensatz zu Fahrrädern eine zusätzliche Batterie, die für eine
Tretverstärkung genutzt wird [Brü99]. Die gespeicherte Energie der eingesetzten Bat-
terien beträgt bis zu 650 Wh. Der integrierte Elektromotor zur Verstärkung wird erst
eingeschaltet, wenn über einen Sensor eine aktive Pedalenbewegung durch den Fahrer
erkannt wird. Pedelecs werden durch ihre Vorteile häufig innerhalb von Städten einge-
setzt, daher bieten bereits viele Unternehmen wie die Deutsche Bahn AG
5
oder SIXT
6
Mietstationen für Pedelecs an.
Zu der Klasse der Elektromotorroller (kurz: Elektro-Roller) gehört beispielsweise der
Roller e-max 110s
7
, welcher einen elektrischen Motor besitzt. Dieser wird über eine
Batterie mit einem Speicher von ungefähr 2,8 kWh angetrieben und ersetzt einen Ver-
brennungsmotor vollständig in seiner Funktion. Die Reichweite gibt der Hersteller mit
rund 50 km für eine Ladung an. Die Tatsache, dass der Roller von der Versicherungs- und
Führerscheinklasse zu den Motorrädern mit 50 ccm Hubraum zählt, sowie die Emissi-
onsfreiheit und die geringen Fahrtkosten
8
sind im Sinne der Anwender ausschlaggebende
Gründe für eine solche Anschaffung.
5
http://www.deutschebahn.com/site/bahn/de/konzern/im__blickpunkt/call__a__bike.html
6
http://www.sixtblog.de/allgemein/sixt-bietet-fahrspass-auch-mit-zwei-gaspedalen/
7
http://www.e-max-roller.de/110.html
8
je nach Hersteller und Modell sind es 10 bis 70 Eurocent pro 100 km
11
2 Elektromobilität
In China haben sich Elektro-Roller auf dem Markt bereits durchgesetzt: Durch ein
Verbot von Motorrollern mit Verbrennungsmotoren in Shanghai und in Peking ist der
Umsatz der batteriebetriebenen Variante von 15.000 Stück im Jahr 1997 auf 1.000.000
Stück im Jahr 2002 angewachsen, bei steigender Tendenz [Wei04, Cro02]. Daher ist
abzusehen, dass der Elektro-Roller in China zukünftig ,,das Fahrrad ablösen und das
Rückgrat der Massenmobilität darstellen" wird [Ern10], und dass vergleichbare Ent-
wicklungen aus denselben Gründen auch in Deutschland zu erwarten sind.
2.1.3 Schienenfahrzeuge
Elektrobetriebene Schienenfahrzeuge zählen heute zu den Standardverkehrsmitteln im
Personen- und Gütertransport. Zu diesem Bereich zählen Straßenbahnen, unterirdische
Bahnen oder Schnellbahnen, wie der ICE oder der Transrapid der Deutschen Bahn
AG, die alle die benötigte Energie aus einem Stromleitungsnetz beziehen. Da die In-
frastruktur der Bahnen schon weitreichend ausgebaut ist, konzentriert sich beispiels-
weise die Agenda ,,Elektromobilität 2020" der deutschen Bundesregierung nur auf die
Elektrifizierung des Individualverkehrs, ,,obwohl es [zwischen Schienen- und Individual-
verkehrsmittel] interessante Anknüpfungspunkte gibt", wie die Zusammenführung von
Bahnhöfen, Mietstationen für Elektroautos und Pedelecs [Ern10] oder das Aufladen
während der Fahrt durch elektrische Oberleitungen
9
. Im weiteren Verlauf dieser Arbeit
werden Schienenfahrzeuge aber nicht weiter thematisiert, da sie nur der Vollständigkeit
halber an dieser Stelle erwähnt werden.
2.2 Probleme bei Elektrofahrzeugen
Batteriebetriebene Fahrzeuge haben im Vergleich zu Kraftfahrzeugen mit Verbren-
nungsmotoren noch einige Nachteile, die behoben werden müssen, um eine echte Al-
ternative für potentielle Nutzer darzustellen. Hauptprobleme sind die noch nicht ausge-
reifte Batterietechnologie für Elektrofahrzeuge, die daraus resultierende geringe Reich-
weite sowie die vergleichsweise hohen Kosten in der Produktion und Anschaffung. Zu-
dem müssen noch Aspekte bezüglich der benötigten Infrastruktur beachtet werden. Im
Folgenden werden diese Probleme näher erläutert.
2.2.1 Leistungsfähigkeit von Traktionsbatterien
Traktionsbatterien sind zwar in der Lage, Fahrzeuge innerhalb einer bestimmten Reich-
weite zu bewegen, jedoch bestehen aktuell noch Zweifel über die Alltagstauglichkeit der
Batterietechnologie für Plug-in Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, vor allem in den folgen-
den Bereichen:
· Energiedichte
9
http://www.ecofriend.org/entry/el-assist-recharging-concept-lets-electric-vehicles-recharge-on-the-
move/
12
2.2 Probleme bei Elektrofahrzeugen
· Kosten
· Langlebigkeit
· Zuverlässigkeit
· Sicherheit
Es ist zwar eher unwahrscheinlich, dass all diese Problembereiche mittelfristig aus-
reichend gelöst werden, aber erst dann würden sich Traktionsbatterien in Fahrzeugen
rentieren [And08]. Gelingt dies nicht, wird sich das Fahr- und Tank- bzw. Ladeverhalten
der Benutzer ändern müssen, da im Moment die Diskrepanz zwischen der gebotenen
Leistung und den Benutzeranforderungen, die an die Traktionbatterie gestellt werden,
zu groß ist [AKB10]. Erst wenn die Diskrepanz ausreichend überbrückt wird, indem bes-
sere Technologien zur Verfügung stehen oder die Anforderungen abgeschwächt werden,
können auch elektrobetriebene Fahrzeuge für Käufer preislich und funktional attraktiv
werden. Einen allgemeinen Leistungsüberblick der Batterietypen liefern die Angaben in
Tabelle 2.1.
Batterietyp
Energiedichte
Lebensdauer
Kosten
Wh/kg
Zyklen
Jahre
e/kWh
Blei
3035
3001500
23
100150
Nickel-Cadmium
4550
2000
310
250
Nickel-Metallhydrid
6070
2000
10
300350
Natrium-Nickelchlorid
100120
1000
510
250
Lithium-Ionen
120150
2000
10
300600
Lithium-Polymer
110130
600
n.b.
10
300
Lithium-Schwefel
350500
n.b.
10
n.b.
10
n.b.
10
Zinn-Schwefel-Lithium
1100
n.b.
10
n.b.
10
n.b.
10
Motorenbenzin
12000
Diesel
11800
Tabelle 2.1: Leistungsvergleich der Batterietypen [Bra07]
Das aktuell gravierendste Problem bei der Entwicklung von Traktionsbatterien ist de-
ren geringe Energiedichte. Daher benötigen Traktionsbatterien im Fahrzeug vergleichs-
weise viel Platz, da sie eine etwa um den Faktor 100 geringere Energiedichte besitzen
als fossile Treibstoffe wie Benzin oder Diesel [FWS09]. Bei einer angenommenen Strecke
von 200 km würden für ein Elektrofahrzeug ungefähr 30 kWh benötigt werden, wodurch
sich ein Gewicht von 250 kg für Lithium-Ionen-Batterien ergäbe. Bei treibstoffbetrie-
benen Fahrzeugen würden 15 bis 20 Liter beziehungsweise 12 bis 15 kg Benzin für
die gleiche Streckenlänge genügen. Das Verhältnis zwischen den Gewichten des Benzin
10
Dieser Wert ist noch nicht bekannt.
13
2 Elektromobilität
und der Batterie liegt hier jedoch deutlich unter dem Faktor 100 der Energiedichte, da
der Wirkungsgrad des Elektromotors im Gegensatz zum Verbrennungsmotor erheblich
höher ist [Sau10]. Neuere Forschungen zeigen aber auch, dass in Zukunft Fortschritte
hinsichtlich der Energiedichte von Batterien möglich sein werden, wie zum Beispiel die
Entwicklung von Zinn-Schwefel-Lithium-Batterien [HS10]. Sie erzielen eine zehnmal hö-
here Energiedichte als aktuell eingesetzte Lithium-Ionen-Batterien, sind aber bezüglich
der Langlebigkeit noch nicht ausgereift und verhältnismäßig teuer.
Nicht nur die geringe Energiedichte bereitet den Herstellern Probleme, sondern auch
die hohen Produktionskosten. Durch teure Werkstoffe, die zur Produktion benötigt wer-
den, und die aufwendige Batterieherstellung ergeben sich hohe Kosten pro speicherbarer
Leistung. So wird beispielsweise für eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer Kapazität von
30 kWh, die für eine Reichweite von 200 km genügt, ein Einkaufspreis von mindestens
30
× 300 e veranschlagt. Dies entspricht alleine schon dem Verkaufspreis eines her-
kömmlichen Kleinwagens. Benutzer sind aber nicht bereit, einen solch hohen Aufpreis
für diese Technologie zu zahlen.
Zusätzlich führt die über die Zeit kontinuierliche Verminderung der Batterieleistung
und der Qualität zu einer begrenzten Lebensdauer. Blei-Batterien, die vor allem in
batteriebetriebenen Motorrollern verbaut werden, müssen schon nach spätestens drei
Jahren ersetzt werden, da durch die häufigen Ladezyklen oder auch durch die langen
Standzeiten nicht-regenerative Kapazitätsverluste auftreten. Aber auch die Zuverläs-
sigkeit kann nachlassen, falls beispielsweise die Außentemperatur niedrig ist. Dadurch
werden die chemischen Reaktionsgeschwindigkeiten innerhalb der Batterie verlangsamt
und der Innenwiderstand der Batterie nimmt zu, so dass die für den Antrieb benötigte
Arbeitsspannung fällt [Kol86].
Aufgrund der beschriebenen Problematik hat die optimale Ausnutzung der Energie
für die Elektromobilität eine größere Bedeutung als für herkömmliche Fahrzeuge. Aus
diesem Grund wird die Entwicklung der Batterie dahin gehen, die Energiedichte und
somit die Reichweite zu erhöhen und die Kosten zu minimieren.
2.2.2 Reichweitenbeschränkung der Elektrofahrzeuge
Elektrofahrzeuge stellen hinsichtlich der limitierten Reichweiten aktuell keine Alterna-
tive zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren dar. Hauptgrund dieses Problems ist die
speziell für Elektrofahrzeuge unausgereifte Batterietechnologie. Für potentielle Nutzer
sind große Reichweiten allerdings ein wichtiger Grund für die Anschaffung eines Elek-
trofahrzeugs. Diese Eigenschaft kann zumindest durch den Einsatz von Hochenergie-
batterien, wie den Lithium-Ionen-Batterien, teuer erkauft werden
11
oder es wird durch
die Verwendung der Plug-in Hybrid-Technik versucht, das Problem zu umgehen.
Aber auch andere Faktoren, die bereits in Kapitel 1.1 beispielhaft erwähnt wurden,
führen dazu, dass die Angaben über die Reichweite zumindest stark variieren. Dadurch
11
Das Elektroauto Tesla Roadster von Tesla Motors erzielt eine Reichweite von unter 300 km bei einem
Anschaffungspreis von 98.000 US-$.
14
2.2 Probleme bei Elektrofahrzeugen
ergeben sich Optimierungsmöglichkeiten, die eine Vergrößerung der Reichweite zur Folge
haben.
· Steigungen und Gefälle
· Stadt- und Autobahnfahrten
· Unterschiedliche Fahrgeschwindigkeiten
· Individuelle Fahrweise
· Zusätzliches Gewicht
Um die Reichweite zu maximieren, muss daher jeder der aufgeführten Faktoren für
eine energieeffiziente Fahrt miteinbezogen werden. Zur Senkung des Energieverbrauchs
sollten beispielsweise hohe Steigungen innerhalb einer Route vermieden werden. Die ge-
naue Analyse einer Strecke hinsichtlich dieser Faktoren kann einem Anwender mitgeteilt
werden, so dass eine energieeffiziente Fahrt durchgeführt werden kann.
2.2.3 Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge
Traktionsbatterien, die in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, besitzen eine beschränk-
te Speicherkapazität und werden bei einer Fahrt entladen. Dadurch ergibt sich die Pro-
blematik, wie diese Batterien danach wieder aufgeladen werden sollen. Hierzu existieren
verschiedene Lösungsstrategien, um die Mobilität weiterhin zu gewährleisten.
Die übliche Ladevorgehensweise ist die Standardladung durch ein Stromnetz. Dabei
wird das Fahrzeug über einen Stromstecker mit dem Netz verbunden und die Batterie
1-phasig und mit 3,7 kW geladen [Sau10], welches auch die batterieschonendste Vari-
ante darstellt. In vielen Stadtprojekten werden Ladesäulen mit gängigen Haustroman-
schlüssen eingesetzt, die entweder direkt an das örtliche Stromnetz angeschlossen sind
oder über Photovoltaik autark Strom erzeugen. Letzteres hat den zusätzlichen Nutzen,
dass die Stromgewinnung emissionsfrei ist. Der größte Vorteil ist, dass der Ladevorgang
auch im privaten Umfeld, wie in einer Garage mit Stromanschluss, durchgeführt wer-
den kann. Daher ist es nur noch nötig, ein weniger enges Netz von Ladestationen als
Ergänzung aufzubauen und somit eine solche Infrastruktur günstig zu realisieren. Der
Nachteil dieser Technik ist die relativ lange Ladezeit für Elektrofahrzeuge, die bis zu 8
Stunden betragen kann.
Um eine Verkürzung der Ladezeiten zu erreichen, kann eine Schnellladung der Bat-
terien genutzt werden. Durch die leistungsorientierte Ladung mit einer Aufladezeit von
5 Minuten kann eine Reichweite von 30 km erzielt werden, was vor allem im Stadtver-
kehr einen großen Vorteil darstellt. Dabei wird die Batterie über ein Gleichstromnetz
von 30 bis 50 kWh nur teilweise aufgeladen
12
. Auch längere Ladezeiten sind möglich,
wodurch sich entsprechend die Reichweite erhöht. Nachteilig sind jedoch die hohen An-
schaffungskosten dieser Ladesäulen und die erhöhten Kosten von ungefähr 30 bis 50%
12
http://www.inka-emobility.de
15
2 Elektromobilität
für das Batteriepackdesign [Sau10]. Dies resultiert aus einem zusätzlichen Kühlsystem
für Batterien, das vor der hohen Wärmeentwicklung durch die Starkstromaufladung
schützt, und der speziellen Auslegung der einzelnen Batteriezellen für die Schnellla-
dung.
Ein anderer Ansatz ist der Aufbau eines Netzes von Batteriewechselstationen
in Analogie zu Tankstellen heutiger Zeit. Dabei werden Batterien zu austauschbaren
Modulen, die an den Stationen gewechselt werden können
13
. Dadurch entfallen lan-
ge Ladezeiten und Fahrzeuge sind sofort wieder betriebsbereit. Der Nachteil sind die
immensen Kosten für den Aufbau einer solchen Infrastruktur, wodurch sich auch die
benötigte Anzahl an Batterien erhöht, die deswegen in Reserve gehalten werden müss-
ten. Kritisch wären auch saisonale Verkehrsstoßzeiten wie Ferienanfänge, wenn nicht
genügend geladene Batterien vorhanden sind.
Allerdings sind Schnellladung und Wechselbatteriekonzepte Ansätze, um den
Kunden zu suggerieren, dass ein Elektroauto sich nutzen lässt wie das heuti-
ge Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, was ökonomisch und ökologisch nicht
sinnvoll ist [Sau10].
Daher wird es in Zukunft wahrscheinlich bei der Variante der Standardladung blei-
ben. Eine damit verbundene Umstellung für den Nutzer ist die Folge: Eine auf Elektro-
mobilität abgestimmte Planung der Fahrt ist vonnöten. Deswegen ist eine ökonomische
Fahrweise und eine energieeffiziente Routenwahl unvermeidlich, um größere Reichweiten
realisieren zu können, ohne dabei auf noch teurere Batterien zurückgreifen zu müssen.
2.3 Anforderungen für das energiebasierte Routing
Wegen der Vorteile der Elektrofahrzeuge und des zukunftsträchtigen Markts, werden
in der Folgezeit Optimierungen bezüglich dieser Fahrzeuge gefordert. Vor allem die
in Kapitel 2.2 beschriebenen Probleme der Elektromobilität zeigen, dass die Planung
einer Fahrt einen richtigen Ansatz darstellt. Insbesondere beinhaltet die Planung die
Bestimmung jener Route, die für die Batterie am energieschonendsten ist. Wird diese
Planung befolgt, kann die Reichweite, die mit der aktuellen Batterietechnologie möglich
ist, erweitert werden.
13
http://www.betterplace.com/the-solution-switch-stations
16
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2011
- ISBN (eBook)
- 9783842818613
- DOI
- 10.3239/9783842818613
- Dateigröße
- 1.2 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen – Informatik
- Erscheinungsdatum
- 2011 (Juli)
- Note
- 1,0
- Schlagworte
- elektromobilität navigation routing suchalgorithmus
