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 Benutzeroberfläche zur Interaktion, ein Logiksegment, welches die Suchroutine implementiert, und ein Datenbanksystem zur Verwaltung geospatialer Daten beinhaltet. Um den theoretischen 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

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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  

Ein  flussfaktoren  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 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 [FWS09]. 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.

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 angetrieben 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 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 können zu einem höheren Energieverbrauch führen, wohingegen defensives Fahrverhalten energieeffizienter ist.

• Zusätzliches Gewicht

Anhänger, Beifahrer oder Gepäck beeinflussen durch Erhöhung der Nutzlast mitunter die aufzubringende Energie zur Fortbewegung.

Eines der Probleme, die daraus resultieren, ist die Frage nach der sichergestellten Ankunft an ein Ziel, welches im schlechtesten Fall unmittelbar an der Grenze der Reichweitenangaben des Fahrzeugs liegt. Möchte eine reisende Person mit einem smart fortwo electric drive von Aachen nach Antwerpen fahren, dann könnte eine weniger batterieschonende 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 Zwischenladungen 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 Elektrofahrzeuge ist es daher für Anwender wichtig, dass eine bezüglich des Energieverbrauchs

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1.2 Ziel dieser Arbeit

optimale Route für die Fahrt ausgewählt wird. Strecken, die beispielsweise über Gebirgspässe 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 Automobilbereich. 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 kürzesten 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 passender 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 Wesentlichen besteht der Entwurf dieses Verfahrens aus zwei Schritten: Zuerst muss eine Streckenanalyse vorgenommen werden, die die Güte von Teilstrecken bezüglich des Energieverbrauchs angibt. Auf dieser Basis wird dann ein Algorithmus zur Bestimmung der Gesamtstrecke eingesetzt.

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 abgebildet werden. Diese Modelle bilden zusammen eine Metrik und sind die Grundlage zur Bewertung einer Strecke beziehungsweise einer Route bezüglich des Energieverbrauchs.

Schritt 2: Algorithmus zur Routenbestimmung Nachdem eine gültige Metrik aufgestellt 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 ausgeben, 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 eine 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 Beziehung 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 Elektrofahrzeuge. Daraus werden Anforderungen abgeleitet, um energiebasiertes Routing 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 eingesetzt 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 Suchalgorithmus dienen.

Kapitel 5 beinhaltet die praktische Ausarbeitung des in Kapitel 4 beschriebenen Verfahrens 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 Elektromobilität 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 Elektrofahrzeuge errreicht werden sollen [Ent09]. Des Weiteren haben auch interantionale Richtlinien wie die Begrenzungen der CO 2 -Emissionen großen Einfluss auf die Weiterentwicklung von Technologien in der Elektromobilität, vor allem das aus dem Weltklimagipfel in Kyoto resultierende Kyoto-Protokoll [Ern10, GAE98] und die vom Weltklimarat 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 positionieren, die sich hinsichtlich der Fahrzeugkonzepte stark unterscheiden. Um einen Überblick darüber zu geben, werden am Anfang dieses Kapitels die verschiedenen Fahrzeugkonzepte in der Elektromobilität und deren Vorzüge und Funktionsweise beschrieben. Nachfolgend wird auf die Gründe eingegangen, weswegen es für Elektrofahrzeuge 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 Elektrofahrzeuge 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 Projekte E-mobility Berlin ¹ oder smartlab ² in Aachen, die von verschiedenen Unternehmen

unterstützt werden.

2 Elektromobilität

Aber auch die private Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und der Umsatz von solchen wird mittelfristig ansteigen, wie beispielsweise die Oliver Wyman-Studie „Elektromobi- lität2025 “ [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 Eigenschaften 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 Weiterentwicklung in der Elektromobilität zu fördern. Somit können sie ihre Produktpalette um verschiedene Elektrofahrzeugmodelle erweitern, die jedoch zum großen Teil entweder 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 Fahrzeugen in der Elektromobilität. Für ihren Antrieb können zwei verschiedene Energiequellen 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 werden kann. Obwohl Hybride hauptsächlich über diesen Verbrennungsmotor angetrieben 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 Leistungssteigerung, 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 Hybridantrieb hängt ausschließlich ein Elektromotor am Antriebsstrang des Fahrzeugs und wird durch eine Leistungselektronik (Umrichter) geregelt. Ein zusätzlicher 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

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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 gleichzeitig 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 Treibstoffverbrauchs erreicht werden kann.

Abbildung 2.3: Aufbau eines Mischhybridfahrzeugs.

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 Möglichkeit des parallelen Hybridantriebs, zu dem manuell oder automatisch gewechselt werden kann. Dies hängt davon ab, ob eine höhere Fahrgeschwindigkeit gewünscht 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 erreicht 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 integriert, 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 Batterien, wodurch diese Automobile im Vergleich zu Fahrzeugen, die mit Treibstoff angetrieben werden, unverhältnismäßig teurer werden. Auf diese Problematik wird in Kapitel 2.2.1 näher eingegangen.

Reine Elektroautomobile und Plug-in Hybride werden möglicherweise langfristig Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren aus dem Automobilmarkt verdrängen, da sie durch Umweltförderprogramme, wie die Agenda „Elektromobilität 2020“ der Bundesregierung, 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 Entwicklung zu alternativen Technologien schließen.

2.1.2 Zweiradfahrzeuge

Im Bereich der elektromotorisierten Zweiradfahrzeuge stehen das Pedelec (Pedal Electric Cycle) und der Elektromotorroller im Mittelpunkt. Sie besitzen nur eine ungefähre Reichweite von bis zu 80 Kilometern und sind für den Stadtverkehr sowie für Kurzstrecken konzipiert.

Pedelecs besitzen im Gegensatz zu Fahrrädern eine zusätzliche Batterie, die für eine Tretverstärkung genutzt wird [Brü99]. Die gespeicherte Energie der eingesetzten Batterien 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 eingesetzt, 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 Emissionsfreiheit und die geringen Fahrtkosten ⁸ sind im Sinne der Anwender ausschlaggebende

Gründe für eine solche Anschaffung.

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 Entwicklungen 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 Infrastruktur der Bahnen schon weitreichend ausgebaut ist, konzentriert sich beispielsweise die Agenda „Elektromobilität 2020“ der deutschen Bundesregierung nur auf die Elektrifizierung des Individualverkehrs, „obwohl es [zwischen Schienen- und Individualverkehrsmittel] 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 Alternative für potentielle Nutzer darzustellen. Hauptprobleme sind die noch nicht ausgereifte Batterietechnologie für Elektrofahrzeuge, die daraus resultierende geringe Reichweite sowie die vergleichsweise hohen Kosten in der Produktion und Anschaffung. Zudem 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 Reichweite zu bewegen, jedoch bestehen aktuell noch Zweifel über die Alltagstauglichkeit der Batterietechnologie für Plug-in Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, vor allem in den folgenden Bereichen:

• Energiedichte

⁹ http://www.ecofriend.org/entry/el-assist-recharging-concept-lets-electric-vehicles-recharge-on-themove/

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