Infotainment Nie wieder Reichweitenangst im Elektroauto – dank Navi

Autor / Redakteur: Marco Zebisch * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Mittlerweile können sich viele Autofahrer durchaus vorstellen auf ein Elektroauto umzusteigen. Wäre da nur nicht die Reichweitenangst – die sich mit geeigneten Navigationsgeräten jedoch überwinden lässt.

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(Bild: Elektrobit)

Im Automobil integrierte Navigationssysteme bieten immer häufiger eine Kartenansicht, in der die momentane Reichweite ausgehend von der aktuellen Position grafisch dargestellt wird. Sie liefert dem Betrachter eine übersichtliche Darstellung, welche Orte er mit der aktuellen Tankfüllung noch erreichen kann.

Bestimmung der Reichweite bei herkömmlichen Autos meist nicht nötig

War eine präzise Reichweitendarstellung in konventionell betriebenen Autos aufgrund der relativ großen Gesamtreichweite bislang weniger relevant, so ist das genaue Gegenteil bei Elektroautos der Fall.

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Der durchschnittliche Energieverbrauch bei rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen variiert je nach Modell und persönlicher Fahrweise von ca. 15 bis 25 kWh/100 km. Bei einer ungefähren maximalen Reichweite von 200 - 500 km, Ladezeiten von circa 8 - 10 Stunden und einer bislang schwach entwickelten Infrastruktur von Ladestationen in Deutschland, bei der sich im Mittel auf einem Gebiet von ca. 15 km x 15 km nur eine Versorgungsstation befindet, kann eine falsch berechnete Reichweite zu erheblichen Unannehmlichkeiten führen. So müssen Nutzer von E-Fahrzeugen vor Fahrtbeginn die exakte Wegstrecke ermitteln und im Vorfeld Ladestopps gezielt einplanen. Eine möglichst präzise Reichweitenangabe hilft hier enorm, den Fahrkomfort zu erhöhen.

Reichweitendarstellung auch für Benzin- und Dieselautos sinnvoll

Nicht nur für elektrisch betriebene Fahrzeuge, auch für Benzin- und Dieselautos bietet eine übersichtliche Reichweitendarstellung mehr Fahrkomfort. Das Angebot an Tankmöglichkeiten ist hier zwar prinzipiell ausreichend, auch in Regionen, die schwächer besiedelt sind. Steht jedoch die Tanknadel im roten Bereich und man möchte zur aktuell preisgünstigsten Tankstelle fahren, ist eine zuverlässige Reichweitenvisualisierung sehr hilfreich.

Maßgebend für die Reichweitenanzeige ist die zur Restenergie

Maßgebend für die Reichweitenanzeige ist immer die zur Verfügung stehende Restenergie beziehungsweise der Füllstand des Kraftstofftanks. Diese werden über Sensorsysteme ermittelt und der integrierten Navigationseinheit zur Verfügung gestellt.

Möglichst genaue Ergebnisse

Die größte Herausforderung bei der Umsetzung einer Reichweitenanzeige liegt in der Erzielung möglichst genauer Ergebnisse mit möglichst geringer Rechenleistung, Speicherbelegung und Datenbankgröße. So erfordert beispielsweise eine Reichweitenanzeige, welche kreisförmig eine Luftliniendistanz um die Fahrzeugposition darstellt, kaum Rechenleistung. Die Verlässlichkeit einer derartigen Anzeige bezogen auf das reale Straßennetz ist jedoch ungenügend. Hohe Genauigkeiten können hingegen nur mit Systemen erzielt werden, welche die Reichweite mit dem gleichen Algorithmus ermitteln wie die Routenberechnung selbst.

Ermitteln der durchschnittlichen Energieverbrauchswerten pro Streckenabschnitt

Prinzipiell basiert die Reichweitenberechnung auf durchschnittlichen Energieverbrauchswerten pro Streckenabschnitt. In die Ermittlung dieser Energiewerte gehen Faktoren ein wie Steigung, Streckengeometrie, Distanz und andere statische Faktoren, die den Verkehrsfluss verändern, zum Beispiel Ampeln. Die Energieverbrauchswerte werden im Kartenmaterial der Navigationsdatenbank abgelegt. Dabei wird unterschieden nach Straßenklassen und ihrer angenommenen jeweiligen Durchschnittsgeschwindigkeit sowie nach weiteren Parametern, die unterschiedlich gewichtet werden.

Gewichtung der einzelne Parameter hängen vom Fahrzeugmodell ab

Des Weiteren müssen einzelne Parameter auch je nach Fahrzeugmodell unterschiedlich gewichtet werden: Höhenprofile und Streckengeometrie können bei Elektroautos theoretisch anders bewertet werden als bei Otto- und Dieselmotoren, da eine Energierückgewinnung im Bremsvorgang stattfindet. Auch die Geometrie und das Gewicht des Fahrzeugs wirkt sich maßgeblich auf die Energiebilanz aus. Die fahrzeugspezifischen physikalischen Eigenschaften werden als sogenanntes Fahrzeugmodell vom Hersteller ermittelt und zur Verfügung gestellt.

Fahrerassistenzsysteme unterstützen Datenerfassung während der Fahrt

Die dynamische Erfassung von Daten während der Fahrt wird teilweise von den Fahrerassistenzsystemen unterstützt. So kann zum Beispiel die Durchschnittsgeschwindigkeit neu ermittelt und zur Laufzeit die Konstante für die entsprechende Straßenklasse angepasst werden.

Im Kartenmaterial abgelegte Energiewerte werden aufaddiert

Diese im Kartenmaterial abgelegten Energiewerte werden bei der Reichweitenberechnung nun aufaddiert bis die zur Verfügung stehende Restenergie überschritten ist. Das Aufaddieren kann direkt im Vorwärts-Routing implementiert werden. Hierbei wird ein Routinggraph erzeugt, welcher zunächst alle möglichen Verbindungsvarianten beinhaltet, die im geladenen Kartenmaterial enthalten sind. Aus dem Routinggraphen werden daraufhin alle Punkte gespeichert, deren Energieniveau kleiner ist als die Restenergiemenge.

Betrachtet man nun die geographische Lage der Punkte, wird sich in der Regel eine Punktewolke ergeben, die sich um die Ausgangsposition verteilt. Mittels Hüllkurvenberechnung kann nun ein Polygon ermittelt werden, welches später durch die Reichweitenvisualisierung dargestellt werden soll. Eine weitere Überlagerung mit Geo-Informationen ist notwendig, um Küstenabschnitte und Waldgebiete abzugrenzen.

Die Begrenzungen des Reichweitenpolygons einfach ermitteln

Standardmäßig werden bei der Routenberechnung für schnelle Routen im Navigationssystem die Straßen bevorzugt, die als Schnellstraßen klassifiziert sind. Für Reichweitenberechnungen von großen Entfernungen werden ebenfalls primär die Energiewerte von Schnellstraßen betrachtet, um relativ einfach die Begrenzungen des Reichweitenpolygons zu ermitteln.

Soll die Route kurz oder ökonomisch sein?

Wählt der Nutzer jedoch andere Routenoptionen (kurze Route/ökonomische Route), wird das Szenario schnell komplexer, da andere Straßenklassen bei der Berechnung berücksichtigt werden müssen. Da eine Reichweitenberechnung letztendlich alle möglichen Verbindungen in alle Richtungen beachten soll, fällt bei Regionen mit sehr dichtem Straßennetz eine erhebliche Datenmenge an, die vom System verarbeitet werden muss. Eine sinnvolle Skalierung der anfallenden Datenmengen auf die verfügbaren Systemressourcen ist hier notwendig.

Direkt integrierte Reichweitenberechnung im Routengraph bietet Vorteile

Ein großer Vorteil des Prinzips der direkt integrierten Reichweitenberechnung im Routengraph ist die unmittelbare Auswirkung der Nutzereinstellungen in der Navigation auf das angezeigte Reichweitenpolygon. Routenoptionen wie zum Beispiel deaktivierte Mautstraßen oder Fährverbindungen haben meist erheblichen Einfluss auf die Erreichbarkeit eines Zieles und somit auf die Geometrie des Reichweitenpolygons. Auch wenn sich der Fahrer bei der Routenauswahl für eine Alternativroute entscheidet, wird diese Änderung direkt berücksichtigt. Eine autarke Reichweitenberechnung hingegen kann theoretisch immer nur von der kürzesten beziehungsweise effizientesten Verbindung ausgehen.

Erweiterung der Routingparameter kann Reichweitenberechnung beeinflussen

Prinzipiell kann jede Erweiterung der Routingparameter direkten Einfluss auf die Reichweitenberechnung nehmen. So werden beispielsweise bei aktuellen Systemen TMC- oder Online-Verkehrsinformationen bei der Routenführung standardmäßig beachtet. Diese Informationen werden bei der Kalkulation der Reichweiten ebenso berücksichtigt. Die direkte Abhängigkeit des Verkehrsflusses von der Tageszeit kann auch ohne weiteres in die Routenberechnung einfließen.

Immer mehr Systeme im Fahrzeug sind vernetzt

Die zunehmende Vernetzung von Systemen im Fahrzeug prägt schon jetzt die Entwicklung in der Automobilindustrie. Moderne Softwarelösungen werden kontinuierlich erweitert, um neue Dienste zu unterstützen und deren Datenwerte sinnvoll zu verarbeiten. Diese Erweiterungen dienen nicht nur der Kostenreduzierung und Umweltverträglichkeit, sondern auch dem Fahrerkomfort. Das gilt in noch höherem Maße für Elektroautos, wo sie in Kombination mit weiteren Diensten wie der Abfrage freier Ladestationen oder der Möglichkeit, Ladestationen zu reservieren, angeboten werden können.

Mit Hilfe einer präzisen Reichweitendarstellung verringert sich außerdem der Planungsaufwand vor Fahrtantritt. Während der Fahrt müssen sich Fahrer keine Sorgen mehr um die Reichweite ihres Fahrzeuges machen, da sie direkt in der Kartenansicht sehen können, wie weit sie mit der vorhandenen Restenergie noch fahren können. Nach Bedarf werden auch Tankstellen und Ladestationen inklusive Preisinformationen entlang der Route angezeigt.

* Marco Zebisch ist Senior Software Engineer bei der Elektrobit Automotive GmbH in Erlangen.

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