Wie Fahrstil die Reichweite von Elektroautos bestimmt
Die Elektromobilität steht vor einer Zäsur. Während die Automobilindustrie weltweit Milliarden in Batterieforschung, Ladeinfrastruktur und Leistungselektronik investiert, zeigt eine neue Studie, dass eine der entscheidenden Größen für die Reichweite eines Elektrofahrzeugs nicht im Fahrzeug selbst liegt, sondern in der Hand des Fahrers. Forscher der GAC Automotive Research & Development Center und der Tsinghua University haben herausgefunden, dass die Art und Weise, wie ein Fahrzeug beschleunigt und abgebremst wird, einen signifikant größeren Einfluss auf den Energieverbrauch hat als bisher angenommen – deutlich stärker sogar als die durchschnittliche Geschwindigkeit oder die Fahrstrecke.
Die Studie, veröffentlicht im Chinese Journal of Automotive Engineering, analysiert realitätsnahe Fahrdaten eines gängigen elektrischen SUV-Modells und identifiziert die Varianz der Beschleunigung – also die Schwankungsbreite der Beschleunigungs- und Bremsmanöver – als den wichtigsten Faktor für den Energieverbrauch. Dieses Ergebnis stellt etablierte Annahmen infrage. Längst gilt nicht mehr nur die hohe Geschwindigkeit als Reichweitenkiller. Stattdessen wird nun klar: Ein gleichmäßiges, vorausschauendes Fahrverhalten, das abrupte Beschleunigungen und Bremsungen vermeidet, ist der Schlüssel zu einer effizienteren Nutzung der Batteriekapazität.
Diese Erkenntnis hat weitreichende Konsequenzen. Die sogenannte „Reichweitenangst“ bleibt eine der größten Hürden für die breite Akzeptanz von Elektrofahrzeugen. Viele Nutzer fürchten, auf längeren Strecken oder in Regionen mit unzureichender Ladeinfrastruktur liegen zu bleiben. Die Industrie reagiert traditionell mit größeren Batterien – eine Lösung, die jedoch mit höheren Kosten, mehr Gewicht und einem größeren ökologischen Fußabdruck einhergeht. Die vorliegende Forschung schlägt einen alternativen, nachhaltigeren Weg vor: die Optimierung des Fahrverhaltens. Anstatt nur die Technik zu verbessern, geht es darum, den Fahrer zu befähigen, die vorhandene Technik effizienter zu nutzen.
Das Forscherteam um Wang Yingdi von GAC und seine Kollegen Li Qingfeng, Wang Shi, Liu Wei, Wang Boyuan und Xiao Jianhua von der Tsinghua University hat dafür einen datengetriebenen Ansatz gewählt. Grundlage war ein umfangreicher Datensatz aus realen Fahrten, die im Sommer unter urbanen, suburbanen und Autobahnbedingungen absolviert wurden. Aus diesen Daten extrahierten die Wissenschaftler 13 verschiedene Fahrparameter, darunter Durchschnittsgeschwindigkeit, Geschwindigkeitsstandardabweichung, Beschleunigungsstandardabweichung, die Zeitanteile in verschiedenen Geschwindigkeitsbereichen sowie der Energieverbrauch der Klimaanlage. Um den reinen Einfluss des Fahrverhaltens auf die Fahrzeugenergie zu isolieren, wurde der Energieverbrauch für Klimatisierung und andere Nebenverbraucher aus der Analyse herausgerechnet. Der Fokus lag ausschließlich auf der Energie, die für die Fortbewegung verbraucht wurde.
Die erste Phase der Analyse war die Korrelationsprüfung. Hier zeigte sich, was viele Fahrer intuitiv bereits wissen: Ein höherer Mittelwert der Geschwindigkeit, starke Geschwindigkeitsschwankungen und ein großer Anteil an Fahrten mit hohen Geschwindigkeiten korrelieren positiv mit einem höheren Energieverbrauch. Ebenso erwies sich aggressives Fahren – definiert als Beschleunigungs- oder Bremsvorgänge mit mehr als 1,5 m/s² – als energieintensiv. Diese Zusammenhänge waren jedoch bereits aus früheren Studien bekannt.
Die eigentliche Neuentdeckung ergab sich aus der anschließenden Dimensionsreduktion mit Hilfe der „Sliced Inverse Regression“ (SIR), einer statistischen Methode, die es ermöglicht, aus einer Vielzahl von Variablen diejenigen herauszufiltern, die den größten Einfluss auf ein bestimmtes Ergebnis haben. Und hier zeigte sich eindeutig: Die Standardabweichung der Beschleunigung (δa) ist der dominierende Faktor. Kein anderer Parameter – weder die Durchschnittsgeschwindigkeit noch die Zeit im Hochgeschwindigkeitsbereich – hatte eine stärkere Korrelation mit dem Energieverbrauch. Die Schlussfolgerung ist klar: Die Gleichmäßigkeit des Fahrstils ist entscheidend. Ein Fahrer, der ständig zwischen Gas- und Bremspedal wechselt, verbraucht deutlich mehr Energie als ein Fahrer, der die Geschwindigkeit konstant hält und Verkehrssituationen frühzeitig erkennt.
Die physikalische Erklärung dafür liegt in der Funktionsweise eines Elektroantriebs. Bei der Beschleunigung wird elektrische Energie aus der Batterie in kinetische Energie umgewandelt. Dabei entstehen Verluste in der Batterie, im Leistungselektronik-Wechselrichter und im Elektromotor selbst. Beim Abbremsen kann ein Großteil dieser kinetischen Energie durch Rekuperation zurück in die Batterie geleitet werden. Diese Rekuperation ist jedoch nicht verlustfrei; typische Wirkungsgrade liegen zwischen 60 und 80 Prozent, abhängig vom System und den Fahrbedingungen.
Jeder Beschleunigungs- und Bremszyklus bedeutet daher einen Netto-Energieverlust. Die Energie, die beim Beschleunigen aus der Batterie kommt, wird beim Rekuperieren nur teilweise zurückgewonnen. Je häufiger und je stärker diese Zyklen auftreten, desto mehr Energie geht insgesamt verloren. Dieser Effekt ist besonders in niedrigen Geschwindigkeitsbereichen, etwa im Stadtverkehr, ausgeprägt, wo der Luftwiderstand gering ist und der Hauptenergieverbrauch durch das ständige Auf- und Abbremsen verursacht wird.
Um diese komplexen Zusammenhänge tiefer zu verstehen, entwickelten die Forscher ein eindimensionales Simulationsmodell in Matlab/Simulink. Dieses Modell beinhaltete detaillierte Komponenten wie die Fahrzeugsteuerung (VCU), die Motorsteuerung (IPU), das Batteriemanagementsystem (BMS) und den Antriebsstrang. Es wurde mit realen Testdaten kalibriert und validiert, wobei die durchschnittlichen Fehler zwischen Simulation und Realität bei unter 5 Prozent lagen – ein Hinweis auf die hohe Genauigkeit des Modells.
Mit diesem Werkzeug untersuchten die Wissenschaftler drei typische Fahrsituationen: konstante Geschwindigkeit, häufige Beschleunigungen und Abbremsungen (wie im Stau) sowie das Befahren von Steigungen.
Im ersten Szenario, der gleichmäßigen Fahrt, bestätigte die Simulation bekannte aerodynamische Prinzipien. Der Energieverbrauch pro 100 Kilometer nimmt mit steigender Geschwindigkeit nicht linear, sondern annähernd quadratisch zu, da der Luftwiderstand quadratisch mit der Geschwindigkeit ansteigt. Für das untersuchte SUV-Modell lag der Punkt des geringsten spezifischen Energieverbrauchs bei etwa 30 km/h. Allerdings betonen die Forscher, dass dies nicht bedeutet, dass Fahrer sich auf 30 km/h beschränken sollten. Stattdessen führen sie das Konzept des „Kompromisses zwischen Zeit und Energie“ ein.
Wenn man den Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit, Energieverbrauch und Fahrzeit in einem logarithmischen Diagramm darstellt, ergibt sich eine Kurve, die Aufschluss über den optimalen Kompromiss gibt. Die Steigung dieser Kurve zeigt an, ob der Gewinn an Zeit gegenüber dem Verlust an Energie überwiegt. Die Studie identifiziert einen Bereich zwischen 70 und 80 km/h als den optimalen Kompromiss. In diesem Bereich führt eine Erhöhung der Geschwindigkeit zu einem deutlichen Zeitgewinn, während der zusätzliche Energieverbrauch noch im vertretbaren Rahmen bleibt. Oberhalb von 80 km/h steigt der Energieverbrauch jedoch so stark an, dass der Zeitgewinn nicht mehr den Energieverlust rechtfertigt. Für Fahrten auf Autobahnen bedeutet dies, dass eine Geschwindigkeit von 80 bis 100 km/h oft die beste Wahl ist, um eine Balance aus Effizienz und akzeptabler Fahrzeit zu finden.
Das zweite Szenario, das häufige Beschleunigen und Abbremsen, spiegelt die Realität des Stadtverkehrs wider. Hier zeigten die Simulationen dramatische Effekte. Bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 20 km/h führte eine Erhöhung der Beschleunigungsintensität von moderat (0,28 m/s²) auf aggressiv (1,39 m/s²) zu einem Anstieg des Energieverbrauchs um 237 Prozent gegenüber einer gleichmäßigen Fahrt bei derselben Durchschnittsgeschwindigkeit. Selbst bei höheren Geschwindigkeiten, etwa 60 km/h, betrug der Anstieg immer noch 91 Prozent.
Ein interessanter Nebeneffekt wurde bei sehr hohen Geschwindigkeiten beobachtet. Bei 100 km/h und moderaten Beschleunigungswechseln konnte in einigen Fällen sogar ein geringerer Energieverbrauch als bei gleichmäßiger Fahrt gemessen werden. Dies lässt sich dadurch erklären, dass bei hohen Drehzahlen der Elektromotor in seinem Bereich höchster Effizienz arbeitet. Die durch die Beschleunigung verursachte Erhöhung des Drehmoments kann die Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstrangs verbessern, was den Verlust durch die Rekuperation teilweise ausgleichen kann. Dies unterstreicht, dass die Auswirkungen von Beschleunigungsmanövern stark von der jeweiligen Geschwindigkeit abhängen.
Die dritte untersuchte Situation war das Befahren von Steigungen. Hier zeigte sich, dass die Fahrweise einen erheblichen Einfluss auf die Energiebilanz hat. Traditionell würde man annehmen, dass das Bergauffahren viel Energie verbraucht und das Bergabfahren Energie zurückgewinnt. Die Studie zeigt jedoch, dass ein intelligenter Einsatz der Fahrzeugträgheit noch effizienter sein kann.
Wenn ein Fahrer beim Bergauffahren sanft auf das Gaspedal verzichtet, verlangsamt sich das Fahrzeug, und ein Teil der kinetischen Energie wird in potenzielle Energie umgewandelt. Beim Bergabfahren kann das Fahrzeug dann beschleunigen, wobei die Schwerkraft die Fortbewegung unterstützt. Wenn der Fahrer dabei darauf achtet, die Rekuperation zu minimieren – also nicht unnötig bremst –, kann er den Energieverlust durch die ineffiziente Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie vermeiden. Die Simulationen ergaben, dass eine solche Strategie bei einer Steigung von 4 Prozent den Energieverbrauch um bis zu 17 Prozent senken kann, verglichen mit einer konstanten Geschwindigkeit.
Allerdings gibt es auch hier einen Kompromiss: Diese Strategie verlängert die Fahrzeit. Bei niedrigen Geschwindigkeiten, etwa 40 km/h, überwiegt der Zeitverlust den Energiegewinn, sodass das konstante Tempo die bessere Wahl ist. Bei höheren Geschwindigkeiten, etwa 80 km/h, ist der Energievorteil jedoch so groß, dass die längere Fahrzeit gerechtfertigt ist. Dies zeigt erneut, dass die optimale Fahrstrategie stark von der konkreten Situation abhängt.
Diese Erkenntnisse haben nicht nur Auswirkungen auf das individuelle Fahrverhalten, sondern auch auf die Fahrzeugentwicklung und die Politik. Fahrerassistenzsysteme wie adaptive Geschwindigkeitsregelung (ACC), prädiktive Energieverwaltung und Navigationssysteme, die die Streckenprofile kennen, können Fahrer aktiv dabei unterstützen, effizienter zu fahren. Eine Navigation könnte beispielsweise vorschlagen, vor einer Steigung die Geschwindigkeit leicht zu drosseln, um die kinetische Energie zu nutzen, oder anbieten, die optimale Geschwindigkeit für eine bevorstehende Autobahnstrecke einzustellen.
Für die Politik ergeben sich Ansatzpunkte in der Fahrerausbildung. Programme zur ökologischen Fahrweise (Eco-Driving) sind bereits in vielen Ländern für Berufskraftfahrer etabliert. Die Studie legt nahe, solche Programme auch für Privatfahrer zu stärken, etwa durch Anreize oder die Integration in die Führerscheinprüfung. Die Forscher verweisen auf Umfragen, die zeigen, dass Fahrer von Elektrofahrzeugen bereits jetzt sensibler für den Energieverbrauch sind und bereit sind, längere Fahrzeiten für eine höhere Reichweite in Kauf zu nehmen.
Die Automobilhersteller selbst können ebenfalls einen Beitrag leisten. Die Studie zeigt, dass Fahrmodi wie „Sport“ den Energieverbrauch um mehr als 10 Prozent gegenüber dem „Eco“-Modus erhöhen können. Die Voreinstellung auf einen sparsameren Modus oder die Bereitstellung von Echtzeit-Feedback über den aktuellen Energieverbrauch könnten Fahrer subtil dazu anregen, schonender zu fahren.
Zusammenfassend liefert die Studie von Wang Yingdi und seinen Kollegen ein fundiertes, datenbasiertes Framework für ein effizientes Fahren von Elektrofahrzeugen. Sie geht über einfache Ratschläge hinaus und bietet eine differenzierte Betrachtung, die die komplexen Wechselwirkungen zwischen Geschwindigkeit, Beschleunigung, Fahrstrecke und Energieverbrauch berücksichtigt. Der zentrale Punkt bleibt: Die Varianz der Beschleunigung ist der wichtigste Hebel. Ein ruhiger, vorausschauender Fahrstil ist der effektivste Weg, um die Reichweite zu maximieren und die Vorteile der Elektromobilität voll auszuschöpfen.
Wang Yingdi, Li Qingfeng, Wang Shi, Liu Wei, Wang Boyuan, Xiao Jianhua, GAC Automotive Research & Development Center, Tsinghua University, Chinese Journal of Automotive Engineering, DOI: 10.3969/j.issn.2095-1469.2024.03.19