Mildhybrid, Vollhybrid, E-Mobil, Range Extender, Brennstoffzelle, Wasserstoffmotor: So vielfältig wie sich die Zukunft der Antriebstechnik präsentiert, so ungewiss ist auch noch das Format der zukünftigen elektrischen und elektronischen Architektur im Elektromobil. Die E/E-Experten eines Spezialisten haben jedoch einige Grundsätze definiert, die ein innovatives Bordnetz künftig zu berücksichtigen hat.
Eines steht bereits zu Anbeginn fest, der Übergang vom Verbrennungsmotor zum Elektroantrieb wird die Bedeutung des Bordnetzes nicht schmälern. Im Gegenteil, die E/E-Architektur übernimmt bei der Elektrifizierung des Antriebsstrangs neben der Kommunikation und Signalverteilung auch immer größere Anteile des Powermanagements. Infolge wird der Anteil von Kabelsatz, Steuergeräten und Batterien am gesamten Fahrzeuggewicht auf etwa ein Viertel steigen – von etwa 6 % bei aktuellen Kraftfahrzeugen.
Neben dem Gewichtsaspekt wirft die E/E-Architektur der Zukunft aber auch Fragen zur generellen Auslegung des Bordnetzes auf. Sichere Energieverteilung steht im Fragenkatalog ganz oben. Antworten darauf gibt Delphi mit einem planvollen Ansatz für eine E/E-Architektur für Hybrid- und Elektrofahrzeuge. Dabei können die Ingenieure auf bereits gemachte Erfahrungen mit Hybrid- und Elektrofahrzeugen zurückgreifen. So hat Delphi elektrische und elektronische Komponenten für Hybridfahrzeuge von GM in Nordamerika geliefert sowie für den für 2010 angekündigten Chevrolet Volt, ein Elektrofahrzeug mit benzingetriebenem Range Extender.
Des weiteren ist Delphi an einem Konsortium beteiligt, das im Rahmen der Initiative „Modellregion NRW“ neue Elektro-Mobilitäts-Konzepte entwickeln und später in die Serienproduktion überführen soll. Delphi wird dafür die wesentlichen elektrischen und elektronischen Systeme entwickeln und liefern.
Spannung hoch – Gewicht niedrig
Aus seinen Erfahrungen zieht Delphi die Erkenntnis, dass innovative Antriebe der Zukunft völlig neue Konzepte für das „Nervensystem Bordnetz“ erfordern. So wird das Gewicht einer modernen E/E-Architektur von vielen Faktoren beeinflusst: genaue Auslegung des Antriebsstrangs, Anzahl und Platzierung der Einzelkomponenten, Leitungsquerschnitte und vieles mehr. Es hat sich beispielsweise als günstig erwiesen, Hauptkomponenten wie die Batterie, das Steuergerät und den Elektroantrieb nah beieinander zu platzieren, um aufwändige- und gewichtsintensive Verkabelungen zu vermeiden.
Um die Stromstärken und somit die Leitungsquerschnitte so klein wie möglich zu halten, empfiehlt sich eine hohe Bordnetzspannung von 300, 400 V oder sogar mehr. Das spart Gewicht.
Insgesamt wird die Gesamtmasse eines Elektroantriebs zwar ansteigen. Sie wird aber trotz schwerer Batterien und größerer Leitungsquerschnitte niedriger als die eines herkömmlichen Antriebs sein, da zum Beispiel das komplette Getriebe und die Antriebswellen entfallen. Dennoch bleibt die Gewichtsoptimierung ein zentrales Anliegen. Dazu werden die Erkenntnisse und Erfahrungen aus dem „traditionellen“ Autobau für E-Mobile weiterentwickelt.
Zweiteilige Architektur des Bordnetzes
Die Auslegung und Verlegung der Systemarchitektur für Hybrid- und Elektroantriebe ist noch weitgehend Neuland; in den Köpfen der Beteiligten muss sich erst noch eine „Mental Map“ entwickeln. Beispielsweise wird die Zahl „elektrifizierter“ Nebenaggregate – wie etwa der Wasserpumpe – künftig zunehmen; sie werden in das Hochvolt-Bordnetz integriert, um kleinere Leitungsquerschnitte zu erhalten und Wandlerverluste in Wechselrichtern zu vermeiden.
Empfindliche Systeme wie Assistenzsysteme, Radios, Navigationssysteme, Antennenverstärker und andere werden wohl weiter mit den üblichen 12 V Versorgungsspannung betrieben. Die beiden Netze bleiben noch weitestgehend separiert, so lange sich die Hochvoltanwendungen noch lokal auf den Antriebsstrang konzentrieren. Sollten jedoch immer mehr Nebenaggregate – wie etwa der Klimakompressor – an das Hochvoltnetz angeschlossen werden, sind neue Konzepte für die Verlegung der Leitungen und ihre gegenseitige Beeinflussung erforderlich. Hier liefert Delphi durch seine Erfahrungen mit dem in den neunziger Jahren angestrebten 42-V-Bordnetz wertvolle Beiträge. Als kompetenter und weltweit agierender Zulieferer erschließt Delphi bei frühzeitiger Einbindung noch erhebliche Effizienzpotenziale bei der Leistungsfähigkeit und Kostenstruktur des Bordnetzes.
Hoher Schutz für Mensch und Technik
Hybrid- und Elektroantriebe erfordern allein schon wegen der sehr hohen Betriebsspannung ein ausgefeiltes Sicherheitskonzept, um die Insassen und Werkstattmitarbeiter optimal zu schützen. Ein absolutes Muss wird zum Beispiel der manuell betriebene Batterie-Trennschalter. Als Berührschutz für den Not- oder Wartungsfall öffnet er den Batteriestromkreis, so dass die Batterie nach außen keinen Strom führt.
Ein weiteres Sicherheitsfeature von Delphi sind Steckverbindungen, die das Öffnen des Hochvolt-Stromkreises absichern. Dafür sorgt ein parallel dazu in den Stecker integrierter Niedervolt-Schaltkreis, der beim Abziehen des Steckers voreilend öffnet und bis zum eigentlichen Öffnen des Hochvolt-Stromkreises diesen schon abgeschaltet hat.
Für das Servicepersonal hat Delphi außerdem Szenarien entwickelt, bei welchen Wartungsarbeiten das Bordnetz abgeschaltet werden muss und welche Schritte zur späteren Inbetriebnahme erforderlich sind. Flankierend werden Schulungen für Werkstatt- und andere technische Mitarbeiter konzipiert und durchgeführt, um die spezifische Wartung der Hochvoltsysteme zu verbessern.
Sicherheitsfragen wie der Schutz von berührungskritischen Hochvolt-Komponenten und Themen wie einheitliche Batterie-Architekturen, Schnittstellen, Anschlüsse oder Stecker diskutieren die Automobilindustrie auch in Standardisierungsgremien. Ob und wann einheitliche europäische oder gar weltweite Spezifikationen verbindlich werden, ist noch offen. Klar ist aber, dass der Anschluss an eine „Stromtankstelle“ aus praktischen Gründen einen standardisierten Stecker erfordert.
Delphi; Telefon: 0202 291-2763;
E-Mail: thomas.aurich@delphi.com
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