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Optimales Zusammenspiel – optimaler Verbrauch

Hybridfahrzeuge erfordern ein effizientes Energiemanagement
Optimales Zusammenspiel – optimaler Verbrauch

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Das optimale Zusammenspiel von Verbrenner und E-Maschine sowie einer Reihe weiterer Komponenten in Hybridfahrzeugen bedarf eines effizienten Energiemanagements.

Der Autor: Dr.-Ing. Rolf Langbein, freier Mitarbeiter der AutomobilKonstruktion

Die vom Gesetzgeber geforderte Reduzierung von Verbrauch und somit CO2-Emission bei Kraftfahrzeugen hat vielfältige Entwicklungen bis hin zum Elektrofahrzeug angestoßen. Allerdings steht dem Wunsch, mit dem E-Fahrzeug ähnliche Fahrleistungen wie die konventioneller Fahrzeuge zu erreichen, das Problem ausreichender Speicherung elektrischer Energie entgegen. Um den Anforderungen gerecht zu werden, haben zum einen Automobilindustrie und Zulieferer mit Nachdruck und Erfolg an der Verbesserung der konventionellen Antriebe gearbeitet. Zum anderen haben sie aber auch durch den kombinierten Einsatz von Verbrenner und E-Maschine Hybridlösungen erarbeitet, die den Zeitraum bis zur Realisierung eines markgerechten reinen E-Fahrzeugs erfolgreich überbrücken oder gar überdauern können.
Um die zunehmende Anzahl von Komponenten in solchen Hybridfahrzeugen so zum Einsatz zu bringen, dass ein optimaler Verbrauch bei Erfüllung aller Bedarfe des Fahrers möglich wird, braucht es ein gutes Energiemanagement. Es muss die Energieverbraucher so auswählen, dass der Energiebedarf bei Abdeckung der benötigten Leistung minimiert wird. „Es gilt, den jeweiligen Anwendungsfall abzusichern“, erklärt Friedrich Graf, Director Technology & Innovation des Bereichs Powertrain bei Continental. „Das bedeutet, dass der Bedarf, den der Fahrer mittelbar oder unmittelbar aufzeigt und auch der Spitzenbedarf abzudecken sind.“ Dabei sieht Graf in einer gut abgestimmten Architektur – basierend auf Norm- und Real- zyklen – eine entscheidende Voraussetzung. „Energiemanagement kann nie eine schlechte Architektur verbessern, wie zum Beispiel eine in ihrer Größe falsch gewählte E-Maschine oder eine in Leistungs- und Energiedichte oder Energiegehalt falsch gewählte Batterie“, ist Graf überzeugt.
Klärung bei mehreren Energiespeichern
Eine wichtige Rolle fällt dem Energiemanagement dort zu, wo mehrere Energiespeicher vorhanden sind. Es muss klären, welcher Energiespeicher welche Rolle übernimmt oder wann bei unterschiedlichen Energieträgern, chemisch oder elektrisch, Energie von Speicher 1 zu Speicher 2 querfließen muss oder wann welcher Speicher ganz spezifisch gefordert ist. Mit der Wahl zwischen einem größeren elektrischen Energiespeicher wie Traktionsbatterien oder einem Doppelschicht-Kondensator, auch Supercap genannt, oder einer anderen Speicherart beginnt schon das Energiemanagement innerhalb des elektrischen Bordnetzes. „Ein effektives Energiemanagement kann die Nutzung der Komponenten verbessern und optimieren“, hebt Graf hervor, „es kann helfen, sie zu schonen, indem es Energietauschvorgänge oder Energieflussvorgänge stärker verstetigt und sie damit leistungsmäßig weniger belastet.“ Unter Umständen kann dadurch sogar die Batterie verkleinert werden.
Derzeitige Entwicklungsschwerpunkte liegen beim Optimieren der Anwendungsfälle auf Basis der Normzyklen. „Doch das weitet sich zunehmend auch in Richtung Realzyklen aus“, berichtet Graf. Treiber sei hier der Gesetzgeber, der über verschärfte Kriterien und auch über selbst definierte Realzyklen den Nutzen steigern wolle. Dabei basieren die Kriterien auf einer größeren Bandbreite und einer größeren Anzahl von Nutzfällen, vor allem für den Energieverbrauch, die CO2-Emission, letztendlich auch für den Kraftstoff- oder den Stromverbrauch. Die Entwicklungsaufgaben werden dadurch noch komplexer.
Grundsätzlich muss das Energiemanagement für eine Basisstrategie klären, was benötigt wird und welche Leistungen und Energien dafür bereitzustellen sind. Das bezieht sich nicht nur auf das Fahren, sondern es muss zum Beispiel auch einen Kaltstart, den Leistungsbedarf im Bordnetz oder gewisse Komfortfunktionen wie Sitzheizung, Gebläse oder beim E-Fahrzeug Zusatzheizungen berücksichtigen. Diese Anforderungen gilt es optimal zu managen.
Vorausschau darstellen
„Eine zunehmend wichtige Rolle spielt die Vorausschau“, betont Graf, „das heißt, nicht nur das Ganze als Funktion des Augenblicks zu betreiben, sondern auch in die Zukunft zu blicken, um Energiebedarfe dann auch richtig oder überhaupt abdecken zu können.“ So wäre beim E-Fahrzeug wichtig zu wissen, wie denn die Strecke beschaffen ist, im Sinne von Geschwindigkeiten und Steigungen, wie weit zu fahren und mit welchen Störungen zu rechnen ist. Aber auch, welche mittleren Geschwindigkeiten zu erwarten sind oder wie der Temperaturverlauf im Fahrzeug sein wird, also welche Komfortfunktionen energetisch zu befriedigen sind. Im Vordergrund steht, die Reichweite abzusichern und zu steigern.
Beim Hybriden, vor allem beim Vollhybriden, geht es darum, zu erkennen, welche Geschwindigkeitsprofile gefordert sind, welche Trak- tionsleistung zur Verfügung zu stellen ist und wie das am besten zu bestreiten ist, im Sinne von möglichst geringem Kraftstoffverbrauch. Kommt da eher der Verbrenner oder doch die E-Maschine zum Einsatz? „Das ist natürlich mit der Frage verknüpft, wo will ich hin und wie sieht der individuelle ganz praktische Usecase von A nach B aus“, erklärt Graf. Wie sind Streckenprofil und Verkehrsverhältnisse geartet und mit welchen Leistungsbedarfen ist dann zu rechnen? „Bei einem Hybridfahrzeug heißt das, dass man beispielsweise Streckenabschnitte, die wenig Antriebsleistung erfordern – und davon gibt es ja eine ganze Menge, die im einstelligen kW-Bereich liegen – primär mit einer E-Maschine fährt und abdeckt, weil diese da den besten Wirkungsgrad hat“, gibt er ein Beispiel. Die Vorausschau ist also eine wichtige Funktion für das Berechnen der Leistungs- und Energieverläufe und als deren Folge auch zum Beispiel das Konditionieren des elektrischen Energiespeichers.
Navi stellt Daten zur Verfügung
Doch woher kommen die Informationen? Im einfachen Fall kann schon ein Navi Daten zur Verfügung stellen, zum Beispiel über die wahrscheinlichste Route. „Man kann künftig auch, abhängig vom Kalender, personifizierte Standardrouten ablegen, die mit einer gewissen Regelmäßigkeit eintreten und vorhersehbar sind“, spricht Graf eine Möglichkeit an. Dienlich wären auch Informationen über die Verkehrsdichte, gerade im unmittelbaren Umfeld, beispielsweise im Verlauf der nächsten 200 m. Das ermögliche zu entscheiden, ob rekuperieren angesagt ist, weil das Fahrzeug stehen bleiben muss oder ob das Fahrzeug nur aus-rollen soll. Im letzteren Fall würde lediglich die Kupplung geöffnet und der Verbrenner abgestellt. Das entspräche auch dem Prinzip der Start-Stopp-Systeme.
Rekuperation bremst ab
Fällt die Entscheidung für Rekuperation, dann ist eine wichtige Funktion zur Effizienzsteigerung durch Energierückgewinnung in Hybrid- und Elektrofahrzeugen angesprochen. „Prinzipiell bedeutet Rekuperation, dass Bewegungsenergie wieder in elektrische Energie umgewandelt wird“, erläutert Arnulf Thiemel vom ADAC Technik Zentrum. „Beim leichten Betätigen des Bremspedals werden nicht gleich die mechanischen Bremsen betätigt, sondern erst einmal nur die Elektromotoren oder Generatoren angesteuert, die schwerer drehen, wenn sie Strom erzeugen, und so das Fahrzeug schon merklich abbremsen können“, erklärt Thiemel. Bis zu einem Fünftel der Leistung von Scheiben- oder Trommelbremsen könne das elektrische Verzögern ausmachen.
„Ein effizientes Energiemanagement lebt zunehmend von der Information und der Vernetzung“, ist Graf überzeugt. „Wir haben es zukünftig mit einem stark interdisziplinären Arbeiten zu tun.“ Und Dr. Stefan Kampmann, Bosch-Bereichsvorstand für Elektrofahrzeuge und Hybridsysteme, sieht die umfassende Vernetzung des Fahrzeugs und dessen elektronischer Komponenten mit der Umwelt als eine realistische Vision. „Der Powertrain steht damit in unmittelbarer Verbindung mit Internetdiensten, mit anderen Fahrzeugen und der Infrastruktur“, so sein Credo.
Continental Automotive, Division Powertrain, Tel.: 0941 6790-0, simone.geldhaeuser@ continental-corporation.com
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