Massgeschneidertes Thermomanagement für Elektrofahrzeuge
Laserverfahren für Batterie-Recycling im industriellen Massstab
Innenraumfilter mit Nanofasern zur Abscheidung feinster Partikel
Modul kombiniert Parksperre, Rotorlageerfassung und Bürstensystem
FACHWISSEN
Seriell, parallel oder beides? Honda, Mitsubishi, aber auch Renault und Nissan bieten seriell-parallele Hybridsysteme an. Der österreichische Entwicklungsdienstleister AVL entwickelt auf dieser Basis gar dedizierte Verbrennungsmotoren mit höchsten Wirkungsgraden.
TECHNIK
Software, Services & smarte Technik Bosch hat an seinem Tech Day vorwiegend Software-Lösungen und Services vorgestellt und zeigt damit, wie er auch im Zeitalter der softwaredefinierten Fahrzeuge weiterhin zu den tonangebenden Entwicklern gehören will.
KI-gestützter Validierungsdienst ZF hat sein cloudbasiertes Referenzsystem mit Objekt- und Fahrbahndaten zur Entwicklung und Qualitätssicherung fortschrittlicher Assistenzsysteme vorgestellt, das hilft, den Validierungsprozess von Sensordaten zu verkürzen.
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FORVIA HELLA
MASSGESCHNEIDERTES UND VEREINFACHTES THERMOMANAGEMENT FÜR ELEKTROFAHRZEUGE
Forvia Hella will mit der Entwicklung des neuen «Coolant Control Hub max» («CCH max») die Zentralisierung des Thermomanagements von Elektrofahrzeugen weiter voranbringen. Als hochintegriertes System für das Thermomanagement von Antriebsstrang, Batterie und Innenraum setzt er auf eine innovative Kühlmittelverteilung. Der «CCH max» nutzt dazu primär den Wasser-Glykol-Kühlkreislauf zur optimalen Temperierung von Batterie, Antriebsstrang und Fahrzeuginnenraum und reduziert dabei konsequent die Anzahl der benötigten Komponenten – insgesamt kann auf die Hälfte der derzeit erforderlichen Kühl- und Kältemittelventile verzichtet werden, und auch elektrische Zusatzheizer werden nicht länger benötigt. Das Kältemittelsystem wird hauptsächlich zum Kühlen und Erwärmen des Kühlmittels verwendet.
Bild: Forvia Hella
Der «Coolant Control Hub max» setzt als hochintegriertes Thermomanagementsystem für Antriebsstrang, Batterie und Innenraum auf eine innovative Kühlmittelverteilung.
Die Nutzung von Kältemitteln wird somit um mehr als 80 % und damit auf ein Mindestmass reduziert, was wiederum eine sichere und kosteneffiziente Nutzung von natürlichen und umweltfreundlichen Kältemitteln
wie Propan oder CO2 ermöglicht; auf PFAS-Chemikalien kann vollständig verzichtet werden.
Entscheidend ist dabei die intelligente und bedarfsgerechte Verteilung im Wasser-Glykol-Kreislauf. So
setzt der «CCH max» beispielsweise eine neuartige Individualkühlung ein, welche in einem gemeinsamen Wasser-Glykol-Kreislauf jeweils optimal angepasste Zieltemperaturen für den Fahrzeuginnenraum beziehungsweise die Batterie erlaubt. Die Notwendigkeit der effizienten Erwärmung von Innenraum und Batterie löst der «Coolant Control Hub max» durch ein flexibles Wärmepumpensystem, das alle verfügbaren Wärmequellen wie die Umgebungsluft, den Antriebsstrang und auch das Kältemittelsystem selbst nutzbar macht. Hierzu wird das Kältemittelsystem mit einer Selbstbeheizungsfunktion – dem sogenannten Self Heating-Mode – in die Lage versetzt, intern ausreichend Wärme zu erzeugen, sobald die anderen Wärmequellen nicht im erforderlichen Umfang zur Verfügung stehen. (pd/sag)
EFFIZIENTE LASERVERFAHREN FÜR DAS RECYCLING VON
ELEKTROAUTOBATTERIEN IM INDUSTRIELLEN MASSSTAB
Trumpf entwickelt Lasersysteme, die gebrauchte Batterien sicher aufschneiden und die wertvollen Rohstoffe von der Batteriefolie entfernen. So können nun Autobauer und Batteriehersteller erstmals gebrauchte oder fehlerhafte Batterien von E-Autos mit der Lasertechnologie des Hochtechnologieunternehmens im industriellen Massstab recyceln. «Die Industrie muss Recycling im grossen Stil betreiben. Der Markt für Laserverfahren zum Recycling der Batterien, der gerade entsteht, ist riesig», erklärt Alexander Sauer, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA. Allein in Europa müsse die Industrie ab 2030 jährlich 570’000 Tonnen an Batteriematerial recyceln.
Die Elektroden für neue Batteriezellen entstehen als Folienstreifen, beschichtet mit wertvollen Materialien
Trumpf-Mitarbeiter mit Batterie: Das Aufschneiden gebrauchter oder fehlerhafter Batterien mit Hilfe von Lasertechnik ermöglicht die Skalierung des Batterie-Recyclings.
wie Kobalt und Nickel. Während bislang nicht selten Kilometer an beschichteten Folien als Ausschuss im Müll landen, können in einer künftigen Recyclinganlage Laserverfahren die hauchdünne Schicht von der Folie ablösen. Die Hersteller können den kostbaren Staub auffangen und für neue Beschichtungen aufbereiten. Aber auch bei den Batteriepacks kann beim Recycling künftig Lasertechnik zum Einsatz kommen. Bisher war
die Demontage von E-Auto-Batterien Handarbeit. Das ist aufwendig, langsam und teilweise gefährlich. Die Lasertechnik ermöglicht nun eine effiziente und automatisierte Demontage, etwa um Abdeckungen von Batterien zu lösen oder Kabel abzuschneiden. Anschliessend lassen sich die Rohstoffe sortieren und noch nutzbare Batteriezellen direkt vereinzeln und weiterverwerten. «Batterie-Recycling ist dank Lasertechnik nun wirtschaftlich umsetzbar. Trumpf kann auf eine umfassende Expertise beim Laserschweissen und -schneiden für die Fertigung von E-Auto-Batterien zurückgreifen. Seit Jahren arbeiten wir mit allen führenden Auto- und Batterieherstellern zusammen. Diese Erfahrung haben wir in die Entwicklung der neuen Verfahren einfliessen lassen», betont Hagen Zimer, CEO Lasertechnik bei Trumpf. (pd/sag)
Bild: Trumpf
TRUMPF
ABSCHEIDUNG FEINSTER PARTIKEL MIT NANOFASERN FÜR SAUBERE LUFT IM FAHRZEUGINNENRAUM
Mit dem weiterentwickelten «FreciousPlus» mit Nanofasern will MannFilter neue Massstäbe in der Innenraumluftfiltration setzen. Der Filter überzeugt dabei nicht nur durch seine Abscheidung ultrafeiner Partikel, sondern auch durch die Filtration von Schadgasen sowohl von ausserhalb als auch innerhalb des Fahrzeugs – den bewährten Schutz vor Allergenen, Bakterien und Schimmelpilzen bietet der «FreciousPlus» selbstverständlich weiterhin. Der globale Filtrationsexperte Mann+Hummel verwendet die Nanofasertechnologie bereits seit Jahren erfolgreich zur Abscheidung auch der feinsten Partikel. Jetzt ist diese auch im automobilen Ersatzteilmarkt für Innenraumfilter der Premiummarke Mann-Filter erhältlich. Seit Januar 2024 sind diese als «FreciousPlus» FP 38 004
Die Nanofasern – hier im Grössenvergleich mit einem menschlichen Haar – legen sich im Filter wie ein Spinnennetz auf die weiteren Filtrationslagen mit gröberen Fasern.
für die BMW 5er- und 7er-Stufenhecklimousinen verfügbar und seit neuestem auch für den 5er-Touring. Die extrem dünne Nanofaser sorgt dafür, dass der FP 38 004 beständig gegen Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen ist und konstant hohe Filtration über das gesamte Wechselintervall – der Filter sollte einmal im Jahr oder alle 15’000 Kilometer erneuert werden – hinweg bietet.
«Unser Mann-Filter ‹FreciousPlus› FP 38 004 verfügt über feinste Nanofasern, die etwa 100 Mal dünner sind als die Fasern herkömmlicher Filtervliese», erklärt Thomas Heininger, Director Engineering Cabin Air Filters bei Mann+Hummel. «Diese Fasern legen sich wie ein Spinnennetz auf die weiteren Filtrationslagen mit gröberen Fasern, die dadurch ultrafeine Partikel zurückhalten können. Dadurch kann der ‹FreciousPlus› neben den Partikelklassen PM10 und PM2.5 die noch feinere Klasse PM1 zu 90 % abscheiden, also Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser kleiner 1 µm. Ultrafeine Partikel (UFP), die kleiner als 0.1 µm sind, filtert der ‹FreciousPlus› bis zu 80 % und erreicht somit Höchstwerte. Zum Vergleich: Diese extrem kleinen Partikel sind ungefähr 700 Mal kleiner als ein menschliches Haar», erläutert Heininger. (pd/sag)
MODUL KOMBINIERT PARKSPERRE, ROTORLAGEERFASSUNG
UND BÜRSTENSYSTEM FÜR ELEKTRISCHE ACHSEN
Vitesco Technologies hat seinen neuen Rotor Lock Actuator vorgestellt. Das Modul für Elektrofahrzeuge vereint drei Schlüsselfunktionen in einer Einheit: Es fungiert als Parksperre, erfasst die Rotorposition und enthält optional das Bürstensystem für fremderregte elektrische Synchronmaschinen. Bisher wird zur Sicherung der Parkposition bei den meisten Elektrofahrzeugen zusätzlich zu den Feststellbremsen an den Rädern eine mechanische Parksperre im Untersetzungsgetriebe eingesetzt, die den heutigen Stand der Technik für ein sicheres Abstellen des Fahrzeugs darstellt. Diese beansprucht jedoch erheblichen Platz im Fahrzeug. Der Rotor-Lock-Ansatz verlagert die Parksperrenfunktion vom Getriebe auf die Rotorwelle der E-Maschine. Die Verbauposition am Ende des Rotors ermöglicht einen
Der Rotor Lock Actuator fungiert als Parksperre, erfasst die Rotorposition und enthält optional das Bürstensystem für fremderregte elektrische Synchronmaschinen.
kleineren Aktuator. Darüber hinaus ermöglicht es die neue Position eben, weitere Funktionen in das Modul mit aufzunehmen – das Bürstensystem für fremderregte Synchronmaschinen oder den Inductive Rotor Position Sensor, der separate Steuereinheiten, Sensoren und Kabelbäume überflüssig macht.
Dank der implementierten Sensorredundanz, der robusten CyberSicherheitsmassnahmen und der
fortschrittlichen internen Diagnostik sind die Funktionszuverlässigkeit und die Sicherheit des Moduls, das von einem 12-V-Gleichstrommotor angetrieben wird, sichergestellt. Der Rotor Lock Actuator lässt sich mühelos in den Antriebsstrang und die Kommunikationsnetze integrieren. Dank der Inductive-Rotor-PositionSensor-Funktionalität profitiert der Fahrzeughalter durch die optimale Steuerung der Motorkommutierung von einer erhöhten Reichweite. Ausserdem erhöht das Modul die Sicherheit beim Parkieren, indem es die Bewegungen des Fahrzeugs bei aktivierter Rotorsperre reduziert. Das intelligente Schnittstellendesign zwischen Sperrelement und Rotor verhindert ein versehentliches Einschalten der Sperre während der Fahrt. Die Sperre wird dabei in weniger als 250 ms aktiviert und deaktiviert. (pd/sag)
Bild 1. Der Honda Jazz weist einen ähnlichen Hybridantrieb auf wie der Honda CR-V oder der Mitsubishi Outlander. Der seriell-parallele Antrieb lässt sich elektronisch sehr weitläufig beeinflussen und kann damit mit einem sehr geringen Energieverbrauch betrieben werden.
Hybridantrieb
SERIELL, PARALLEL ODER BEIDES?
Honda, Mitsubishi, aber auch Renault und Nissan bieten seriell-parallele Hybridsysteme an. Der österreichische Entwicklungsdienstleister AVL entwickelt auf dieser Basis gar dedizierte Verbrennungsmotoren mit höchsten Wirkungsgraden. Es bleibt zu hoffen, dass diese interessanten hybriden Fahrzeuge nicht aus politischen Gründen von den Strassen verschwinden müssen.
Text: Andreas Lerch | Bilder: Honda, Mitsubishi, Lerch
Der erste Grossserien-Hybridantrieb, welcher vor bald 30 Jahren im Toyota Prius in der Schweiz eingeführt worden ist, hat den Weg zu einem grossen hybriden Netz gewiesen, welches heute in die drei Hauptgruppen seriell, parallel und leistungsverzweigt unterteilt wird. Gerade im parallelen Teil gibt es noch einmal Unterteilungen von P0 bis P5. Seit einiger Zeit werden auch die seriellen und die parallelen Hybridarten miteinander verknüpft, und bei entsprechend cleverer Software können damit beeindruckende Ergebnisse erzielt werden. Honda, Mitsubishi, aber auch Renault und Nissan bearbeiten dieses hybride
Entwicklungsfeld intensiv. Während Honda und Mitsubishi mit einem einstufigen, festen Getriebe arbeiten, werden bei Renault und Nissan mehrstufige, automatisch schaltende, dedizierte Getriebe eingebaut (AUTO&Technik 5/2021).
Aufbau
Die grundlegende Eigenschaft von Hybridantrieben ist, dass sie über zwei unabhängig voneinander arbeitende Energiewandler angetrieben werden. In der Regel weisen sie heute einen verbrennungsmotorischen und einen elektrischen Antrieb auf. Über die mechanische Schaltung, die Getriebearten, die Verbindungen im Antriebsstrang und über die
Hybridsteuerungen unterscheiden sich die Antriebsarten aber wesentlich.
Verbrennungsmotoren
Die Verbrennungsmotoren werden in der Regel als dedizierte Verbrennungsmotoren entwickelt oder zumindest für die häufig auftretenden Betriebspunkte optimiert. Das Anfahren passiert in jedem Fall elektrisch, deshalb ist das LowendTorque der Motoren kein Thema mehr. Die Motoren müssen im mittleren Drehzahlbereich auf einen möglichst geringen spezifischen Verbrauch getrimmt werden, was einem hohen Wirkungsgrad entspricht. Auch die maximale Leistung
bei höchsten Drehzahlen ist nicht mehr wichtig, da die Elektromotoren bei vielen Hybridschaltungen bei der Höchstgeschwindigkeit mithelfen. Die österreichische AVL hat zusammen mit Mitsubishi einen 2.5-l-Basismotor entwickelt. Das Originalaggregat im Mitsubishi Outlander PHEV wird von Mitsubishi mit einem 2.4-l-Ottomotor mit indirekter Benzineinspritzung und Turboaufladung angeboten (Bild 2). Für die maximale Systemleistung gibt Mitsubishi 165 kW an, diese versteht sich als Summe aller Antriebsmotoren bei einer bestimmten Geschwindigkeit oder jener Motordrehzahl, welche bei dieser Geschwindigkeit anliegt. Somit wird hier auch die Übersetzung eine wichtige Rolle spielen. Der Mitsubishi-Verbrennungsmotor gibt seine maximale Leistung bei bescheidenen 4500/min ab. Dies hat einerseits damit zu tun, dass er so auf einen höheren Wirkungsgrad optimiert werden kann, und andererseits bringen ihm höhere Drehzahlen nichts, wenn er kein Getriebe hat, um die Raddrehzahlen im gewünschten Bereich zu halten. Die AVL hat den 2.5-l-Motor in der Zwischenzeit auf einen Wirkungsgrad >45 % weiterentwickelt. Dabei liefert er bei 4600/min 146 kW und bei 2500/min 300 Nm. Der Motor wurde in AUTO&Technik 4/2024 ausführlich beschrieben.
Honda-Motor
Auch der Verbrennungsmotor von Honda wurde den Anforderungen im Hybridfahrzeug genau angepasst und kann demzufolge auch als dedizierter Verbrennungsmotor angesehen werden. Der VierzylinderBenzinmotor hat einen Hubraum von 1993 cm3 und ist mit 13.9 : 1 hoch verdichtet. Hondatypisch ist der Vierventilmotor einlassseitig mit VTEC (Variable Valve Timing And Lift Electronic Control) ausgerüstet. Die beiden Nockenformen sind einerseits auf hohe Lasten und andererseits auf hohe Effizienz
optimiert. Zusätzlich können die Einlassnockenwellen mit einem E-VTC (Electronic Variable Timing Control) sehr schnell verdreht und damit die Öffnungszeiten verstellt werden. Damit wird der Atkinson-Verbrennungsprozess realisiert, welcher trotz des hohen Verdichtungsverhältnisses einen klopffreien Betrieb ermöglicht. Unterstützt wird die Verminderung der Klopfneigung durch ein gekühltes Abgasrückführungssystem.
Die Benzineinspritzung erfolgt mit maximal 350 bar direkt in den Zylinder. Deshalb wird der Motor mit einem Benzinpartikelfilter ausgerüstet. Die maximale Leistung von 109 kW erreicht der Motor bei 6100/min und das maximale Drehmoment von 189 Nm bei 4500/min. Da der Motor leistungsmässig nicht voll ausgereizt worden ist, liegen die Verbrauchszahlen bei Bestpunkten um 214 g/kWh und in einem grossen Muschelbereich im Betriebskennfeld bei 220 g/kWh auf einem sehr guten Niveau (Bild 4). Durch Lastpunktverschiebung wird im Betrieb versucht, den Verbrennungsmotor möglichst oft in diesem Bereich zu betreiben. Genau das wird bei einem Hybridfahrzeug gebraucht, welches einen seriellen Modus aufweist.
Die Kühlwasserpumpe ist zudem elektrisch ausgeführt, damit der Verbrennungsmotor ins Thermomanagementsystem integriert werden kann.
E-Motor und Übersetzung
Viele Hybridschaltungen kommen mit einer E-Maschine aus. Für den seriellen Hybrid ist es typisch, dass ein E-Motor und ein Generator arbeiten müssen. Bei Honda werden diese permanenterregt ausgeführt. Dabei werden die Permanentmagnete v-förmig vergraben, was zu einer gewissen Unterstützung durch die Reluktanz führt. Permanenterregte Motoren haben den Vorteil, dass sie bei niedrigen Drehzahlen bereits hohe Drehmomente abgeben können. Dafür müssen sie bei Leerlauf speziell geschaltet werden, da sie sonst sofort als Generatoren arbeiten. Bei Honda leistet der Antriebsmotor im Modell CR-V 135 kW (leider ohne Drehzahlangabe) und gibt ein Drehmoment von 335 Nm ab. Auch hier findet sich auf der Honda-Website keine Drehzahlangabe. Üblicherweise wird das maximale Drehmoment ab Stillstand bis zu einer bestimmten Drehzahl (Grunddrehzahlbereich des Motors) aufrechterhalten. Die maximale Spannung am Motor liegt um 700 V und er erreicht eine maximale
Drehzahl von über 12’000/min, was eine Gesamtübersetzung von ungefähr 7 : 1 zwischen dem E-Antriebsmotor und den Rädern erwarten lässt. Da auch der Verbrennungsmotor nur über eine einfache Übersetzung verfügt, dürfte diese ungefähr halb so gross sein wie jene des Elektromotors (da die Maximaldrehzahl des Verbrennungsmotors auch nur die Hälfte der nmax des Elektromotors beträgt). Diesen geschätzten Daten decken sich mit der offiziellen Angabe, dass sich der direkte Antrieb des Verbrennungsmotors über die Kupplung auf den Achsantrieb ab einer Geschwindigkeit von ca. 75 km/h schalten lasse.
Betriebsmodi
Honda unterscheidet die drei (Haupt-) Betriebsmodi Electric Drive, Hybrid Drive und Engine Drive (Bild 6).
Im Modus Electric Drive fährt das Fahrzeug völlig emissionslos rein elektrisch. Da die Hochvoltbatterien der Fahrzeuge über geringe Kapazitäten verfügen, kann dieser Modus nur relativ kurz aufrechterhalten werden. Der Modus Hybrid Drive stellt einen typischen seriellen Hybrid dar. Der Verbrennungsmotor treibt über eine einstufige Getriebeübersetzung den Generator an. Durch die Übersetzung wird die Drehzahl angehoben, was den Generator in einen besseren Wirkungsgradbereich führt. In der Steuerungselektronik wird entschieden, ob die gesamte elektrische Leistung direkt dem Antriebsmotor zugeführt wird oder ob ein Teil davon die Batterie laden soll. Es ist auch möglich, dass der Generator nur einen Teil der Fahrenergie liefert und der andere Teil der Batterie entnommen wird. Auf diese Art kann der Lastpunkt
Bild 3. Der schematische Aufbau des i-MMD-Hybridantriebs von Honda. 1 dedizierter Verbrennungsmotor – 2 Antriebsmotor, E-Maschine – 3 Generator, EMaschine – 4 Kupplung – 5 Hochvoltbatterie – 6 einstufige Getriebeübersetzungen.
Kontakt
Bild 2. Der Antrieb des Mitsubishi Outlander am Genfer Automobilsalon 2019. Links der Verbrennungsmotor und rechts der E-Motor und der Generator.
des Verbrennungsmotors in einen optimalen Bereich verschoben werden. Das ist wichtig, weil in dieser Lastpunktverschiebung das grosse Potenzial des seriellen Hybrids liegt. Im Modus Engine Drive wird die Lamellenkupplung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Achsantrieb geschlossen. Zunächst wird der Verbrennungsmotor durch den Generator gestartet und auf die Synchronisationsdrehzahl zum Achsantrieb geschleppt. In diesem Punkt kann die Kupplung verschleiss- und schwingungsfrei geschlossen werden und der Verbrennungsmotor kann – wie bei einer parallelen
Hybridschaltung – den Antrieb übernehmen. Die Regelelektronik überwacht aber auch, dass dieser Modus nicht bei zu geringen Geschwindigkeiten eingeschaltet werden kann. Da der Verbrennungsmotor auch nur über eine einfache Getriebeübersetzung mit dem Achsantrieb verbunden ist, muss die Fahrgeschwindigkeit ungefähr 75 km/h betragen, damit sich der Verbrennungsmotor in einem Betriebspunkt befindet, in dem er schon ausreichend Drehmoment abgeben kann.
Reicht das Drehmoment für einen eventuellen Beschleunigungswunsch des Fahrers nicht aus, kann mit dem Antriebsmotor geboostet werden. Es gibt sogar Möglichkeiten, dass mit dem Generator geboostet werden kann. Es kommt immer darauf an, wie viel Drehmoment oder Leistung gefordert wird und welche E-Maschine für diese Leistungsabgabe gerade im besseren Wirkungsgradbereich liegt. Die Honda-Entwickler haben auf die Wirkungsgradoptimierung sehr grosses Gewicht gelegt.
Unter diesem Aspekt ist auch im Engine-Drive-Modus eine Lastpunktverschiebung für den Verbrennungsmotor vorstellbar. So kann es Situationen geben, in denen der Gesamtwirkungsgrad besser ist, wenn
der Generator den Verbrennungsmotor zusätzlich belastet und so in einen höheren Lastpunkt schiebt. Die elektrische Energie, welche der Generator in diesen Momenten erzeugt, kann einerseits gespeichert oder direkt der Antriebsmaschine zugeführt werden, welche erneut ein Zusatzmoment für den Antrieb erbringt. In mathematischen Modellen haben die Ingenieure herausgefunden, dass dies tatsächlich in manchen Betriebspunkten zu Wirkungsgradverbesserungen führen kann.
Natürlich kann mit dem seriell-parallelen Hybridsystem auch rekuperiert werden. Dazu wird sinnvollerweise
eher der Antriebsmotor benutzt (Bild 7). Soll mit dem Generator rekuperiert werden, muss die Kupplung geschlossen sein und der Verbrennungsmotor wird von der kinetischen Fahrzeugenergie mitgeschleppt, was jedoch den Rekuperationswirkungsgrad verschlechtert.
Fahrzyklus
Im Bild 8 ist ein Fahrzyklus mit unterschiedlichen konstanten Geschwindigkeiten und Beschleunigungen dargestellt. Im Startpunkt ist die Hochvoltbatterie geladen und wird bis zum Anfahrmoment noch kaum entladen. Da das Fahrzeug noch steht, arbeitet der Antriebsmotor (E-Motor)
Bild 6. Die drei Hauptmodi des seriell-parallelen Hybridantriebs: Electric Drive (EVD), Hybrid Drive (HD) und Engine Drive (ED)
Bild 4. Das Muscheldiagramm des spezifischen Verbrauchs zeigt den grossen Bereich mit geringem Verbrauch.
Bild 5. Das E-CVT-Getriebe genannte Teil beinhaltet die beiden E-Motoren und die Lamellenkupplung, dazu eine mechanisch angetriebene Ölpumpe.
nicht, der Verbrennungsmotor und der Generator stehen ebenfalls still und das System bereitet sich auf das Beschleunigen vor, was systembedingt nur über den E-Motor möglich ist, da der Verbrennungsmotor erst bei höheren Geschwindigkeiten mechanisch verbunden werden kann. Da zusätzlich die Elektronik weiss, dass die Batterie einen hohen Ladezustand (SOC – State of Charge) aufweist, wird sie zum Anfahren den Electric-Drive-Modus (EVD) auswählen. Im zweiten Bereich des Fahrzyklus wird angefahren und beschleunigt. Dabei ist der E-Motor in Betrieb und die Batterie wird entladen. Ist die Wunschgeschwindigkeit des Fahrers (beispielsweise die Innerortsgeschwindigkeit 50 km/h) erreicht, verändert sich am Betriebsmodus noch nichts, weil der SOC noch hoch genug ist, um über den E-Motor die Geschwindigkeit konstant zu halten.
Plötzlich sinkt der SOC unter einen in der Elektronik abgespeicherten Wert. In diesem Moment schaltet die Elektronik in den Hybridmodus um. Jetzt wird der Verbrennungsmotor gestartet, um den Generator anzutreiben. Der Verbrennungsmotor wird in einen Betriebspunkt mit
Bild 7. In den (in Bild 6 dargestellten) Hauptmodusfunktionen können Nebenfunktionen wie Boosten, Lastpunkt verschieben und Rekuperieren ermöglicht werden.
geringem spezifischem Verbrauch gefahren und treibt so den Generator an. Dieser gibt entsprechend der zugeführten Drehzahl und dem Drehmoment elektrische Energie ab. Da der SOC ja gerade relativ niedrig ist, wird die gelieferte Energie in erster Linie direkt dem E-Motor zum Fahrzeugantrieb zugeführt. Weil der Generator nun wohl noch zu viel Energie liefert, kann mit dem Rest die Batterie geladen werden (HD Charge).
Wird jetzt wieder beschleunigt, bleibt der Antrieb im Hybrid-Drive-
Bild 8. Im Fahrzyklus werden die Betriebsmodi aufgrund unterschiedlicher Parameter gewählt. EVD: Electric-Drive-Modus – EVD (Rek): Electric-Drive-Modus mit Rekuperationsfunktion – HD: Hybrid-Drive-Modus – HD (Charge): Hybrid-Drive-Modus mit Ladefunktion – HD (Boost): Hybrid-Drive-Modus mit Boostfunktion – ED: Engine-DriveModus – ED (Charge): Engine-Drive-Modus mit Ladefunktion.
Modus, aber jetzt wird dabei in den Boost-Modus umgeschaltet. Die ganze Energie, welche der Generator liefert, wird direkt dem Elektromotor zugeführt. Zusätzlich wird auch noch die Batterie entladen, damit der E-Motor nun wirklich seine maximale Kraft an den Antrieb weitergeben und eine maximale Fahrzeugbeschleunigung erreicht werden kann.
Ist beispielsweise die Autobahngeschwindigkeit erreicht und wird sie konstant gehalten, schaltet die Elektronik – je nach SOC der Batterie – in den Engine-Drive-Modus. Dabei wird der Verbrennungsmotor, welcher ja schon läuft, mit der Abtriebsdrehzahl synchronisiert und über die Kupplung verbunden. Damit er wiederum in einem guten Lastbereich laufen kann, muss die Energie, welche er abgibt, teilweise in elektrische Energie umgewandelt werden, da das Fahrzeug sonst wieder beschleunigen würde. Entweder wird also der Generator aktiviert oder, wie im Bild 8 dargestellt, der Generator in den Leerlauf geschaltet und über den E-Motor wird rekuperiert. Ist auf diesem Weg der SOC wieder auf das Ausgangsniveau gestiegen, wird der Modus auf Electric Drive gewechselt, Verbrennungsmotor und Generator werden ausgeschaltet und das Fahrzeug wird wieder rein elektrisch betrieben.
In der letzten Phase bleibt allein der E-Motor aktiv. Er rekuperiert wieder und arbeitet demzufolge als Generator. Dadurch nimmt die Fahrzeuggeschwindigkeit ab, dafür wird die Batterie wieder geladen. Diese seriell-parallele Hybridschaltung ist effizient und wäre äusserst vielversprechend. Wäre? Wenn die EU ab 2035 die Verbrennungsmotoren verbieten will, bleiben auch diese tollen Systeme auf der Strecke.
1. Was ist charakteristisch am seriellen Hybrid?
2. Was ist charakteristisch am parallelen Hybrid?
3. Welche drei Modi werden beim Honda-Hybrid unterschieden?
1. «Bi» heisst zwei. Es wurde auch bei der Aufladetechnik bei Verbrennungsmotoren verwendet: Biturbo.
2. Der Wechselrichter macht aus Gleichstrom Wechselstrom. Wie die Signalform von Wechselstrom dabei aussieht, ist sekundär. Wenn es sinusförmiger Wechselstrom sein muss, werden der Aufbau und die Steuerung des Wechselrichters komplizierter. Im nächsten Schritt muss auch die Frequenz angepasst werden können, und der letzte Punkt verlangt die gleiche Phasenlage wie der Wechselstrom im Netz.
3. Der Wechselrichter wird im Fahrzeug untergebracht, und über eine Leitung (evtl. auch eine Informationsleitung) muss der Nulldurchgang des Netzwechselstromes sensiert und dem Fahrzeug in Echtzeit übermittelt werden. FRAGEN
Bosch Tech Day 2024
SOFTWARE, SERVICES UND
SMARTE TECHNIK
Bosch hat an seinem Tech Day 2024 vorwiegend Software-Lösungen und Services rund um die Mobilität vorgestellt. Der Technologiekonzern und Automobilzulieferer der ersten Stunde zeigt damit, wie er auch im Zeitalter der softwaredefinierten Fahrzeuge weiterhin zu den tonangebenden Entwicklern gehören will. Text: Stefan Gfeller | Bilder: Bosch
Bosch baut sein Geschäft mit Software und Services aus und will bis Ende des Jahrzehnts mit Software Milliardenumsätze erwirtschaften, wie Dr. Stefan Hartung, Vorsitzender der Bosch-Geschäftsführung, anlässlich des Bosch Tech Day 2024 ausführte: «Bosch ist längst auch ein Software-Unternehmen. Wir bringen unternehmensweit mit Hilfe unseres breiten Domänenwissens Codezeilen direkt in Produkte.» Dafür sorgen auch die insgesamt 48’000 Mitarbeitenden, die bei Bosch Software-Code programmieren – 42’000 davon allein für den Geschäftssektor Mobility. «Der Siegeszug der Software wird die Autobranche umfassend umwälzen», ist Hartung überzeugt. Und Dr. Markus Heyn, BoschGeschäftsführer und Vorsitzender des Geschäftssektors Mobility, ergänzte mit Blick auf Over-the-AirSoftware-Updates: «Autos werden künftig nahtlos in die digitale Welt integriert und dadurch vor allem eins sein: updatefähig. Mit Bosch-Technik altern Autos langsamer.»
Softwaredefiniertes Fahrzeug Schliesslich soll der Weg hin zum softwaredefinierten Fahrzeug führen: Neue Modelle werden immer stärker von der Software her gedacht und entwickelt. Der globale Markt für Automobilsoftware und -elektronik soll laut einer aktuellen McKinseyStudie 2030 voraussichtlich 462 Milliarden US-Dollar erreichen; der Software-Anteil im Auto wird sich ab 2023 verdreifachen. Bosch will selbstverständlich an diesem Wachstumsmarkt partizipieren, wie auch Heyn erklärte: «Vor uns liegt das Zeitalter des softwaredefinierten Fahrzeugs. Für Bosch ist das eine gute Nachricht, denn wir können beides: Hard- und Software. Wir sind eines der wenigen Unternehmen, welches das Zusammenspiel von Automobilelektronik und Cloud umfassend beherrscht.»
Mit der softwaredefinierten Mobilität wird sich auch die Fahrzeugarchitektur ändern – weg von einer domänenspezifischen, hin zu einer zentralisierten, domänenübergreifenden IT- und Elektronik-Architektur mit wenigen, aber sehr leistungsfähigen
unterschiedlichen Rechner und Software-Pakete im Auto miteinander vernetzt sein, damit sie herstellerübergreifend kommunizieren können. Die Bosch-Tochter ETAS liefert dafür mit der sogenannten Middleware gewissermassen die Übersetzungssoftware zwischen den physischen Komponenten und der Anwendungssoftware im Auto, unabhängig vom Lieferanten.
Deterministic Middleware Solutions
Fahrzeugcomputern und Sensoren. Derzeit arbeiten rund 100 Steuergeräte verschiedener Hersteller in einem Auto, in einem softwaredefinierten Fahrzeug dagegen werden künftig weniger als ein Dutzend Rechner die Steuerung übernehmen. Hierfür ist es notwendig, domänenspezifische Funktionen in modernen Fahrzeugcomputern zu vereinen. Unabhängig von ihrer Anzahl müssen die
Die Middleware-Lösung für die Entwicklung und den Betrieb automatisierter Fahrsysteme unterstützt die Modellierung von Software- und Hardware-Architekturen und eine leistungsstarke Kommunikation. Sie integriert verschiedene Anwendungsfunktionen und verbindet sie miteinander. Dazu besteht die Lösung aus mehreren Tools, Steuergeräte-Software-Bibliotheken und einer robusten Anwendungsprogrammierschnittstelle (API) für den Entwicklungszyklus von fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen sowie automatisiertem Fahren. Das Besondere an der ETASLösung ist, dass sie dafür sorgt, dass real gefahrene Testkilometer im virtuellen Raum eins zu eins und mit einzigartiger Genauigkeit verwendet werden können. So wird virtualisierte Entwicklungsarbeit zuverlässig, und ETAS ermöglicht damit Autoherstellern sowie anderen Zulieferern eine massive Reduzierung der physisch gefahrenen Testkilometer durch eine reproduzierbare simulationsbasierte Validierung. Neue Fahrfunktionen können damit – selbstverständlich ohne Kompromisse bei der Sicherheit eingehen zu müssen – schneller auf den Markt gebracht werden.
ETAS’ AI Vehicle Application Generator ermöglicht es jedem, neue Fahrzeugfunktionen per natürlicher Sprache und ohne Vorkenntnisse zu erstellen.
Softwaredefiniertes Fahrzeug: Autos sollen künftig nahtlos in die digitale Welt integriert werden.
AI Vehicle Application Generator Fahrzeugnutzer erwarten zunehmend personalisierte Funktionen, die ihre individuellen Bedürfnisse widerspiegeln, und Automobilhersteller stehen vor der Herausforderung, diese softwarebasierten Fahrzeugfunktionen bereitzustellen. Die Entwicklung solcher Software ist jedoch komplex und erfordert tief gehendes Wissen sowie enge Zusammenarbeit mit Zulieferern. Derzeit können nur OEMs Funktionen wie beispielsweise «Welcome Passenger», welche präzise Steuerung von Sitzen, Lichtern und Scheinwerfern bieten, integrieren. Das erschwert aber Anpassungen durch Händler, Mietwagenfirmen, Flottenbesitzer oder Fahrer, was der ETAS AI Vehicle Application Generator grundlegend ändern soll: Der KI-gesteuerte Generator, eine Erweiterung der ETASEdge-Middleware-Lösung, ermöglicht es jedem – vom OEM bis zu Fahrern –, neue Fahrzeugfunktionen per natürlicher Sprache ohne Vorkenntnisse zu erstellen. Das Tool generiert vollständige, einsatzbereite Apps mit integrierten Sicherheitsund Compliance-Funktionen.
Cockpit & ADAS Integration Platform Wie bereits erwähnt, besteht die zentralisierte Elektronikarchitektur aus wenigen, aber dafür sehr leistungsstarken und domänenübergreifenden Fahrzeugcomputern – wie zum Beispiel der sogenannten Cockpit & ADAS Integration Platform. Dieser softwareintensive Zentralrechner vereint die bisher getrennten Infotainment- und Fahrerassistenzfunktionen in einem System-on-Chip. Zu sei-
nen Funktionen gehören beispielsweise das automatisierte Parken oder die Fahrspurerkennung, gepaart mit intelligenter und personalisierter Navigation und Sprachassistenz. Der modulare und skalierbare Hochleistungsrechner benötigt weniger Bauraum und Verkabelungsaufwand im Fahrzeug und bietet so Fahrzeugherstellern eine Kostenersparnis.
Interior Sensing Solutions
Die Systeme zur Innenraumsensierung von Bosch erhöhen die Sicherheit für alle Fahrzeuginsassen. Sie erkennen Ablenkung und Müdigkeit und können Fahrer entsprechend warnen. Gerade für das automatisierte Fahren sind Funktionen zur Insassenerfassung, die den gesamten Innenraum im Blick haben, essenziell und unterstützen Sicherheitssysteme wie Anschnallerinnerung und AirbagUnterdrückung. Zudem ermöglicht die Innenraumbeobachtung Komfort-
funktionen wie automatische Sitz- und Temperatureinstellungen sowie Gestensteuerung. Zusätzlich zum Kamerasystem erkennt der sogenannte Cabin Sensing Radar kleinste Bewegungen im Fahrzeug und um dieses herum. So können beispielsweise ein schlafendes Baby im Auto oder Näherungs- und Einbruchsversuche detektiert und dem Besitzer gemeldet werden. Die Funktionen sind sowohl als eigenständige Softwarelösungen, über zentrale Fahrzeugcomputer oder dedizierte Steuergeräte verfügbar.
Connected Map Services
Über die Kombination von Schwarmdaten aus vernetzten Fahrzeugen und Datenquellen aus der Infrastruktur –wie etwa Wetterinformationen – können die vernetzten Kartenservices von Bosch ein genaues und aktuelles Abbild zahlreicher Aspekte im Fahrumfeld erstellen. Dabei profitieren die vernetzten Kartenservices im
Gegensatz zu menschlichen Fahrerinnen und Fahrern (die nur aus eigenen Erfahrungen lernen) aus der Summe der Erfahrungen aller angebundenen Fahrzeuge. Daraus lassen sich Attribute ableiten wie zum Beispiel die optimale Fahrgeschwindigkeit in einem Kreisverkehr, die exakte Spurgeometrie und Fahrtrajektorie an komplexen Strassenkreuzungen, Lokalisierungslandmarken, anhand derer sich das Fahrzeug zentimetergenau verorten kann, oder auch die Information, an welchen Stellen die Strasse aktuell gefährlich vereist ist. Mithilfe umfangreicher und verlässlicher Echtzeitinformationen kann das Fahrverhalten vorausschauend und sicher geplant und angepasst werden, wenn sich die Strassenverhältnisse während der Fahrt ändern.
Act-by-Wire
Act-by-Wire-Technologien (Steer-byWire, Brake-by-Wire) ersetzen die mechanische Verbindung von Lenkrad und Bremspedal zu den jeweiligen Aktuatoren der Lenk- und Bremssysteme durch elektrische Signalleitungen. Dadurch lassen sich zum einen neue Funktionen realisieren, die in kritischen Fahrsituationen unterstützen, diese sogar vermeiden, sowie Komfort und Fahrzeugagilität erhöhen. Zum anderen ergeben sich neue Möglichkeiten für die Gestaltung der Mensch-Maschine-Schnittstelle und des Fahrzeuginnenraums. Bosch bietet hier nicht nur entsprechende Hardware wie beispielsweise Aktuatoren oder ein By-Wire-Bremspedal, sondern kann mit der «Vehicle Motion Management Software» auch eine optimale Ansteuerung der By-WireAktuatoren sicherstellen.
Die sogenannte Cockpit & ADAS Integration Platform vereint die bisher getrennten Infotainment- und Fahrerassistenzfunktionen in einem System-on-Chip.
Den gesamten Innenraum im Blick: Die Systeme zur Innenraumsensierung erhöhen die Sicherheit für alle Fahrzeuginsassen.
Annotate kann fahrzeugklassenübergreifend sowohl im PW- als auch im Nutzfahrzeugbereich eingesetzt werden.
Cloudbasierter, KI-gestützter Validierungsdienst
UNTERWEGS AUF DER SUCHE NACH DER «ABSOLUTEN WAHRHEIT»
ZF hat sein cloudbasiertes Referenzsystem mit Objekt- und Fahrbahndaten zur Entwicklung und Qualitätssicherung fortschrittlicher Assistenzsysteme (ADAS und AD) vorgestellt. ZF Annotate soll den Validierungsprozess von Sensordaten mithilfe künstlicher Intelligenz massiv verkürzen. Bilder: ZF
Für die Entwicklung autonomer Assistenzsysteme im Fahrzeug sind präzise und verlässliche Daten unverzichtbar. Kameras, Radar, Lidar- oder Ultraschall-Sensoren liefern kontinuierlich Informationen, aus denen das Fahrzeug ein dreidimensionales Abbild seiner Umgebung erstellt. Die Systeme müssen dabei unterschiedlichste Objekte wie Fahrzeuge, Personen, Fahrspuren oder Verkehrszeichen in Echtzeit erkennen – und diese Sensordaten müssen digital korrekt verarbeitet werden, damit das Fahrzeug immer die «absolute Wahrheit» bzw. «Ground Truth» erhält, um darauf basierend eine Fahrfunktion zu errechnen und umzusetzen.
Hochpräzise Vergleichsmessung
Ein Abgleich der gesammelten Sensorinformationen mit einem hochpräzisen Referenzsensorsatz erhöht die Genauigkeit, und hier setzt ZF Annotate an: Auf der Grundlage von kundeneigenen Fahrzeugdaten und der zusätzlichen ZF-Sensordatenaufzeichnungen – der Referenzmessung
– liefert die cloudbasierte Servicelösung die «Ground Truth». Dabei agiert sie als ein vom zu überprüfenden Sensorset unabhängiges, redundantes Setup, das während der Fahrt auf der Strasse mit den gleichen Informationen konfrontiert wird. Die aufgezeichneten Daten werden an-
schliessend in die Cloud geladen und analysiert: Dank künstlicher Intelligenz werden alle relevanten Objekte positionsgenau markiert, klassifiziert, attribuiert und mit eindeutigen ID-Nummern versehen. Sich bewegende Objekte werden getrackt. Diese Objektinformationen
gehören zur vollständigen Beschreibung des Umfeldmodells, also der «Ground Truth». Nach dieser «Annotation» liefert die Software eine hochpräzise Vergleichsmessung. Damit ist ZF Annotate eine KI-gestützte Validierungslösung zum Testen und Trainieren moderner ADAS/AD-Systeme von Level 2+ bis Level 5.
Beschleunigte Entwicklung
Die Daten der Referenzmessungen von ZF Annotate können so die Entwicklung und Feinabstimmung komplexer ADAS- und AD-Systeme deutlich beschleunigen. Bislang war die Validierung solcher Systeme mit hohem Arbeitsaufwand verbunden und entsprechend zeit- und kostenaufwendig, da die Referenzdaten traditionell manuell von Menschen annotiert werden. Und bisherige Vergleichssysteme setzen bei der Validierung von Referenzdaten überwiegend auf eine 2D-Annotation, sie bilden damit die Umgebung in Entfernung und horizontalem Winkel ab. Das 3D-fähige ZF Annotate dagegen ergänzt die Angaben um die Information der Höhe.
Die Referenz-Sensorik kommt je nach Kundenwunsch entweder auf dem Testfahrzeug selbst oder im sogenannten Pursuit-Modus zum Einsatz. Bei letztgenanntem handelt es sich um ein auf einem separaten Referenzdatenfahrzeug angebrachtes Sensorset. Der Pursuit-Modus ist ohne grössere Anpassungen an dem zu testenden Fahrzeug einsetzbar – zum Beispiel bei der Bewertung von Parkszenarien im öffentlichen Raum. (pd/sag)
Immer neue, energiehungrige Sicherheitsund Komfortsysteme stellen hohe Anforderungen an die 12-Volt- beziehungsweise Starterbatterien. AUTO&Wirtschaft zeigt die neusten Entwicklungen im Akkubereich.
WIRTSCHAFT
Standheizungen
Standheizungen versprechen einen wohlig warmen Innenraum und temperieren den Motor für schonende Starts vor.
Weitere Themen der Oktober-Ausgabe sind Lichttechnik mit Trends der Fahrzeugbeleuchtung und eine Vorschau auf die Auto Zürich.
AUTO-EVENTS 2024
FACHWISSEN
Doppelrotor-Radialflussmotor Normalerweise fliessen die magnetischen Feldlinien in E-Maschinen radial, also vom Zentrum nach aussen zum Umfang, umkreisen diesen und strömen wieder in Richtung Zentrum. «DeepDrive» ist ein Münchner Startup-Unternehmen, welches eine E-Maschine entwickelt hat, welche trotz der radialen Fliessart der Feldlinien zwei Rotoren oder einen Doppelrotor aufweist. Die Entwickler sprechen von höheren Wirkungsgraden und geringerer Baugrösse. Die «BMW Startup Garage» will zusammen mit «DeepDrive» den Motor nach zahlreichen Prüfstandversuchen im Strassentest auf Herz und Nieren prüfen.
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Die Digitalisierung revolutioniert das Carrosseriegewerbe. Effizientere Prozesse, verbesserte Kommunikation und ein grösserer Fokus auf Umweltaspekte sind nur einige der Vorteile, die sie mit sich bringt. Gerade in der Schadenabwicklung geschieht heute schon das meiste online und per Smartphone – von der Schadenaufnahme über die Kommunikation mit der Versicherung bis hin zur Reservation des Ersatzwagens. Doch das ist längst nicht alles. So soll künftig etwa mit Hilfe von künstlicher Intelligenz der Schaden per Handy-Foto analysiert und kalkuliert werden. Und auch die Ersatzteile werden gleich beim günstigsten Anbieter bestellt.
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