Energieeffiziente Antriebstechnologien

Die intensive Auseinandersetzung mit alternativen Antrieben von Kraftfahrzeugen macht einmal mehr deutlich, wie wenig aussagekräftig Ökobilanzen sein können. Der Grund sind zu viele Variablen, für die es keine definierte Basis gibt. Im Interview mit der ATZ erklärt Professor Markus Lienkamp, Inhaber des Lehrstuhls für Fahrzeugtechnik an der TU München, was sich ändern müsste.

Auf den Kraftstoffverbrauch zu schauen, ist sinnvoll, aber nur eine Seite der Medaille. Eine umweltgerechte Fahrzeugentwicklung muss ganzheitlich erfolgen. Um dies zu erreichen, müssen von Anfang an geeignete Instrumente zur Verfügung stehen – bei Volkswagen ist das die Umweltbilanz. Die Untersuchung des kompletten Produktlebenszyklus erfasst mehr als nur die Fahremissionen und unterstützt so das Unternehmen auf dem Weg zu seinen selbst gesetzten Umweltzielen.

Die Elektromobilität ist im Aufbruch, sich ihren Platz in der Mobilität der Zukunft zu sichern. Unter geeigneten Randbedingungen, einem auf Nachhaltigkeit ausgerichteten Gesamtansatz sowie guter Integration in ein regeneratives Energieversorgungssystem weist sie zahlreiche Vorteile auf. Nach Untersuchungen bei BMW wird jedoch auch die konventionelle Mobilität aufgrund vieler Vorteile der kohlenwasserstoffgebundenen Energieversorgung noch längerfristig einen sicheren Bestand haben.

Bis zum heutigen Tag wurden zahlreiche Konzepte, Prototypen und vereinzelt auch Serienprodukte von Elektrofahrzeugen mit unterschiedlichen Antriebskonzepten und Aufbauformen entwickelt. Für neue Entwicklungen ist die Kenntnis des aktuellen Stands der Technik dieser Elektroautos von großer Bedeutung. Die Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbH Aachen (fka) analysierte im Rahmen eines kontinuierlichen Design- und Funktionsbenchmarkings eines der ersten serienreifen Elektrofahrzeuge, den Klein-Pkw Mitsubishi i-MiEV, als Leistungsvergleich. Die Ergebnisse werden mit denen eines konventionell angetriebenen Kleinwagens (VW Polo V) gegenübergestellt.

Zur Darstellung sportlicher und leistungsstarker Elektrofahrzeuge ist die Anhebung des Spannungsniveaus im Traktionsbordnetz eine ebenso naheliegende wie sinnvolle Entwicklungsrichtung. Deshalb entwickeln Ingenieure von AVL einen elektrischen Antriebsstrang auf Basis der 1200-V-IGBT-Technik für das Elektroautokonzept Coup-e 800. Als Fahrzeugplattform zur Integration des Antriebs sowie zum Nachweis der Praxistauglichkeit wird ein Mercedes-Benz C-Klasse-Coupé verwendet.

Zur Reichweitensteigerung ist bei Elektrofahrzeugen ein konsequenter Leichtbau unerlässlich. Dazu wurde am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF im Rahmen des Verbundprojekts Systemforschung Elektromobilität ein Faserverbund-Leichtbaurad mit integriertem Elektromotor entwickelt und gebaut.

Um bei Plug-in-Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen mit Range Extender die Vortriebskraft auf die Räder zu bekommen, hat Hofer EDS ein neuartiges Hybridgetriebe konzipiert. Es kombiniert die Betriebsarten einer speziellen Asynchronmaschine mit denen eines elektrischen Achsantriebs.

Das Mild-Hybrid-Getriebe 7HDT500 von Getrag baut wie das Basis- Doppelkupplungsgetriebe 7DCT500 sehr kompakt. Dies ist bei quer zur Fahrtrichtung eingebauten Antriebssträngen von Vorteil. Diese technische Lösung kann in Kombination mit elektromotorisch angetriebenen Hinterrädern auch als drehmoment- und leistungsstarker Axle-Split-Hybrid zum Einsatz kommen.

In einem Elektrofahrzeug verringert der Stromverbrauch elektrischer Nebenaggregate für Heizung und Kühlung die maximale Reichweite. Um diesen Effekt zu mindern, arbeitet Hyundai an einem Klimaanlagensystem (Heating, Ventilation, Air Conditioning; HVAC), das lediglich die Sitzplätze klimatisiert, die im Fahrzeug tatsächlich besetzt sind. Diese Strategie steigert die maximale Reichweite von Elektrofahrzeugen erheblich.

Bei Elektrofahrzeugen wird der Leichtbau als probates Mittel zu Senkung der Batteriekosten propagiert. Der Einfluss der Aerodynamik auf Reichweite und Batteriekosten wird hingegen oft unterschätzt. Dabei führt die Verringerung des Luftwiderstands c

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, wie dieser Beitrag des Forschungsinstituts FKFS zeigt, besonders kosteneffektiv zum gleichen Ziel.

Im Rahmen des vom BMWi geförderten Projekts SmartWheels bauten zwei Institute der RWTH Aachen einen batterieelektrisch betriebenen Minibus auf, der das Potenzial von elektrisch betriebenen Fahrzeugen im öffentlichen Nahverkehr aufzeigen soll. Das Institut für Kraftfahrzeuge Aachen (ika) hat den auf einem Mercedes-Benz Sprinter City 65 basierenden Versuchsträger aufgebaut, das Institut für Stromrichtertechnik und elektrische Antriebe (ISEA) entwickelte das Batteriesystem und eine innovative Schnellladevorrichtung.

Das übergeordnete Ziel, die CO

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-Emissionen beim Betrieb von Nutzfahrzeugen zu reduzieren, erfordert ein effizientes Energiemanagement aller beteiligten Systeme. Arbeiten bei der IAV zeigen, wie dies mit modernen Entwicklungsmethoden und innovativen Algorithmen für Nutzfahrzeuge der nächsten Generation gestaltet werden kann.

Das ideale Segment für die Markteinführung von rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen ist aus Sicht von BMW Motorrad ein Big-Scooter für in der Stadt oder stadtnahe wohnende Pendler. Mit einem derartigen Motorrollertyp werden die Verkehrs- und Parkraumflächen auf ein Einspurfahrzeug reduziert, und die geforderten Reichweiten bewegen sich im Rahmen der Möglichkeiten aktueller Energiespeicher. Darüber hinaus sind bei einem solchen Fahrzeug zusätzliche, die Reichweite reduzierende Nebenverbraucher wie eine Klimaanlage nicht relevant.

Ford hat einen neuen 1,0-Dreizylinder-Ottomotor mit Direkteinspritzung und Turboaufladung als Teil der sogenannten Eco-Boost-Motorfamilie in die Serie eingeführt. Der völlig neu konstruierte Motor wird für den globalen Markt in mehreren Werken in hohen Stückzahlen gefertigt. Er kombiniert geringen Verbrauch mit hoher Leistung und großem Drehmoment bei günstigen Fertigungskosten.

Der neue 2,0-l-Biturbo-Dieselmotor von Opel mit zweistufiger Turboaufladung und Piezo-Einspritztechnik sorgt dank einer Closed-loop- Verbrennungsregelung für niedrige Emissions- und Verbrauchswerte. Alle Maßnahmen in Kombination mit einer erstmals eingesetzten zweistufigen Ladeluftkühlung ermöglichen maximale Leistungs- und Drehmomentwerte bei einem nochmals verbesserten Ansprechverhalten.

Mit der zweiten Generation des 1,1-l-Dieselmotors von Hyundai erreicht das kürzlich vorgestellte B-Segment-Modell Kia Rio einen CO

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- Ausstoß von 85 g/km. Verbesserte Motor- und Fahrzeugtechniken einschließlich eines Start-Stopp-Systems sowie Gewichts- und Reibungsreduktion ermöglichen diesen Klassenbestwert. Zudem hat der Kia- Mutterkonzern das Brennverfahren mit Blick auf die Leistungsentfaltung und die Fahrbarkeit optimiert.

Ein vielversprechender Weg zur Verbrauchssenkung, der jedoch bislang selten beschritten wurde, ist die Zylinderabschaltung im Teillastbetrieb. Für die Erstanwendung dieser Technik bei Vierzylinder- Reihenmotoren von Volkswagen wurde der neue 1.4 TSI mit Benzin-Direkteinspritzung und Turboaufladung ausgewählt. Im dafür geeigneten Kennfeldbereich wird die Betätigung der Ein- und Auslassventile der Zylinder 2 und 3 abgeschaltet und zugleich die Einspritzung eingestellt.

Intelligente Elektrifizierung kann die bisherigen Grenzen beim Downsizing von Ottomotoren verschieben. Dies zeigt der Antrieb eines Projektfahrzeugs, das im Rahmen des Hyboost-Forschungsprogramms unter der Leitung von Ricardo und in Zusammenarbeit mit Ford, Controlled Power Technologies, Valeo und anderen Unternehmen entwickelt wurde. Dabei ermöglichen unter anderem ein Kompressor mit Elektroantrieb und ein Speicher aus Doppelschichtkondensatoren eine extreme Hubraumverringerung.

Konsequentes Downsizing führt bei der Entwicklung moderner Antriebsaggregate zu gesteigerten Leistungsdichten und gleichzeitig reduzierten Kraftstoffverbräuchen sowie Schadstoffemissionen. Dabei ergeben sich sowohl aufgrund der gewichtsreduzierten Bauteilkonstruktionen als auch infolge der erhöhten thermischen und mechanischen Belastungen ständig neue Herausforderungen in Hinblick auf die verwendeten Werkstoffe für die verschiedenen Motorkomponenten. Der vorliegende Beitrag der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg gibt eine Übersicht aktueller Entwicklungstendenzen bei Werkstoffen und Fertigungstechniken zur Leistungssteigerung von Zylinderköpfen.

Im Folgenden stellen die TU Kaiserslautern und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) die Möglichkeiten und Grenzen zur weiteren Entwicklung von Ottomotoren hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und CO

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-Emissionen vor. Am homogen, stöchiometrisch betriebenen Ottomotor werden thermodynamische Ansätze zur Prozessoptimierung mittels variablem Ventiltrieb bewertet und verglichen. Dazu werden die Einsatzmöglichkeiten von Phasensteller, diskretem Hubumschalter und vollvariablem System voneinander abgegrenzt. Ferner erfolgt die Darstellung der Kraftstoffeinsparpotenziale einer Zylinderabschaltung im drosselfreien Motorbetrieb. Im zweiten Teil des Beitrags werden der stöchiometrische und geschichtete Magerbetrieb sowie zukünftige Brennverfahren wie HCCI vorgestellt und deren Potenzial aufgezeigt.

In Teil 1 haben die TU Kaiserslautern und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) die mechanischen Möglichkeiten zur weiteren Entwicklung von homogen, stöchiometrisch betriebenen Ottomotoren hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und CO

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-Emissionen dargestellt. In diesem zweiten Teil des Beitrags werden nun neue Brennverfahren zur weiteren Effizienzsteigerung betrachtet. Dazu werden der stöchiometrische und der geschichtete Magerbetrieb sowie zukünftige Brennverfahren wie homogene Kompressionszündung beim Ottomotor vorgestellt und deren Potenzial aufgezeigt. Die beschriebenen Grenzpotenziale beider Beiträge werden zusammengefasst und einander gegenübergestellt.

Mit Inkrafttreten der Abgasemissionsstufe Euro VI führt Daimler Trucks eine von Grund auf neu entwickelte Generation von Mercedes-Benz-Dieselmotoren für mittelschwere Nutzfahrzeuge ein. Die neuen Motoren mit der Baureihenbezeichnung OM 93x lösen die erfolgreiche Baureihe 900 nach mehr als 15 Jahren schrittweise ab und stehen wie diese in Ausführungen mit vier und sechs Zylindern zur Verfügung (OM 934 und OM 936). Im Folgenden werden das Motoren- und das Abgasreinigungskonzept erläutert, die Betriebsstrategien und der Entwicklungsprozess werden im zweiten Teil behandelt.

Mit Inkrafttreten der Abgasemissionsstufe Euro VI führt Daimler Trucks eine von Grund auf neu entwickelte Generation von Mercedes-Benz- Dieselmotoren für mittelschwere Nutzfahrzeuge ein. Das Konzept der neuen, intern OM 93x genannten Baureihe wurde im ersten Teil dieses Beitrags vorgestellt. Im zweiten Teil wird nun auf die Betriebsstrategien und den Entwicklungsprozess eingegangen.

Diesel- und Ottomotoren mit kleinem Hubraum und hoher spezifischer Leistung liegen im Trend. Als Ersatz für großvolumige Aggregate in Downsizingkonzepten versprechen sie niedrigeren Verbrauch und geringere CO2-Emissionen, verursachen aber auch mehr Entwicklungsund Produktionskosten. Die MTZ fragte Dr.-Ing. Heinz-Jakob Neußer, seit Oktober 2011 Leiter der Aggregateentwicklung bei Volkswagen, welche Potenziale Downsizing aus Sicht eines Volumenherstellers bietet.

Energieeffizienz wird heute auch von vernetzten Steuergeräten gefordert, die wegen ihrer bereits geringen Stromaufnahme bisher nicht im Fokus der Entwicklungen standen. Insbesondere im Fahrbetrieb gilt es, den Stromverbrauch immer dann zu reduzieren, wenn keine Funktionen ausgeführt werden. Neueste Techniken zeigen deutliche Stromsparpotenziale auf, sind aber überwiegend in neuen Fahrzeugplattformen effektiv nutzbar. Deswegen entwickelte VW mit Zulieferern und Partnern das Pretended Networking.

Die steigenden Anforderungen an die elektrische Stromversorgung für das konventionelle Kraftfahrzeug haben das 12-V-Bordnetz an seine Grenzen geführt. Seitens der Fahrzeughersteller Audi, BMW, Daimler, Porsche und Volkswagen wurde das Thema 48 V frühzeitig aufgegriffen, und eine erste Spezifikation für diese zweite Spannungsebene wurde erarbeitet. Die OEMs erläutern die Randbedingungen und Hintergründe für die Herleitung des Spannungsbereichs und die konzeptionellen Ansätze für die Prüfungen und Prüfbedingungen der in dieser Spannungsebene möglichen Komponenten. Dabei gehen die Autohersteller auf die nächsten Meilensteine für eine Standardisierung und Normung des Spannungsbereichs sowie potenzielle Bordnetzkonfigurationen ein.

Für die Nutzfahrzeughersteller existiert beim Aufbau und der Gestaltung der Human Machine Interfaces sowie bei der E/E-Architektur erheblicher Überarbeitungsbedarf. Das macht sich bei den im Fokus des HMI stehenden Systemen – Kombiinstrument, Infotainmentsystem und Flottenmanagement – bemerkbar. Hinzu kommt, dass bildgebende Fahrerassistenzsysteme oder die Nutzerschnittstellen von Spezialaufbauten in das bisherige Konzept nicht integrierbar sind. Zudem besteht die Gefahr, dass die auf mehrere Anzeigeelemente verteilte Informationsflut zur Ablenkung des Fahrers führt. Verbesserungsvorschläge kommen von Fujitsu.

Mit der virtuellen Absicherungsplattform (VAP) entsteht ein Werkzeug zur hardwareunabhängigen Absicherung von Steuergeräte-Software. Bei Berücksichtigung hardwarespezifischer Module besteht die Notwendigkeit, die spezifischen Anteile vollständig oder teilweise zu simulieren. Der Beitrag von BMW behandelt die dazu entwickelten Konzepte. Die VAP soll zukünftig zur Ausbildung im Masterstudiengang Automotive Software Engineering der Technischen Universität Chemnitz eingesetzt werden.

Die Fusion von GPS-Signalen und Fahrdynamikdaten ermöglicht eine spurgenaue Positionsbestimmung. Da diese Sensorfusion sicherheitsrelevant sein kann, sollte die Funktion und Robustheit aller darauf beruhenden Systeme möglichst früh prüfbar sein. IPG Automotive hat ein sogenanntes „Space“-Segment mit virtuellen GPS-Satelliten für die Fahrdynamiksimulation CarMaker entwickelt. Integrierte Fehlermodelle bilden GPS- und Sensorschwächen nach, um realitätsnahe virtuelle Fahrversuche zu ermöglichen.

Die Zukunft der Elektromobilität wird derzeit an vielen Fronten entschieden. Doch neben der eingeschränkten Reichweite und den hohen Kosten bereitet den Entwicklern vor allem die IT-Sicherheit einer künftigen Infrastruktur große Sorgen. Die Gefahr eines Missbrauchs an einzelnen Fahrzeugen bis hin zu Systemausfällen der verbundenen Infrastruktur soll deshalb das neu gegründete Konsortium „Secure eMobility“ minimieren.

Kamerabasierte Fahrerassistenzsysteme funktionieren nur dann exakt und zuverlässig, wenn die Kamera-Orientierungen zum Fahrzeug präzise bekannt sind. Die werksseitige Kalibierung gerät im Laufe der Nutzung eines Fahrzeugs „aus dem Lot“. Beim Manövrieren, beispielsweise mithilfe eines Top-View-Systems, führt das zu störenden Fehlern in der Darstellung. Es muss nachjustiert werden. Die meisten bekannten Systeme für die Online-Kalibrierung verwenden die Fahrbahnmarkierungen als natürliche Informationsquelle, was mit erheblichen Einschränkungen in der Verfügbarkeit, der Konvergenzzeit und der Kameralage verbunden ist. ESG hat eine prototypische Lösung parat – und verrät Details einer neuartigen Online-Kalibrierung, die der Entwicklungsdienstleister derzeit einigen OEMs vorstellt.

Über die ersten Generationen von Plug-in-Hybrid- und Elektrofahrzeugen wird kontrovers diskutiert: Komponenten und Systeme dürfen nicht zu früh standardisiert werden. Dies unterbinde einen notwendigen Wettbewerb und Kreativität, sagen die einen. Das verschärft den Kostendruck und verzögert den Durchbruch am Markt, sagen die anderen, und sie unterbreiten Vorschläge, wie durch Standards und Alternativen nicht nur Kosten reduziert werden können. Denn die oft angemahnte fehlende Sicherheit lässt sich verbessern. Einige der Vorschläge kommen unter anderem vom Institut für Stromrichtertechnik und elektrische Antriebe (ISEA) an der RWTH Aachen University.

Seit Ende 2011 gilt die ISO 26262. Die Norm regelt erstmals die funktionale Sicherheit elektrischer und elektronischer Systeme in Automobilen. Allerdings noch mit Startschwierigkeiten: Ein Teil der ISO-Anforderungen wurde – teils bewusst, teils unbewusst – abstrakt und visionär formuliert. Unterschiedliche und damit stellenweise verwirrende Interpretationen bedingen aufwendige Anpassungen an diese verschiedenen Lesarten. Bosch zeigt auf, wo die Gefahr solch unterschiedlicher Interpretationen der ISO 26262 besonders vorhanden ist und wie damit umgegangen werden kann.

Lithium-Ionen-Batterien werfen neue Fragestellungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Dauerhaltbarkeit und Sicherheit auf. Mit einem umfassenden Verfahren zur Verifikation und Validierung – der sogenannten „Load Matrix“ von AVL – beantwortet der Entwicklungsdienstleister wichtige Fragen, die neues Wissen in der Energiespeichertechnik generieren und den Entwicklungsprozess absichern helfen.

Neue und noch zu entwickelnde Materialkonzepte für Lithium-Ionen-Batterien werden über den nachhaltigen Erfolg von Hybrid- und Elektrofahrzeugen entscheiden. Während in Europa für einen Teil der Materialien bereits eine etablierte chemische Industrie existiert, besteht bei einer der Schlüsselkomponenten Nachholbedarf: der Elektrolyt – er beeinflusst die Lebensdauer, Sicherheit und Leistung einer Lithium-Ionen-Zelle entscheidend. Das Chemieunternehmen Merck erklärt, welche Mixturen dafür nötig sind. Die Chemie muss stimmen, nicht nur im technischen Sinn, wissen die Autoren. Denn nationale und internationale Allianzen zeigen heute, wer vorne mitmischt. Merck skizziert die derzeitigen Marktkräfte im Kontext zu technischen Lösungen.

Kraftfahrzeuge werden immer mehr zu rollenden Smartphones. Moderne Kfz-Elektronik bietet zunehmend Komfort- und vor allem komplexe Sicherheitsund Assistenzsysteme.

Wird mehr elektrische Leistung gefordert, steigt der Kraftstoffverbrauch. Elmar Frickenstein muss trotz der wachsenden Anzahl von elektrischen Verbrauchern und Funktionen im Auto für mehr Effizienz im Energiehaushalt sorgen. ATZelektronik diskutierte mit dem Bereichsleiter Elektrik/Elektronik und Fahrerlebnisplatz der BMW Group über zahlreiche Maßnahmen, die zur Halbierung des elektrischen Energieverbrauchs führen sollen.