Die Konferenz EEHE – Elektrik & Elektronik in Hybrid- und Elektrofahrzeugen und elektrisches Energiemanagement – fand zum sechsten Mal Mitte Mai in Bamberg statt. Die Haus der Technik Tagung hat sich als Plattform für Entwickler, Forscher und Firmenvertreter etabliert. Mehr als 200 Teilnehmer aus dem In- und Ausland kamen in diesem Jahr nach Bamberg. Mit dabei waren neben Forschungsinstituten und Universitäten auch Automobil-Hersteller wie Opel, Daimler, BMW und Audi sowie viele Zulieferer.
In der ersten Key-Note sensibilisierte Herr Dr. Oliver Maiwald von der Continental AG für die Potentiale und zukünftigen Herausforderung für die Automobilindustrie durch „Connected Energy Management“. Als Trends bis 2030 stehen für ihn vor allem Automatisiertes Fahren, Vernetzung und neue Mobilitätskonzepte im Mittelpunkt. Durch die fortschreitende Digitalisierung und Konnektivität können bestehende Systeme verbessert werden, aber auch neuer Funktionalitäten realisiert werden, wie die Einbindung des Internets in die Fahrzeugtechnik. Das Internet kann sowohl dazu genutzt werden, Fahrzeuge untereinander zu verknüpfen, als auch eine Kommunikation mit der Umgebung herzustellen. Die verfügbaren Daten sollen ein vorausschauendes Fahren vereinfachen und neue Assistenzfunktionen wie beispielsweise den „Smart Traffic Light Assist“ realisieren. Weitere Potentiale werden im personifizierten Fahren gesehen. Daten werden über das Smart Phone abgerufen und somit das Energiemanagement des Fahrzeugs an den Fahrer angepasst. Dies entspricht dem Trend, dass sich die Mobilität immer mehr den individuellen Anforderungen des Kunden anpasst. Das Automobil stellt nicht ein einzelnes Produkt dar, sondern wird als Teil des Gesamtkonzepts der digitalisierten Welt betrachtet.
Abbildung 1: Effizienz verbunden mit Komfort und Sicherheit durch vernetztes Energie-Management (Quelle: Dr. Maiwald, Continental)
Abbildung 2: Das Fahrzeug als Teil des „Internet of Things“ (Quelle: Dr. Maiwald, Continental)
Die Leistungsfähigkeit von 12V-Bordnetzen hat endgültig seine Grenzen erreicht. Die Serienanläufe von Fahrzeugen mit einer zusätzlichen Spannungsebene auf 48V kündigen den Wandel zu einem flächendeckenden Einsatz von Zweispannungsbordnetzen in Kraftfahrzeugen an. Das Basissystem mit Starter-Generator, 48V-Li-Ion-Batterie und DC/DC-Wandler wird nach den Prognosen verschiedener Vorträge in den nächsten Jahren eine schnelle Markteinführung erleben. Trotz der anfänglich prognostizierten hohen Kosten ist eine weitgehende Marktdurchdringung zu erwarten, denn auf die damit verbundene Reduktion der C02-Emissionen kann kein Hersteller verzichten. In diesem Kontext gab es verschiedene Beiträge zu den vielfältigen Themengebieten der E/E-Architektur und den 48 V Architekturen, sowie den dafür entwickelten 48 V-Komponenten.
Weiterhin stellten Fahrzeughersteller und Dienstleister ausführlich Fahrzeuge und Fahrzeugkonzepte vor. Manfred Hermann gab detaillierte Einblicke in den Opel Ampera-e. Eine Neuerung stellt hier die erhöhte Reichweite auf nun theoretisch 380 km (WLTP) dar. Dies wird mit einer 430 kg schweren Batterie ermöglicht, deren Kapazität auf 60 kWh gesteigert wurde. Des Weiteren verfügt der Ampera-e über drei verschiedene Ladeoptionen, darunter auch eine Schnellladeoption mit maximal 50 kW. Diese ermöglicht es, innerhalb von 30 Minuten die Batterie soweit zu laden, dass wieder eine Reichweite von 150 km zur Verfügung steht.
Ein Fahrzeug aus einer Kooperation zwischen der RWTH Aachen und der FEV GmbH wurde zu einem 48 V Hybridfahrzeug umgerüstet. Die Gründe für eine 48 V-Hybridisierung liegen im guten Kosten-Nutzen-Verhältnis. Damit kann eine deutliche CO2-Ersparnis realisiert werden. Da sich die Spannungsebene im Niedervoltbereich befindet, sind keine zusätzlichen Sicherheitsanforderungen nach ECE R100 erforderlich. Es gibt verschiedene Aspekte in der Entwicklung neuer Hybridtechnologie, hinsichtlich derer eine Optimierung vorgenommen werden kann, darunter das Fahrverhalten, Langlebigkeit, Kosten, Emissionsreduktion und der Nutzen für den Verbraucher. Das FEV-Fahrzeug wurde hinsichtlich der Fahrperformance, des Startvermögens und der Drehmomentregelung optimiert. Der Einsatz der neuen Technologie ermöglicht neue Fahrfunktionen, darunter das Motorstopp-Segeln und das Mild-Hybrid Boosting. Ebenso ist es möglich, durch regeneratives Bremsen mit einem 48 V Riemenstartergenerator einen wesentlichen Anteil der Bremsenergie zurückzugewinnen.
Das FEV-Demofahrzeug, der Opel Ampera-e und weitere Fahrzeuge, wie beispielsweise ein Tesla Model X, waren Teil der begleitenden Fahrzeugausstellung.
Abbildung 3: Aspekte der 48 V Technologie und die Bordnetztopologie des FEV Demofahrzeugs (Quelle: FEV)
Ein wichtiger Bestandteil der neuen Technologien im Bereich des elektrischen Fahrens ist die Energieversorgung des Fahrzeugs. In diesem Bereich gab es verschiedene Beiträge zu Batteriekonzepten, Batterietechnologien und Ladetechniken. Ein Überblick über die derzeitige Entwicklung in der Batterietechnologie wurde von Prof. Dirk Uwe Sauer von der RWTH Aachen gegeben. Die ersten Erfahrungen mit dem Einsatz von Batteriesystemen in Elektrofahrzeugen haben gezeigt, dass die Erwartungen an Lebenszeit und Sicherheit erfüllt werden. In der nächsten Generation von Elektrofahrzeugen wird aus Sicht von Prof. Sauer eine Reichweite von 300 km den Standard darstellen und größere Reichweiten in einem höheren Preissegment ebenfalls verfügbar sein. In den vergangenen Jahren war zudem, im Gegensatz zu den Erwartungen, bereits eine massive Preisreduktion für Zellen zu beobachten.
Abbildung 4: Kostenentwicklung der Batteriezellen in den vergangenen Jahren und die voraussichtliche Preisentwicklung für die nächsten Jahre
Hinsichtlich der Zelltechnologie sind auf Grund der physikalischen Grenzen in der näheren Zukunft keine drastischen Verbesserungen zu erwarten. In der Batterietechnologie sind jedoch nicht nur die reine Zelltechnologie von Bedeutung, sondern auch das Package, das Batteriemanagement- und Diagnosesystem. Derzeit sind sehr verschiedene Zelldesigns in den Automobilen verbaut. Es ist jedoch ein Trend zu kleinen Zellen zu erkennen, der eine Parallelschaltung der Zellen erfordert und negativen Effekten durch unterschiedliches Alterungsverhalten einzelner Zellen entgegenwirkt. Im Automobilbereich ist eine hohe Energiedichte anzustreben und eine hohe Reichweite zur Verfügung zu stellen. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass eine Batterie nicht im gleichen Maße auf Energiedichte und Leistungsdichte hin optimiert werden kann. Eine hohe Energiedichte wird durch ein dickeres Aktivmaterial realisiert, wodurch die Leistungsdichte herabgesetzt wird. Eine weitere Besonderheit im Bereich der Energieversorgung mit Batterien besteht darin, dass keine Technologie alle möglichen Anforderungen erfüllen kann. Es muss somit eine Differenzierung vorgenommen werden, damit das Batteriesystem an die gewünschte Anwendung angepasst werden kann.
Um die Elektromobilität (https://www.hdt.de/seminare/automotive/elektromobilitaet-alternative-antriebe/ für den Kunden attraktiv zu gestalten und mit den Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor konkurrieren zu können, muss eine ausreichende Reichweite, schnelles Laden und ein komfortables Lade-Handling gewährleistet sein. Ein Beitrag zum Schnellladen mit 800V lieferte die Porsche AG. Durch die Verwendung von höheren Spannungen können die Ströme für den Ladevorgang reduziert werden. Das bringt eine mögliche Verringerung der Leitungsquerschnitte und somit ein einfacheres Handling des Ladekabels mit sich. Dieses Schnellladen ist attraktiv für den Einsatz in öffentlichen Ladestationen. Ladeleistungen bis zu 350 kW wurden diskutiert, um Langstreckenreisen ohne lange Pausen zu ermöglichen. Das mittelfristige Potential für das Laden einer 90 kWh Batterie mit der 800 V-Technik liegt bei einer Ladezeit von ca. 15 Minuten, wodurch Elektrofahrzeuge konkurrenzfähig gegenüber dem konventionellen Automobil werden können.
Abbildung 5: Übersicht der der Ströme und Leistungen verschiedener Ladetechniken (Quelle: Porsche AG)
Neben den klassischen Automobilanwendungen gab es auch sehr interessante Beiträge zum Bereich der Nutzfahrzeuge. Auch in diesem Segment hat die Elektrifizierung Einzug gehalten. In einem Beitrag der Firma John Deere GmbH wurden elektrifizierte Landmaschinen vorgestellt. Darunter elektrische Traktoren, die sich durch eine hohe Effizienz auszeichnen. Die Problematik der kurzen Reichweite und der langen Ladezeit ist auch in diesem Bereich ein wichtiges Thema. Durch die klar definierte Aufgabe, sowie den eingeschränkten Aktionsradius der Fahrzeuge sind in diesem Bereich andere Lösungskonzepte als im Automobilbereich möglich. So kann ein landwirtschaftliches Fahrzeug eine permanente Anbindung an das Versorgungsnetz über ein bis zu 1 km langes Kabel erhalten, wodurch keine Batterie mehr notwendig ist.
Es gab neben den technischen Beiträgen auch einen Ausblick auf die wirtschaftlichen Aspekte der Elektromobilität. Eine Einschätzung der vergangenen und zukünftigen Entwicklungen auf dem chinesischen Markt wurde von Frau Nicole Steiger von der JSC AUTOMOTIVE GmbH vorgestellt. Die Motivation für die chinesische Regierung, die Mobilität mit neuen Energieformen zu fördern, ist das Ziel, Ölimporte zu vermeiden und die Luftqualität in den Großstädten zu verbessern. Durch entsprechende Kaufförderungen wird versucht, den Markt anzukurbeln. Betrug im größeren Ausmaß hat jedoch diesen Ansatz diskreditiert. Die heute in China angebotenen Fahrzeuge sind zudem aufgrund besonders niedriger Reichweiten und geringer Motorleistung für viele Chinesen kaum attraktiv. Als größtes Hindernis für die Einführung von Elektroautos in China muss jedoch die fehlende Ladeinfrastruktur gesehen werden. Dies führt dazu, dass die wenigen zugelassenen Elektrofahrzeuge vor allem im gewerblichen Bereich verbreitet sind, beispielsweise als Taxi oder Bus.
Insgesamt jedoch wird die Elektrifizierung des Verkehrs wird eine wachsende Dynamik entwickeln und damit auch die Forschung und Entwicklung zusätzlichen Schub erhalten. Stoff genug für die EEHE 2018, die am 12.-13. Juni 2018 in Würzburg stattfinden wird. Alle Informationen dazu finden Sie unter www.eehe.de!
