Rekuperation und Batteriemanagement Reichweite vergrößern

Bei Elektromobilen ist die gegenüber Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor geringere Reichweite immer noch das wesentliche Kontra-Argument. Dem versuchen Entwickler durch verschiedene Ansätze entgegenzuwirken, zum Beispiel durch eine hohe Energierückgewinnung sowie durch verbesserte Batteriekonzepte.

Bremssysteme im Auto sind in den vergangenen Jahren immer leistungsfähiger geworden, doch der bislang verbreitete vakuumbasierte Ansatz der Bremskraftverstärkung blieb in dieser Zeit nahezu unverändert. Dabei bietet er nur geringe Möglichkeiten zur Energierückgewinnung (Rekuperation) und immer den gleichen, einmal definierten Verstärkungsgrad der Pedalkraft des Fahrers.

Damit Hybrid- und Elektrofahrzeuge die angestrebten Kraftstoffeinsparungen und Reichweiten erzielen, müssen sie beim Bremsen möglichst viel Energie für das elektrische Fahren zurückgewinnen. Im Idealfall soll daher das Auto nur mittels des Elektroantriebs durch die Umwandlung der Bewegungsenergie in elektrischen Strom abgebremst werden. So geht keine wertvolle Energie in der Bremse verloren.

Der »iBooster« von Bosch ermöglicht eine nahezu vollständige Rekuperation, denn Verzögerungswerte bis 0,3 g werden ausschließlich über die elektrische Maschine erreicht (Bild 1). Dies deckt alle im normalen Straßenverkehr üblichen Verzögerungen ab. Muss dann doch einmal stärker gebremst werden, erzeugt das System den zusätzlich erforderlichen Bremsdruck auf klassischem Weg über den Hauptbremszylinder. Der Fahrer merkt von dem harmonischen Zusammenspiel von Generator und Bremse nichts, das gewohnte Pedalgefühl bleibt vollständig erhalten.

Für die Bremsunterstützung hat Bosch im iBooster einen Elektromotor integriert, der über ein zweistufiges Getriebe die Verstärkung »on Demand«, also situationsgerecht, steuert. Der bislang vom Verbrennungsmotor direkt oder über eine Vakuumpumpe aufwendig und permanent erzeugte Unterdruck ist damit überflüssig. Schon dies allein spart Kraftstoff, und darüber hinaus lassen sich verbrauchsreduzierende Funktionen wie Start/Stopp oder Segeln, bei denen der Motor zeitweise abgeschaltet wird, noch umfassender nutzen.

Das elektromechanische Konzept bietet aber noch weitere Vorteile. Erkennt das vorausschauende Notbremssystem eine gefährliche Situation, kann der iBooster den vollen Bremsdruck ganz autonom in rund 120 ms aufbauen. Damit ist er fast dreimal schneller als bisherige Systeme. In Notsituationen verzögert der iBooster das Fahrzeug damit schneller als ein Fahrer mit herkömmlichem Bremskraftverstärker. Das System kann aber auch das sanfte Abbremsen der Adaptive Cruise Control (ACC) bis zum Fahrzeugstillstand übernehmen – und dies komfortabel und geräuschlos. Ein großes Plus gerade bei leisen Elektrofahrzeugen, bei denen Nebengeräusche im Innenraum deutlich stärker wahrgenommen werden.

Bremskennlinien selber definieren

Mit dem steigenden Angebot an Modellen und Antriebssystemen steigt auch die Komplexität der Technik dahinter. Über die freie Programmierbarkeit der sogenannten Bremskennlinien können die Entwickler das Pedalgefühl frei gestalten und markentypisch auf die Wünsche des Kunden anpassen. Bietet das Auto zudem Fahrmodi wie sportlich, komfortabel und ökonomisch, kann die Bremse über den iBooster entsprechend sanft oder aggressiv ansprechen und verzögern. Die Programmierung erfolgt schnell und einfach am Bandende in der Fertigung. Dazu ist auch der Einbau bei Rechts-/Linkslenker-Modellen variabel und einfach möglich. Die Verstärkungseinheit selbst ist rein elektromechanisch, das heißt ohne Bremsflüssigkeit, und lässt sich damit flexibel um die Längsachse drehen. Auch an die Zukunft des Autofahrens hat der Hersteller gedacht: Das System bietet im Zusammenspiel mit dem ESP die für automatisiert fahrende Autos aus Sicherheitsgründen erforderliche Redundanz des Bremssystems.

Der iBooster ist Teil eines Baukastens, aus dem Bosch für alle Autos und Kundenanforderungen das jeweils passende Bremssystem zusammenstellen kann – abhängig von Fahrzeuggröße, Antriebstechnik und Ausstattungsgrad mit Assistenzfunktionen. Das modulare System umfasst auf Seiten des Bremskraftverstärkers den iBooster oder die konventionelle, vakuumbasierte Lösung. Beim Bremsregelsystem steht ein klassisches ESP (Electronic Stability Control) oder ein »ESP hev«, das speziell für den Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen angepasst wurde, zur Wahl.

Powerline-Kommunikation im Auto

Elektro- und Hybridfahrzeuge sind zentraler Bestandteil einer nachhaltigen Mobilität. Der Engpass auf dem Weg zu alltagstauglichen Elektrofahrzeugen sind leistungsfähige, sichere und haltbare Batterien. Ein »intelligentes« Batteriemanagement soll deshalb zukünftig sicherstellen, dass die in der Batterie gespeicherte Energie effizienter genutzt und die Reichweite von elektrisch betriebenen Fahrzeugen maßgeblich erhöht wird.

Im Projekt »IntLiIon« (Intelligente Datenbuskonzepte für Lithium-Ionen-Batterien in Elektro- und Hybridfahrzeugen), zu dem sich Robert Bosch als Projektkoordinator mit Pro Design Electronic, der Hochschule Hannover und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zusammengefunden haben, geht es um das Entwickeln von »intelligenten« Daten-Übertragungstechniken speziell für Lithium-Ionen-Batterien (Bild 2). Dazu werden neuartige Kommunikationssysteme 
für die effiziente Regelung und Überwachung jeder einzelnen der bis zu einhundert Zellen eines Batteriepacks erforscht. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt die Arbeit des Projekts bis Mai 2016 finanziell mit 2,5 Millionen Euro.

Ein neuartiges Übertragungsverfahren, bei dem der vorhandene Strom- 
pfad in der Batterie gleichzeitig als Datenübertragungsweg genutzt wird, liefert hierfür die technische Basis. Diese »Powerline-Kommunikation« soll es in Zukunft ermöglichen, relevante Informationen an ein zentrales Steuergerät zu übermitteln. Das spart eine kostenintensive, zusätzliche Datenverkabelung der Batterie, wie sie bei allen bisherigen Batteriesystemen eingesetzt wird. Dadurch soll jede einzelne Batteriezelle kontinuierlich überwacht und individuell geregelt werden. Zudem lässt sich das Energiepotenzial der Batterie optimal nutzen: Wenn eine Zelle der Lithium-Ionen-Batterie nicht mehr effizient arbeitet, muss nur diese eine Zelle und nicht das gesamte Batteriemodul ausgetauscht werden. Das spart Ressourcen, senkt Kosten und ebnet den Weg in eine sichere und nachhaltig mobile Zukunft.