Schwerpunkte

Optimierung des Energiebedarfs

Wieviel CO2 emittiert das Autoradio?

06. Juli 2021, 10:00 Uhr   |  Von Philipp Paul Klose

Wieviel CO2 emittiert das Autoradio?
© Adobe Stock

Audiosysteme werden in Fahrzeugen immer wichtiger, immer komplexer und in der Konsequenz immer leistungshungriger. Inzwischen bieten solche Systeme erhebliches CO2-Einsparpotenzial. Um dieses Potenzial zu heben, ist es nötig, den Energieverbrauch akribisch zu messen.

Die Bedeutung von Audiosystemen steigt bei Kunden und Herstellern gleichermaßen. Die Qualitätsansprüche der Kunden wachsen vor dem Hintergrund der starken Konkurrenz der Anbieter untereinander und dem steigenden Einfluss großer Marken. Zudem sind die Anwender auch bereit, immer mehr Geld für optionale Soundpakete mit einer wachsenden Anzahl an Lautsprechern, Verstärkerkanälen und Leistungsmerkmalen auszugeben.

Dem gegenüber stehen die OEMs, die aufgrund gesetzlicher Vorgaben, voranschreitender Funktionsentwicklung und attraktiver Margen immer mehr Funktionen an die Audiosysteme übergeben. Während Radio-, Telefon- und Medienwiedergabe als Funktionen mittlerweile in allen Fahrzeugklassen als Standard gelten, kommen Dienste wie AVAS (Acoustic Vehicle Alerting System), eCall, Sprachassistenten, Fahrgeräusch-Augmentierung, neue Medienformate (zum Beispiel Dolby Atmos), Warntonwiedergabe und In-Car-Communication (neben anderen Diensten) noch hinzu.

Nachfolgend soll der elektrische Verbrauch von kleinen Lasten wie dem Audiosystem mit den Energieverbräuchen des Antriebsstrangs verglichen werden. Dabei gilt es zu beachten, dass Audiofunktionen auch auf verschiedene Domänen oder Systeme der Fahrzeugarchitektur verteilt sein können. AVAS ist als System unter Umständen getrennt vom Infotainment-Sound. Es soll aufgezeigt werden, dass sich selbst kleine Änderungen an elektrischen Lasten (wie bei Audiosystemen) durch die millionenfache Skalierung in der Fahrzeugflotte auf den Gesamtverbrauch massiv auswirken können und die Optimierung solcher Lasten aus diesem Grund lohnenswert ist.

Um Messungen des elektrischen Energieverbrauchs von Audiosystemen für Entwickler und Ingenieure wiederholbar, vergleichbar und aussagekräftig zu gestalten, wird der auf einem Nutzungsmodell basierende Testzyklus »Automotive Audio Energy Efficiency Test Cycle« (AAEETC) vorgestellt. Im AAEETC schlägt sich die Nutzung verschiedener Quellen (Entertainment, Telefon, Warnsounds usw.) mit eindeutig definierten Randbedingungen und das Nutzungsverhalten eines durchschnittlichen Nutzers nieder.

Der AAEETC ist für Entwicklungsarbeiten von Ingenieuren und Technikern gedacht. Er kann letztlich aber auch für ein faireres Marketing der Audiosysteme für Endkunden genutzt werden. Die heute üblicherweise genutzte Angabe der reinen Verstärkerleistung in Watt – ohne jegliche Mess- und Randbedingungen – können durch aussagekräftigere Werte ersetzt werden.

In absehbarer Zukunft wird die Einführung einer Vielzahl von teil- oder vollelektrischen Antriebsträngen in Form von 48-V-Mild-Hybriden, seriellen und parallelen Plug-in-Hybriden (PHEVs), batterieelektrischen (BEV) und Brennstoffzellen-Wasserstoff-Antrieben (FCEV) den Automobilmarkt grundlegend verändern. Mit dem steigenden Bedarf an elektrifizierten Antriebssträngen, der sich unter anderem durch eine höhere Nutzerakzeptanz, das steigende Medieninteresse und nicht zuletzt die staatliche Subventionierung ergibt, kommt es im gesamtgesellschaftlichen Umfeld zu einem steigenden Öko-Bewusstsein, das die Entscheidung zum Kauf und die Meinungsbildung zunehmend beeinflusst. Der Marktanteil von »grünen« Fahrzeugen steigt im weltweiten Markt stark an.

Die Möglichkeit der Messbarkeit des Stromverbrauchs von Audiosystemen durch ein standardisiertes Verfahren ist einer der vielen Enabler, der die Entwicklung von nachhaltigen Produkten ermöglicht. Durch die erstmals hergestellte Messbarkeit können zukünftig bessere Entscheidungen in der Produktentwicklung getroffen werden, die letztlich zu einer höheren Lebensqualität für uns alle führt.

Wandel bei Antriebsstrang und Energiequellen

Die Antriebsstränge von Autos und Nutzfahrzeugen sehen sich einem grundlegenden Wandel ihrer Funktionsweise und Energiespeicher ausgesetzt. Von einem technisch abstrakten Standpunkt aus betrachtet, wird der Verbrennungsmotor an verschiedenen Stellen durch elektrische Motoren unterstützt (MHEVs mit 48 V), zeitweise ergänzt oder ersetzt (serielle und parallele PHEVs) oder der Verbrennungsmotor vollständig durch einen Elektromotor substituiert (BEV und FCEV). Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren können prinzipbedingt relativ einfach in Behältern aufbewahrt werden.

In elektrische Dimensionen umgerechnet, kann ein Volkswagen Golf der achten Generation (Modelljahr 2021) mit dem serienmäßig vorhandenen 50-Liter-Tank 488 kWh an Energie mit sich mitführen (1 Liter Benzin ≈ 9,76 kWh). Das in Nordamerika bestverkaufte Fahrzeug, der Ford F150, kann in einer optionalen Ausführung des Modelljahres 2021 bis zu 36 US liquid gallons (136 Liter) mit sich führen. Dies entspricht einer beeindruckenden Menge von 1327 kWh.

Vergleich der in beispielhaft ausgewählten Fahrzeugen mitgeführten Energiemenge (umgerechnet in kWh)
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Bild 1. Vergleich der in beispielhaft ausgewählten Fahrzeugen mitgeführten Energiemenge (umgerechnet in kWh)

Die aktuell größten in BEVs verbauten Batterien bieten eine Kapazität von circa 110 kWh. Obwohl BEVs durch einen höheren Wirkungsgrad im Antrieb überzeugen und die Kapazitäten der Batterien in naher Zukunft schnell steigen werden, ist die Gesamtmenge der nutzbaren Energie von BEVs wesentlich geringer als die von Verbrennerfahrzeugen. Da Energie im BEV eine knappe Ressource ist, muss bei der Entwicklung der E/E-Komponenten (Elektrik und Elektronik) zudem ein besonderes Augenmerk auf dem Verbrauch der elektrischen Komponenten und deren Effizienz geworfen werden. Jedes zusätzliche Watt geht zu Lasten der Reichweite und hat direkten Einfluss auf die Nachhaltigkeit des Fahrzeugs über den gesamten Lebenszyklus (Bild 1).

Energiebedarf eines BEV

Wieviel Energie benötigt nun ein BEV zur Fortbewegung und wie beeinflussen Audiosysteme den Energiebedarf? Um den Einfluss von kleinen Änderungen am Design bei Kleinverbrauchern in E/E-Designs zu zeigen, ist ein Blick auf einige durchschnittlichen Werte des gut dokumentierten europäischen Marktes notwendig.

Die Top Ten der in Europa verkauften Elektrofahrzeuge benötigen durchschnittlich – gewichtet nach ihrem Marktanteil – 18,03 kWh pro 100 km. Hierbei sind Ladeverluste nicht einberechnet. [1] Der durchschnittliche Europäer legt dabei im Jahr 11.964 km im Auto mit einer Geschwindigkeit von 45 km/h zurück [2, 3]. Bei der Erzeugung einer Kilowattstunde (kWh) an Energie werden in der EU durchschnittlich 317 g an CO2 emittiert. Dieser Wert schwankt zwischen den einzelnen Ländern der EU stark, zeigt aber seit vielen Jahren einen stetigen Abwärtstrend. Insgesamt wurden im Jahr 2020 in der EU 15 Millionen Fahrzeuge verkauft [4]. Davon handelte es sich bei 1,4 Millionen Fahrzeugen um PHEV, FCEV oder BEV [5].

Europäische Durchschnittswerte für den Verbrauch, Nutzungsweise und Umwelteinfluss von leichten Kraftfahrzeugen
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Bild 2. Europäische Durchschnittswerte für den Verbrauch, Nutzungsweise und Umwelteinfluss von leichten Kraftfahrzeugen.

Aus diesen Werten lassen sich folgende Rückschlüsse ziehen: Für den Betrieb eines BEV werden pro Jahr 2157 kWh benötigt (Ladeverluste nicht einbe- rechnet; als Richtwert kann hierbei von durchschnittlich 10 % ausgegangen werden), was zu einer Emittierung von 683 kg CO2 pro Jahr führt. Für die durchschnittlichen 266 Betriebsstunden (entspricht elf Tagen), wird eine Dauerleistung von 8,1 kW (circa 11 PS) benötigt (Bild 2).

Wenn die Gesamtflotte der 2020 in Europa verkauften 1,4 Millionen E-Fahrzeuge ihr E/E-Design so verändern würde, dass sich die Dauerleistung um nur 1 Watt verringern würde (-0,01235 %), würde sich eine Gesamteinsparung pro Jahr Betrieb auf 118.090 kg, also 118,09 Tonnen, erreichen lassen. Dies entspricht immerhin dem Gesamt- Jahresausstoß von 173 Elektrofahrzeugen.

Es erscheint auf den ersten Blick nicht logisch, eine so kleine Änderung anzustoßen, die mit einem relativ großen Aufwand verbunden ist. Schließlich ließen sich durch Optimierung der Aerodynamik oder durch Verbesserungen in der Antriebseffizienz, positive Effekte erzielen, die sich in der Summe höher skalieren. Kleine Änderungen an den E/E-Komponenten lassen sich jedoch deutlich schneller umsetzen und zudem in bestehende Serien integrieren.

Vorschlag für den AAEETC

Genauso wie Autos unterschiedlich für Kurzstrecken oder Langstrecken genutzt werden, unterliegen auch Audiosysteme in Fahrzeugen differierenden Nutzungsmodi. Einige Anwender hören Musik sehr laut, andere hören viel Radio. Manche telefonieren sehr viel, wieder andere nutzen während der Fahrt keinerlei Audioquellen. Während keiner dieser Nutzungsmodi »falsch« oder »richtig« ist, muss für einen Nutzungstest aus diesen vielen Variablen ein Mittelwert gebildet werden.

Testbeschreibung des AAEETC

Der Test soll unter den folgenden Randbedingungen durchgeführt werden:

  • System ist gebootet und einsatzbereit
  • Falls für einige Quellen spezifische Filter appliziert werden (Tunings oder EQ-Sets) müssen diese im jeweiligen Testfall aktiviert sein
  • Versorgungsspannung: 14,4 V
  • Strommessgerät mit Logging-Funktion, Logging während des Messdurchlaufs aktiv
  • Temperatur: 20 °C
  • Testdauer: 60 Minuten

 

Eine vergleichbare Herausforderung bestand auch bei der Entwicklung und Einführung der modellbasierten Homologations-Testzyklen NEFZ, WLTP und GB T CLTC. Während das Modell das Individuum schlecht abbildet, bieten die Testergebnisse Vergleichbarkeit zwischen den Marktbegleitern einer Klasse, Aussagekräftigkeit und Wiederholbarkeit zwischen den verschiedenen Testobjekten. Diese Umstände übertragen sich auf den AAEETC. Es ist denkbar, dass der Testzyklus in Zukunft durch anonym ermittelte Nutzungsdaten von OEMs und Anbietern von Mobilitätsdiensten verbessert werden kann. In Tabelle 1 ist die Testdurchführung des AAEETC inklusive der Testdauer dargestellt.

Testdurchführung des AAEETC
© EDAG Engineering

Tabelle 1. Testdurchführung des AAEETC.

Der verantwortungsvolle Umgang mit Energiequellen ist eine gesamt- gesellschaftliche Herausforderung des 21. Jahrhunderts. Konsumenten verlangen Produkte mit steigender Funktionsvielfalt, die gleichzeitig das stärker werdende Umweltbewusstsein befriedigen sowie die vom Gesetzgeber geforderte Reduktion von Treibhausgasen erfüllen sollen.

Dieser Zielkonflikt ist zwar schwierig lösbar, aber es ist dennoch machbar. In vielen wirtschaftlichen Bereichen wird Nachhaltigkeit – gerade in der Produktentwicklung – bereits erfolgreich praktiziert: Denn Nachhaltigkeit kann ein Win-Win für alle sein und zu echten Wettbewerbsvorteilen führen. Der vorgeschlagene Automotive Audio Energy Efficiency Test Cycle (AAEETC) ist ein Werkzeug für Entwickler und eine Herangehensweise, um den Energieverbrauch von Audiosystemen wiederholbar und zuverlässig zu messen, zu bewerten und als Maßstab für Verbesserungen zu nutzen.

Literatur

[1] Quelle Verkaufszahlen: JATO Dynamics, Quelle Verbräuche: eigene Berechnung über spritmonitor.de
[2] https://www.odyssee-mure.eu/publications/efficiency-by-sector/transport/distance-travelled-by-car.html
[3] Europäische Kommission: »Driving and parking patterns of European car drivers – a mobility survey«
[4] https://www.statista.com/statistics/263421/market-share-of-selected-car-maunfacturers-in-europe/
[5] https://www.theguardian.com/business/2020/dec/03/more-than-500000-full-electric-cars-sold-in-europe-in-10-months

Der Autor

Philipp Paul Klose von EDAG Engineering
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Philipp Paul Klose von EDAG Engineering.

Philipp Paul Klose

startete nach seinem Abschluss in Audio Production an der SAE Berlin im Jahr 2011 als Testingenieur bei der P3 Group in Stuttgart. Im Jahr 2015 wechselte er zur EDAG nach Ingolstadt in den Bereich Sound/Akustik als Projektleiter. In seiner Laufbahn arbeitete der 33-jährige bereits an Lautsprechern, Verstärkern und der Audiosystementwicklung für die Kunden Audi, Lamborghini, Volkswagen, Ferrari und Porsche.

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