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Jedes Watt zählt

Intelligentes Energie- und Leistungs-Management für die Autos von morgen

27. Juli 2012, 11:14 Uhr | Von Hans-Ulrich Michel, Andreas Barthels und Gregor Walla

Durch die zunehmende Elektrifizierung müssen Betriebsstrategien für die Verteilung von Energie und Leistung im Fahrzeug vorangetrieben werden. Gleichzeitig wird die Möglichkeit geschaffen, Steuergeräte und ganze Bussysteme teilweise schlafen zu lassen. Obwohl beide Themen miteinander verwandt sind und sich gegenseitig beeinflussen, wurden sie bisher jedoch weitestgehend getrennt betrachtet.

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Die Anforderungen an heutige und zukünftige Fahrzeug-Bordnetze sind extrem gestiegen. Der Kundenwunsch nach mehr Komfort und höherer Sicherheit führt zu einer ständig anhaltenden Funktionsmehrung. Gleichzeitig werden aus Effizienzgründen immer mehr mechanische und hydraulische Komponenten v.a. im Bereich des Antriebsstranges durch elektromechanische Äquivalente ersetzt. In der BMW Group werden neben einer elektrohydraulischen ESP-Einheit auch die Lenkkraftunterstützung sowie die Hinterachsen-Schräglaufregelung elektrisch betrieben.

Aus der Elektrifizierung und Funktionsmehrung resultiert ein komplexes und umfangreiches IT-Bordnetz, bestehend aus Sensorik, Aktorik und Steuergeräten. In Bild 1 ist eine typische Systemarchitektur dargestellt. Das Energie-Bordnetz besteht in seiner Grundstruktur aus Energiequellen, Energiespeicher und den elektrischen Verbrauchern, repräsentiert durch das IT-Bordnetz. Bild 2 zeigt eine vereinfachte, schematische Darstellung für ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor.

Aufgrund der Elektrifizierung von Fahrwerksregelsystemen ist insbesondere die Spannungsstabilität in kritischen Situationen eine zentrale Aufgabe des Leistungs-Managements. In dynamischen Fahrsituationen kann eine Überlagerung der jeweiligen Spitzenströme das Energiebordnetz an seine Leistungsgrenze bringen. Das Energie-Bordnetz muss die Funktionserfüllung unter allen kritischen Randbedingungen sicherstellen: Der Generator kann dabei in seiner Sollspannungsvorgabe beeinflusst werden, die Batterie definiert mit ihrem Verhalten die Spannungslage des Bordnetzes und die Verbraucher sind bzgl. ihrer Leistungs- und Energieaufnahme beeinflussbar. Während das Bordnetz das Funktionieren der relevanten Fahrzeugfunktionen ermöglichen soll, sollte es möglichst energieeffizient betrieben werden. Sind heute für Teilnetze (12 V, Hochvolt) noch unterschiedliche Management-Mechanismen verantwortlich, so muss künftig ein gesamtheitliches Energie- und Leistungs-Management entstehen, das fahrzeugübergreifende Betriebsstrategien für die Energie- und Leistungsverteilung verfolgen kann und das Fahrzeug im Spannungsfeld von Kundenanforderungen und Umwelteinflüssen erfasst. Die notwendige Optimierung der Energieflüsse erfolgt zustands- und situationsgesteuert durch ein Energie-Management-System. Geht man weiterhin von einer steigenden und sich ändernden Ausführung bzw. Ausprägung der vom Kunden direkt erlebbaren Systeme aus, so ist auch die Energieversorgung einer stetigen Änderung und damit auch nötigen Anpassung unterworfen.