NXP mit Entwicklungsplattform Greenbox Elektrifizierung von Fahrzeugen vorantreiben

Neue Impulse zur Elektrifizierung von Fahrzeugen bietet die Greenbox eine reale Entwicklungsumgebung.
Neue Impulse zur Elektrifizierung von Fahrzeugen bietet die Greenbox eine reale Entwicklungsumgebung.

Vorschriften zum Kohlendioxyd-Ausstoß von Fahrzeugen sind nicht neu. Aber in jüngster Zeit haben verschiedene Länder ambitionierte Ziele ausgerufen, die dem Trend zur Elektrifizierung von Fahrzeugen neue Impulse verleihen. Die Greenbox von NXP bietet hierfür eine reale Entwicklungsumgebung.

China, der größte Automobilmarkt der Welt, hat vor Kurzem dafür plädiert, Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren vollständig zu verbieten. Norwegen will ab 2025 bei neu verkauften Pkws nur noch emissionsfreie Fahrzeuge zulassen, während die Niederlande im selben Jahr eine Quote von 50 Prozent abgasfreier Automobile einführen werden. Indien drängt darauf, ab 2030 nur noch Elektroautos zu verkaufen. Das ist vermutlich nur der Anfang von weiteren Regulierungen, die auf der ganzen Welt zu erwarten sind.

Wie in Bild 1 zu ersehen ist, wird die Europäische Union ihre aktuellen CO2-Emissionsziele bis Mitte 2020 erreichen können, und man darf davon ausgehen, dass auch die künftigen Grenzwerte dem prognostizierten und geforderten Trend folgen werden. Diese Ziele stellen Verbrennungsmotoren (Internal Combustion Engine, ICE) vor Herausforderungen, die nicht ohne den Beitrag von alternativen Komponenten im Antriebsstrang von Fahrzeugen erfüllt werden können – sei es als Hybridlösung oder durch die Verwendung nicht-fossiler Treibstoffquellen.

Die Herausforderungen gehen jedoch über den Verbrauch fossiler Brennstoffe und die daraus resultierenden CO2-Emissionen hinaus. Die Stickoxydemissionen (NOx) und Partikel, die von direkteinspritzenden Verbrennungsmotoren wie Diesel- und Hochleistungs-Ottomotoren ausgestoßen werden, stellen ein gesundheitliches Problem dar. In den Innenstädten wird das zunehmend als inakzeptabel betrachtet und wird zu radikalen Einschränkungen führen – Megastädte wie London und Paris verbannen Fahrzeuge ganz aus ihren Stadtzentren, während chinesische Städte die Fahrzeugnutzung tageweise beschränken.

Und die Fahrzeughersteller reagieren darauf – Volvo, Daimler, Ford und andere haben massive Investitionen in Entwicklungsprogramme für Hybrid- und Elektrofahrzeuge angekündigt: Alle haben ehrgeizige Pläne vorgelegt, in den nächsten Jahren zahlreiche Fahrzeugmodelle mit Elektroantrieb einzuführen.

Die Elektrifizierung von immer mehr Fahrzeugen ist in vollem Gange. Aber werden sich diese Modelle am Markt durchsetzen? In Bild 2 wurden verschiedene Prognosen zusammengefasst: sie zeigen einerseits das rasche Wachstum des Anteils an der Elektromobilität, andererseits aber einen viel langsameren Rückgang der Verbrennungsmotoren. So werden 2032 beispielsweise 50 Prozent der Fahrzeuge zumindest einen Elektromotor als Antriebsunterstützung haben, aber es wird bis zum Jahr 2045 dauern, bis der Anteil an Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor nur noch bei 50 Prozent liegt.

Die künftige Anzahl von Hybrid- und Elektrofahrzeugen hängt von vielen wirtschaftlichen und sozialen Faktoren ab, zum Beispiel:vom Preis für Benzin und Diesel im Vergleich zum Strompreis, von technologischen Fortschritten – Produktionszahlen, günstigeren Batterien, besserer Batteriechemie für höhere Energiedichten (und damit Reichweiten), Ausbau der Ladeinfrastruktur,
von wachsender Sorge um Umwelt und Klimawandel, von einer Änderung des Verbraucherverhaltens, der Einstellung zum Fahrzeugbesitz und zur Akzeptanz elektrischer Antriebstechnologien, von den Vorschriften rund um Kraftstoffverbrauch, CO2-Emissionen und Umweltverträglichkeit.

Bild 3 zeigt die unterschiedlichen Formen elektrifizierter Fahrzeuge:

  • Mild-Hybride (Mild Hybrid Electric Vehicle, MHEV),
  • Voll-Hybride (Full Hybrid Electric Vehicle, FHEV),
  • Plug-in Hybride (Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) bis hin zu
  • Fahrzeugen mit reinem Elektroantrieb (Battery Electric Vehicle, BEV).

Jedes dieser Fahrzeuge verfügt zumindest über einen Elektromotor für den Antrieb, und die damit zurückgelegten Strecken werden immer länger. Falls vorhanden, wird dabei auch ein Verbrennungsmotor unterstützt. Und es ist keine Überraschung, dass der CO2-Ausstoß sinkt, wenn mehr mit Strom gefahren wird.

Herkömmliche Verbrennungsmotoren müssen vielfältige Fahrbedingungen abdecken. Daher ist der Wirkungsgrad in einigen Bereichen nicht optimal, insbesondere bei niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment. Aus diesem Grund sind Elektromotoren aufgrund ihrer maximalen Drehmomentabgabe bei niedrigen Drehzahlen ein idealer Begleiter für den Verbrennungsmotor, sodass dieser für die Einsatzbereiche optimiert werden kann, für die er sich am besten eignet.

Hybride auf Erfolgskurs

Die ersten Hybridfahrzeuge waren FHEV-Modelle und sind insbesondere durch den Toyota Prius populär geworden, der erstmals im Jahr 1997 vorgestellt wurde und weiterhin das meistverkaufte HEV ist. Seit der Einführung des Prius gab es viele Fortschritte, vor allem bei den PHEVs, die über eine zusätzliche Plug-in-Fähigkeit zum Aufladen der Batterie verfügen. Im rein elektrischen Betrieb haben PHEVs nur eine geringe Reichweite, normalerweise 20 bis 30 km. FHEVs und PHEVs werden üblicherweise mit Spannungen im Bereich von 400 V betrieben. Neuere FHEV- und PHEV-Fahrzeuge haben zwei Elektromotoren, von denen einer für regeneratives Bremsen und die Batterieladung optimiert ist, während der andere das Drehmoment und die Leistung für den Antrieb des Fahrzeugs erbringt. Weil ein Elektromotor aber auch bei niedrigen Drehzahlen äußerst stark ist, kann man den Verbrennungsmotor für eine geringere Leistung auslegen oder mit einem kraftstoffeffizienteren Konzept wie dem sogenannten Atkinson-Zyklus betreiben. Hier bleibt das Einlassventil länger offen, wenn sich der Kolben für die Kompression nach oben bewegt. Dabei wird weniger Reibung verursacht, und der Motor wird effizienter – allerdings auch langsamer. Ein alternatives Konzept ist das Elektroauto mit Range Extender (Range Extender Electric Vehicle, REEV) – hier lädt ein kleiner Verbrennungsmotor die Batterie auf, treibt aber nicht die Räder an.