Energiemanagement Ausgeglichener Stromhaushalt für das Auto der Zukunft

Mobile elektrische Energie ist eine knappe Ressource. Das gilt bereits für konventionelle Fahrzeuge, insbesondere aber für Hybrid- und Elektrofahrzeuge mit ihrem systembedingt hohen Elektrifizierungsgrad. Dem Energiemanagement im Automobil kommt damit eine wichtige und weiter steigende Bedeutung zu. Die Entwicklungsaufwendungen müssen dabei jedoch nicht zwangsläufig steigen. Im Gegenteil — bei intelligenter Umsetzung sind sogar Kostensenkungen möglich.

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Um auch zukünftig die Mobilitätskosten der Automobilkunden moderat zu halten sowie die CO2-Emission der Fahrzeugflotte weiter zu senken, unternehmen Automobilhersteller in Kooperation mit ihren Zulieferern zum Teil große Anstrengungen, durch eine optimale Regelung der Energieflüsse im Bordnetz eine effizientere Nutzung der im Fahrzeug mitgeführten Energie zu erreichen. Vor allem bei Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, die aufgrund des elektrischen Antriebsaggregats tendenziell einen höheren Elektrifizierungsgrad und Komplexitätsgrad der Bordnetzarchitektur haben, spielt das Energiemanagement eine gewichtige Rolle.

Energiemanagement überwacht und steuert den Energiehaushalt im Fahrzeug

Die möglichen elektrischen Energielieferanten im Fahrzeug sind nach ihrem Charakter und ihrer Funktion sehr heterogen: Es gibt den Generator mit einer drehzahlabhängigen Leistungsabgabe, die Batterie mit einem gewissen Langzeitspeicherpotenzial, das aber auch einer großen Anzahl von Einflüssen unterworfen ist, die Bremse (Bremsenergie-Rekuperation) mit einer fahrsituationsabhängig ausgeprägt kurzzeitig verfügbaren Leistungsabgabe, das Solardach mit einer ebenfalls ganz spezifischen Leistungscharakteristik und viele andere potenzielle Energiequellen. Auf der anderen Seite steht dem eine Vielzahl von Verbrauchern mit den unterschiedlichsten Aufgaben gegenüber. Die anspruchsvolle Aufgabe des elektrischen Energiemanagements ist es nun, im Spannungsfeld zwischen Energiebereitstellung und Verbrauch und den zu bewältigenden mannigfachen Fahrszenarien ein Optimum zu finden im Hinblick auf funktionale Sicherheit, Energieverbrauch, Fahrerunterstützung und Komfort.

Ganzheitliche Betrachtung der verschiedenen Bordnetze

Die Herausforderungen an ein effizientes Energiemanagement sind demnach äußerst vielschichtig und tangieren alle Architekturebenen: Das Energiebordnetz für eine optimale Verteilung der Energieflüsse, das Daten- und Kommunikationsbordnetz für die Kontrolle der Energiezustände sowie das Funktionsbordnetz für die Zu- und Abschaltung von Funktionen und die Einbeziehung des Fahrers. Für die Realisierung des elektrischen Energiemanagements bedeutet dies, dass ausschließlich Lösungsansätze in Betracht kommen, die bei aller Heterogenität der spezifischen Anforderungen diese drei Ebenen als unterschiedliche Sichtweisen desselben, ganzheitlich verstandenen Systems auffassen.

Aufgrund dieser Betrachtungsweise ist es offensichtlich, dass eine praxistaugliche Energiemanagementlösung nur unter konsequenter Einbeziehung der Systemebene sinnvoll realisiert werden kann. Zwar können auf dem Wege der Wirkungsgradoptimierung bei Einzelkomponenten durchaus Energieeinsparpotenziale verwirklicht werden, jedoch sind diesem Ansatz Grenzen gesetzt. Fortgeschrittenes elektrisches Energiemanagement erfordert den Blick aufs Ganze.

Softwarelösung mit definierten Schnittstellen zu den elektrischen Fahrzeugkomponenten

Es stellt sich nun die Frage, wie eine solche ganzheitliche Energiemanagementlösung in der Praxis realisiert werden kann. Die Entwicklung und Integration einer speziellen Hardware zur Systemoptimierung ist mit hohen Kosten verbunden und scheidet daher aus. Obendrein ist ein solcher Ansatz zu unflexibel. Mit der zunehmenden Verbreitung von AUTOSAR (Automotive Open System Architecture) und der damit einhergehenden Standardisierung von Software-Architekturen im Fahrzeug, bietet es sich stattdessen an, die bestimmenden Elemente des elektrischen Energiemanagements als eine konfigurierbare, generische Softwarelösung mit definierten Schnittstellen zu den elektrischen Fahrzeugkomponenten zu realisieren.

Vom Antriebskonzept weitgehend unabhängiger Lösungsansatz

Die Softwarefunktion Energiemanagement besteht aus zentralen Einheiten für die Bestimmung des Energiezustandes, die algorithmische Ableitung von energierelevanten Handlungsalternativen sowie die Verteilung der Energieflüsse, beinhaltet daneben aber auch dezentrale Anteile auf spezifischen Steuergeräten, beispielsweise aus den Domänen Safety, Antrieb, Komfort und Effizienz. Dies entspricht den Anforderungen im Hinblick auf maximale Effizienz und trägt darüber hinaus den sicherheitsrelevanten Aspekten der Versorgung elektrischer Komponenten Rechnung. Ein solchermaßen modular aufgebautes elektrisches Energiemanagement mit Modulen für Überwachungs- und Antriebskomponenten, die Fahrerschnittstelle und Zugriff auf die Umweltsensorik erlaubt dabei einen vom Antriebskonzept (konventionelles Fahrzeug, Hybrid, Elektrofahrzeug) weitgehend unabhängigen Lösungsansatz.

Keine Insellösungen rund um einzelne Baugruppen

In einer übergreifenden, koordinierenden Instanz der Softwarefunktion werden die relevanten Daten zu den Energieflüssen unter strategischen Gesichtspunkten in Steuersignale für elektrische Komponenten und Informationen für den Fahrer umgewandelt. Das optimale Zusammenspiel der elektrischen Einzelkomponenten und die intelligente Energiezuteilung können so mit einem einheitlichen und adaptierbaren Verfahren geregelt werden: Insellösungen rund um einzelne Baugruppen und komplexe Kommunikationswege fallen weg. Dadurch verringert sich das Fehlerrisiko und die Fahrzeugentwicklung wird einfacher und sicherer. Durch die mögliche Wiederverwendung kann so auch der Test- und Absicherungsaufwand reduziert werden.

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