Antriebstechnik 09.09.2005, 18:40 Uhr

Steuerungssysteme bereiten Hybridantrieben den Weg  

VDI nachrichten, Berlin, 9. 9. 05 – Ein optimiertes Energiemanagement wird die Effizienz des Autofahrens weiter steigern und die Ressourcen an Bord flexibler verteilen. So kommt es trotz mehr Assistenzsystemen und Komfortausrüstungen nicht zu höherem Kraftstoffverbrauch sowie zu größeren Generatoren und Batterien. Diese Entwicklung führe Schritt für Schritt zu Hybridantrieben, meinen Fachleute.

Autoentwickler sitzen in der Klemme. Besonders jene, die sich um die Energieverteilung an Bord kümmern. Denn ihre Kollegen setzen ihnen ständig neue Stromfresser vor die Nase: Assistenzsysteme, Klimaanlagen, elektrische Lenkhilfen, Sitzheizungen, Navigationssysteme oder Telefone. Doch dieser Mehrbedarf an Energie soll weder den Spritverbrauch erhöhen, noch dürfen Generatoren und Batterien größer werden.

Es gilt also, die Energie effektiver zu verteilen und bisher ungenutzte Potenziale zu erschließen. BMW geht dafür den Weg des „integrierten Energiemanagements“, bei dem es vor allem um zweierlei geht: weniger Energieverluste und eine aktive Steuerung der Energieflüsse im Fahrzeug. Letztere sind nötig, weil die Leistung der Generatoren nicht mehr den Maximalverbrauch aller Komponenten deckt. Um Überlastungen zu verhindern, werden die Stromfresser an Bord deshalb in eine situationsabhängige, an Sicherheitsanforderungen orientierte Hierarchie gebracht. BMW-Entwickler Dr. Stephan Neugebauer: „Es muss absolut sichergestellt sein, dass für sicherheitsrelevante Systeme wie die Aktivlenkung oder die Wankstabilisierung zu jedem Zeitpunkt genügend Energie bereitsteht. Notfalls durch kurzzeitiges, gezieltes Abschalten anderer Verbraucher.“ Das setze aber eine ausgefeilte Steuerungslogik voraus, die innerhalb von Millisekunden entsprechende Maßnahmen umsetzen kann.

Die „Energiearchitektur“ entwerfen die Entwickler, lange bevor ein neues Modell in Serie geht. Dafür analysieren und simulieren sie die Energieflüsse im Fahrzeug und entwickeln auf dieser Grundlage das Energiemanagement. Immer wichtiger dabei: Energie zurückerobern. Denn bei heutigen Autos landet ein Großteil davon ungenutzt in Kühlwasser, Abgas und Bremsen. Ein fragwürdiger Luxus angesichts der Klimaproblematik und der Kraftstoffpreise. Als probate Gegenmittel hat BMW elektronische statt mechanischer Kühlwasserpumpen und Bremskraft-Rekuperation ausgemacht. Anders als mechanische Pumpen, die starr an die Motordrehzahl gekoppelt waren, kühlen die Elektro-Pumpen den Motor nur, wenn es nötig ist. Gerade bei Kaltstarts erreicht der Motor so schneller Betriebstemperatur – was nicht nur Sprit spart, sondern auch Emissionen und Verschleiß mindert.

Bei der Rückgewinnung von Bremsenergie setzen die Entwickler auf Infrastruktur, die im Rahmen des integrierten Energiemanagements schon in Serie ist. Etwa Datenschnittstellen, um die Generator- und Batteriespannung zu steuern, oder Sensoren, die ständig deren Betriebszustand überwachen. Wo solche Steuerungssysteme vorhanden sind, liegt es nahe, den Ladezustand der Batterie aktiv zu variieren. Und zwar mit rückgewonnener Bremsenergie. Bei voller Batterie fließt der Strom gleich ins Bordnetz und entlastet so den Generator.

Anderes als BMW setzt VW auf Interaktion beim Energiemanagement: Autos sollen ihre Fahrer zum Sparen animieren. Allein dadurch könne der typische Autofahrer 15 % Sprit sparen, sportliche Fahrer großer Autos sogar doppelt so viel. Konkret soll der „Verbrauchsassistent“ freundlich anfragen, ob die Klimaanlage bei offenen Fenstern laufen muss, auf dem Display zu schlappen Reifendruck bemängeln oder den Fahrer per Klopfzeichen am Gaspedal ans Schalten erinnern, wenn er zu hochtourig fährt. Weitere Funktionen: Ein Verzögerungsassistent animiert den Fahrer, bei vorhersehbaren Stopps und Tempolimits früh auszukuppeln statt spät zu bremsen und ein Rechner ermittelt, wie lange das Auto bei der aktuellen Motortemperatur stehen muss, damit es sich lohnt, den Motor abzustellen.

Stets entscheidet der Fahrer, ob er den Hinweisen folgt oder nicht. Für VW-Entwickler Frank Schulze steht und fällt das System damit, ob Autofahrer es als unterstützend oder bevormundend empfinden. Wenn es die Kunden annehmen, sieht er gute Voraussetzungen für den Einsatz in Hybriden. Denn die Sensorik und Steuerung eigne sich bestens, um das Sparpotenzial hybrider Antriebe zu optimieren.

Die Steuerungssysteme für den Antriebsstrang mit all ihren Sensoren und Aktoren nähern sich beinahe in logischer Konsequenz dem Hybrid. Dahinter steht ein grundlegender Wandel, den Dr. Uwe Keller, Elektronikentwickler bei DaimlerChrysler, so zusammenfasst: „Der Antrieb dient nicht mehr allein der Fortbewegung, er ist heute ein Kraftwerk, das mechanische, hydraulische, thermische und elektrische Energie liefert. Leitstelle ist die Antriebselektronik. Sie steuert Bereitstellung und Verteilung der Energien.“

Wo die Elektronik Antriebskräfte koordiniert, Generatoren managt oder Batteriezustände überwacht, sind Hybride nicht weit. Entsprechend bereitet DaimlerChrysler die Elektronikplattformen kommender Modelle schon auf die sparsamen Mischantriebe vor. Dafür, so Keller, gehe man neue Wege der Momentenkoordination und schaffe Schnittstellen, um das Wechselspiel zwischen Aggregaten und Getriebe variabel gestalten zu können.

Auch die Robert Bosch GmbH hat ein Steuerungssystem für hybride Antriebsstränge im Angebot es eignet sich gleichermaßen für parallele und leistungsverzweigende Hybridsysteme. Herzstück ist eine übergeordnete Softwareschicht, die bewusst an Steuerungskonzepte üblicher Serienaggregate anknüpft. Sie koordiniert den Betrieb der einzelnen Aggregate und behält dabei das große Ganze im Blick: etwa wann es Sinn macht, im E-Betrieb zu fahren oder die E-Maschine zusätzlich zum Verbrennungsmotor laufen zu lassen, welche Getriebeübersetzung jeweils optimal ist oder wann wie viel Bremskraft zurückgewonnen werden kann. Zugleich steuert das System die Energieflüsse im Fahrzeug und sorgt für eine effiziente Kühlung von E- und Verbrennungsmaschine. Über allem wacht ein so genannter Watchdog, der permanent die Plausibilität aller ein- und ausgehenden Signale überprüft. Laut Bosch braucht diese Hybridsteuerung nicht zwingend ein eigenes Steuergerät, sondern kann in bestehende Steuergeräte, etwa ins Motorsteuergerät, integriert werden. P. TRECHOW

Von P. Trechow
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