Alternative Antriebe in der Automobilindustrie – Herausforderungen und Lösungen bei der Integration

ZENTRALE THEMEN SIND REICHWEITE UND AUFLADEN BEI DER INTEGRATION ALTERNATIVER ANTRIEBE

Reichweite und Aufladen – das sind auch heute in der zweiten großen Phase der Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen die beiden zentralen Themen bei der Entwicklung von BEVs (Battery Electric Vehicle). Wer viele Jahre lang „Verbrennerautos“ gefahren hat und Reichweiten von meist mehr als 700 Kilometer bei einer Auftank-Dauer von weniger als drei Minuten gewohnt ist, empfindet es oft als inakzeptabel, mehr als eine halbe Stunde Lebenszeit an einer Ladesäule zu verlieren, nur um 300 Kilometer weiterfahren zu können. Um dies zu vermeiden, tankt man dann gern mal „zwischendurch“ bei sich bietender Gelegenheit. Dennoch gilt: Ein Fahrzeughersteller, der bei seinen BEV die Reichweite steigert und gleichzeitig die Ladezeit signifikant verkürzt, wird deshalb der Gewinner im weltweiten Kampf um Marktanteile sein.

 Eine der Schlüsselrollen bei diesen beiden Zielen der BEV-Entwicklung übernimmt dabei die Batterie und ihr Verhalten beim Aufladen. Bei deren Zellen hat sich bis heute noch kein Zellformat endgültig durchgesetzt, weshalb hier eifrig entwickelt und dementsprechend getestet werden muss. Die neuen wie auch die bestehenden Batterie-Technologien setzen umfangreiches Testing und Validierung nach Format voraus. Ein starker Entwicklungspartner mit eigenen Prüfständen für das Batterie-Testing ermöglicht dies, was zu stark verkürzten Entwicklungszeiten und damit schnellerem Markteintritt für den Fahrzeughersteller führt. Heutige Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyt können zu anderen Batterie-Technologien (z. B. Feststoff-Batterien) weiterentwickelt werden, was höhere Energiedichte und somit geringen Bauraumbedarf und weniger Gewicht bei gleicher Reichweite verspricht.

Alternative Antriebe: Ladestrategien müssen entwickelt werden

Neben Größe und ihrer Energiedichte müssen für die Batterie auch Ladestrategien entwickelt werden. Diese sind wichtig für die perfekte Betriebsstrategie. Denn die tatsächliche Ladezeit ist stark davon abhängig, ob und wie die Batterie einen Ladestrom mit dauerhaft hohem Niveau verkraftet. Der BEV-Besitzer wird enttäuscht sein, wenn der vom Hersteller versprochene Spitzenwert beim Ladestrom nur für 20 bis 30 Prozent des Zuwachses an Batterieladestand erreicht wird, sich sonst halbiert und später zur Schonung der Batterie sich womöglich sogar drittelt. Das zieht den Ladevorgang enorm in die Länge und führt zu Frustration und damit zu einem Negativ-Image für die BEV-Technologie. Ein ausgeklügeltes Thermalmanagement mit intelligenter Ladestrategie der Batterie mit beispielsweise rascher Erwärmung zu Beginn oder gezielter Kühlung im Verlauf des Ladevorgangs ist der Schlüssel zu konstant hohen Ladeströmen und damit zu verkürzter Ladezeit.

Richtige Betriebsstrategie durch optimiertes Laden bei alternativen Antrieben

Optimiertes Laden ermöglicht auch die richtige Betriebsstrategie des BEV mit passender Ladestrategie. Dabei kann das Fahrzeug selbst dem Fahrer helfen, den besseren Ladezeitpunkt zu wählen. Das Infotainment des E-Autos könnte deshalb den Fahrer gleich im Anschluss an seine Fahrt zum Laden auffordern, nicht erst vor der nächsten Fahrt. Denn eine durch den Fahrbetrieb bereits wohltemperierte Batterie lässt spontan höhere Ladeströme zu als eine kalte. Zudem wird die Batterie geschont, wenn sie bereits vor dem Start des Ladevorgangs erwärmt ist. Denn muss die Batterie dagegen zum Laden erst noch erwärmt werden, dauert der Ladevorgang länger. Jedenfalls ist das im Winter so. An heißen Sommertagen würde die Fahrzeug-Betriebsstrategie dagegen eine andere Taktik wählen, um die Batterie möglichst wenig kühlen zu müssen. Wichtig ist auch, den Fahrer sogar bei immer wiederkehrenden und ihm bekannten Strecken zum Nutzen des Navigationssystems mit Zieleingabe aufzufordern. Dann können bei jeder Fahrt sowohl der nächste Aufladezeitpunkt als auch das Vortemperieren der Batterie vom Thermalmanagement des BEV schon während der Anfahrt zur Ladesäule günstig beeinflusst werden.

NIEDRIGER ENERGIEVERBRAUCH DURCH REDUZIERUNG DER WIDERSTÄNDE BEI ALTERNATIVEN ANTRIEBEN

 Viel Potential gibt es auch, um den Energieverbrauch während der Fahrt zu senken. Die Effizienz lässt sich zum einen durch Reduzierung von Fahrtwiderständen steigern. Dazu zählen strömungsgünstig geformte Karosserien, um den bereits ab Tempo 70 alles entscheidenden Luftwiderstand zu senken. Weiteres Potential steckt im Rollwiderstand, der nicht nur durch vom Reifenhersteller zugelieferte Pneus beeinflusst wird, sondern maßgeblich auch von Reibungswiderständen in der gesamten Antriebsstrang-Kette: Elektromotor, Untersetzungsgetriebe, Differenziale, Radlager – all dies muss bei der Entwicklung des BEV überdacht werden, um keinen kostbaren Batteriestrom zu verschwenden. Gewicht, Schmierung und Kühlung dieser rotierenden Komponenten kommen hier eine zentrale Bedeutung zu, die bei der Entwicklung eines reinen Elektrofahrzeugs zu beachten ist. Ein kompetenter Entwicklungspartner von alternativen Antrieben stellt dazu nicht nur den kompletten elektrifizierten Antriebsstrang inklusive elektronischer Steuerung, sondern kann auf eigenen Antriebsprüfständen die in jeder Fahr- und Lastsituation auftretenden mechanischen Eigenschaften und Energieflüsse testen und dabei validieren.

Kluges Thermalmanagement ist bei alternativen Antrieben wichtig

Auch die elektrischen und elektronischen Komponenten müssen auf verringerten Stromverbrauch und damit auf Effizienz getrimmt werden. Wichtig: ein möglichst hoher Wirkungsgrad des Inverters, der den Gleichstrom aus der Batterie zu Wechselstrom für den Elektromotor wandelt. Genauso wichtig im Zusammenhang mit der Energieeffizienz ist der thermische Komfort im Fahrzeuginnenraum. Denn auch dieser muss per Strom erzeugt werden. Insbesondere beim Heizen in kühlen oder gar kalten Jahreszeiten ist das entscheidend, denn die Erwärmung des Innenraums benötigt viel elektrische Energie, die zwangsläufig die Reichweite des Fahrzeugs reduziert. Beim Verbrenner konnte man gewissenmaßen gratis über die Abwärme des Motors heizen. Beim BEV erwärmen sich die elektrischen Antriebskomponenten hingegen insgesamt gering. Das ist einerseits wesentlich für den herausragenden Wirkungsgrad eines BEV-Antriebs, andererseits aber reicht die Abwärme für die Beheizung des Fahrgastraums nicht aus. Den Innenraum direkt mit Strom zu beheizen, ist zwar ohne großen technischen Aufwand möglich, reduziert aber die Reichweite eines BEV bei kühlen Außentemperaturen drastisch. Eine deutliche Verbesserung des Problems erreicht man hier über eine elektrisch betriebene Wärmepumpe. Die entzieht der Außenluft etwas von der stets vorhandenen Restwärme und nutzt diese zum Heizen des Innenraums. Ein BEV mit klugem Thermalmanagement, das auch die Vorkonditionierung des Innenraums bereits vor Antritt der Fahrt berücksichtigt, kann die zum Heizen benötigte Strommenge deutlich reduzieren – mit enormen Vorteilen für die Reichweite beim Fahren im Winter bringt. Je ausgeklügelter die Betriebsstrategie eines BEV ist, umso geringer ist der Verbrauch und umso höher wird die Reichweite.

LIEFERKETTEN MÜSSEN GUT ORGANISIERT SEIN

Zum Thermalmanagement eines batterieelektrischen Fahrzeugs gehört auch die Klimatisierung des Innenraums im Sommer. Herzstück ist dabei ein elektrisch betriebener Klimakompressor. Zwar verbraucht das Kühlen prinzipiell deutlich weniger Energie als das Heizen im Winter. Doch ein geschickt gesteuerter Klimakompressor und eine Klimaanlage mit optimiertem Thermalmanagement reduzieren den Energieverbrauch eines BEV. Dennoch muss die Klimaanlage stark genug sein, um auch unter schwierigen Bedingungen für beschlagfreie Scheiben zu sorgen.

Selbst der beste Entwicklungspartner und Zulieferer alternativer Antriebe hilft aber nur wenig, wenn Lieferketten ungenügend organisiert sind. In Zeiten von Halbleiterkrise, Corona-Pandemie und Ukraine-Konflikt hat sich gezeigt, wie wichtig Agilität und Flexibilität sind, um sich in der Lieferkette und bei der Produktion schnell anpassen zu können. Wichtig für die Liefersicherheit sind hier auch mehrere und regionale Sublieferanten für Basiskomponenten, um sich bei Ausfällen absichern zu können. Gerade in schwierigen Zeiten kann ein umsichtiger Entwicklungs- und Produktionspartner auf diese Weise die Produktion und Lieferung von Fahrzeugkomponenten und Gesamtfahrzeugen aufrecht halten.

GEGEBENHEITEN UND VORSCHRIFTEN DER MÄRKTE  MÜSSEN BEKANNT SEIN

Gerade die Gesamtentwicklung eines BEV erfordert von einem Entwicklungspartner enorm viele Vorausplanungen. Denn bereits in der Konzeptphase müssen spätere Auswirkungen auf Materialien, weltweite Gesetze und Homologationsvorschriften, Produktion und Vertrieb bedacht werden. Nur wer hier die global unterschiedlichen Gegebenheiten und Vorschriften der Märkte kennt, kann Fehler und damit unnötige Kosten für spätere Korrekturen vermeiden.

Neben der Kostentransparenz und -kontrolle geht es insbesondere auch um die Zufriedenheit des BEV-Besitzers. Der wendet sich später nur dann erneut der Marke zu, wenn er mit seinem Fahrzeug zufrieden war. Gerade in dieser Phase der Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen mit zahlreichen Umsteigern vom Verbrennerfahrzeug aufs Elektroauto kommt es darauf an, dem Endkunden ein möglichst positives Gesamtpaket bereitzustellen. Ein E-Auto sollte angenehmer und besser zu fahren sein als die bisherigen Verbrenner. Die ansatzlose Beschleunigung eines durch den Elektroantrieb drehmomentstarken Motors ist da – neben dem geräuscharmen Fahren – ein wichtiges Argument, aber als Vorteile im Alltag nicht ausreichend überzeugend.