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Weniger Komplexität durch Elektromobilität?

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  • Weniger Komplexität durch Elektromobilität?

    Es ist weit verbreitet, dass die Elektrifizierung von Fahrzeugen zu einer geringeren Komplexität und folglich zu einer geringeren Wertschöpfung führen wird. Bei näherer Betrachtung sieht man jedoch ein offenes Feld neuer Aufgaben, nicht nur im Antriebsstrang. Wie viel mehr oder weniger Komplexität erwarten wir?


    Volatilität und Komplexität

    Die Unvorhersehbarkeit externer Faktoren macht es besonders schwierig, langfristige Entwicklungen in der Branche vorherzusagen. Als China beispielsweise 2019 beschloss, seine Subventionen für batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) um 50% zu kürzen und die für Elektrofahrzeuge mit einer Reichweite von weniger als 250 km zu streichen, reagierte der Markt sofort, als die neuen BEV-Registrierungen sanken und die für PHEVs spitzen. Ebenso war die Entscheidung der Bundesregierung Anfang Juni 2020, Elektrofahrzeuge zu subventionieren, ein Fall von regulatorischen Eingriffen, die einige Beobachter nicht erwartet hatten.

    Abgesehen von der Frage, ob BEVs ein Allheilmittel sind, nehmen wir im Folgenden an, dass der Verbrennungsmotor (ICE) weiterhin eine Rolle beim Antrieb von Personenkraftwagen spielen wird, wenn auch in seiner Rolle je nach Anwendung differenzierter. Die Elektrifizierung umfasst daher alle Arten von Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs) bis hin zu BEVs. Es geht aber nicht nur um den Motor selbst. Prof. Hans-Christian Reuss vom Forschungsinstitut für Fahrzeugtechnik und Fahrzeugmotoren (FKFS) in Stuttgart sagt: "Die Elektrifizierung ermöglicht eine Reihe neuer Technologien." Dies ist beispielsweise bei automatisierten Fahrsystemen, Fahrzeugkonnektivität und neuartigen Mobilitätskonzepten der Fall.

    Wie viel mehr (oder weniger) Komplexität erwarten wir und auf welche Möglichkeiten werden wir auf diesem Weg stoßen? Laut Anton Mayer von Magna müssen wir bei der Beurteilung der Komplexität die Systemgrenzen und Zeitpläne berücksichtigen. Zusätzlich zu herkömmlichen Plattformen müssen HEVs, PHEVs und EVs gleichermaßen berücksichtigt werden. Dies bedeutet, dass die Komplexität zunächst zunehmen wird, bis die Anzahl der verschiedenen Elektrifizierungsvarianten abnimmt. Zusammenfassend schlägt Mayer vor, dass die Wertschöpfung in konventionellen Produktionsbereichen zwar verloren gehen wird, in den Bereichen Elektronik, Onboard und Cloud-Services jedoch überproportional zunehmen wird.


    Antriebsstrangvielfalt

    Bevor wir uns diesen Möglichkeiten zuwenden, werfen wir einen Blick auf den Kern der Elektrifizierung - den Antriebsstrang. Das Antriebsstrangportfolio von Magna umfasst derzeit konventionelle Getriebe, unterschiedlich skalierte motorelektrische Hybride und rein elektrische Antriebe, wie sie das Unternehmen 2019 im e4-Demofahrzeug vorstellte. Dedizierte Hybridgetriebe (DHTs) haben sich auch als Dreh- und Angelpunkte in Antriebsstrangsystemen herauskristallisiert. Die zunehmende Rolle von Elektromotoren hat eine Reduzierung der Anzahl der Zahnräder in DHTs sowie verschiedene Möglichkeiten zur Vereinfachung von ICEs ermöglicht. Im Allgemeinen erwartet Mayer eine schrittweise Straffung des Antriebsstrangs auf mechanischer Ebene.
    Obwohl Magna bis 2040 einen geringeren Anteil im Bereich der konventionellen Fahrzeugtechnik prognostiziert, wird dies im Bereich der Elektronik sowie der Onboard- und Cloud-Services mehr als ausgeglichen

    Obwohl Magna bis 2040 einen geringeren Anteil im Bereich der konventionellen Fahrzeugtechnik prognostiziert, wird dies im Bereich der Elektronik sowie der Onboard- und Cloud-Services mehr als ausgeglichen


    Laut Prof. Michael Bargende vom Institut für Fahrzeugtechnik der Universität Stuttgart (IFS) hängt eine solche Straffung von der elektrischen Leistung ab. Bargende sieht drei Haupttrends. Das erste ist Downsizing in Kombination mit Aufladung und möglicherweise 48-V-Hybridisierung, solange der ICE die dominierende Antriebsquelle bleibt. Die zweite ist eine stark vereinfachte Engine für Plug-In-Hybride. Übrigens werden Vollhybride seiner Meinung nach im Zuge der EU-Emissionsvorschriften, die Plug-in-Hybride bevorzugen, leider an Bedeutung verlieren. Der dritte Trend geht zu Benzinmotoren mit extrem hohen Wirkungsgraden (bis zu 45% oder mehr), wie dies heute insbesondere in Japan, aber auch in China zu beobachten ist. Der Erfolg in diesem letzteren Fall hängt von einer umfassenden Annäherung des isochoren Prozesses mit hohen Spitzendrücken ab.

    Besonders hervorzuheben ist in diesem Zusammenhang ein Vortrag von Ruiping Wang, Vizepräsident für Forschung und Entwicklung und Fertigung, Zhejiang Geely, Ende 2019. Sie erwartet auch, dass wir eine Vielzahl von Hybridanwendungen sehen werden, wobei eine stärkere Elektrifizierung mit einem allmählichen Rückgang der Komplexität einhergeht und in einem seriellen Zwei-Gang-DHT für den parallelen Hybridbetrieb mit einem dedizierten Hybridmotor (DHE) gipfelt ) und einen Wirkungsgrad von bis zu 45%. Die Tatsache, dass solch ehrgeizige Arbeit an fortschrittlichen ICEs in China - und nicht nur bei Geely - geleistet wird, lässt einen nachdenken.
    Der Emicat von Vitesco nutzt den Strom von 48-V-Hybridsystemen, um die Katalysatoren von Dieselmotoren bei sinkender Abgastemperatur zu heizen © Vitesco

    Der Emicat von Vitesco nutzt den Strom von 48-V-Hybridsystemen, um die Katalysatoren von Dieselmotoren bei sinkender Abgastemperatur zu heizen
    © Vitesco



    Mit Blick auf Europa sieht Stefan Demmerle von BorgWarner geladene Motoren als anhaltenden Trend, oft kombiniert mit P1- und P2-Architekturen. Als Unternehmen mit globaler Reichweite ist es jedoch das Ziel, alle Produkt- und Systemkomponenten abzudecken, von Ladesteckern bis hin zu Rädern. Kurz gesagt, die Herausforderung liegt auch hier im Bereich der Optionen.

    Diese Entwicklungen klingen nicht wirklich nach Vereinfachung, aber wie Prof. Uwe Dieter Grebe von AVL in einem Interview sagte, ist der Verbrennungsmotor "von außen" modular aufgebaut, was bedeutet, dass der Aufwand für die funktionale Skalierung nicht so hoch ist wie er könnte zuerst erscheinen. Unterschiedlich skalierte Hybridantriebe laufen daher nicht unbedingt dem Trend zu optimierten Motorenfamilien zuwider, auch da sie weiterhin ihre Rolle als Komponenten verlieren, die eine emotionale Differenzierung ermöglichen.

    In jedem Fall wird die Emissionskontrolle deutlich komplexer. Dies gilt für 48-V-HEVs aufgrund reduzierter Abgastemperaturen und für PHEVs, wenn der ICE übernimmt oder längere Zeit nicht verwendet wird. Der Zulieferer Vitesco Technologies sieht eine Reihe neuer Anforderungen im Bereich des Wärmemanagements für Abgassysteme. Beispielsweise sind elektrisch beheizte Katalysatoren sowie Aktivspülpumpen relevant geworden, die nicht nur den Aktivkohlefilter des Tanks entleeren, sondern auch einen Luftstrom oder ein Luft-Kraftstoff-Gemisch zum Heizen liefern können. Es können auch NO x -Sensoren eingesetzt werden, um eine genauere Lambda-Steuerung in Benzinmotoren zu ermöglichen.


    Ein Einfluss auf das Chassis

    Das Chassis ist vielleicht nicht das erste, was im Zusammenhang mit der Elektrifizierung in den Sinn kommt. Laut Damian Harty, Direktor für Fahrwerks- und Fahrzeugdynamik bei Byton, ist die Verbindung zwischen Motor und Rad in elektrischen Antrieben im Gegensatz zu herkömmlichen Antrieben im Wesentlichen ein "starres" System. Es gibt einfach keine Komponenten wie DMFs (Dual-Mass Flywheels), Kupplungen oder Drehmomentwandler, die Schlupf oder Dämpfung ermöglichen. Dies kann die Steuerung der Querdynamik in Fahrszenarien erschweren, die durch einen verringerten Reibungskoeffizienten gekennzeichnet sind, beispielsweise wenn Räder nach einem Gripverlust wieder mit der Straße synchronisiert werden müssen. Harty betrachtet alles ganzheitlich, vom Motor bis zur Straßenoberfläche.

    Hier sind mehrere Schlussfolgerungen zu ziehen. Die Bedeutung der Annäherung an Antriebsstrang und Fahrwerk als Teile eines einheitlichen Systems hat zugenommen: Auch bei elektrischen Antriebssträngen sollte die Rolle von Kupplungen bei der Steuerung der Fahrzeugdynamik nicht unterschätzt werden, da das Ausrücken der Kupplung achsspezifisch ist Lastverlagerung. Die Qualitätsanforderungen an die Kontrolle sind weitaus anspruchsvoller geworden. Harty sieht große Herausforderungen beispielsweise in Bezug auf Rechengeschwindigkeit, redundante Überwachungssysteme (ASIL D) und Signalübertragung. CAN 2.0 stößt hier an seine Grenzen. Der neuere CAN-FD ist besser geeignet, erfordert jedoch neue Chipsätze und umfangreiche Tests.
    © Vibracoustic Reaktion auf neue NVH-Herausforderungen: das "Rolling Chassis" von Benteler und Bosch auf einem rollenden Prüfstand bei Vibracoustic

    © Vibracoustic
    Reaktion auf neue NVH-Herausforderungen: das "Rolling Chassis" von Benteler und Bosch auf einem rollenden Prüfstand bei Vibracoustic


    Interessant ist in diesem Zusammenhang auch ein Punkt von Frank Esser bei Ford. Angesichts der dringenden Notwendigkeit, die Kosten für die Elektrifizierung zu senken, besteht ein klares Interesse an kostengünstigen Fahrgestellen. Gleichzeitig ist es eine große Herausforderung, hohe Lasten für eine präzise Verfolgung zu steuern und das Chassis noch leiser zu machen. Während Vorhersagen über die Zukunft immer ungewiss sind, scheint dies eine sich abzeichnende Lücke zwischen Standard- und Premium-Chassis zu sein.

    © Faurecia Elektrifizierung und Konnektivität verändern auch das Fahrzeuginterieur, beispielsweise durch die Einführung schalterloser, kontextsensitiver Benutzeroberflächen

    © Faurecia
    Elektrifizierung und Konnektivität verändern auch das Fahrzeuginterieur, beispielsweise durch die Einführung schalterloser, kontextsensitiver Benutzeroberflächen


    Testen wird zu einer komplexen Aufgabe

    NVH ist ein weiterer Bereich, in dem die Komplexität von Entwicklungsaufgaben zugenommen hat. Laut Dr. Jörg Böcking von Vibracoustic sind wir es gewohnt, dass der Motor andere Geräusche maskiert. Jetzt hören wir plötzlich das Geräusch von Hilfskomponenten wie Pumpen, Kompressoren und Schaltventilen, geschweige denn die Tatsache, dass Elektromotoren völlig neue Frequenzbereiche von bis zu vielen Kilohertz beherrschen müssen. Und bei motorelektrischen Hybriden sind wir mit den Vibrationen konfrontiert, die mit beiden Antriebsmitteln verbunden sind. Darüber hinaus verursacht die Rekuperation bisher unbekannte dynamische Längslasten in Zugrichtung, insbesondere bei leistungsstarken elektrischen Antrieben. Dies erfordert im Vergleich zu herkömmlichen Antriebssträngen neue Dämpfer- und Absorberlösungen sowie erheblich höhere Prüfkosten.

    Laut dem Lieferanten Benteler begünstigen die zusätzlichen Arbeiten zum Entwerfen und Testen des Vibrationssystems einschließlich Antrieb und Fahrgestell die Verwendung von Standardplattformen. Zusammen mit Bosch präsentierte Benteler 2019 das sogenannte Rolling Chassis, das in Bezug auf Crash-Management, Chassis, E-Achsen und Batteriesysteme sowie Software- und Systemintegration "fahrbereit" ist. Marco Kollmeier, Leiter des Geschäftsbereichs Elektromobilität, sieht einen Bedarf für eine solche Lösung insbesondere bei kleinen und jungen OEMs, die es ihnen ermöglicht, mehrere Jahre Entwicklungszeit zu sparen. Im März 2020 trat Pininfarina der Kooperation bei und wird voraussichtlich Fachwissen über Karosserien bereitstellen, insbesondere bei der Definition der Fahrzeugschnittstellen.

    Im Jahr 2019 erweiterte das FKFS seine Prüfeinrichtungen um neue Prüfstände für Hochleistungs-Elektro- und Hybridantriebe. Von den vielen neuen Testaufgaben erwähnt Reuss den Fall des thermischen Verhaltens elektrischer Antriebe, beispielsweise unter Schwerlast- und Dauerbetriebsbedingungen. Neben der Kühlung sind neue Betriebsstrategien erforderlich, um das Derating besser steuern zu können, dh eine Art intelligente, schrittweise Leistungsreduzierung. Schließlich wollen Besitzer von Elektrofahrzeugen natürlich plötzliche Stromausfälle vermeiden. Laut Reuss hat die Bedeutung der Funktionsfähigkeit des elektrischen Antriebsstrangs und der vielen anderen Faktoren im Zusammenhang mit Betriebsstrategien erheblich zugenommen.


    Das kommunizierende Fahrzeug

    In der Tat ist die Auswahl der richtigen Betriebsstrategie für das gesamte Fahrzeug wichtig, da softwaredefinierte Funktionen die Unterscheidung zwischen den Fahrzeugdomänen verwischen. Für den Automobilzulieferer Continental sind Lösungen auf dem Weg zum intelligenten Fahrzeug (z. B. Konnektivität, Software und verbesserte Fahrer-Beifahrer-Erfahrung) ein Wachstumstreiber, der die Unternehmensstrategie des Unternehmens bereits tiefgreifend beeinflusst hat. Zu den Zeichen intelligenter Lösungen gehören funktionale Modularität, Skalierbarkeit und neue E / E-Architekturen, die Aktualisierungsfunktionen ermöglichen. Laut Continental wurden allein im Jahr 2019 mit Technologien für sichere und vernetzte Mobilität rund 20 Milliarden Euro Umsatz erzielt. Darüber hinaus hat auch das Hochleistungscomputersegment für Cockpit-, Karosserie- und Gateway-Funktionen ein deutliches Wachstum verzeichnet.

    Im Zuge dieser Entwicklungen werden auch die Fahrzeuginnenräume verändert, da neue Funktionen neue und erweiterte Benutzeroberflächen erfordern. Der Lieferant Faurecia zum Beispiel konzentriert sich auf kommunikative Innenräume. Laut Marketingdirektor Gherardo Corsini können intelligente Oberflächen mit schalterlosen Bedienelementen eine intuitive, kontextspezifische Fahrzeugbedienung ermöglichen. Um das Gewicht zu reduzieren, hat Faurecia seine Aufmerksamkeit unter anderem auf Hybridbauteile, Naturfasern, leichte Sitzstrukturen - und beispielsweise auf wärmestrahlende Oberflächen - gerichtet, um die Wärmeabgabe des Gebläses zu reduzieren .


    Was machen wir jetzt?

    Während die oben genannten Beispiele nur einen begrenzten Überblick über die neuesten Entwicklungen geben, machen sie deutlich, dass die Komplexität im Bereich der Fahrzeugentwicklung weiter zunehmen wird, solange konventionelle und unterschiedlich elektrifizierte Antriebe nebeneinander existieren. Und selbst bei vollelektrischen Antrieben wird die Entwicklung von neuen und komplexen Herausforderungen in Bezug auf NVH, Fahrzeugdynamik, Automatisierung, Konnektivität, Cloud-Dienste und Sicherheit elektronischer Systeme geprägt sein.

    Die Elektrifizierung bietet jedoch auch die Möglichkeit, Fahrzeuge besser auf die Wünsche der Verbraucher abzustimmen. In diesem Zusammenhang fasst Bargende zusammen: "Wir werden weiterhin Abwechslung sehen, solange die Verbraucher in der Lage sind, eine emotionale Bindung an Personenkraftwagen zu erfahren." Er kommt dann zu dem Schluss, dass es diese Vielfalt ist, die Kreativität und Innovation unter den Entwicklern freisetzt, und dass er sich nur angesichts eines Trends zur Einheitlichkeit Sorgen machen würde. Man könnte es auch so sagen: Komplexität, die mit Wert einhergeht, ist ein Wettbewerbsvorteil, während bloße Waren austauschbar sind.

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