a female ingeneer checking alterative propulsion systems for a new car

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

Wir befinden uns mitten im wohl bemerkenswertesten Kapitel der Geschichte des Fahrzeugbaus – der Elektrifizierung. Manche Fahrzeughersteller sind bei der Entwicklung alternativer Antriebe weiter voraus als andere, manche Regionen der Welt sind da innovationsfreudiger als andere – bei oftmals hohem strategischem Eigenkostenanteil. Ein primäres Ziel bei dieser Entwicklung ist es, die optimale Betriebsstrategie des BEV mit der passenden Ladestrategie zu ermöglichen. Letztlich führt kein Weg an der Elektrifizierung von Fahrzeugen vorbei, um die gewünschte globale Dekarbonisierung zu erreichen. 

Elektrische Kraftfahrzeuge gibt es zwar bereits seit über 120 Jahren. Sie hatten eine frühe Blütezeit um das Jahr 1900 herum, als mehr als ein Drittel der in den USA registrierten Kraftfahrzeuge einen batterieelektrischen Antrieb hatten. Doch dann kam billiges Benzin, das ohne teuren Entwicklungsaufwand große Reichweiten und schnelles Auftanken ermöglichte. Gleichwohl wird diese frühe Blüte bald übertroffen: denn Marktbeobachter erwarten, dass im Jahr 2030 schon rund die Hälfte der in der EU zugelassene Pkw solche mit batterieelektrischem Antrieb sind. Wir sind ergo schon längst im Zeitalter der alternativen Antriebe angekommen.

Person standing in room with arms folded in front

Checklist from Magna regarding Alternative Propulsion Systems for Car Manufacturers


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. 

Checklist from Magna regarding Alternative Propulsion Systems for Car Manufacturers

 


ALTERNATIVE ANTRIEBE - SCHWERPUNKTLAGE KOMMT ZENTRALE BEDEUTUNG ZU

Vielmehr muss die gesamte Fahrdynamik des BEV überzeugen. Die Problemstellung bei der Fahrdynamik liegt vor allem darin, dass ein BEV durch die große und gewichtige Batterie meist um mehrere hundert Kilogramm schwerer ist als ein vergleichbares Fahrzeug mit konventionellem Verbrennerantrieb. Gewicht geht jedoch stets zu Lasten der Handlichkeit und Kurvendynamik. Es besteht die Gefahr, dass das Elektroauto dann als träge und ungelenk wahrgenommen wird, was die Akzeptanz des Fahrzeugs gefährdet. Da das Mehrgewicht durch die Batterie kaum vermeidbar ist, kommt der Schwerpunktlage bei der Konstruktion eines BEV eine zentrale Bedeutung zu. Die Frage ist also: Wie sieht die Batterie aus und wo im Fahrzeug wird sie untergebracht? Da Batterien mit sehr unterschiedlichen Abmessungen und geometrischen Formen produzierbar sind, lässt sich durch geschickte Platzierung der Batterie ein optimierter Schwerpunkt und eine ausgeglichene Gewichtsverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse erreichen. Durch die Platzierung der Batterie zwischen Vorder- und Hinterachse ergeben sich ein verlängerter Radstand bei gleichzeitig verkürzten Karosserieüberhängen. Beides hilft, ein harmonisches Kurvenfahrverhalten zu ermöglichen – trotz erhöhtem Fahrzeuggewicht.

 

Optimale Platzierung der Batterie im BEV wichtig für die Sicherheit

Die Platzierung der Batterie im BEV und ihr Schutz ist zudem wichtig für die Sicherheit. Dabei geht es auch um die Kühlung der Batterie – denn sie darf selbst bei höchster Last keinen Schaden davontragen. Um dies zu verhindern, werden bei der Entwicklung des BEV auch Worst Cases simuliert: Zum einen für die Unfallsicherheit, weil hier enorme mechanische Kräfte auf Batteriegehäuse und Batterie einwirken können. Zum anderen werden auch Überlastszenarien simuliert, wobei getestet wird, wie sich die Batterie bei thermischer Überbeanspruchung bis hin zum Ausgasen oder gar bei Brand verhält, um dann bereits bei der Konstruktion des BEV Gegenmaßnahmen vorzusehen, die Unfälle von vornherein verhindert.

Wichtig gerade für Umsteiger vom Verbrennerfahrzeug auf ein Fahrzeug mit alternativem Antrieb: Die Fahrbarkeit des BEV muss als angenehm empfunden werden. Die meist enorme Beschleunigung aus dem Stand beeindruckt zwar Fahrer wie Mitfahrer gleichermaßen. Doch stellt die sofort aus dem Stand verfügbare Kraft des Elektroantriebs auch große Ansprüche an die Regelsysteme. Der E-Antrieb muss berechenbar und gut dosierbar auf Bewegungen des Fahrpedals reagieren. Das ist bereits bei Rangiermanövern und beim Ein- und Ausparken wichtig, außerdem auch auf rutschigem Untergrund im Winter. Fahrdynamische Regelsysteme, die bei einsetzendem Radschlupf rechtzeitig und wohl dosiert das Antriebsmoment des Elektromotors oder der Elektromotoren reduzieren, unterstützen  – falls das für einen stabilen Fahrzustand immer noch nicht reicht – den Fahrer mit gezielten Radbremseingriffen, um den von ihm gewünschten Kurs wieder zu erreichen. Diese komplexe Abstimmung von Elektronik und Mechanik erfordert viel Erfahrung und Wissen über Fahrdynamikregelungen. Mit erfahrenen Entwicklern kann man gezielt und damit zeit- und kostensparend planen und testen.

 

Bremswirkung und Pedalgefühl müssen immer linear bleiben

Ein typisches Problem für die empfundene Fahrbarkeit eines BEV ist das Bremsgefühl. Denn ein BEV verzögert im realen Betrieb selten mit den Radbremsen, sondern vorrangig über den oder die Elektromotoren, die beim Treten des Bremspedals so umgeschaltet werden, dass sie als Generator durch Rekuperation Strom produzieren und damit gratis eine erhebliche Bremswirkung erzeugen. Die im rollenden Fahrzeug steckende Bewegungsenergie wird also nicht nur über die Radbremsen in nutzlose Abwärme umgewandelt, sondern in Strom, der in die Batterie zurückfließt. In der Praxis reicht die elektrische Bremswirkung bei mehr als 90 Prozent der notwendigen Verzögerungen des Fahrzeugs. Problemstellung bei der Entwicklung eines BEV: Reicht die elektrische Bremswirkung in einer Verkehrssituation nicht aus und muss stärker verzögert werden, aktiviert das Elektrofahrzeug zusätzlich die Radbremsen. Gelungenes Überblenden von einem Bremssystem (elektrisch) zum anderen (mechanisch) ist entscheidend für das Bremsgefühl des Fahrers. Und damit auch entscheidend für sein Sicherheitsgefühl. Bremswirkung und Pedalgefühl müssen auch beim zusätzlichen Einsetzen der Radbremsen berechenbar und linear bleiben, damit der Fahrer die Verzögerungsleistung korrekt und komfortabel dosieren kann – ein oft vernachlässigter Nebenaspekt, aber umso mehr eine Herausforderung für die Entwickler und beim Testing.

 

 


MAGNA: IHR FERTIGUNGSPARTNER FÜR EXZELLENTE ALTERNATIVE ANTRIEBE

Seit 30 Jahren beschäftigt sich MAGNA im Rahmen der Entwicklung alternativer Antriebe professionell mit den speziellen und spezifischen Problemstellungen der Elektromobilität. All diese Herausforderungen – ob Planung, Konstruktion, Engineering oder Fertigung – bewältigt MAGNA für den Auftraggeber zuverlässig und kostengünstig. Beständige Weiterentwicklung und vorausschauendes Investment haben das Unternehmen auf dem BEV-Sektor zu einem der weltweit führenden Entwicklungspartner und Problemlöser gemacht, von dem jeder Fahrzeughersteller profitieren kann. 

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Helfried Müller, Magna Steyr, responsible for alternative propulsion systems

Helfried Müller

Helfried Müller arbeitet derzeit als Produktmanager Alternative Powertrain System Integration bei Magna Steyr. Vor seiner aktuellen Rolle fungierte er als Head of Alternative Powertrain Systems R&D und Projektmanager Alternative Mobility. Seine Karriere begann er 1998 als Konstrukteur bei Magna Steyr - ehemals Steyr Daimler Puch. Helfried Müller hat einen Abschluss in Informationstechnologie.

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