Beim Energiemanagement in Fahrzeugen ging es in der Vergangenheit meist darum, möglichst effizient mit den Stromverbrauchern umzugehen. Mit modernen Elektroautos ändert sich das radikal. Sie können mittels KI selbst herausfinden, wann der oder die Fahrer wieviel Strom im Akku benötigen und zu den restlichen Zeiten eigenständig als Teilnehmer eines Stromnetzwerks („Grid“ genannt) mit der Akkukapazität Geld verdienen. Die Vernetzung eines Fahrzeugs mit dem Hersteller ermöglicht das Sammeln von Erfahrungsdaten zu den Energieflüssen im Fahrzeug. Anschließend kann der OEM das Energiemanagement optimieren und über Software-Updates in das Fahrzeug zurückspielen. Und es geht noch einiges mehr.
Das Energiemanagement hat sich im Laufe der Jahre stark verändert. Waren Batterien in der Frühzeit des Automobils nur für den Startvorgang die Außenbeleuchtung wichtig, hat die Vielzahl der elektrischen Verbraucher spätestens seit der Jahrtausendwende ein Energiemanagement notwendig gemacht. Mit dem Elektroauto kam neuer Schwung in dieses Thema. Und die nächsten größeren Sprünge im Energiemanagement stehen bereits vor der Tür.
Die Fachwelt unterscheidet dabei vier verschiedene Evolutionsstufen:
Energiemanagement 1.0 (ab 2000) – nur Kleinverbraucher
Das Fahrzeug muss den Verbrauch der Niedervolt-Geräte (Low Voltage, LV) im Bordnetz regeln. Dazu gehört beispielsweise die Funk-Zentralverriegelung, Navigationssystem, (Stand-)Heizung, Entertainment-Systeme und viele andere Kleinverbraucher.
Energiemanagement 2.0 (ab ca. 2012) – inklusive Elektroantrieb
Mit der Einführung von Hochvoltsystemen (HV) für den elektrischen Antrieb in Hybrid- und Elektrofahrzeugen müssen Fahrzeugentwickler neue Energiestrategien entwickeln und implementieren (im Rahmen der physikalischen Grenzen und bekannten historischen Messdaten). Besonders im Fokus stehen dabei:- die Steuerung der Ströme auf Verbraucherseite
- das Leistungsmanagement innerhalb des Akkus (bei hohen Leistungsanforderungen)
- das Ladestrommanagement (auch unter thermischen Aspekten)
Diese Form des Energiemanagements ist aktuell Stand der Technik.
Energiemanagement 3.0 (ab 2020) – vernetzte Fahrzeuge
Etwa ab dem Jahr 2020 sind Autos nicht mehr nur solitäre Fahrzeuge, sondern rollende vernetzte Computer, die durch eine dauerhafte Cloud-Anbindung intensiv Daten austauschen (in beide Richtungen). Dazu gehören:- Datenaustausch zum Alterungsverhalten von Akkus
- Software-Updates für eine optimierte Betriebsstrategie zur Akkunutzung
- automatische Navigation zu aktuell freien Ladestationen
- extern gesteuertes, intelligentes Lademanagement zur Unterstützung von Smart-Buildings, Smart Grids und dezentraler Energiespeicherung
Das Energiemanagement ist hierbei zwar schon hochgradig vernetzt, wird aber häufig durch Vorgaben und Optimierungen der Hersteller bestimmt.
Energiemanagement 4.0 (ab ca. 2025) – aktiv steuernde Fahrzeuge
In der vierten Stufe legt nicht mehr die Betriebsstrategie des Herstellers (die eventuell durch aktuelle Daten angepasst und in Form von Software-Updates zurückgespielt wird) das Energiemanagement fest, sondern das Fahrzeug selbst. Es nutzt dazu Erfahrungswerte aus der individuellen Vergangenheit wie den- Akkuzustand und Ladestand
- das Nutzungsverhalten der Fahrer (inklusive Auswertung seines Terminkalenders)
- Preissignale der lokalen Energieversorger
- Kalender-, Wetter- und Verkehrsdaten
Im Zentrum steht die wichtigste Ressource eines Elektro-Autos: sein Akku. Er hat mit aktuellen Kapazitäten von 50 bis 120 kWh eine ungleich größere Speicherkapazität als beispielsweise Stromspeicher einer Haussolaranlage (üblicherweise 6 bis 8 kWh). Fahrer nutzen ihr Auto aber nur wenige Stunden am Tag, in der restlichen Zeit steht es ungenutzt herum.
Die modernen Evolutionsstufen des Energiemanagements nutzen die Möglichkeiten von Smart Grids und Smarts Contracts, um das E-Auto als Teil eines Energienetzwerkes einzusetzen.
Das Fahrzeug wird zum Strom-Broker
Ein aktives Fahrzeug verbindet sein Energiemanagement daher mit lokalen Energienetzen, um Strom aktiv zu kaufen, zu speichern und später wieder anzubieten (ohne manuelle „Genehmigung“ des Eigentümers und unter Berücksichtigung der Zyklisierfähigkeit des Energiespeichers). Es kann über Smart Contracts täglich selbst die dazu nötigen Verträge schließen und berücksichtigt über Künstliche Intelligenz und Neuronale Netzwerke das wahrscheinlichste Nutzungsszenario des Fahrzeugs. Dazu greift es auch auf Informationen anderer Plattformen und aus dem Internet zurück.
So kann es beispielsweise in einer stürmischen Nacht den übermäßig vorhandenen, billigen Windstrom im Akku speichern und morgens ab 6:00 Uhr wieder teuer anbieten, wenn die Bevölkerung den Strom zum Frühstück benötigt – aber nur so viel, dass der Fahrer ab 7:30 Uhr auch sicher seinen Weg zum Büro und die Termine aus seinem Terminkalender schafft.
Im besten Fall muss sich der Nutzer kaum noch um das Energiemanagement seines Fahrzeugs kümmern und kann dabei zuschauen, wie das Auto selbst das Geld für den Strom verdient, den er für seine Fahrten benötigt. Dabei kann der Nutzer vorgeben, welche Art von Strom (nur nachhaltig produzierter) das Fahrzeug handeln darf.
Von dieser Vernetzung profitieren nicht nur Fahrzeugnutzer und die Energielieferanten, sondern auch der OEM, dem die Fahrzeugflotte Daten liefert. Er kann selbst als Datenlieferant für Energieentscheidungen auftreten und dies als Dienst anbieten.
Letztlich verschmilzt das Fahrzeug als Teil eines umfassenden Energienetzwerks mit seiner Umwelt und wird ein wichtiger Teil der Energieversorgung.
Technische Rahmenbedingungen für das Energiemanagement 4.0
Um das Energiemanagement 4.0 umsetzen zu können, sind zahlreiche technische Entwicklungen und ein umfassender Energy-End-to-End-Systemansatz in der Elektronikentwicklung (kurz „E4“) nötig. Dazu gehören:- eine Elektrik/Elektronik-Architektur, die ein zentrales Steuergerät vorsieht, das auch ein Domänen- oder Hochleistungsrechner sein kann
- Kompatibilität mit AUTOSAR Classic und AUTOSAR Adaptive
- ein ausgefeiltes Fehlermanagement beim Ausfall von Konnektivität zur Cloud oder Ausfall einzelner Komponenten im Fahrzeug
- erweitertes Batteriemanagement für hohe Ströme abhängig vom Alterungszustand und Thermomanagement
- ein interdisziplinärer Entwicklungsansatz für das Energiemanagement über alle Bereiche eines Fahrzeugs hinweg
Weitere Informationen und Downloads
Das Energiemanagement der Zukunft konnte in diesem Blogbeitrag nur angeschnitten werden. Wesentlich mehr und ausführliche Informationen finden Sie dazu in Whitepaper „Energiemanagement 4.0 – Evolutionsstufen für Elektrofahrzeuge“, das Sie sich kostenlos herunterladen können.
Haben Sie dazu konkrete Fragen? Dann wenden Sie sich an Manager Electric Drive and Energy Systems, Benjamin Mangold, der Ihnen gerne mit seinem umfangreichen Wissen zur Seite steht. Schreiben Sie ihm einfach an: energiemanagement@edag.com.
