Der relevante Teil der Energieströme eines elektrischen Fahrzeugs fließt im Hochvoltnetz: Akku, Antriebe und regenerative Bremsen bestimmen die Strecke, die ein elektro-Auto tatsächlich mit einer Ladung schafft. Doch darüber sollte man auch die Verbraucher im Niederspannungsnetz nicht vergessen. Wie EDAG zeigt, kann eine intelligente Hardware und Software-Steuerung bis zu einem Drittel der dort benötigten Energie einsparen und damit die Reichweite um 10 oder gar 20 Kilometer verlängern.
Schaffe ich es bis nach Hause oder muss ich doch einen Ladestopp einlegen? Kann ich die Schnelllade-Säule noch erreichen, oder reicht es nur für den nächstgelegenen Ladepunkt? Die Hauptaufgabe des Energiemanagements liegt darin, den Stromverbrauch so zu begrenzen, dass genügend Reichweite zur Verfügung steht und Fahrerinnen und Fahrer von Elektro-Autos vor unangenehmen Überraschungen zu bewahren. Zwar können diese ihren Energieverbrauch in gewissen Grenzen durch Fahrgeschwindigkeit und Fahrstil managen. Doch die Ausstattung mit zahlreichen elektrischen Verbrauchern fordert ebenfalls ihren Tribut an der vorhandenen Energiemenge. Nicht immer sind diese im Bewusstsein oder lassen sich einfach abschalten.
Was ist am ehesten verzichtbar?
Die Lösung liegt im Spannungsfeld zwischen „Was ist möglich?“ und „Was ist nötig?“, sprich: Wie viel Energie steht noch zur Verfügung und wie viel Energie wird gebraucht. Dass dieses kein triviales Problem ist, zeigt allein schon der letzte Punkt. Denn es geht nicht nur darum, wieviel aktuell an Energie benötigt wird, sondern auch um den Bedarf in der Zukunft. Dazu muss ein Energiemanagementsystem zahlreiche Informationen erhalten.
Das beginnt mit dem Betriebszustand des Fahrzeugs: Hier werden Fahr-, Park- und Stilllegezeiten unterschieden. Dazu kommen weitere Abstufungen innerhalb der jeweiligen Kategorie, im Fahrbetrieb beispielsweise das gewählte Fahrprogramm (Eco, Comfort, Sport). Weitere Einflussgrößen sind unter anderem der Ladezustand des Akkus (State of Charge, SOC), Beladung und die daraus resultierenden Achslasten, oder die Außentemperatur, die sowohl die Leistungsfähigkeit des Akkus beeinflussen kann wie die Frage, ob Verbraucher wie Scheibenheizung, Klima- und Lüftungsanlage benötigt werden.
Eine weitere Frage betrifft die grundsätzliche Regelbarkeit einzelner Verbraucher. Dazu werden neben einer neuen Fahrzeugarchitektur und intelligenten Komponenten auch eine speziell entwickelte Hardware benötigt. EDAG hat für seine Energiemanagement-Lösung die Verbraucher in fünf Klassen eingeteilt, nach denen sie per Hardware und Software gesteuert werden:
- Kategorie 1: Reine Komfortfunktionen, wie Radio-Empfänger, Sitzheizung oder das Aufladen mitgeführter Smartphones;
- Kategorie 2: Erweiterte Komfortfunktionen, wie automatische Sitz- und Lenkradverstellung, Innenraumbeleuchtung und Klima-Anlage;
- Kategorie 3: Basis-Funktionen, wie elektrische Fensterheber, Hintergrundbeleuchtung der Bedienelemente, Licht- und Regensensoren;
- Kategorie 4: Existenzielle Funktionen, darunter Abblend- und Fernlicht, Türschließmechanismus oder die Onbord-Unit zur Mauterhebung;
- Kategorie X: Sicherheitsrelevante Steuergeräte und Nebenaggregate, wie Bremskraftverstärker und Servolenkung
Mit abgestuften Kategorien lassen sich Verbraucher nach Priorität ordnen, nach der sie vom intelligenten Energiemanagement bei Bedarf komplett von der Energiequelle getrennt werden können. Dies passiert in wenigen Millisekunden (<100ms).
Für Kategorie X muss die unterbrechungsfreie Stromversorgung immer sichergestellt sein. Die Funktionsfähigkeit von Verbrauchern der Kategorie 4 sollte auch bei sehr niedrigem Akkustand gewährleistet werden. Sie können aber auch kurzzeitig gedrosselt oder mit einer Warnfunktion versehen werden. Ein Ausfall führt – anders als bei solchen der Kategorie X – nicht automatisch zum Umschalten auf ein Notlaufprogramm.
Innerhalb der einzelnen Kategorien können weitere Priorisierungen vorgenommen werden. Generell kann jeder Automobilhersteller die Kategorisierung an seine individuellen Auslegungs- und Sicherheitsstrategien anpassen. Generell sollte aber Fahrerinnen und Fahrern stets die Möglichkeit gegeben werden, energetisch motivierte Systemeingriffe zu übersteuern.
Optimierung des Verbrauchs
Ist eine Definition erfolgt, mit welcher Priorität die jeweiligen Verbraucher betrieben werden sollen, gilt es zu überprüfen, welche maximale elektrische Leistung zu einem bestimmten Zeitpunkt zur Verfügung steht, und welche Systemauslastung dem gegenübersteht. In der Vergangenheit war der Zielwert für die zulässige maximale Leistungsanforderung (Pmax_target) durch eine Konstante oder als fester Wert in Abhängigkeit vom Fahrmodus gegeben.
Beim von EDAG entwickelten intelligenten Energiemanagement ist dieser Zielwert dagegen deutlich flexibler, beispielsweise in Abhängigkeit der noch zu bewältigenden Strecke, die sich als Zielort aus der aktuellen Routenplanung ergibt, oder beispielsweise durch Auswertung umfangreicher Faktoren in der Cloud, deren Ergebnis ans Fahrzeug übermittelt wird. Weicht der Zielwert von der gemessenen Intensität des Energieverbrauchs ab, greift das Energiemanagement anhand der getroffenen Priorisierung ein, wobei der Zielwert auch kontinuierlich neu bestimmt wird und damit dynamisch auf die jeweils aktuelle Situation reagiert.
Um die definierte Obergrenze für den durchschnittlichen Leistungsbedarf einzuhalten, sind mehrere aufeinander aufbauende Maßnahmen des Energiemanagements möglich. In einer ersten Stufe werden ausschließlich adaptive Applikationen auf einzelnen Steuergeräten pausiert oder gestoppt. Auf dem nächsten Ebenen können komplette Steuergeräte oder sogar komplette Zweige eines Energienetzes angesteuert werden. In einem vollständig ausgebauten Energiemanagement können dann gezielt einzelne Funktionen und deren Energiebedarf geregelt werden. Je nach technischen Möglichkeiten wird die Komponente angewiesen, den Betrieb zu reduzieren bzw. einzustellen, oder es muss die Energieversorgung gekappt werden. Letzteres betrifft jedoch immer alle in einem Teilnetz zusammengefassten Komponenten.
Realisiert wird dieses Konzept mittels Software sowie einer speziell entwickelten Hardware, außer die integrierte Hardware erfüllt bereits alle entsprechenden Anforderungen. EDAG greift dazu bereits auf den Ebenen von Product Mission und der Konzeptionsphase in den Entwicklungsprozess zwischen OEM und TIER-X-Partner ein.
Erfolgreiche Praxistests
Den dargestellten Optimierungsansatz hat EDAG in einem Praxisversuch validiert. Dafür wurde der Leistungsbedarf eines Niedervolt-Bordnetzes in einem Elektrofahrzeug mit neuer elektrisch-elektronischer Architektur (EE-Architektur) in realen Straßenfahrten gemessen. Das Ergebnis spricht für sich: Die individuelle Freigabe der Komponenten durch das intelligente Energiemanagement führte nachweislich zu einer verminderten durchschnittlichen Leistungsaufnahme. Der Energieverbrauch konnte um rund 130 Watt oder ein Drittel des ursprünglichen Wertes von 402 Watt auf 270 Watt gesenkt werden. Umgerechnet auf die Reichweite des Fahrzeuges, die im WLTP-Zyklus ursprünglich 450 km betragen hatte, ist von einer Zunahme zwischen 10 und 20 km auszugehen – und das ohne Komforteinbuße.
Der Energiebedarf ist bei der Testfahrt messbar geringer – zugunsten von Extra-Kilometern bei der Reichweite.
Daneben zeigte sich noch ein weiterer Aspekt der vorgenommenen Optimierungen. Die Einführung von Obergrenzen für den Energieverbrauch des Gesamtsystems trug dazu bei, die Leistungsanforderung einzelner Steuergeräte und Komponenten zu verringern, inklusive des DC/DC-Wandlers zwischen Niedervolt- und Hochvolt-Bordnetz. Durch die geringere Dimensionierung wurde ein Betrieb in niedrigen Lastbereichen vermieden, die sich durch hohe Wirkungsgradverluste auszeichnen. Auch dies trägt zu einer höheren Energie-Effizienz des Gesamtsystems bei.
Die Zukunft des Energiemanagements
Das skizzierte intelligente Energiemanagement ist grundsätzlich Hardware-unabhängig. Es kann also sowohl auf klassischen EE-Architekturen eingesetzt werden, die auf mehreren Steuergeräten beruhen, als auch auf Zonenarchitekturen oder auch in einer Lösung, die auf einem zentralen Hochleistungsrechner (HPC) beruht. Es müssen jedoch bestimmte Anforderungen erfüllt sein, die eine intelligente Hardware voraussetzen. Falls nicht vorhanden, kann diese mit einer Eigenentwicklung nachgerüstet werden. Desweiteren ist das System offen für eine weitere Dynamisierung des Regelungsansatzes nach weiteren Kriterien, wie etwa einer vorausschauenden Bedarfsplanung, beispielsweise in Bezug auf leistungsintensive Verbraucher wie Heizung und Klimatisierung.
Eine weitere Stufe des prädikativen Energiemanagements wird mit der Integration von Elektrofahrzeugen ins sogenannte Smart Grid erreicht, wenn also der Fahrzeug-Akku mittels bidirektionalem Laden zusammen mit stationären Speichern und einem übergeordneten Energiemanagement als sogenanntes „virtuelles Kraftwerk“ im Stromversorgungsnetz dient. Stromabgabe und -aufnahme zu Zeiten von Lastspitzen oder Angebotsüberschuss trägt zur Netzstabilisierung bei und stellt einen monetarisierbaren Mehrwert dar. Allerdings muss dann die Einsatzbereitschaft des Fahrzeugs genau kalkuliert werden. Aus Sicht der EDAG-Spezialisten ist es durchaus sinnvoll, diese Ausbaustufe des Energiemanagements bereits zu berücksichtigen, auch wenn die Automobilindustrie derzeit noch intensiv mit der Umsetzung eines intelligenten Energiemanagements im Bordnetz beschäftigt ist.
Welche weiteren Entwicklungen EDAG zum intelligenten Energiemanagement vorantreibt und weitere Fragen beantwortet Ihnen Benjamin Mangold, Head of Department EA bei EDAG Engineering. Sie können sich auch gleich hier das Whitepaper „Energiemanagement 4.0“ herunterladen, das ausführlich den systemorientierten Ansatz von EDAG mit den vier Evolutionsstufen des Energiemanagements darlegt.
