Automotive
- Michael Graef
Die erste Langstreckenfahrt von Bertha Benz muss als eine der bedeutendsten Pioniertaten in der Geschichte des Automobils gewertet werden.
Das klassische 12V-Bordnetz hat lange Jahre nur wenig Beachtung gefunden. Spätestens mit der Einführung automatisierter und hochautomatisierter Fahrfunktionen ist jetzt auch die Energieversorgung für z.B. Hochleistungsrechner aber auch wichtige Fahrfunktionen wie die elektrische Lenkung in den Fokus gerückt. Niemand möchte sich vorstellen was passiert, wenn plötzlich die Lichter ausgehen und die Energieversorgung versagt bei einem autonom fahrenden Fahrzeug welches auf eine Kurve zusteuert. Das klassische Energiebordnetz, bestehend aus einer Lichtmaschine und Bleibatterie, ist daher nur noch selten anzutreffen. Eine Vielzahl unterschiedlicher Varianten sind zwischenzeitlich im Einsatz die auch sicherheitsrelevante Bordnetze darstellen können.
Bei der Einführung höherer Spannungslagen lag bisher das Augenmerk auf der CO2 Reduktion der Fahrzeuge. Mildhybride bzw. 48V Systeme können allerdings auch dazu verwendet werden redundante Bordnetze aufzubauen und dadurch sicherheitskritische Anwendungen zu versorgen.
Das Seminar gibt einen Überblick über die im Einsatz befindlichen Bordnetzsysteme und deren verschiedenen Spannungslagen. Wir beginnen mit einfachen Maßnahmen im Niederspannungsbordnetz, welche bereits seit Jahren teils unbemerkt im Einsatz sind, bis hin zur kompletten Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Ein besonderes Augenmerk wird auf die Funktionsweise der benötigten Steuergeräte gelegt, so dass die Teilnehmer in der Lage sind die Funktionsweise aller Bordnetztypen zu erklären und die Aufgaben der Komponenten kennen. Im Workshop erörtern und diskutieren wir gemeinsam anhand eins Beispiels die Lösungsfindung zur Versorgung sicherheitskritischer Komponenten, welche zur Darstellung autonomer Fahrfunktionen benötigt werden.
Elektrisch betriebene Fahrzeuge sind ohne die Methoden der modernen Leistungselektronik nicht denkbar. Alle zentralen Komponenten wie Umrichter, Ladesysteme, Spannungswandler fallen in das Spezialgebiet der Leistungselektronik. Daher behandeln wir gegen Ende des Seminars die Grundlagen leistungselektronischer Systeme. Dadurch sind wir in der Lage, die Funktionsweise von Traktionsumrichtern zu beschreiben oder Begriffe wie die PFC (Power-Factor Correction) zu verstehen.
Zum Thema
Kaum ein Fahrzeughersteller kann es sich aktuell mehr erlauben, seine Verbrennungsmotoren ohne elektrische Unterstützung auszurüsten. Der Trend geht deutlich Richtung Elektrofahrzeuge mit Batterie. Elektromobilität heißt das Gebot der Stunde. Dadurch sind eine Vielzahl an Lösungsmöglichkeiten in allen Spannungslagen (Nieder-, Mittel- und Hochvoltebene) entstanden, mit denen sich die gewünschte CO2 Einsparung erreichen lässt. Die dadurch notwendige zusätzliche Elektrifizierung im Fahrzeug hat allerdings weitreichende Auswirkung auf die eingesetzten Fahrzeugbordnetze oder erzwingt sogar den Einsatz zusätzlicher Spannungslagen (z. B. Hochvolt).
Einfache Maßnahmen, wie Start-Stopp Systeme, erfordern vergleichsweise einfache Änderungen im Bordnetz, ergeben jedoch nur eine überschaubare CO2 Einsparungen. Je größer die gewünschte CO2-Einsparung, desto größer ergeben sich starke Auswirkungen auf die Elektrik im Fahrzeug, bis hin zum kompletten Wegfall des Verbrennungsmotors. Reine Elektrofahrzeuge mit Batterien als Energiespeicher erfordern andere Anforderungen als Verbrenner an Bordnetz und Verkabelung. Hybridfahrzeuge sind meist komplexer und beinhalten oft mehrere Spannungsebenen.
Zielsetzung
Die Teilnehmenden
Teilnehmerkreis
Das Seminar richtet sich vor allem an Einsteiger in die Elektromobilität, welche sich einen Überblick über die verfügbaren Systeme machen möchten:
Lange Jahre hat das Bordnetz und die Verkabelung in modernen Fahrzeugen keine große Bedeutung bekommen. Wurden neue Steuergeräte für Komfort- und Sicherheitsfunktionen hinzugefügt, sind die Generatoren (Lichtmaschinen) und Batterien entsprechend mitgewachsen. Das hat zeitweise zu Bordnetzen mit bis zu drei Niedervoltbatterien geführt. Heute unterscheiden wir zwischen Bordnetzen in herkömmlichen Verbrennerfahrzeugen, Bordnetzen in Mild- und Hochvoltsystemen und Bordnetze für sicherheitsrelevante Funktionen wie z.B. hochautomatisiertes Fahren.
Mit der Einführung der Mild-Hybridtechnik bzw. der 48V Bordnetze gab es den ersten großen Umbruch auf der Niedervoltseite und spätestens seit es darum geht sicherheitsrelevante Bordnetze aufzubauen, wurde noch einmal alles auf den Kopf gestellt. Umfangreiche Energiemanagementsysteme überwachen heute kontinuierlich den Zustand unserer Bordnetze und können für sicherheitsrelevante Systeme sogar auf Kurzschlüsse oder Verkabelungsfehler reagieren.
Sicherheitsrelevante Systeme benötigen auch eine sichere und ggf. redundante Energieversorgung. Hier sind zusätzliche Hardwaremaßnahmen notwendig, wie z.B. intelligente Sicherungen oder redundante Strompfade zur Erreichung der notwendigen ASIL-Level.
Bei der Einführung der 48V Systeme war es nicht das Ziel die 12V Ebene zu entlasten. Mild-Hybride sind daraus entstanden ein möglichst kostengünstiges Hybridsystem aufzubauen. Die höhere Spannungslage und daraus die Möglichkeit elektrische Komponenten mit hohen Anschlussleistungen, wie z.B. eine Wankstabilisierung oder einen elektronischen Turbolader zu versorgen, sind ein schöner Nebeneffekt.
Beim letzten Versuch, dem 42V Bordnetz, stand nicht die CO2- Einsparung im Fokus, sondern die Entlastung der 12V Bordnetze. Da die 12V Netze nicht abgeschafft wurden hat die Struktur unweigerlich zu einer zweiten Niedervoltbatterie geführt. Aus Kosten, Package und Gewichtsgründen wurde das ganze Vorhaben dann allerdings wieder eingestellt.
Ja, es gibt auch Fahrzeuge, die mit drei Spannungslagen betrieben werden. Durch das Baukasten- und Gleichteilprinzip versuchen die Fahrzeughersteller natürlich Steuergeräte in vielen Baureihen unterzubringen. Funktionen die auf 48V entwickelt wurden erzwingen dann auch dein Einbau einer 48V Infrastruktur. Zur Darstellung dieser Bordnetze gibt es viele verschiedene Ansätze.
48V Systeme wurden entwickelt um eine kostengünstige Hybridisierung darzustellen. Je kleiner die Systemspannung, desto größer werden natürlich die Ströme um eine annehmbare bzw. kundenerlebbare elektrische Funktion darzustellen. Eine elektrische Maschine mit 20kW Leistung benötig Ströme von ca. 400A. Spätestens hier stößt die 48V Technik dann hinsichtlich Wirtschaftlich keine und verfügbarer Aufbau- und Verbindungstechnik an ihre Grenzen.
Einfach eine schönere Zahl als 47 :-)
Prinzipiell ja, wobei natürlich stets jedes System bewertet werden muss. Je nach Verschaltung kann die 48V Spannungslage dabei helfen eine Redundanz in den Bordnetzen herzustellen.
Vergleicht man elektronische Steuergeräte lassen sich viele Parallelen und sogar ein ähnlicher Aufbau feststellen. EMV-Filter mit Überspannungsschutz, Mikrocontroller und Treiber für Aktoren und Stellglieder sind nur drei Beispiele die in fast allen Komponenten verbaut sind.
Bei dieser internationalen Tagung treffen sich Akteure, Wissenschaftler und Experten zum professionellen Austausch zu 48V-Bordnetz, Komponenten für Hybrid- und Elektrofahrzeuge, Leistungselektronik, E/E-Systeme, Batteriemanagement, Energiemanagement u. v. m.
Die Verkabelungssysteme für Automobile werden im Seminar vorgestellt. Dazu gehört die Fahrzeugarchitektur und die vielen Anwendungen der elektrischen Systeme. Es wird auf die Verkabelung mit Steckern und den entsprechenden Leitungen (Bordnetz) eingegangen. Stromverteiler, Datenübertragung und die Anforderungen der Gewichtsreduzierung, Miniaturisierung und der Zuverlässigkeit werden angesprochen. Neben dem Fachwissen für die Einzelkomponenten wird das Zusammenspiel der einzelnen Fachgruppen im Bordnetz – Entwicklungsprozess erläutert.
Eine Übersicht der Hochvolt-Systeme und deren Eigenschaften in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen wird vermittelt.
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