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Simulation Mit Simulation die Komplexität moderner Bordelektrik beherrschen

| Autor / Redakteur: Dr. Josef Zehetner, DI Wenpu Lu, Univ.-Doz. Dr. Martin Watzenig / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Die Notwendigkeit, CO2-Emissionen moderner Pkws weiter zu reduzieren, führt zu einem starken Trend in Richtung der Elektrifizierung von Fahrzeugkomponenten. Am Virtual Vehicle, dem „Kompetenzzentrum – Das virtuelle Fahrzeug“ in Graz, kommen Co-Simulation und Modellbibliothek zum Einsatz, um die zunehmende Komplexität der Entwicklung moderner Fahrzeugbordnetze in den Griff zu bekommen.

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Am Virtual Vehicel, ein aktives Forschungszentrum in Graz, beschäftigt man sich seit vielen Jahren mit dem Thema Co-Simulation, der „gekoppelten Simulation“.
Am Virtual Vehicel, ein aktives Forschungszentrum in Graz, beschäftigt man sich seit vielen Jahren mit dem Thema Co-Simulation, der „gekoppelten Simulation“.
(Bild: Virtual Vehicle)

Weil in modernen Fahrzeugen zunehmend elektrische Komponenten verbaut werden, steigt der Bedarf an elektrischer Leistung. Die daraus resultierende hohe Belastung des 14-V-Bordnetzes, etwa in kritischen Fahrsituationen, kann dazu führen, dass die Betriebsspannung der Steuergeräte eine kritische Schwelle unterschreitet und somit ein Fehlverhalten bis hin zum Neustart ausgelöst wird. Daher wird seit mittlerweile 15 Jahren die Einführung einer zweiten Spannungsebene (<60 V) diskutiert. Im Zweispannungsbordnetz können Generatoren, Energiespeicher oder Verbraucher, je nach Einsparungspotenzial und Kosten, entweder in der Nieder- oder der Mittelspannungsebene betrieben werden.

Derzeit kommen auch sogenannte „Insellösungen“ zum Einsatz, wobei hier ausgewählte Hochleistungsverbraucher im Zusammenspiel mit einem Spannungswandler und einem Energiespeicher betrieben werden und dadurch kurzfristig auftretende Leistungsspitzen nicht das 14-V-Netz belasten.

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Lösungsvielfalt bei zukünftigen Bordnetzkomponenten

Der erhöhte durchschnittliche Energiebedarf im Fahrzeugbordnetz kann durch leistungsfähigere Generatoren beziehungsweise größere Energiespeicher abgedeckt werden. Die hohen transienten Lasten aber stellen die wirkliche Herausforderung dar. Dafür existieren mehrere Lösungsmöglichkeiten:

  • Redundante Energiespeicher für sicherheitsrelevante Fahrzeugsysteme mit hoher transienter Leistungsaufnahme: Im normalen Fahrzeugbetrieb ist der zusätzliche Energiespeicher vom Bordnetz entkoppelt, er dient daher nur als Backup für die Hauptenergieversorgung.
  • Dezentrale Leistungsmodule zur lokalen Stromversorgung (Insellösung): Dem elektrischen Verbraucher wird lokal Leistung zur Verfügung gestellt, wodurch Spannungsspitzen im Bordnetz geglättet werden. Ein Leistungsmodul besteht in der Regel aus einem Doppelschichtkondensator (EDLC), einem bidirektionalen DC/DC-Wandler und einem Steuergerät. Durch die Entkoppelung transienter Hochleistungsverbraucher (z.B. elektrisch angetriebene Servolenkung) kann eine stabile Stromversorgung sichergestellt werden. Aufgrund der relativ hohen Kosten von EDLC könnte auch eine Hochleistungsbatterie eingesetzt werden. Die Insellösungen stellen eine kostengünstige Lösung für kleinere Fahrzeuge (Segment B und C) dar und werden mittelfristig eine wichtige Rolle in der Entwicklung spielen.
  • Zweite Spannungsebene: Die Einführung einer zweiten Spannungsebene (z.B. 48 V [1]) ermöglicht es, im Gegensatz zur Insellösung, auch Hochenergieverbraucher, wie Antriebsstrangkomponenten für Mild-Hybridfahrzeuge [2], über lange Zeit betreiben zu können. Bordnetze mit einer zweiten Spannungsebene sind zwar wesentlich komplizierter, gleichzeitig aber auch leistungsfähiger und ermöglichen eine erweiterte Elektrifizierung.

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