Elektromobilität erhöht den Druck

Elektromobilität erhöht den Druck

Während sich die Welt der „Nullemission” annähert, stehen Ingenieure im Transportwesen unter Druck, mit kreativen Ideen das Vertrauen der Fahrer in die sich verändernden Technologien zu erhalten.

Nehmen wir zum Beispiel die hydraulische Bremsanlage: Das derzeitige Hydrauliksystem ist wahrlich ein technisches Meisterwerk. Das zu entwickeln und zu vervollkommnen, was Fahrer als selbstverständlich ansehen, wenn sie das Bremspedal betätigen, hat Jahrzehnte in Anspruch genommen. Während das System, das das Fahrzeug verlangsamt, an sich schon eine komplexe technische Meisterleistung darstellt, ist die servounterstützte Pedalbetätigung durch den Fahrer nicht minder beeindruckend. 

Wenn wir die durch den Fahrer eingesetzte Pedalkraft mit der Abbremsung des Fahrzeugs vergleichen, sehen wir, dass diese Abhängigkeit nichtlinear ist. Aufgrund des „Bremskraftverstärkers“ ist der erste Teil der Kurve steiler, sodass der Fahrer eine direkte Korrelation zwischen Pedaleinsatz und Abbremsung erfährt. An einem bestimmten Punkt, dem sogenannten Kniepunkt, wird die Unterstützung jedoch reduziert, um zu verhindern, dass der Fahrer versehentlich die Räder blockiert, wodurch die Bremswirkung herabgesetzt würde. 

Obwohl Bremsenhersteller die Optimierung dieser Systeme perfekt beherrschen, liegt ein sehr schmaler Grat zwischen einer großartigen Bremsanlage und einer, die unter extremen Bedingungen gefährlich werden kann. Ein erfahrener Fahrer stellt dies oft bei einer Notbremsung fest: Das Fahrzeug wird zunächst wie erwartet langsamer – und Sekunden vor dem Unfall geht die Bremswirkung gegen null. Dies liegt in der Regel an zu einem starken Rückgang der Servounterstützung, die den Fahrer nötigt, in einer kritischen Fahrsituation übermäßigen und unerwarteten Druck auf das Pedal auszuüben. 

Während dies ein Worst-Case-Szenario sein mag, kann ein grenzwertiges Bremssystem sogar unter alltäglichen Fahrbedingungen zu einem unbefriedigenden Nutzererlebnis führen: Verbraucher klagen in der Regel dann über ein mangelndes Bremsgefühl (Haptik), in der Branche allgemein auch als „hartes Bremspedal“ bekannt, wenn die aufgewendete Pedalkraft nicht mit der erwarteten Abbremsung einhergeht. In einer solchen Situation hat der Fahrer das Gefühl, vom Fahrzeug abgekoppelt zu sein.

Dennoch ist die Automobilindustrie nach jahrzehntelanger Verfeinerung des Systems gezwungen, alles zu überdenken, was sie im Zuge dessen gelernt hat: Elektrofahrzeuge definieren die Fahrzeugsteuerung neu.

Brake-by-Wire-System eines Formel 1-Rennwagens.
Bildquellehttps://www.formula1-dictionary.net

Das Bremssystem für Elektrofahrzeuge wird revolutioniert 

Mit dem Einzug der Elektrifizierung werden herkömmliche Verbrennungsmotoren zum Auslaufmodell, was Konsequenzen hat: Für mechanische Komponenten, wie z. B. die Saugluftbremse, fällt eine verfügbare Leistungsquelle weg; dementsprechend müssen elektrisch angetriebene Pumpen und Motoren entwickelt werden, um die Steuersysteme anzutreiben. 

Darüber hinaus werden im Rahmen der Integration automatisierter Fahrsysteme Bedienelemente zügig auf die Elektrik/Elektronik (E/E)-Architektur umgestellt; diese werden oft salopp als „X-by-Wire“-Bedienelemente bezeichnet. 

Aber damit ein Brake-by-Wire-System sicher und effektiv funktionieren kann, muss die Mensch-Maschinen-Schnittstelle (MMI) vollständig und unverändert erhalten bleiben. Um dies zu bewerkstelligen, müssen Ingenieure beide Kräfte abbilden (hier gemessen in Kraft/Fläche oder Druck): die vom Fahrer aufgewendete Pedalkraft und der daraus resultierende Druck auf die Bremssattelkolben/Radzylinder in dem „traditionellen“ hydromechanischen System. 

Nur qualitativ hochwertige Drucksensoren sind gut genug 

Da die Glaubwürdigkeit dieser Daten für die erfolgreiche Entwicklung des E/E-Systems entscheidend ist, können nur qualitativ hochwertige Drucksensoren verwendet werden, die genaue und reproduzierbare Aufzeichnungen liefern. 

Diese Sensoren müssen nicht nur in der Lage sein, hochpräzise Daten zu erfassen, sondern dies auch einer Umgebung bewerkstelligen, die aufgrund aggressiver Chemikalien, Hitze, Vibration und räumlicher Beschränkungen für sorgfältig kalibrierte Messgeräte eher ungünstig ist. 

Aus diesem Grund verlassen sich Entwicklungsteams bei der Beschaffung von Messgeräten auf eine Handvoll bewährter Lieferanten von Qualitätsdrucksensoren. 

Das Bremsgefühl steht im Mittelpunkt 

Ausgerüstet mit Eingangs- und Ausgangsdrücken, müssen Ingenieure nun versuchen, das Bremsgefühl des traditionellen Systems nachzubilden; die Replikation der reinen Bremsleistung ist zweitrangig. Durch die Verwendung von Raddrehzahlsensoren kann die Abbremsung relativ einfach maximiert werden; etwas schwieriger gestaltet sich die Replikation des Fahrergefühls, wenn dieser bei niedrigen Geschwindigkeiten sanfte Testbremsungen durchführt. 

An diesem Punkt sind reale Daten (Messergebnisse) Gold wert: Das Verhältnis von Pedalkraft zum Bremsdruck muss durch eine elektronische Steuereinheit repliziert werden, welche das Maß steuert, mit dem die Bremsen betätigt werden. Dies allein ist eine Mammutaufgabe, da Fahrer je nach Straßen-und Verkehrsbedingungen und persönlichen Vorlieben unterschiedlich stark bremsen: Ein Fahrer, der es eilig hat, bremst vielleicht erst in der letzten Minute und muss daher hart bremsen, während ältere Menschen ein weitaus gemächlicheres Bremsverhalten erwarten dürften. 

Wie schwierig es ist, dieses Maß an Fahrerfeedback zu erreichen, kann anhand des Einsatzes des Systems in Formel 1-Rennwagen ermessen werden: Nach drei Jahren gibt es noch immer Teams, die es nicht schaffen, ihrem Fahrer ein Brake-by-Wire-System zur Verfügung zu stellen, das ihm genügend Bremsgefühl bietet, um schwere Bremsmanöver zu wagen. 

Während es möglicherweise noch ein paar Jahre dauern wird, bis Brake-by-Wire-Systeme serienmäßig in kostengünstigen Massenfahrzeugen eingebaut werden, haben Bremsanlagenexperten mit Hilfe von Drucktransmitter bereits präzise gemessen, was genau dafür erforderlich ist.

48-Volt-Bordnetz setzt Motorkühlung unter Druck

48-Volt-Bordnetz setzt Motorkühlung unter Druck

Vor dem Hintergrund des Pariser Klimaabkommens von 2015, das eine 80%ige Reduzierung der Treibhausgase bis 2050 fordert, arbeitet die Automobilindustrie fieberhaft auf das Ziel emissionsfreie Fahrzeuge (auch Null-Emissions-Fahrzeuge) hin. Jedoch wird sich der seit mehr als einem Jahrhundert zum Einsatz kommende Verbrennungsmotor nicht über Nacht in Luft auflösen; das zwingt die Industrie, neue Technologien zur Reduzierung der Emissionen von Verbrennungsmotoren zu erforschen.

Das Endziel Vollelektrifizierung scheitert momentan noch daran, dass diese Technologie derzeit unerschwinglich ist und es an der Infrastruktur fehlt, um eine breite Markteinführung zu unterstützen. Die Hybridisierung hingegen, insbesondere ein Elektrofahrzeug mit einem 48-Volt-Mild-Hybrid-Antrieb, bietet eine kostengünstige und einfach umsetzbare Lösung.

Obwohl die technische Umsetzung eines 48-Volt-Bordnetzes relativ einfach ist, macht es den Einbau einer Lithium-Ionen-Batterie erforderlich, um das Anlassen und Neustarten des Verbrennungsmotors, die Bremsenergierückgewinnung und die Drehmomentvergrößerung während der Beschleunigung zu unterstützen. Allerdings hat diese sehr leistungsfähige Quelle für elektrische Energie mehrere Nachteile, wozu auch Überhitzung zählt: Diese könnte zu einer thermischen Instabilität und sogar zu einer Selbstentzündung der Batteriezellen führen.

Thermische Instabilität wird in der Regel durch eine übermäßige Strombelastung oder hohe Umgebungstemperatur verursacht und durchläuft mehrere Phasen:

  • Ab einer Temperatur von 80º C beginnt sich die Festelektrolytschicht (Solid-Electrolyte Interphase (SEI)) aufzulösen; danach reagiert der Elektrolyt mit der Anode. Die durch diese Reaktion erzeugte Wärme bewirkt, dass bei der Zersetzung der organischen Lösungsmittel Gase freigesetzt werden, welche den Druck im Zellinneren erhöhen.
  • Jedoch entzündet sich das Gas mangels Sauerstoff nicht. Schließlich schmilzt bei 135º C die Trennschicht, wodurch ein Kurzschluss zwischen Anode und Kathode verursacht wird; bei dem resultierenden Abbau der Metalloxid-Kathode bei 200º C wird Sauerstoff frei, der wiederum die Verbrennung von Elektrolyt und Wasserstoff ermöglicht.

Diese Eigenschaft der Lithium-Ionen-Batterie macht – wie auch bei 100%igen Elektrofahrzeugen – ein effizientes Batteriemanagement und ein Kühlsystem erforderlich, um einen sicheren und effizienten Betrieb zu gewährleisten.

Abbildung 1: Batteriekühlung in einem Porsche (Bildquelle: Charged EVs)

Bestimmung der Anforderungen an die Kühlung einer
48-V-Lithium-Ionen-Batterie

Um die Temperatur der Zellen einer 48-V-Lithium-Ionen-Batterie (oberhalb von etwa 1000 Wh) zu regulieren, haben Hersteller anspruchsvolle thermische Batteriemanagementsysteme entwickelt, welche oft flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper verwenden, um thermische Stabilität zu gewährleisten.

Jedoch ist es im Vorfeld der Implementierung eines flüssigkeitsgekühlten Kühlkörpers wichtig, die Batterietemperatur und das Wärmefluss-Profil an mehreren Stellen im System zu ermitteln und zu dokumentieren. Dies geschieht unter Verwendung von Temperatursensoren (Wärmefühlern) während der Lade- und Entladezyklen der Batterie.

Sobald diese Daten gesammelt und analysiert wurden, werden Trendlinien extrapoliert, um diese an die Messdaten des Wärmeflusses anzupassen. Im Anschluss daran werden Gleichungen für das Wärmefluss-Profil während der Lade- und Entladephasen aufgestellt.

Sobald dieses Profil aufgezeichnet wurde, wird mittels einer Modellierungssoftware wie z. B. PTC CreoParametric 3D ein Modell eines halben Kühlkörpers erstellt. Auf diese Weise können die angedachten Flüssigkeitskanäle angelegt werden, um die gewünschten Kühlkanalquerschnitte entlang der kritischen Pfade zu erstellen.

Eine effektive Wärmeübertragung erfordert jedoch eine Feinabstimmung zwischen Geschwindigkeit, Druck und Temperatur der durch die Kühlkörperkanäle fließenden Flüssigkeit. Daher ist es entscheidend, den Ein- und Ausgangsdruck zu optimieren, um die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlkörper zu steuern.

Druckmessung als Schlüssel der thermischen Balance 

Da eine Druckdifferenz von ca. 0,008273709 bar als optimal angesehen wird, müssen die Drucksensoren zur Messung des Flüssigkeitsdrucks über den Kühlkörper unglaublich präzise und über einen großen Temperaturbereich hinweg stabil sein.

Während dieser entscheidenden Phase der Entwicklung setzen Hersteller auf hochwertige Drucktransmitter, die sich durch Präzision und Stabilität auszeichnen und nur von einer ausgewählten Gruppe von Herstellern von Druckmesstechnik produziert werden.

Mit Fokus auf den Kühlkörper dienen die Testergebnisse, die diese Qualitätssensoren aufzeichnen, zur grafischen Darstellung des maximalen und minimalen Drucks bei verschiedenen Durchflussvolumenraten, wodurch unterschiedliche Kanaldesigns miteinander verglichen werden können.

Nach der Bernoulli-Gleichung, nach der sich die Geschwindigkeit im Quadrat umgekehrt zum Druck verhält, steigt der Druckverlust quadratisch mit der steigenden Durchflussvolumenrate an.

Aus diesem Grund wählen Ingenieure breitere Kanäle, welche einen (erhöhten) Durchfluss und mehr Durchgänge durch die Batterie erlauben, wodurch die Wärmeübertragung aus den Zellen auf den Kühlkörper optimiert wird.

Bis zu diesem Punkt ähnelt die Entwicklung den im Rahmen der Entwicklung einer Antriebsbatterie durchgeführten Testreihen; jedoch wird die Batteriekühlung im Falle des 48-V-Mild-Hybrid-Elektrofahrzeugs im Allgemeinen in das Motorkühlsystem integriert, um Kosten und Komplexität herabzusetzen, wodurch die thermische Belastung des Verbrennungsmotorkühlsystems erhöht wird. Daher müssen die Ingenieure den Kühlkörper nach erfolgter Optimierung der Batteriekühlung in das Kühlsystem des Verbrennungsmotors integrieren.

In dieser Phase des Designs überwacht das Entwicklungsteam nicht nur jede Änderung der Druckdifferenz über den Kühlkörper, sondern misst auch den Druckabfall über das komplette Kühlsystem, um zu gewährleisten, dass die Motorkühlung durch den Einbau der Batteriekühlung nicht beeinträchtigt wird.

Es sei nochmals betont: Für Ingenieure, deren Augenmerk auf sehr geringen Unterschieden bei Druckmessungen liegt, ist es wichtig, dass die zur Erfassung dieser Werte verwendeten Drucksensoren stabil sind und wiederholbare Ergebnisse liefern.

Also, obwohl eine in das Kühlsystem eines Verbrennungsmotors integrierte 48-V-Batterie-Flüssigkeitskühlung dessen thermische Belastung erhöht, können durchdachtes Design und umsichtige Entwicklung, insbesondere im Hinblick auf Betriebsdrücke, die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Zyklenfestigkeit von Lithium-Ionen-Batterien deutlich verbessern, ohne die Motorkühlung zu beinträchtigen.