Wie Sensoren die Reichweite von E-Autos steigern

Wichtige technologische Treiber der Entwicklung hin zu immer smarteren E-Fahrzeugen sind Hochleistungsrechner, die das Fahrerlebnis zunehmend verbessern und automatisieren, sowie fortschrittliche Sensoren, die dafür die notwendigen Rohdaten zur Verfügung stellen. Ohne die präzise Erfassung und Verarbeitung kritischer Daten ist die Vision des intelligenten, nachhaltigen Fahrzeugs der Zukunft nicht umsetzbar.

Wie erkennen und überwachen Sensoren kritische Batteriezustände?

Ein Beispiel für die Rolle von Sensoren in E-Fahrzeugen ist die Überwachung des Batteriezustands mithilfe von Metalloxid-Sensoren (MOX-Sensoren): Für Batterien in Elektrofahrzeugen gelten hohe regulatorische Anforderungen, um die Sicherheit von Passagieren zu gewährleisten. Gleichzeitig sind die Batterien bei der schnellen Ladung und Entladung hohem Stress ausgesetzt.

Batteriehersteller und OEMs müssen gemäß der Global Technical Regulation on the Electric Vehicle Safety (EVS) der Vereinten Nationen Vorkehrungen treffen, damit Fahrer und Passagiere das Fahrzeug verlassen können, bevor es zum Brand oder im schlimmsten Fall einer Explosion der Batterie kommt. Dafür müssen unkontrollierte Wärmeentwicklungen infolge kritischer Batteriezustände frühzeitig erkannt werden. Breitbandige Gas-Sensoren für Metalloxide sind hierfür geeignet, weil sie die Entwicklung und Ausgasung von Wasserstoff, Kohlenmonoxid und organischen Lösungsmitteln bei einer chemischen Reaktion erkennen, ehe es überhaupt zu einer thermischen Entwicklung kommt.

Das speziell dafür entwickelte Sensor-Modul BCM1 für das Condition-Monitoring von Li-Ion-Batterien von ScioSense reagierte in unabhängigen Tests bis zu 40 s schneller als Sensoren für Temperatur und Batteriespannung. Im idealen Fall werden diese Sensoren in den individuellen Modulen der Batterie installiert, sodass Defekte erkannt werden, bevor sie auf die gesamte Batterie des Fahrzeugs übergreifen (Thermal Propagation).

Auch bei der Klimatisierung spielen Sensoren eine zentrale Rolle

Luft- und Umweltsensoren spielen für die Klimatisierung von Elektrofahrzeugen eine entscheidende Rolle. Ziel der Überwachung des Innenraumklimas ist es, durch intelligent gesteuerte Zirkulation von Frisch- und Kabinenluft die Temperatur optimal zu regeln und gleichzeitig zu verhindern, dass die Scheiben beschlagen. Bei der Kühlung des Fahrzeugs bei warmen Außentemperaturen müssen die Sensoren zudem dafür sorgen, dass die Leistung von Klimakompressor und Wärmepumpe ideal abgestimmt sind, um ein bestmögliches Kabinenklima bei möglichst geringem Energieverbrauch zu erreichen.

Eine effiziente Klimaanlage reduziert den Energieverbrauch und wirkt sich direkt auf die Reichweite der Fahrzeuge aus. Eine unabhängige Studie des „Car and Driver Magazine“ aus dem Jahr 2020 ergab Unterschiede in der Reichweite von bis zu 13 Prozent, abhängig von der Einstellung der Klimaanlage.

Idealerweise werden die Daten mehrerer Sensoren für die Optimierung der Klimasteuerung in einem intelligenten System kombiniert: Dabei kommen Module zum Einsatz, die für die Klassifizierung der Außenluft zur Steuerung von Lufteinlassventilen und Mischern der rezirkulierten Kabinenluft zuständig sind, optional bereits hier mit einer Erkennung des Taupunkts.  Vor dem Klimakompressor messen Sensoren Temperatur und Feuchtigkeit der Luft, die anschließend in die Kabine abgegeben wird. Die Daten können die weiterer Sensoren ergänzen, die dann zum Beispiel an verschiedenen Positionen im Fahrgastraum oder direkt an der Windschutzscheibe installiert sind. Das ermöglicht die individuelle Feinabstimmung der Klimatisierung oder das zuverlässige und stromsparende Enteisen der Scheiben.

Wie verbessern Sensoren die Luftqualität in E-Fahrzeugen?

Noch einen Schritt weiter geht das Monitoring der Luftqualität, eine Komfortfunktion, die aktuell vor allem im Luxussegment gefragt ist. Smarte Sensoren messen dabei die Luftqualität im Fahrzeuginneren und der Umgebung, mit dem Ziel, die Klimaanlage vollautomatisch zu steuern. ScioSense hat dafür ein Referenzdesign entwickelt, das basierend auf MOX-Sensoren die Konzentration flüchtiger organischer Stoffe (VOCs, Volatile Organic Compounds) in der Luft erfasst. Damit lassen sich Rückschlüsse auf die Luftqualität ermitteln. Durch den Vergleich der Luftqualität können Systeme vollautomatisch Luftaustausch und Rezirkulation sowie die aktive Luftreinigung steuern.

Integration von Condition-Monitoring in die Batterie

Das Condition-Monitoring für E-Auto-Batterien ist aktuell ein wichtiges Sicherheitsfeature und seine Bedeutung steigt mit der Nachfrage nach immer leistungsstärkeren Batterien und höherer Ladegeschwindigkeit. Für die Klimasteuerung haben Sensoren zur Luft- und Umweltüberwachung in der E-Mobilität großes Potential, weil die Effizienz von Wärme- und Lüftungsmanagement direkte Folgen für die Reichweite der Fahrzeuge hat.

Aufgrund der hohen Sicherheitsanforderungen, der immer kürzeren Innovationszyklen und der teils sehr aufwendigen Zertifizierungsprozesse sind Zulieferer und Fahrzeughersteller in der Automobilindustrie gut beraten, sich frühzeitig mit den smarten Sensoren und ihrem Design-In auseinanderzusetzen. Denn zum einen ist es sinnvoll, einen Schritt voraus zu sein, bevor die Sensoren zu einer Standard-Anforderung in der Industrie werden, und zum anderen sind gerade Faktoren wie Energieeffizienz und Reichweite wichtige Elemente für die Fahrzeughersteller, um sich im globalen Wettbewerb zu behaupten. (bs)