Powertrain, Bremsen und Sensoren

Eines gleich vorweg: Mit zunehmender Vernetzung des Fahrzeugs (intern und mit der Außenwelt) ergeben sich völlig neue Möglichkeiten in den Bereichen Fahrerassistenz, Infotainment aber auch Powertrain – und zwar quer durch die Fahrzeugsegmente hindurch. Gewisse Themen sind jetzt bei sämtlichen großen Zulieferern angekommen, und wenn beispielsweise sowohl Bosch als auch Continental und TRW eine hocheffiziente Bremseinheit anbieten, die jeweils ohne Unterdruck auskommt und blitzschnell Druck aufbaut, dann deutet sich der Einsatz in vielen Fahrzeugen an. Auch die Projekte rund um rekuperatives Fahren mit 42-V-Boostern und Stereokameras sowie beim Infotainment mit App-Funktionalität, Parkassistenten, und Head-Up-Display zeigen oft ähnliche Grundtendenzen.

Bremssysteme

Über die vollintegrierten Bremsregelsysteme IBC von TRW und MK C1 von Continental haben wir schon in vorherigen Ausgaben berichtet (siehe Beitrag überTRW-Systeme sowie dieser Beitrag über TRW-Systeme und Beitrag über Contiental-Systeme), aber Bosch stellte im Vorfeld der IAA einen „innovativen Bremskraftverstärker“ vor, „der alle künftigen Anforderungen von elektrischen Antrieben und Fahrerassistenzsystemen erfüllt“ und ganz ohne Vakuum arbeitet. Das iBooster genannte System unterstützt elektronisch gesteuert und ist konzipiert für all die Fahrzeuge, die umfassend „segeln“ oder über mehrere Kilometer oder durchgängig rein elektrisch fahren und dadurch motorseitig gar keinen Unterdruck mehr erzeugen. Die Tatsache, dass über iBooster bisher nichts an die Öffentlichkeit gelangte, heißt aber nicht, dass Bosch den Zulieferern TRW und Continental hinterherhinkt, denn das Bosch-System geht in diesem Jahr in drei Serienprojekten in Produktion.

Bosch

Auch die Fahrerassistenz profitiert von der neuen Technik, denn iBooster verstärkt den Bremsdruck des Fahrers mit Hilfe eines Elektromotors. „Im Vergleich zur pneumatischen Lösung kann der Druck dadurch um den Faktor drei schneller aufgebaut und über die elektronische Steuerung wesentlich genauer geregelt werden“, hebt Gerhard Steiger, Vorsitzender des Geschäftsbereichs Bosch Chassis Systems Control, hervor. „Ein großer Vorteil für Notbremsfunktionen,

Continental

aber auch für ein sanftes automatisches Abbremsen im Stau, wo der Druck bislang über die ESP-Pumpe aufgebaut wurde.“ Alle drei Zulieferer wollen ihre Systeme auf der IAA präsentieren.

48-V-Systeme und Segeln

„Heute klafft eine Lücke zwischen relativ kostengünstigen 12-V-Stopp-Start Systemen und den wesentlich aufwändigeren Hybridlösungen mit hohen Spannungen von typischerweise 200 bis 400 V“, erklärte José Avila, Leiter der Powertrain Division und Mitglied des Vorstands bei Continental. „Mit der Elektrifizierung nach Maß schaffen wir nun einen Technologiebaukasten, mit dem Fahrzeughersteller existierende Fahrzeuge bei transparentem Kosten-Nutzen-Verhältnis zwischen 12 V und bis zu 400 V abgestuft hybridisieren können. Der Grundgedanke hat Ähnlichkeit mit dem Prinzip heutiger Ausstattungsvarianten.“

Bild 1: Alle diese drei integrierten hochdynamischen autonomen Bremssysteme von Bosch (oben), Continental (Mitte) und TRW (unten) verfügen als mechanische Rückfallebene über einen direkten mechanischen Durchgriff auf die Bremse. TRW

Das fehlende Element in diesem Baukasten war bisher ein zusätzlich zum 12-V-Bordnetz installierter 48-V-Kreis, mit dem sich viele Funktionen umsetzen lassen, die heute in aufwändigeren Mild-Hybrids bei rund 120 V realisiert sind. Die vorgeschlagene 48-V-Architektur zusammen mit den fertig entwickelten Komponenten hat Continental in einem 48-V-Demofahrzeug auf Basis eines VW Golf realisiert (Bild 2). Es verfügt über einen riemengetriebenen 48-V-Starter-Generator (14 kW Spitzenleistung, 8 kW Dauerleistung), der die konventionelle Lichtmaschine ersetzt, einen Riemenspanner samt Riemen, einen 48-V-Lithium-Ionen-Akku (11 kW bei 10 Ah Zellenkapazität) von SK Continental E-Motion und einen DC/DC-Wandler als Bindeglied zum 12-V-Bordnetz. Der Wandler ist mit 3 kW spezifiziert und weist einen Wirkungsgrad von über 96 Prozent auf.

Bild 2: Das Mini-Hybrid-System von Continental auf 48-V-Basis. Continental

Zu den Vorteilen des „48 V Eco Drive“ gehören neben einem schnelleren und leiseren Motorstart – auch bei Minusgraden – eine viel effizientere Rekuperation. Damit steht mehr Strom für energiesparende Funktionen zur Verfügung. „Vor allem kann der Verbrennungsmotor häufiger und früher abgeschaltet werden, wenn er für den Vortrieb nicht zwingend erforderlich ist“, erläutert Xavier Pujol, Leiter der Business Unit Hybrid Electric Vehicle, Division Powertrain. „Mit den Fahrstrategien Sailing und Coasting verordnen wir dem Verbrenner beim 48-V-Drive-System mehr Auszeiten und sparen Kraftstoff“, fährt Pujol fort. „Für die Fahrzeughersteller hat dieser Eco Drive den zusätzlichen Vorteil, dass sie nicht in die Motor- und Getriebekonfiguration eingreifen müssen. Diese Technologie ist damit auch für kleinere Fahrzeugmodelle darstellbar.“

Persönliches Highlight

Das persönliche Highlight des Autors ist die elektronisch gesteuerte Kupplung, die viel günstiger ist als ein Automatikgetriebe aber dennoch teils ähnlichen Komfort bietet. Zu diesen Komfortfunktionen gehört zum Beispiel das Anfahren ohne Kupplungsbetätigung, was besonders im Stau sehr angenehm ist. Mehr hierzu finden Sie in einem separaten Beitrag unter diesem Link.

Boost Recuperation System

Bild 3: Die Komponenten des Boost-Recuperation-Systems von Bosch – ein Mini-Hybrid auf 48-V-Basis. Bosch

Auch Bosch will diese heute noch recht große Lücke zwischen Start/Stopp-Systemen und Hybridantrieben schließen – und zwar mit seinem Boost Recuperation-System (BRS, Bild 5). „Das Boost Recuperation-System steht für die preiswerte Elektrifizierung der Mittelklasse“, erklärt Wolf-Henning Scheider, Mitglied der Geschäftsführung der Robert Bosch GmbH. „Mit angepassten Komponenten, wie einem Lithium-Ionen-Akku mit 0,25 kWh Kapazität, bedienen wir gezielt die Bedürfnisse im mittleren Preissegment.“

Durch die elektrischen Komponenten, die den Motor mit bis zu 10 kW zusätzlicher Leistung unterstützen, spart das BRS nach Angaben von Bosch „bis zu 15 Prozent Kraftstoff und CO₂„. BRS vereint vier Funktionen in einem einzigen System: Rekuperation, Drehmomentunterstützung sowie Start/Stopp- und Segelbetrieb. Basis für die neue Hybridisierung ist ein hocheffizienter Generator, der mit Hilfe einer neuen Leistungselektronik von 12 V auf 48 V aufgerüstet wird.

Dem Namen nach hat das Boost Recuperation-System zwei zentrale Funktionen: Energie durch Rekuperation zurückgewinnen und diese dann zum Beschleunigen nutzen. Im Detail funktioniert das folgendermaßen: Die beim Bremsen überschüssige Energie wird über das 48-V-Bordnetz in der Lithium-Ionen-Batterie gespeichert. Der Akku hat eine Kapazität von 0,25 kWh. Die Energie wird bei Bedarf zum BRS zurückgeführt, das dann als E-Maschine wirkt, um so zusätzliches Drehmoment zu liefern.

Dieser Boost-Effekt ist vor allem bei kleinen aufgeladenen Motoren und in niedrigen Drehzahlbereichen für ein dynamisches Fahrverhalten wichtig. Darüber hinaus ermöglicht das neue System die Segelfunktion. Werden beim Ausrollen oder leichtem Bergabfahren weder Gas- noch Bremspedal betätigt, schaltet der Verbrenner ab. Allein durch den Schwung segelt das Fahrzeug emissionsfrei und geräuschlos. Unter realen Bedingungen werden auf der Strecke bis zu 30 Prozent Segelphasen erreicht.

In einem kompletten zusätzlichen 48-V-Bordnetz mit seinen Zusatzfunktionen sieht Bosch „besonders für Mittel- bis Oberklassefahrzeuge eine attraktive Lösung“, weil es die weitere Elektrifizierung von Fahrzeugfunktionen ermöglicht, die mit niedrigerer Spannung und Energie (fast) nicht möglich wäre. Zum Energietransfer zwischen 48- und 12-V-Bordnetz bietet Bosch einen PCU (Power Conversion Unit) genannten DC/DC-Wandler an.

(Stereo-)Kamera

Wohl alle Zulieferer im Bereich Fahrerassistenz/Sensoren werden ihre Kameras ausstellen, wobei sowohl Bosch als auch Continental neben Mono- auch Stereo-Kameras zeigen werden. Über Contis Stereo-Kamera haben wir bereits berichtet, aber jetzt hat auch Bosch Details zu seinem optischen Stereo-Sensor veröffentlicht, der Gerhard Steiger zufolge „eine schnelle und genaue 3D-Messung von Objekten bei einer Reichweite von über 50 m“ ermöglichen soll. „Als erster Zulieferer realisieren wir allein auf Basis dieses Sensors einen verbesserten Fußgängerschutz“, führt Steiger weiter aus. „Weitere neue Funktionen, beispielsweise der Baustellenassistent, sind damit auch möglich. Alle von Euro NCAP geforderten Sicherheitsfunktionen sind auf wirtschaftliche Weise mit diesem Sensor realisierbar. Mit zwölf Zentimetern Basisbreite, das ist der Abstand zwischen den optischen Achsen der Objektive, bietet Bosch das derzeit kompakteste Stereo-Kamerasystem für automobile Lösungen an.“

Navi als Sensor: eHorizon

Bild 4: Der eHorizon fungiert als Sensor für ADAS und nutzt Daten des Navis. Continental

„Vervollständigt wird die Liste der Sensoren mit dem Navigationssystem“, ergänzt Gerhard Steiger. „Dieses erfasst zwar nicht sein direktes Umfeld, aber es liefert basierend auf seinen digitalen Kartendaten und der voraussichtlichen Route des Fahrers den sogenannten „elektronischen Horizont“ – eine detaillierte, weit vorausschauende Information über den Streckenverlauf, die in den kommenden Jahren zunehmend um Krümmungs-, Steigungs- und Fahrspurinformationen erweitert wird.“ Bestehende Funktionen lassen sich mit dieser Information weiter verbessern: So kann die Navigation besonders energieeffiziente Routen empfehlen und bei Elektrofahrzeugen wesentlich exakter die verbleibende Reichweite berechnen, während Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, abhängig vom Straßennetz, beim Bosch-System ungefähr zehn Prozent Kraftstoff sparen können. Geschwindigkeitsbegrenzende Elemente, wie Ortseinfahrten, Kurven oder Tempolimits lassen sich in der Routenführung berücksichtigen. „Liefert das System daher einige hundert Meter im Voraus das Steigungsprofil der Straße, kann der Fahrer zum richtigen Zeitpunkt den Hinweis erhalten, den Fuß vom Gas zu nehmen, um die Fahrzeuggeschwindigkeit möglichst ohne Bremse abzubauen“, erläutert Gerhard Steiger. „Allein dadurch ist eine Treibstoffeinsparung von rund sieben Prozent auf Landstraßen erreichbar – segelt das Fahrzeug dabei mit ausgeschaltetem Motor, sogar rund 15 Prozent.“ Die Möglichkeiten des eHorizon aus Sicht von Continental sehen Sie in Bild 4.

Der dritte Sensor: LIDAR

Bild 5: Ein derartiger LIDAR-Sensor könnte als dritter Sensor in automatisiert fahrenden Fahrzeugen den teuren Laserscanner auf dem Dach ablösen. Continental

Sowohl Continental als auch Bosch werden auf der IAA über ihre Projektfahrzeuge zum Automatisierten Fahren informieren. Für das vollautonome Fahren ist bekanntlich der neben Radar und (Stereo-)Kamera ein dritter Sensor unabdingbar. Momentan ist das ein über 100.000 Euro teurer Laserscanner, der auf dem Dach montiert ist, aber schon bald soll LIDAR (eine Radar-ähnliche Abtastung mit aktiv ausgesandten modulierten Lichtstrahlen) diese Lücke schließen. Valeo wird einen solchen Sensor auf der IAA zeigen, und die Besucher des 17. Kongresses „Fortschritte in der Automobil-Elektronik“ in Ludwigsburg werden erstaunliche Parallelen zwischen Teilen einer OEM-Präsentation auf dem Kongress und den Fakten zum Valeo-Sensor (Bild 5) erkennen:

Der in einem 6 x 10 x 10 cm großen Gehäuse integrierte LIDAR-Sensor von Valeo tastet alle 40 ms seine Umgebung mit Lichtstrahlen im 905-nm-Bereich ab – und zwar mit einem Abtastwinkel von 145°. Damit lassen sich Autos aus 150 m Entfernung, Lkws aus 200 m, Fußgänger aus 70 m und Baken aus 50 m Entfernung erkennen. Derzeit befindet sich der Sensor in der Konzept- beziehungsweise Vorentwicklungs-Phase, aber 2016 könnte der im Preissegment einer Stereokamera angesiedelte Sensor theoretisch in Serienfahrzeugen verbaut sein. Es handelt sich hierbei um eine gemeinsam mit Ibeo realisierte Entwicklung, die aus einem Laser vier Strahlen mit einer Divergenz von 3,2° und 0,25° Auflösung aussendet.

(av)