Forschungsschwerpunkt Elektromobilität

Zwei fahrtüchtige, rein elektrisch angetriebene Prototypen sind das Ergebnis der Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität. Das Fraunhofer ESK steuerte zur Entwicklung der beiden „Fraunhofer E-Concept Cars Type 0“ – kurz Frecc0 – sein Knowhow rund um die automobile E/E-Architektur bei und hat diese für beide Frecc0 geplant und umgesetzt.

Weil im Elektrofahrzeug deutlich mehr sicherheitskritische Funktionen von Elektronik gesteuert werden, lag der Fokus dabei auf der funktionalen Sicherheit des Systems Elektrofahrzeug. Eine ausführliche Gefahren- und Risikoanalyse sowie Simulationen bilden die Basis für Funktion und Zuverlässigkeit der E/E-Architektur des Frecc0. Als Herzstück der Fahrzeugsteuerung hat das Fraunhofer ESK ein zentrales Steuergerät mit speziellem Sicherheitskonzept entwickelt, welches das Zustandsmanagement des Fahrzeugs und die Berechnung der Drehmomente der Motoren übernimmt.

Der Frecc0 als modulare Testplattform

© Foto Fraunhofer ESK

Roter Fraunhofer Frecc0 vor der Zentrale der Fraunhofer-Gesellschaft in München auf der Roadshow Forum E-Motion 2011.

Der Frecc0 dient als modulare Testplattform, mit der es möglich ist, das Zusammenwirken der einzelnen Komponenten im „Gesamtsystem Elektrofahrzeug“ detailliert zu untersuchen und zu optimieren.

Funktionale Sicherheit

Elektrofahrzeuge haben nicht nur einen anderen ‚Treibstoff‘, ihre gesamte Architektur unterscheidet sie vom klassischen Benziner. Der Frecc0 verfügt über zwei Elektromotoren, die die Hinterräder unabhängig voneinander antreiben. Das vereinfacht die Konstruktion und erhöht die Fahrdynamik. Allerdings stellen mehrere verteilte Motoren die Automobilhersteller vor völlig neue Herausforderungen: Sie müssen sicherstellen, dass sich die Räder trotzdem immer mit gleicher Kraft und in dieselbe Richtung drehen. Und da diese verteilten Motoren rein durch Software gesteuert werden, muss zudem ein unerwartetes Beschleunigen oder Bremsen – ausgelöst durch Softwarefehler – unterbunden werden. Diese Probleme haben die Wissenschaftler als größte Gefahr bei der Nutzung mehrerer verteilter Motoren identifiziert und dafür ein Sicherheitskonzept entworfen. Dazu haben sie zunächst potenzielle Gefahren identifiziert und deren Risiko nach drei Kriterien bewertet:

  • Schweregrad des Fehlers
  • Häufigkeit der Fahrsituation, in der der Fehler auftreten kann
  • Beherrschbarkeit durch den Fahrer, wenn der Fehler auftritt

Diese Bewertungskriterien entstammen der neuen ISO-Norm 26262 für die funktionale Sicherheit bei Straßenfahrzeugen. Nach dieser Norm müssen künftig alle Fahrzeughersteller und Zulieferer ihre Produkte entwickeln, sollten diese eine sicherheitskritische Funktion erfüllen.

Das vom Fraunhofer ESK entworfene Sicherheitskonzept für Elektroautos berücksichtigt das und macht das Fahren mit einem Elektroauto genauso sicher, wie man es von konventionellen Fahrzeugen erwarten darf.

Modulare E/E-Architektur

Der Frecc0 verfügt über eine modular aufgebaute Bordelektronik, die es ermöglicht, bestehende Komponenten wiederzuverwenden, Komponenten auszutauschen und neue Komponenten zu integrieren. Dies erfordert die detaillierte Abstimmung der Schnittstellen der Komponenten und ihrer Kommunikation untereinander. Die Wissenschaftler des Fraunhofer ESK haben daher eine modellbasierte Simulationsumgebung des Frecc0 auf Basis von Matlab/Simulink entwickelt. Diese bildet die Interaktion der Komponenten und das Zustandsmanagement ab und ermöglicht die frühzeitige Verifikation der Funktionalität des Steuerungskonzeptes.

Zentrales Steuergerät

Die Funktion der übergreifenden Fahrzeugsteuerung übernimmt im Frecc0 das vom Fraunhofer ESK entwickelte zentrale Steuergerät (ZSG). Die Softwareentwicklung für das ZSG erfolgte auf Basis der entwickelten Simulationsmodelle. Als zentrale Steuereinheit interpretiert es den Fahrerwunsch und setzt ihn über die Antriebssteuerung im Fahrzeug entsprechend um. Es übernimmt das Zustandsmanagement, die Berechnung der Drehmomente für die Motoren, fungiert als Gateway zum Fahrzeug und steuert einen Großteil der Nebenaggregate an. Dieses komplexe Aufgabenspektrum verdeutlicht die sicherheitskritischen Aufgaben des ZSG.

Um dabei eine möglichst große Sicherheit zu gewährleisten, besteht das zentrale Steuergerät aus einem Haupt- und einem Überwachungsrechner. Der Überwachungsrechner plausibilisiert die Ergebnisse des Hauptrechners und kann so fehlerhafte Ausgaben an andere Komponenten unterbinden. Tritt dennoch ein kritischer Fehler auf, bringt das ZSG die Komponenten und damit das Fahrzeug in einen sicheren Zustand und informiert den Fahrer. Das ZSG übermittelt die Fahrzeugdaten an das ebenfalls von Fraunhofer ESK entwickelte Kombiinstrument und zeigt sie dem Fahrer graphisch an.

Ausblick

Zukünftige Fahrzeugarchitekturen können von den Vorzügen verteilter Antriebe profitieren. Mit diesem Projekt haben die Wissenschaftler erste Hürden bei der Realisierung der E/EArchitektur für Elektrofahrzeuge und seiner Sicherheitsauslegung genommen und ihr Know-how um wichtige elektrofahrzeugspezifische Erkenntnisse erweitert.

Die beiden Frecc0-Fahrzeuge stehen als wissenschaftliche Integrations- und Testplattformen zur Verfügungen. Neuentwicklungen diverser Komponenten können dank des modularen Aufbaus der Testplattformen leicht in das System integriert und direkt im Einsatz getestet werden. Das ZSG, welches auf der embedded Prototyping Plattform ARTiS des Fraunhofer ESK basiert und unter anderem mittels der erstellten Matlab/Simulink-Modelle programmiert werden kann, ist dafür flexibel anpassbar und erweiterbar.

Neben eigenen Fragestellungen wie dem Ersetzen der mechanischen Bremse durch die Bremsmöglichkeit des Elektromotors, können so auch völlig neue Aspekte rund um die Elektromobilität gemeinsam mit Industriepartnern erarbeitet werden.

Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.