Elektromobilität ist die Lösung für effizientes und ressourcenschonendes Vorankommen und bedeutet mehr als nur den Tausch des Verbrennungsmotors gegen einen elektrischen. Vielmehr lassen sich mit dem E-Motor, und der damit möglichen Elektrifizierung vieler Komponenten, komplett neue Fahrzeugarchitekturen realisieren. Dies birgt neue Herausforderungen für die Fahrzeugentwickler in den Bereichen Systemdesign, funktionale Sicherheit und Energieeffizienz.

So können beispielsweise im Antriebsstrang mehrere kleinere, verteilte E-Motoren anstatt eines großen zentralen verwendet werden, was hohe Anforderungen an das gesamte Datenbordnetz und die Kommunikation der Steuergeräte stellt. Hierbei müssen vor allem Zuverlässigkeit und Sicherheit gewährleistet werden.

Die Wissenschaftler der Fraunhofer ESK simulieren und testen elektrofahrzeugspezifische Funktionen mit modernen Modellierungstechniken. Im Fokus der Arbeiten stehen dabei insbesondere die Integration in das Gesamtfahrzeug und die Interaktion der Funktionen. Nur durch diese frühzeitige Simulation und Absicherung der Ergebnisse können die Sicherheitsansprüche für ein komplexes System erfüllt werden.

Simulationsframework

Zur effizienten Entwicklung von Funktionen oder Steuergeräten für Elektrofahrzeuge erarbeitet die Fraunhofer ESK ein an die speziellen Anforderungen angepasstes Simulationsframework. Basierend auf Matlab/Simulink – eine Software zur Modellierung und Ausführung von Systemfunktionen – können die entwickelten Anwendungen zunächst rein simulativ getestet werden. Im Anschluss daran ist die Verifikation der Funktionen und Steuergeräte mittels Software- und Hardware-in-the-Loop (SIL und HIL) möglich.

Modulare Testplattform – Test im Realfahrzeug

Die Ergebnisse des Simulations-Frameworks können die Wissenschaftler an einem realen Fahrzeug verifizieren. Dieses entsteht im Kooperationsprojekt »Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität FSEM«, in dem die Fraunhofer-Gesellschaft die Kompetenzen ihrer Institute in unterschiedlichen Teilbereichen der Elektromobilität bündelt. Die aus dem Projekt entstehende modulare Testplattform mit dem Namen Frecc0 (Fraunhofer E-Concept Car Typ 0) wird rein elektrisch fahren und mit Radnabenmotoren angetrieben. Der modulare Aufbau bietet die Möglichkeit, neue Funktionen oder Steuergeräte mit Fraunhofer-Technologie, aber auch Komponenten anderer Hersteller, einfach zu integrieren und zu evaluieren. Mit dem Frecc0 werden Erfahrungen bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen gesammelt und die neuen Anforderungen an die funktionale Sicherheit für E/E Architekturen abgeleitet. Zudem soll eine Straßenzulassung für das Elektrofahrzeug erreicht werden.

Die Fraunhofer ESK entwickelt das zentrale Steuergerät, das die Modularität des Frecc0 gewährleistet. Dieses zentrale Steuergerät beinhaltet das Management des Fahrzeugzustands inklusive des Fehlermanagements, der Berechnung der Drehmomente für die Radnabenmotoren, dem Gateway zum bestehenden Fahrzeug sowie der Überwachung der sicherheitskritischen Komponenten.

Zudem ist die Fraunhofer ESK für die Integration der Steuergeräte und deren Interaktion auf Systemebene verantwortlich. So wird der Entwicklungsprozess und die Kommunikation der Komponenten Radnabenmotoren, Batterie-und Lademanagement hinsichtlich der funktionalen Sicherheit begleitet und bewertet. Ein wichtiges Ziel ist dabei die Auslegung der künftigen Norm ISO 26262 für funktionale Sicherheit zum Gebrauch für Elektrofahrzeuge.

Eine weitere Aufgabe der Fraunhofer ESK liegt in der Realisierung der Schnittstelle zum Fahrer. Hierfür entwickeln die Wissenschaftler ein vollgraphisches Kombiinstrument, das spezifische Anzeigen für Elektrofahrzeuge ermöglicht.

Modellfahrzeug zum Experimentieren

Ein Modellauto im Maßstab 1: 5 dient den Wissenschaftlern der Fraunhofer ESK zusätzlich zur Demonstration ihrer Forschungsergebnisse. Das Auto ist mit vier Radnabenmotoren ausgestattet, die individuell angesteuert werden können. Außerdem bietet das Modellfahrzeug die Möglichkeit, die Sensorik beliebig zu erweitern. So können beispielsweise die Sicherheitskonzepte oder die Integration von Sensordaten demonstriert werden. Auch Applikationen wie Torque-Vectoring – variable Kraftverteilung zwischen den Rädern zur Stabilisierung des Fahrzeugs – oder autonomes Fahren sind möglich.

Automotive Safety für Elektromobilität

Bei der Umsetzung von Sicherheits-Anforderungen im Automobil müssen kostengünstige und dennoch funktionale Realisierungen entwickelt werden. An einem solchen intelligenten Sicherheitskonzept arbeitet die Fraunhofer ESK, wobei der Fokus auf der funktionalen Sicherheit durch Software liegt. Für eine optimale Lösung wird aber auch die Hardware in die Konzeption mit einbezogen. Das Sicherheitskonzept, das im Frecc0 eingesetzt wird, muss die entsprechenden Anforderungen aus der ISO 26262 und der unabhängigen technischen Prüfstelle (TÜV) erfüllen.

Betriebsstrategien für energieeffiziente Elektromobilität

Zur Steigerung der Energieeffizienz forscht die Fraunhofer ESK an intelligenten Betriebsstrategien. Insbesondere steht dabei die E/E Architektur im Vordergrund, die bisher nur wenig auf Energieeffizienz optimiert wurde. Zukünftige Steuergeräte müssen jedoch den ohnehin knappen Energievorrat im Elektrofahrzeug optimal ausnutzen, was u. a. durch adaptive Software und effizientes Management realisiert wird. Des Weiteren beziehen die Wissenschaftler der Fraunhofer ESK die Fahrzeug-zu-Infrastruktur Vernetzung in ihre Forschungen ein. Damit soll ein energieeffizienteres Fahren in Abhängigkeit von der Fahrzeugumgebung ermöglicht werden.

Im Verbundprojekt »Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität FSEM« beteiligen sich mehr als 30 Fraunhofer-Institute an der Entwicklung von Prototypen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF gefördert.