Überspringen zu Hauptinhalt

Elektromobilität in Deutschland

Mehr Klimaschutz, neue Märkte, weniger Abhängigkeit von fossilen Energieträgern: Mobilität wird am Innovationsstandort Deutschland zukünftig neu gedacht. Die Weiterentwicklung der Elektromobilität und die Neuerfindung des Autos als „Driving Computer“ mit neuen Funktionalitäten per Software-Update sind ein zentrales Zukunftsthema der VEMAC GmbH & Co. KG.

Mit unseren Rapid Prototyping Solutions und Testing-Tools sind wir ein starker Partner an der Seite unserer Kunden. Dabei unterstützen wir OEMs, Forschungsinstitutionen, Mittelstand und Start-ups gleichwertig und vollumfänglich. Bestens vernetzt am Innovationsstandort Aachen, Hand in Hand mit den renommierten Hochschulen FH Aachen und RWTH Aachen, in Europa und auch international, treibt die VEMAC Zukunftsthemen von morgen, die uns schon heute beschäftigen, weiter voran.
2020 hat sich laut Kraftfahrt-Bundesamt die Zahl der neu zugelassenen E-Autos in Deutschland verdreifacht. 2020 sind gut 194.000 rein batterieelektrische PKW neu zugelassen worden, zusammen mit alternativen Antrieben wie Plug-in-Hybriden, Gas- oder Wasserstoffantrieb waren es knapp 395.000 Autos. Der Anteil aller alternativen Antriebe an den Neuzulassungen stieg auf rund ein Viertel. Unsere Motivation liegt darin, alternative Antriebstechnologien weiterzuentwickeln. Wir sehen große Potenziale in allen Entwicklungsbereichen der Antriebstechnologien. Differenzieren muss man die unterschiedlichen Technologien in ihrem Einsatzbereich. Hier kommt es auf Know-how und Erfahrung an. Die VEMAC entwickelt Lösungen, die die maximale Effizienz aus den unterschiedlichen Antrieben herausholen – für den Erfolg unserer Kunden.

Die Elektromobilität wird für die Energiewende im Verkehr immer wichtiger. Und mit ihr die Forschung, Entwicklung und Produktion von Batterien und Batteriezellen in Deutschland. Neben der Leistungsfähigkeit spielt die Nachhaltigkeit der Batterien eine entscheidende Rolle, insbesondere der faire und nachhaltige Rohstoffbezug, ein hoher Anteil erneuerbarer Energien sowie hohe Energieeffizienz in der Produktion, intelligente Nachnutzung und ein geschlossener Ressourcenkreislauf durch Recycling. Die Batteriezellen werden somit in ihren Auswirkungen von Anfang bis Ende betrachtet. Als Prüfstandsbauer und Testing-Dienstleister für Soft- und Hardwareapplikationen rund um Elektromobilität ist die VEMAC Ihr Ansprechpartner und begleitet Sie vom Konzept bis zur Umsetzung Ihrer Prüfanforderungen.

Vernetzte Mobilität

Autos fahren leise und abgasfrei durch die Stadt, keines fährt zu schnell oder zu langsam. Ein Stau kann so gar nicht erst entstehen. Kein Fahrzeug kann eine rote Ampel missachten oder versehentlich auf die falsche Spur geraten. Exakte Fahrt- und Ankunftszeiten sind dadurch auch über lange Strecken planbar, der Parkplatzsuchverkehr gehört der Vergangenheit an, der Ressourcenverbrauch sinkt.

Dieses Szenario erscheint heute unvorstellbar, hat aber künftig durch die vernetzte Mobilität konkrete Realisierungschancen. Der Weg dorthin wird sich allerdings evolutionär und nicht revolutionär entwickeln. Die intelligente Vernetzung von Fahrzeugen und die Digitalisierung im und um das Auto werden die Grundlage für ein leistungsfähiges Verkehrssystem sein. Vernetzung macht eine präzise Steuerung des Verkehrs in seinen unterschiedlichsten Formen möglich. Wie sie in 20 Jahren aussehen wird, steht heute natürlich noch nicht fest. Sicher ist aber, dass Informationsaustausch und Kommunikation für die vernetzte Mobilität eine herausragende Rolle spielen werden.
Die technischen Innovationen, an denen die VEMAC GmbH & Co. KG arbeitet, werden weitere Fortschritte in der Vernetzung erzielen. Die VEMAC entwickelt leistungsfähige elektronische Systeme, die Vernetzungen zwischen Service- und Diensteanbietern (OEMs und Dritte), Vehicle-to-Vehicle-Kommunikation (V2X-Kommunikation) und das Internet der Dinge zulassen, um Daten zu erfassen, zu loggen und zu kalibrieren. Die Integration von zusätzlichen Informationen aus der Infrastruktur, von anderen Fahrzeugen und Verkehrsteilnehmern realisieren wir schon heute. Unser Forschungsprojekt „STEP – Smart Traffic Eco Powertrains“ in Kooperation mit der DBU (dbu.de/123artikel39140_2430.html) ist eines von vielen Beispielen. Für die VEMAC ist diese Entwicklung längst keine Zukunftsvision mehr, wir arbeiten schon heute an der Vernetzung von morgen.

Wasserstoff: Schlüsselelement für die Energiewende

Für den langfristigen Erfolg der Energiewende und für den Klimaschutz brauchen wir Alternativen zu fossilen Energieträgern. Benzin, Diesel, Elektro, Wasserstoff, E-Fuels: Womit werden unsere Autos in Zukunft fahren? Eine Frage, die im Zusammenhang mit den aktuellen Klimaschutzzielen viele beschäftigt und die das Bundesumweltministerium veranlasst hat, die Entwicklung von strombasierten Brennstoffen (Power-to-X) zu fördern.

Wasserstoff wird dabei als vielfältig einsetzbarer Energieträger eine Schlüsselrolle einnehmen. Klimafreundlich hergestellter Wasserstoff ermöglicht es, die CO2-Emissionen vor allem in Industrie und Verkehr dort deutlich zu verringern, wo Energieeffizienz und die direkte Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien nicht ausreichen.

Neben den klimapolitischen Aspekten geht es bei Wasserstofftechnologien auch um viele zukunftsfähige Arbeitsplätze, neue Wertschöpfungspotenziale und einen globalen Milliardenmarkt. Deutsche Unternehmen sind in diesem Bereich bereits sehr gut aufgestellt, etwa bei der Brennstoffzelle und der Elektrolyse für die grüne Wasserstofferzeugung. Ziel ist, dass Deutschland bei Wasserstofftechnologien seine globale Vorreiterrolle behauptet.

Die Strategie verfolgt insbesondere folgende Ziele:
Wenn Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle reagieren, entstehen klares Wasser und starke Energie. Die Antriebskombination (Range Extender) aus Elektromotor mit Wasserstoff-Brennstoffzelle kann eine mögliche Lösung für emissionsfreie Transporte im Nutzfahrzeugbereich sein. Dabei liegt der Fokus nicht nur auf dem Straßenverkehr. Logistik ist ein großes Thema, aber Wasserstoff-Brennstoffzellen-Lösungen können zukünftig in vielen Bereichen effizient eingesetzt werden. Maritim, Heavy-Duty, Landmaschinen, Baumaschinen – der Anwendungsbereich ist sehr groß.

Um die Effizienz solcher Systeme zu gewährleisten, greifen Sensoren wichtige Daten am Brennstoffzellensystem ab: Temperatur, Druck, Stromspannung, Wirkungsgrad. Entwickler messen, welche Brennstoffzelle für welches Einsatzgebiet am besten geeignet ist, Ziel: umweltfreundlich, effizient und alltagstauglich. Die VEMAC bietet schon heute leistungsstarke ECUs für die steigenden Anforderungen an Input- und Outputsignale an. Zudem hat Wasserstoff eine sehr schlechte Schmiereigenschaft. Die VEMAC hat eine H2-fähige Endstufe entwickelt, die durch eine verschleißfreie Ansteuerung der Einspritzsysteme einen reibungslosen Betrieb von H2-Anwendungen gewährleistet.
Das einzige „Abfallprodukt“, das beim Betrieb mit Wasserstoff und Brennstoffzelle entsteht, ist klares Wasser. Wasserstoff plus Sauerstoff. Sauberer geht es nicht. Gegenüber der batterieelektrischen Mobilität bietet die Wasserstoffmobilität aus heutiger Sicht für schwere Nutzfahrzeuge zwei große Vorteile: eine große Reichweite von rund 800 Kilometern sowie ein schnelles Betanken mit H2.

Der VEMAC ist es wichtig, Unternehmen, die sich mit zukünftigen Antriebstechnologien befassen, in ihrer Wettbewerbsfähigkeit zu stärken, indem Forschung und Entwicklung rund um innovative Wasserstofftechnologien forciert werden.

Forschungsprojekt VEMAC: STEP – Smart Traffic Eco Powertrains

Entwicklung einer prädiktiven Steuerung mit Integration von externen Signalen und Sensordaten zur Effizienzsteigerung und Emissionsminderung bei Elektro- und Verbrennungsmotoren
Ein von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) gefördertes Forschungsprojekt (Az: 34299/01)
Die realen Emissionswerte von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren weichen oft stark von den bei der Homologation gemessenen Werten ab. Einer der Hauptgründe dafür sind die deutlich höheren dynamischen Anteile im realen Fahrzeugeinsatz im Gegensatz zu denen in den derzeit vorgeschriebenen Fahrzyklen. Schnelle Lastwechsel führen zu instationären Zuständen im Verbrennungsprozess, die das Motorsteuergerät kontinuierlich durch Regeleingriffe kompensieren muss. Trotz ausgeklügelter Abgasnachbehandlungssysteme stellt die fehlende Kenntnis des Fahrprofils eine große Herausforderung dar. Eine intelligente Steuerung der Batterie (SoC, State of Charge) und eine geeignete Rekuperationsstrategie sind entscheidend für die Antriebseffizienz von Fahrzeugen mit Elektro- und Hybridantrieb. Dabei sind eine möglichst genaue Kenntnis des Fahrprofils und eine vorausschauende Steuerung entscheidend.

Difference in carbon dioxide emissions in real traffic compared to manufacturer specification. © VEMAC GmbH & Co. KG; RWTH Aachen, Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen

In dem von der DBU geförderten Vorgängerprojekt „NET-ECU – Vernetzte Motorsteuerung“ konnte gezeigt werden, dass die Steuerung von verbrennungsmotorischen Regelsystemen durch die Hinzunahme von Umweltdaten wie Bewegungsprofilen anderer Fahrzeuge und Infrastrukturdaten hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Emissionswerten deutlich verbessert werden kann.

Im Projekt „STEP – Smart Traffic Eco Powertrain“ haben sich VEMAC, RWTH und FEV als assoziierte Partner zum Ziel gesetzt, die vielversprechenden Ansätze des Vorgängerprojektes zu erweitern und in realen Verkehrssituationen zu testen. Während im Projekt NET-ECU ausschließlich Umweltdaten aus der Fahrzeug-zu-Fahrzeug- und Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation (V2V und V2X) genutzt wurden, liegt der Fokus im Projekt STEP u. a. auf dem Einsatz eigener Sensorik wie Radar, Lidar und Kamera sowie der Nutzung von Routen- und Verkehrsinformationen über Online-Dienste. Neben der Optimierung der Verbrennungsmotorsteuerung werden auf Basis derselben Daten auch Möglichkeiten zur Verbesserung der Längsführung und der Ladestrategien für Hybridfahrzeuge analysiert.

Selected track in Aachen to demonstrate the predictive thermal management strategy. © VEMAC GmbH & Co. KG; RWTH Aachen, Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen

Im Rahmen des Projektes wurde zunächst das OCT (Online Calibration Tool), ein remotefähiges Entwicklungswerkzeug der VEMAC, um Schnittstellen zur Nutzung der oben genannten Sensordaten und Online-Daten erweitert.

Für die Entwicklung der Regelalgorithmen wurde eine Simulationsumgebung entwickelt, die die Entwicklung der Algorithmen auf unterschiedlichen Fahrzeugtopologien ermöglicht. Mit Hilfe dieser Simulationsumgebung wurden verschiedene Konzepte von prädiktiven Fahrzeugregelungsalgorithmen entwickelt und evaluiert. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Studien durchgeführt:

  1. Für Mildhybridfahrzeuge wurde die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs durch pulsierendes und gleitendes Fahren analysiert.
  2. Für batterieelektrische Fahrzeuge wurde der Antriebsenergiebedarf durch vorausschauende Geschwindigkeitswahl minimiert.
  3. Für Diesel-Plug-in-Hybridfahrzeuge wurde eine Studie zur Optimierung des Energiemanagements durch Einbeziehung von vorausschauenden Verkehrsinformationen durchgeführt.

Zur Validierung der Ergebnisse wurde ein Testfahrzeug mit der Entwicklungsplattform ausgestattet, um die zuvor entwickelten Algorithmen sowohl auf einem geschlossenen Testgelände als auch im realen Straßenverkehr testen zu können.

Animation, test vehicle with OCT in road traffic. © VEMAC GmbH & Co. KG

Das Online Calibration Tool (OCT) wurde für die Nutzung zusätzlicher Sensordaten über CAN sowie für die Nutzbarkeit von Online-Daten verschiedener Datenanbieter vorbereitet. Darüber hinaus wurde die Usability der Benutzeroberfläche deutlich verbessert, so dass zukünftig eine flexible und kostengünstige Plattform für die Entwicklung intelligenter prädiktiver Regelungsalgorithmen in realen Fahrzeugen zur Verfügung steht. Das im Projekt entwickelte Simulationsmodell kann flexibel für die Entwicklung neuartiger Regelstrategien eingesetzt werden. Es können unterschiedliche Fahrzeugtopologien berücksichtigt und verschiedene Fahrszenarien wie WLTP oder selbst gewählte Routen gewählt werden. Im Rahmen der in dieser Umgebung durchgeführten Simulationsstudien konnten unter bestimmten Randbedingungen folgende Einsparpotenziale identifiziert werden:

  1. Mildhybridfahrzeuge: bis zu max. 14 % Kraftstoffeinsparung je nach Kalibrierung und Verkehrsdichte (Simulation)
  2. Batterieelektrische Fahrzeuge: Durchschnittlich 15 % Traktionsenergie an Kreuzungszufahrten und Kreuzungen (Simulation)
  3. Diesel-Plug-in-Hybridfahrzeuge: 1,4 % Kraftstoffeinsparung (Simulation) und 19 % weniger NOx-Emissionen (Demonstrator)

Anhand der Simulationsstudien konnten signifikante Einsparpotenziale durch den Einsatz intelligenter vernetzter Steuerungsstrategien identifiziert und am Testfahrzeug im realen Straßenverkehr bestätigt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Regelstrategie von Fahrzeugsteuergeräten (VCUs) durch Hinzunahme von Umweltinformationen hinsichtlich Energieverbrauch und Emissionswerten positiv beeinflusst werden kann. Die dafür notwendigen Sensorinformationen in Form von Kamera-, Radar- und Online-Daten sowie Fahrzeug-zu-Fahrzeug- und Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikationsdaten sind in heutigen Fahrzeugen oft schon vorhanden, da diese für die zunehmende Zahl von Fahrerassistenz- und Sicherheitssystemen benötigt werden. Mit dem Online Calibration Tool (OCT) der VEMAC steht nun eine kosteneffiziente Entwicklungsplattform für die Entwicklung neuartiger vernetzter Regelstrategien zur Verfügung.

Erfahren Sie mehr über unser von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) gefördertes Forschungsprojekt:
dbu.de

An den Anfang scrollen