Elektrifizierung: Die Mobilität der Zukunft gestalten

Die Zukunft gehört der Elektromobilität, das steht fest. Reichweite und lange Ladezeiten erweisen sich jedoch noch als Dämpfer. Der Übergang zu einer integrierten Leistungselektronik erhöht die Effizient von EV-Komponenten.

Obwohl die Verkaufszahlen von E-Fahrzeugen derzeit noch gering sind, wird geschätzt, dass bis 2030 weltweit 30 Millionen E-Fahrzeuge auf die Straße kommen. Diese Zahlen sind sowohl auf exogene Faktoren wie Klimawandel, strenge globale CO₂-Vorschriften, schnell zur Neige gehenderAnzeige fossiler Brennstoffe, eine verstärkte Nachfrage nach nachhaltigeren Produkten als auch auf Innovationen in der Batterie- und Ladetechnologie, die Integration von Leistungselektronik und die aufkommende Datenanalyse zurückzuführen.

Technologische Treiber für die Elektrifizierung

In Bild 1 sind die wichtigsten Technologietrends dargestellt, die auf eine mögliche Zunahme der Akzeptanz von E-Fahrzeugen (EV) hinweisen:

• Batterietechnik: Die Batterien sind heute die teuerste Komponente von Elektrofahrzeugen. Effiziente und intuitive Batterie-Managementsysteme (BMS) mit künstlicher Intelligenz und fortschrittlichen Schätzverfahren, die genaue und zuverlässige Daten über den Batteriezustand liefern, können jedoch dazu beitragen, die Gesamtkosten der Batterien zu senken und die Leistung von Elektrofahrzeugen zu verbessern.
• Ladetechnologie: Intelligente Ladeplattformen können einen großen Beitrag zur Senkung der Projektkosten und zur Akzeptanz von E-Fahrzeugen bei erhöhter Kundenzufriedenheit leisten. Das Fahrzeug kann als Energielieferant an abgelegenen Orten fungieren, an denen kein regulärer Strom zur Verfügung steht. Anwendungsfälle wie Vehicle to Home (V2H) ermöglichen einen bidirektionalen Stromfluss.
• Änderung der Fahrzeugarchitektur: Eine große Herausforderung für EV-Architekten besteht darin, die Anzahl und Komplexität der Schnittstellen auf ein Minimum zu reduzieren. Die Integration von EV-Komponenten ist dabei der Schlüssel. Jeder OEM konzentriert sich auf den Domänen-Controller und würde zu einer Zonen-Controller-basierten Architektur übergehen, um die Schnittstellen zu minimieren und Hardware und Software zu trennen.
• Integrierte Datenanalyse- und Management-Plattform für EVs: Datenerhebungen und -analysen sind in allen Branchen weit verbreitet, auch in der Automobilindustrie. Die Daten ermöglichen eine präzisere vorausschauende Wartung, insbesondere in Bezug auf den Alterungsgrad (SoH) und den Ladezustand (SoC) der Batterie, wodurch Einblicke in die Profile der Kunden gewonnen und die Dienstleistungen für sie angepasst und verbessert werden können. Die Daten geben auch Aufschluss über die Lebensdauer des Fahrzeugs und das Nutzungsverhalten, schlagen optimale Standorte für die Installation von Ladestationen und OEMs vor und verbessern das Verständnis dafür, wie ein maximaler Wert aus Fahrzeugen und Drive-up-Einnahmen erzielt werden kann.

Doch dies ist leichter gesagt als getan, wenn die Technologien nicht optimal genutzt werden, wie weiter unten im Artikel ausgeführt wird.

Das sind die Innovationen in der Batterietechnologie für mehr Leistung

• Verbesserung der Reichweiteneinschätzung (AI/ML-basiert): Während die Zulassungen von Elektroautos im Jahr 2020 im Jahresvergleich um 43 Prozent gestiegen sind, haben sich „Reichweiten-Angst“ und lange Ladezeiten als Dämpfer erwiesen. Da sich die Lithium-Ionen-Batterien von Elektrofahrzeugen nur langsam aufladen, werden zahlreiche Lademethoden angewandt, um die Optionen zu begrenzen. Vorausschauende Analysen und Datenintelligenz ermöglichen es, die Leistung von Akkus zu verbessern, indem sie deren Lebensdauer vorhersagen, potenzielle Verschlechterungen/Störungen und deren Ursachen erkennen und Verzögerungen/Fehler beheben, noch bevor sie auftreten. Diese intelligente Erfassung und Überwachung umfangreicher Daten zur Akkulaufzeit, Leistung, Ladezustand, Temperatur, Anzahl der Ladezyklen usw., sind in der Cloud gespeichert und treiben Innovationen voran.
• Cloud-basierte Predictive Analytics ermöglichen: Die Elektrifizierung des Verkehrs macht deutlich, warum ein effizientes BMS erforderlich ist, das maximale Leistung, sicheren Betrieb und eine optimale Lebensdauer unter verschiedenen Ladebedingungen gewährleistet. Genaue und präzise SoC/SoH-Schätzungen helfen bei der Bewertung der Zuverlässigkeit der Batterie und liefern gleichzeitig kritische Informationen über verbleibende Energie und verbleibende Nutzungszeit (RUL). KI-gestützte Vorhersagen sind weitaus präziser, und die Vorteile daraus fließen automatisch in die Entscheidungsfindung ein.

Übergang zu einer integrierten Leistungselektronik „One-Box“ für mehr Energieeffizienz und geringere BOM-Gemeinkosten

Millionen von Codezeilen werden die Fahrzeuge der Zukunft antreiben. Komplexe Komponenten, die von verschiedenen Akteuren stammen – OEMs, Tier1 und Tier2-Unternehmen, Software-Stack-Lieferanten und Halbleiterchip-Anbieter – werden das Batteriemanagementsystem, die Motorregelung des Antriebsumrichters, das Ladegerät und die VCU steuern. Ihre Integration und Validierung vor dem SoP (Standard Operating Procedure) wird immer wichtiger, da Herausforderungen wie die Realisierung einer optimalen Architektur, die Multi-Core-Optimierung, Hardware-Software-Kompatibilität, Konformität mit Autosar und funktionale Sicherheit (ISO 26262) immer mehr in den Vordergrund rücken.

Es ist ein Umdenken hin zu einem integrierten Konzept erforderlich

Bild 2 zeigt, wie verschiedene Branchenakteure Möglichkeiten zur Integration der Leistungselektronik in die EV-Komponenten erkunden, um die Gesamtenergieeffizienz zu verbessern und die Stücklistenkosten sowie die Schnittstellen zu den Lieferanten zu reduzieren. Bei den Hybrid- und EV-Antriebssträngen sind Batterie, DC/DC-Wandler, integriertes Ladegerät und Wechselrichter für den Antrieb in separaten Gehäusen untergebracht. Fortschritte in der analogen und eingebetteten Computertechnologie werden es den Entwicklern ermöglichen, all diese KomponentenAnzeige mit einem Domain Controller und einer Leistungsstufe zu integrieren, um die Effizienz und Zuverlässigkeit zu verbessern und gleichzeitig die Kosten zu senken und die Normen für funktionale Sicherheit zu erfüllen.

Eine solche Integration bedeutet auch, dass man tief in das Design eindringen muss, um überschüssiges Verpackungsmaterial zu eliminieren, bestimmte Hardware-Komponenten überflüssig zu machen und so Gewicht und Volumen des Systems zu verringern. Dadurch wird sichergestellt, dass EVs auch über lange Strecken mit einer vollen Ladung sehr effizient bleiben. Diese werden in dem bereits optimierten Raum platziert, um eine höhere Leistungsdichte zu erreichen. Abgesehen von den genannten Vorteilen löst eine integrierte Antriebsstrangarchitektur mit weniger reparaturanfälligen Teilen auch kritische Probleme der Sicherheit im Straßenverkehr und bietet so eine zuverlässige Alternative.

Faktoren, die für eine integrierte One-Box-Steuereinheit sprechen

• Schwerpunkt auf zentraler Architektur: Auch, wenn neue Fahrzeugarchitekturen entstehen, die sicherstellen, dass die Komplexität eines zukunftsfähigen Verkehrswesens beherrschbar bleibt, gibt es eine klare Verschiebung von der derzeitigen bereichsspezifischen E/E-Architektur hin zu bereichsübergreifenden, zentralisierten E/E-Architekturen. Dadurch würden einzelne Steuergeräte überflüssig, und es würden Zonensteuergeräte verwendet, um die Bordcomputer mit den eingebetteten Steuergeräten, Sensoren und Aktoren zu verbinden. Ein solches Design verringert die Komplexität des Systems, senkt die Kosten und erhöht gleichzeitig die Sicherheit. Durch die Zentralisierung der Datenströme können die zonalen Steuergeräte die Daten schneller, sicherer und effizienter an die angeschlossenen Bordcomputer und die Cloud übertragen.
• Gewährleistung der Einführung einer Multi-Core-Architektur mit effizienter Core-Partitionierung: Die Leistung eingebetteter Systeme ist eine entscheidende Herausforderung für EV-Komponenten, z.B. muss der Motor mit einer Frequenz von 15 KHz bei ASIL-D-konformer Software laufen. Die effiziente Nutzung mehrerer Kerne ist für die Einhaltung der funktionalen Sicherheit und die Erreichung des Leistungsziels unerlässlich. Darüber hinaus wird die Integration mehrerer EV-Komponenten in ein einziges Steuergerät die Leistungsanforderungen erhöhen. Die Zuteilung der Aufgaben auf mehrere Kerne erfordert eine sorgfältige Analyse, Systemdenken und Expertise.
• Erhöhte Einsparungen und Effizienz mit integrierter Leistungselektronik durch:

- effizientes mechanisches Einzelgehäuse
- preisgünstige Einzel-HV-Eingangsstecker und -Kabel
- gemeinsamer Kommunikationskanal,integrierte gemeinsame Magnete zur Senkung der BOM-Gemeinkosten
- modularer Ansatz bei der Leistungselektronik, um mehrere Funktionen der EV-Komponenten zu ermöglichen, z.B. gemeinsame H-Brückensteuerung, PFC-Steuerung etc.
- Optimierung ähnlicher Designs für Spannungsbereiche von 400 bis 800 V
- Gewährleistung der funktionalen Sicherheit durch besseres Design
- Verwendung einer gemeinsamen Cybersicherheitsstrategie für mehrere Komponenten und
- Verringerung des Validierungsaufwands für mehr Effizienz
 

• Aktualisierbare Architektur mit OTA: Damit E-Fahrzeuge während des Betriebs mit neuen Funktionen aktualisiert werden können, muss der Server im Fahrzeug mit einem bestimmten Puffer an Rechenleistung ausgestattet sein. Aktualisierbar Over-the-Air (OTA) ist hilfreich. Einer der fahrzeuginternen Server wird als zentrales Gateway für alle ein- und ausgehenden Daten fungieren und mittels Intrusion Detection und Überprüfung von Softwarezertifikaten für Sicherheit sorgen. Die sichere und koordinierte Übertragung und Installation von Software-Patches und Sicherheitsupdates bei gleichzeitiger Bereitstellung von Softwarediensten für Funktionen im Fahrzeug ist möglich.

EV-Analyse- und Datenmanagement-Plattformen rücken in den Vordergrund

Bei der Entwicklung der Fahrzeuge von morgen steht die Automobilindustrie vor verschiedenen Herausforderungen. Diese kann auch als Chancen verstanden werden, wenn die Möglichkeiten der Analytik genutzt werden, die einen großen Wettbewerbsvorteil bieten. Die Rentabilität lässt sich steigern, der Marktanteil erhöhen und die Risiken verringern, die Daten nutzen, um den Umsatz zu steigern und Kunden zu binden, statistische Modelle anwenden, Marktausgaben bestimmen, auf Schwachstellen konzentrieren und rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergreifen sowie die Effizienz, den Betrieb und die Leistung prognostizieren. In diesem Zusammenhang rücken heute EV-Analyse- und Datenmanagement-Plattformen in den Vordergrund.

Effizienz von EV-Komponenten erhöhen

Damit EVs auch über lange Strecken mit einer vollen Ladung sehr effizient bleiben, ist ein Umdenken hin zu einem integrierten Konzept erforderlich. Durch bereichsübergreifende, zentralisierte E/E-Architekturen würden einzelne Steuergeräte überflüssig. Zonensteuergeräte würden die Bordcomputer mit den eingebetteten Steuergeräten, Sensoren und Aktoren verbinden. Ein solches Design verringert die Komplexität des Systems, senkt die Kosten und erhöht gleichzeitig die Sicherheit.

KPIT hat eine intelligente, integrierte EV-Analyse- und Datenmanagement-Plattform mit Funktionen entwickelt, die es Herstellern vonAnzeige Elektrofahrzeugen ermöglichen, das Kundenerlebnis zu verbessern.

• einfache Benutzeroberfläche zum Suchen, Darstellen und Analysieren von Batteriedaten
• zeigt Charts, Plots und gibt Einblicke
• integriert die Daten der Testlabore in eine zentrale Serverfarm
• vorgefertigte batteriebezogene Analytik
• Anpassungen der Analytik
• erweitert die Integration von Test- und Feldfahrzeugdaten und Daten aus vernetzten Fahrzeugsystemen mit Blick auf zukünftige Anforderungen
• mobiltätsfreundliche UX für bestimmte Funktionen

Nutzung der Datenanalyseplattform zur Schätzung der RUL für Batterien

Ein wesentlicher Vorteil der Optimierung von Datenanalysefunktionen liegt in der genauen Schätzung der Restnutzungsdauer (RUL) von Batterien. Die Schätzung des Ladezustands und des Alterungszustands der Batterie bietet einen sehr guten Einblick in den Status der Batterie und der Energieleistung. KPIT hat einen hybriden Ansatz entwickelt, der auf intelligente Weise ein physikalisch basiertes Zellmodell mit datengesteuertem maschinellem Lernen kombiniert, um den SOC-Wert genau vorherzusagen. Der ermittelte SOC-Wert wird dann für eine genaue SOH-Vorhersage verwendet und weiter zur Vorhersage der verbleibenden Nutzungsdauer der Batterie. Die erfolgreiche Anbindung an ein selbst-lernendes neuronales Netz ermöglicht die verbleibende Nutzungsdauer (RUL) der Batterie vorherzusagen und als Bemessungsgrundlage für die Zyklen einzusetzen und so die Prognosefähigkeit zu verbessern.

Intelligente Ladelösungen

Der Traum von der Elektromobilität ist in hohem Maße von der Verfügbarkeit einer ausreichenden Ladeinfrastruktur abhängig. Fahrzeughersteller und Zulieferer müssen sicherstellen, dass die zukünftigen E-Fahrzeuge mit verschiedenen globalen/regionalen Ladestandards kompatibel sind, z.B. ISO/IEC 15118, GB/T 27930 und CHAdeMO usw. Die Verbraucher erwarten einfach zu bedienende Apps und Benachrichtigungen über die Reichweite von E-Fahrzeugen, die Verfügbarkeit der nächsten Ladestation, problemlose Zahlungen und ein Dashboard, das sie über den Zustand ihres Fahrzeugs informiert. Es ist ein ganzheitlicher Ansatz für das Laden erforderlich, der alle technischen Parameter des Fahrzeugs wie EVCC-Stack, Kommunikations-Gateway, robuste Ladesteuerungs-ECU berücksichtigt.Anzeige Der Ansatz sollte die Interaktionen des Fahrzeugs/Ladegeräts mit der Außenwelt berücksichtigen, um die nächstgelegene Ladestation zu finden, sowie vorausschauende Wartung ermöglichen, SOTA/FOTA und andere. KPIT bietet ein komplettes Paket von EVCC-Lösungen an, einschließlich gebrauchsfertiger Software-Stacks, Beschleuniger, Integration, umfassender Test-Suite, Cybersicherheit, Asset Management und Predictive-Maintenance-Plattform.

Die Zukunft gehört der Elektromobilität, das steht fest. Wie schnell diese Zukunft Realität werden wird, hängt davon ab, wie rasch sich die oben beschriebenen Technologien durchsetzen werden. Die Automobil- und Mobilitätsindustrie und das Ökosystem müssen sich miteinander verbinden, um eine grünere und sauberere Zukunft zu verwirklichen.

Autor

Nishant Tholiya ist Vice President & Business Leader bei KPIT Technologies.