ELEKTRONIK + SOFTWARE
ELEKTRONIK + SOFTWARE Schwerpunktthema Bedarfsgerecht geregelt, sparsamer unterwegs Modular einsetzbare Leistungselektronik macht Nutzfahrzeuge effizienter Die Produktfamilie Mobile wurde speziell für den rauen Einsatz in Lkws oder Bussen ausgelegt und nach den Anforderungen des Automotive-Marktes qualifiziert Treibstoffverbrauch mit weniger Emissionen und bessere Fahrleistung. Die Mechanismen hinter dieser Technologie sind bereits seit Jahren im Maschinen- und Anlagenbau etabliert. Der Motor von Nutzfahrzeugen überträgt seine Leistung nicht nur über das Getriebe auf die Straße, auch die Nebenaggregate wie Wasserpumpe und Klimakompressor benötigen einen nicht unerheblichen Anteil der erzeugten Pferdestärken. Werden diese jedoch elektrisch betrieben und nur bei Bedarf aktiviert, können Kraftstoffverbrauch, Abgasausstoß und Lärm reduziert werden. Ob Braunschweig, Mannheim, Stuttgart oder Hamburg – in immer mehr Großstädten in Deutschland testen Entsorger, Stadtwerke und Transportunternehmen Lkw, Busse und mobile Maschinen mit Hybrid- oder Elektroantrieben. Der Autor: Jonas Schuster, Leiter Vertrieb und Marketing, Lenze Schmidhauser, Romanshorn, Schweiz Die Erwartung ist dabei, die Kosten für den Betrieb der Fahrzeugflotten zu reduzieren und gleichzeitig Anwohner, Besucher und die Umwelt vor Abgas- und Lärmemissionen zu schützen. Die von den Herstellern angegebene Kraftstoffeinsparung eines Hybridfahrzeugs gegenüber dem konventionell angetriebenen Pendant lässt sich deutlich besser erreichen, wenn konsequent auch die Nebenaggregate elektrifiziert und vor allem bedarfsgerecht angesteuert werden. Denn in Summe kommt auch da einiges zusammen: 5 bis 10 kW für die Lenkhilfepumpe, nochmal 5 bis 30 kW für die Klimaanlage, rund 15 kW für Luftdruck, die bis zu 10 kW für das Bordnetz nicht zu vergessen. Je nach Umfang und Ausstattung kann der Leistungsbedarf von Nebenaggregaten in Nutzfahrzeugen wie Lkws und vor allem Stadtbussen durchaus 60 bis 80 kW betragen. Dieses entspricht in der Spitze immerhin 110 PS, die vom Dieselmotor aufzubringen sind – aber nicht als eigentlich gewünschte Leistung den Asphalt erreichen. Werden Nebenaggregate hingegen bedarfsgerecht elektrisch angetrieben, lässt sich der skizzierte Energiebedarf nicht selten halbieren. Daraus resultieren zwei Vorteile: sinkender Nur die Energie abrufen, die gerade benötigt wird Bedarfsgerecht ansteuern heißt, dass Nebenaggregate wie Klimakompressor, Lenkhilfepumpe oder Druckluftkompressor nur dann betrieben werden, wenn sie auch erforderlich sind. Das bedeutet nicht nur, dass sie zum richtigen Zeitpunkt ein- und ausgeschaltet werden müssen, sondern auch, dass die Drehzahl an die tatsächlich benötigte Leistung angepasst wird. So lassen sich die Leistungsaufnahme und damit der Kraftstoffverbrauch deutlich senken, indem die Kühlmittelpumpe zum Beispiel erst dann zugeschaltet wird, wenn der Motor warm ist beziehungsweise der Durchfluss entsprechend der Motortemperatur geregelt wird. Als angenehmer Nebeneffekt erhöhen sich zudem die Dynamik und das Ansprechverhalten des Fahrzeugs spürbar, weil das Hochdrehen der Kurbelwelle beim Beschleunigen nicht mehr – wie bei konventionellen Fahrzeugen – durch die mitlaufenden Nebenaggregate gehemmt wird. Teilaufgaben elektrisch erledigen „Angesicht dieser Vorteile sehen wir neue Einsatzmöglichkeiten für elektrische Antriebssteuerungen und dringen dabei immer mehr in 22 AutomobilKonstruktion 1/2015
einen Markt vor, der bei den Nutzfahrzeugen eigentlich vom Verbrennungsmotor dominiert wird“, sagt Frank Meier, Vorstand Technologie und Entwicklung der Lenze SE. Auf der letztjährigen IAA in Hannover hat das Unternehmen gezeigt, dass sich immer mehr Teilaufgaben auch von elektrischen Systemen erledigen lassen. Lenkhilfepumpen, Traktionsantriebe, Klimaanlagen und Bordnetzversorgung sind nur vier Beispiele. Flexibel einsetzbare und anpassungsfähige Systeme sind gerade deshalb notwendig, um die anteiligen Entwicklungskosten pro Fahrzeug zu begrenzen. Hintergrund: Im Gegensatz zum Auto agiert der Nutzfahrzeugmarkt mit deutlich niedrigeren Verkaufszahlen. Flexibilität gefragt Da diese elelektrisch oder rein elektrisch angetriebenen Nutzfahrzeuge meist aber noch Prototypen- oder Kleinseriencharakter haben, sind bei der notwendigen Leistungselektronik modulare und flexibel einsetzbare Produktbaukästen gefragt. Lenze Schmidhauser bietet mit Mobile einen solchen Produktbaukasten aus speziell für den mobilen Einsatz konzipierten Doppel-Umrichtern, DC/DC-Wandlern sowie verschiedenen Kombimodulen. Dank deren Skalier- und Kombinierbarkeit lassen sich mit nur einer Plattform unterschiedliche Applikationen adressieren. Denn die Anzahl, Ausführung und Anordnung der Nebenaggregate unterscheidet sich je nach Fahrzeugtyp und Antriebsarchitektur des Nutzfahrzeugs mehr oder weniger deutlich. Darüber hinaus kommt es gerade bei Versuchsfahrzeugen zu häufigen Modifikationen oder schrittweisen Weiterentwicklungen. Die Konstrukteure benötigen daher für das Energiemanagement und die Ansteuerung von Nebenaggregaten eine Lösung, mit der sie schnell auf sich ändernde technische Rahmenbedingungen sowie Rückmeldungen aus dem Praxisbetrieb und neue Markttrends reagieren können. Robuster Baukasten Die Geräte des Mobile-Baukastens werden nach ECE R10 zertifiziert und erfüllen die im Nutzfahrzeugbau geforderten Qualitätsstandards sowie Anforderungen an die spezifischen Nutzungsprofile. Die flüssigkeitsgekühlten (Wasser/Glykol) Geräte zeichnen sich durch Temperaturbeständigkeit und Vibrationsfestigkeit sowie eine hohe Schutzart (IP6K9K) aus. Der Produktbaukasten umfasst derzeit mehrere Doppelumrichter (DCU), verschiedene DC/ DC-Wandler (PSU) und entsprechende Kombimodule. Diese sind zugeschnitten für hybride Antriebskonzepte (Hybrid Electric Vehicle/ HEV) sowie rein elektrische Lösungen und/ oder Plug-in Electric Vehicle (PEV). Die Doppel - umrichter sind jeweils mit zwei Motor- bzw. Generatorausgängen im Leistungsbereich von 7,5 bis 60 kW ausgestattet. Sie arbeiten direkt an einem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis (bis zu 800 V), an dem auch alle anderen Hochvoltkomponenten des Fahrzeugs, wie der Traktionsumrichter oder eine Batterie, betrieben werden. Zwei integrierte Resolvereingänge erlauben es, mit den Umrichtern eine präzise Regelung aufzubauen. Die Umrichter können für die Ansteuerung von Synchron- und Asynchronmotoren (dreiphasig, mit oder ohne Dank der Skalierbarkeit und Kombinierbarkeit der Mehrfachumrichter und DC/DC-Wandler lassen sich mit nur einer Plattform unterschiedliche Applikationen adressieren Die Produktfamilie Mobile von Lenze Schmidhauser für den Einsatz im Nutzfahrzeug Bilder: Lenze Geber) eingesetzt werden. Sie können damit sowohl Nebenaggregate wie auch kleinere Hauptantriebe in U/f- oder Vektor-Betriebsart ansteuern. Vielseitige Module Als Gleichspannungswandler stehen verschiedene Varianten von ca. 2 kW- bis zu 5,6 kW- Leistung mit 14- oder 28 V-DC-Ausgang (Imax bis zu 200 A) zur Verfügung. Die Wandler ermöglichen damit den Aufbau eines Bordnetzes bzw. können als Ersatz für die Lichtmaschine dienen. Mehrere Kombimodule vereinen jeweils z. B. einen 200 A – DC/DC-Wandler und einen Einzelumrichter in einem Modul. Alle Module sind in einem einheitlichen Gehäuse mit identischem Aufbau untergebracht und lassen sich mit dem Ziel einer hohen Integrationsdichte platzsparend stapeln. Die Anschlüsse der Module sind durch eine Abdeckung vor Strahlwasser geschützt. Für die Einbindung in das Fahrzeugmanagement verfügen die Module über ein CANopen- und eine J1939-Schnittstelle. Es bestehen zudem am Modul Anschlussmöglichkeiten für eine breite Palette an Sensoren, etwa Temperaturfühler, digitale I/Os oder Drehgeber. Zusätzlich haben die Module eine UDS-Fähigkeit (Unified Diagnostic Services) und können so in das Fahrzeugsystem integriert werden. Damit wird der Weg für durchgängige Diagnosekonzepte frei. Entwickler können damit Systemoptimierungen und Wartungsarbeiten einfacher und zielgerichteter durchführen. Die Mobile-Produkte sind mit zwei unabhängigen Controllern ausgestattet, welche einerseits die Motorsteuerung vornehmen und andererseits die Kommunikation mit der Fahrzeugsteuerung ermöglichen. Lenze SE Tel.: +41 71 4661188 jonas.schuster@lenze-schmidhauser.ch 1/2015 AutomobilKonstruktion 23
