"Wir wollen den elektrischen Stromverbrauch halbieren"

Wird mehr elektrische Leistung gefordert, steigt der Kraftstoffverbrauch. Elmar Frickenstein muss trotz der wachsenden Anzahl von elektrischen Verbrauchern und Funktionen im Auto für mehr Effizienz im Energiehaushalt sorgen. ATZelektronik diskutierte mit dem Bereichsleiter Elektrik/Elektronik und Fahrerlebnisplatz der BMW Group über zahlreiche Maßnahmen, die zur Halbierung des elektrischen Energieverbrauchs führen sollen.

In der klassischen Antriebsentwicklung wird um möglichst wenig Kraftstoffverbrauch gerungen. Gibt es in Ihrem Bereich der Elektrik/Elektronik auch eine Art "CO2-Team"?
Ja. Seit rund drei Jahren dockt sich unser Team, das alle elektrischen Stromverbräuche überwacht, an die CO2-Wächter in den anderen Domänen an. Wir nennen das Team "Electric Efficiency to Move". "To move" steht letzten Endes für Kraftstoffverbrauchsreduzierung bei konventionellen Fahrzeugen und Reichweitenoptimierung bei Elektrofahrzeugen.

Wie schlagkräftig ist die Truppe?
Wir arbeiten mit rund 60 Mitarbeitern in diesem Team. Zehn Wächter sind allein dafür abgestellt, die aus anderen Branchen vergleichbaren Energieplaketten zu vergeben. Jede elektrische Komponente, auch Sensoren und Aktuatoren, werden auf ihren Energieverbrauch hin untersucht und eingestuft.

Zu BMW würde passen, dass sich die Ingenieure einen Sport daraus machen.
Bei der Vergabe von Energieeffizienz-Labels entsteht durchaus eine Konkurrenz, wenn wir die Komponentenebene betrachten. Wenn auch komplexer und nicht immer eindeutig zuzuordnen, gilt das Ranking auch für die Vernetzung von Funktionen. Wer hat im Gesamtsystem am meisten Energie eingespart, bei gleichzeitiger Mehrung von Funktionen? Das ist die sportliche Frage.

Was können Sie in Anbetracht der zunehmenden Anzahl von elektrischen Verbrauchern überhaupt ausrichten, nur Schadensbegrenzung?
Ein Premiumfahrzeug benötigt etwa zwei Kilowatt elektrische Leistung. Dies führt zu einem Mehrverbrauch von zwei Liter Kraftstoff. Das ist unakzeptabel. Wir haben einen klaren Auftrag, diesen Wert über alle Fahrzeugklassen hinweg zu halbieren. Ein ehrgeiziges Ziel, dem wir uns stellen.

Dafür müssen Sie jedes Milliwatt einsammeln.
Und da kommt schon einiges zusammen, beispielsweise durch den Teilnetzbetrieb und das bedarfsgerechte Abschalten von Verbrauchern. Den Teilnetzbetrieb haben wir branchenweit in Deutschland standardisiert. Dafür haben wir OEM-übergreifend mit den Halbleiterherstellern nun die Spezifikationen geschrieben. Die final abgestimmten Spezifikationen gingen bereits an die Halbleiterfirmen, die uns die Chips dafür bauen. Wir sind dann in der Lage, Steuergeräte abzuschalten oder sie in einen Schlaf-Modus zu versetzen. Zukünftig werden wir auch CPUs von der Taktung herunterfahren oder bei einem Multicore den ein oder anderen Core im wahrsten Sinne des Wortes schlafen legen.

Den Stand-by-Betrieb kennen wir aus der Endgerätewelt. Die Energieverbräuche sind hier immer noch relativ hoch.
Vor allem für die Autoindustrie zu hoch. Wir benötigen noch effizientere und sparsamere Halbleiter, die über erweiterte Stand-by-Modi verfügen. Es ist auch unsere Aufgabe, ein Optimum bezüglich dem Energieverbrauch und den Systemaufstartzeiten zu finden, um die Kundenwertigkeit weiter zu steigern.

Allein nur die Milliwatt einzusammeln, genügt nicht. Welche Stellgrößen sehen Sie?
Ein Drittel der elektrischen Energie können wir durch die Optimierung von Konzepten erzielen. Das zweite Drittel ordnen wir intelligenten Betriebsstrategien zu, und das letzte Drittel entfällt auf die Reduzierung von Wärmeverluste.

Wo Wärme entsteht, muss gekühlt werden. Lässt sich die Wärmeenergie nicht nutzen?
Das ist ja nur die zweitbeste Lösung. Da, wo sich Wärme oder gar Hitze nicht vermeiden lassen, wie im Abgasstrang oder in der motor- und getriebenahen Leistungselektronik, müssen wir kühlen. An thermoelektrischen Systemen forschen wir sehr intensiv, um dort mehr Effizienz zu bekommen. Bei elektrischen Systemen bieten sich allerdings andere Möglichkeiten an. Intelligenter ist es hier, Wärmeentwicklungen von Beginn an zu vermeiden. Angesprochen haben wir die Wirkungsgraderhöhung von Komponenten oder das bedarfsgerechte Abschalten von Verbrauchern, die partiell nicht gebraucht werden. Einen großen Effekt erzielen wir beispielsweise durch die Substitution von LED-Licht durch Laserlicht. Laserlicht stellt, von der Energieausbeute her, derzeit das Effizienzoptimum dar.

Das Laserlicht ist ein visionäres Paradebeispiel. Kühlen müssen Sie aber immer noch, unter anderem im Bereich von Mulitmediasystemen.
In der Tat ist das ein Problem, das wir aber nur gemeinsam mit den Endgeräte-, Halbleiter- und Software-Herstellern lösen können. Sie nennen hier ein gutes Beispiel für das Zusammenwachsen zweier Branchen. Konsumentengeräte schalten bei 35 bis 40 Grad Celsius ab. Also müssen wir solche vom Kunden eingebrachte Consumer-Geräte für die Sicherstellung einer vollen Funktionsfähigkeit kühlen, da im Cockpit 70 Grad Celsius und mehr herrschen können. Es gilt, gemeinsam mit den Lieferanten an effizienten Lösungen zu arbeiten, um den Stromverbrauch der im Fahrzeug integrierten Multimedia-Geräte noch drastischer zu senken. Oder gar zusätzlich wärmeintensive Rechner/Grafik-Leistung aus dem Auto in die Cloud zu verlagern.

Inwieweit hilft das Zweispannungsbordnetz 12/48-Volt bei der CO2-Einsparung? Es wird ja, isoliert für die Elektrik/Elektronik betrachtet, mehr Energie benötigt.
Hier muss jeder OEM neu rechnen. Derzeit wird das neue Energienetz 48 Volt immer noch kontrovers diskutiert. Wir brauchen es aber notgedrungen. Denn sobald Hochleistungsrekuperation, elektrisches Kriechen und neue Hochleistungsfunktionen zu implementieren sind, ist das 12-Volt-Bordnetz überfordert. Darüber hinaus können Hochleistungsverbraucher, die im heutigen 12-Volt-Bordnetz wegen hoher Stromstärken grenzwertig sind, bei 48 V mit deutlich höherer Effizienz gestaltet werden. Die Branche hat sich auf Standards für 48 V geeinigt, nun geht es um den Roll-out. Mit dem neuen 7er wird BMW 48 Volt konsequent in die Serie bringen, zunächst werden Hochstromverbraucher angeschlossen. Sukzessive folgen 12-Volt-Verbraucher.

Welche neuen Aufgaben stellen sich Ihnen mit 48 Volt?
Offene Fragestellungen sehe ich bei Kabeln und Steckern, bei der Vermeidung von Lichtbögen und bei der elektromagnetischen Verträglichkeit. Das alles ist kein Hexenwerk. Doch wenn Sie vergleichen - wir sind seit über 40 Jahren mit 12 Volt unterwegs - dann sind es nun einfach neue Herausforderungen, denen wir begegnen.

Das Transformieren von Spannungen erzeugt elektrische und thermische Verluste. Das bedeutet, dass den weiter im Fahrzeug verbleibenden Verbrauchern, wie 2,6-Volt-Mikroprozessoren und weitere 2,8-, 5-Volt- und 8-Volt-S ystemen, die Energieplaketten dann wieder aberkannt werden.
Manchen Tod muss man sterben. Alle Verbraucher werden dann neu eingestuft. Sicher fahren wir in Teilbereichen Verluste ein. Dennoch ist entscheidend, welchen Effizienzgewinn das Gesamtfahrzeug erlangt. Und hier sind wir wieder bei der Vernetzung unser CO2-Wächter der verschiedenen Domänen. Alles in allem ist der Erfolg von 48 Volt und eine Migration weg von den 12-Volt-Systemen davon abhängig, wie schnell sich die Hybridisierung und Elektrifizierung des Antriebsstrangs durchsetzt.

2020 wird es möglicherweise keine Glühlampen mehr geben. 12 Volt ebenfalls?
Hier mache ich mal ein großes Fragezeichen.

Herr Frickenstein, herzlichen Dank für das im wahrsten Sinne spannungsvolle und interessante Gespräch.

(Foto: Matthias Haslauer)

Autor(en): Markus Schöttle

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