"Die klassischen Anwendungen sind Rekuperation und Schnellheizen"

Die Alcoa Fujikura GmbH (AFL) hat ein System entwickelt, das die Limitierung bisheriger Bordnetze durchbricht. Im Unterschied zu bislang vorgestellten Hybridsystemen mit starren 42/14-Volt-Bordnetzen ermöglicht die von AFL entwickelte Mikrohybridlösung eine höhere Bordspannung zu überschaubaren Kosten. Die ATZ elektronik sprach mit Helmut Ollhäuser, General Manager der Electronic Division bei AFL Europe, über die Vorteile des Systems.

Herr Ollhäuser, wie funktioniert das variable Bordnetz?
Ollhäuser Im Prinzip koppeln wir die Stromerzeugung im Fahrzeug vom reinen 12-V-Standardbordnetz ab und schalten eine Kontrollkomponente zwischen die Erzeugung und das Standardbordnetz. Diese Kontrollkomponente ist dazu in der Lage, die höheren Spannungen zu verarbeiten. Es handelt sich also nicht um ein Zweispannungsbordnetz, sondern um eine zwischengeschaltete Komponente, die auf der Standard-Bordnetzseite die 12 bis 14,5 V stabilisiert und auf der anderen Seite zum Generator hin maximal 42 V zur Verfügung stellt. Das konventionelle Bordnetz wird bei diesem Konzept nicht angetastet.

Was passiert im System, wenn ein Verbraucher zum Beispiel 40 V anfordert?
Ollhäuser Die Information, dass dieser Verbraucher 40 V benötigt, kommt über den CAN-Bus an unsere Regelkomponente. Daraufhin wird die am Generator anstehende 12-V-Spannung über einen bestimmten Zeitraum auf 40 V hochgefahren, der Verbraucher wird aber schon auf 12-V-Seite zugeschaltet, damit bei 40 V keine Schaltvorgänge stattfinden müssen. Sobald der Verbraucher seine Aufgabe erledigt hat, wird die Spannung wieder heruntergefahren, er läuft dann wieder auf 12 V oder wird ganz abgeschaltet, weil er nur transient benötigt wurde. Der Generator hat bei diesem Konzept keine Beschränkung mehr auf 14,5 V, sondern stellt das Spannungsniveau ein, das wir vorgeben.

Wie lange lässt sich das hohe Spannungsniveau halten?
Ollhäuser Die Verlustleistung der Komponente ist heute reduziert auf 2,2 kW, die man bis zu einem bestimmten Temperaturniveau aufrecht erhalten kann. Bei 120 °C beträgt die Verlustleistung noch 100 W, so dass man ein hohes Spannungsniveau nur für einige Sekunden einstellen kann, was für Anwendungen wie das regenerative Bremsen nicht viel bringt. Im normalen Betriebszustand liegen allerdings nur etwa
80 °C an. Tatsächlich können jedoch transiente Hochleistungsverbraucher ohnehin nicht aus dem Generator oder der Batterie leben, sondern brauchen immer einen transienten Energiespeicher, aus dem sie sich bedienen können. Die eigentliche Aufgabe ist deshalb, diesen Speicher für die jeweilige Anforderung gefüllt zu halten.

Was sind typische Anwendungen für das System?
Ollhäuser Es gibt zwei klassische Einsatzfälle, die bald im Markt sein werden. Das eine ist die Rekuperation, das zweite die Funktion Schnellheizen.
Bei der Rekuperation, also dem regenerativen Bremsen, laden wir in Schubphasen mit der hohen Spannung einen Doppelschichtkondensator. Diesen Speicher kann man dann über einen DC-DC-Wandler leeren und im Bordnetz zur Verfügung stellen, ohne in dieser Zeit auf den Generator zugreifen zu müssen. Hier entspricht 1 kW Energie, die nicht erzeugt werden muss, im Falle von Benzin einer Kraftstoffeinsparung von etwa 100 ml. In der Praxis erreichen wir so Ersparnisse von 300 bis 500 ml.
Beim Schnellheizen wird die Verlustleistung in das Kühlwasser abgegeben, wodurch der Motor deutlich schneller aufheizt. Man kann aber auch mit PTC-Heizelementen im Fahrgastraum zusätzliche Heizleistung erzeugen. Praktisch bringen wir so bis zu 4 kW zusätzlicher Heizleistung in den Innenraum. Das entspricht einem heutigen Kraftstoffzuheizer.
Darüber hinaus sind viele Anwendungen denkbar, zum Beispiel das elektrisch unterstützte Lenken oder die aktive Fahrwerksunterstützung, bei der transient sehr hohe Ströme benötigt werden. Außerdem arbeiten wir mit Borg-Warner an einem E-Booster, also einen elektrisch unterstützten Lader. Darüber hinaus gibt es eine ganze Reihe von Ideen, die aber eher langfristige Szenarien sind.

Umfasst ihr Konzept auch einen Boost-Betrieb mit Supercaps?
Ollhäuser Wir treiben sozusagen indirekt an. Bei Leerlaufdrehzahl stehen zum Beispiel bei einem Dieselmotor 100 Nm zur Verfügung. Wenn man nun in einer Beschleunigungsphase den Generator über die Supercaps komplett entlastet, gewinnt man bis zu 12 Nm, das entspricht rund 10 % Boost. Wir treiben also nicht mit einer aktiven Komponente im Antriebsstrang an, sondern stellen das zusätzliche Drehmoment durch Entlastung des Antriebs zu Verfügung - das ist der so genannte passive Boost.

Supercaps sind teuer. Sind auch andere Energiespeicher vorstellbar?
Ollhäuser Wenn Sie die Energiedichte aller derzeit verfügbaren Speicher betrachten, kommen die Bleibatterie infrage, die Li-Ion- oder NiMH-Batterie und der Doppelschichtkondensator. Die Bleibatterie ist hinsichtlich des Energieumsatzes miserabel, Li-Ion-Batterien sind recht gut aber genauso teuer und haben nicht die hohe transiente Transferleistung, genauso wie NiMH. Alle drei sind jedoch für Rekuperation letztlich ungeeignet, denn sie können unter 0 °C nicht mehr effizient geladen werden. Die transienten Durchsätze des Doppelschichtkondensators sind dagegen nicht abhängig von der Temperatur, nur er kann die Energie schnell aufnehmen und auch wieder abgeben. Die Preise entwickeln sich zurzeit von einem Nischenprodukt zu einer Massenanwendung. Ein Automotive-taugliches Preisniveau ist zwar noch nicht erreicht, aber in einem überschaubaren Zeitraum möglich.

In welchen Fahrzeugsegmenten sehen Sie das System?
Ollhäuser Mittelfristig in der Mittelklasse, darüber eher weniger, weil dort konkurrierende Systeme wie ein Startergenerator mehr Sinn machen. Nehmen Sie zum Beispiel eine S-Klasse, dort macht der Einbau eines Startergenerators weder hinsichtlich Packaging noch bei den Preisen große Probleme, und beim Startergenerator bekommt man die Rekuperation geschenkt.

Welche Einschränkungen gibt es aus Sicht der OEMs?
Ollhäuser Zunächst einmal natürlich die Kosten, zumal europäische OEMs da im Moment sensibel sind. Darüber hinaus gibt es Packaging-Einschränkungen; die Komponente muss motorraumnah platziert werden, um die Verkabelung und die Anbindung an den Kühlkreislauf sicherzustellen. Diese Einschränkungen werden aber durch die zusätzlich verfügbare Energie weit überkompensiert. Wir sind mittlerweile mit fast allen OEMs in Gespräch und derzeit bereits mit rund zehn Fahrzeugen im Testbetrieb. Was bereits fest steht, ist eine Serienrealisierung im Audi A4 ab 2008.

Wann können Sie einen Kostenvorteil für den Endkunden darstellen?
Ollhäuser Das können wir bereits heute. Bei konservativer Berechnung, was Kraftstoffpreise etc. angeht, erreichen wir bei etwa 300.000 km einen Kostenvorteil. Das ist vor allem für den Flottenbetrieb, auch im Taxibetrieb, ein realer Vorteil. Noch interessanter ist, was sich aus der ACEA-Selbstverpflichtung ergibt, weil ein Volumenhersteller, dem das untere Segment fehlt, unter Umständen Strafen bei Nichteinhaltung zahlen muss. In diesem Fall macht sich unser System für jedes einzelne Fahrzeug bezahlt. Wenn sich die Preise einzelner Komponenten so positiv entwickeln, wie wir das erwarten, wird sich 2010 die Frage nach den Kosten nicht mehr stellen.

Herr Ollhäuser, herzlichen Dank für das Gespräch.

Autor(en): Genot Goppelt

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