6. Mai 2020
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Archiv des Autors: Timo Heinrichs
"Zero-Impact"
„Zero Impact“– Verbrennungsmotor
„Zero Impact“– Verbrennungsmotor
Es ist damit zu rechnen, dass die gesetzlichen Vorgaben für Emissionen im Zuge von Euro 7 weiter verschärft werden. FEV geht davon aus, dass die nächste europäische Abgasnorm insbesondere die folgenden Herausforderungen mit sich bringen wird:
- Allgemeine Senkung der Grenzwerte für gasförmige Emissionen CO: 500 mg/km . HC: 50 mg/km . NOX: 35 mg/km
- Verbot von Betriebsstrategien, die hohe Emissionen verursachen können
- Aufnahme von Grenzwerten für weitere Emissionskomponenten in die Messungen auf dem Abgasrollenprüfstand
- Erweiterung der RDE-Vorschriften um weitere Emissionsbestandteile und kurze Fahrstrecken
FEV hat untersucht, wie letztlich sogar ein Verbrennungsmotor mit „Zero Impact“ erreicht werden könnte,
der weniger Emissionen verursacht, als in der Umgebungsluft vorhanden sind. Konkret wurden die folgenden Zielwerte festgelegt:
- Emissionen im WLTC NOX: 40 µg/m³ (entspricht etwa 0,03 mg/km) Partikel (PM 2,5): 25 µg/m³ (entspricht etwa 0,02 mg/km)
Im Verhältnis zu den in der aktuellen Euronorm 6d vorgeschriebenen Werten entspricht dies einer Reduktion der NOX-Emissionen um 99,9 Prozent und der Feinstaubemissionen um 99,2 Prozent.
Entwicklungsmethodiken
FEV hat umfangreiche patentierte bzw. zum Patent angemeldete Entwicklungsmethoden für die Bereiche Simulation, Prüfung und Alterung emissionsrelevanter Komponenten ausgearbeitet, mit denen bereits in einer frühen Phase der Entwicklung eine hohe Robustheit und Vorhersagegenauigkeit erreicht werden kann.
Simulation der RDE-Emissionen und Bestimmung von Worst-Case-Zyklen
Die Emissionssimulation bildet bei FEV eine der tragenden Säulen des „Frontloading“ in der Entwicklung. Diese modulare Simulationsumgebung von FEV, die erstmals auf dem Wiener Motorensymposium 2016 vorgestellt und seither weiterentwickelt wurde, beruht auf der Softwareumgebung GT Suite und ist heute ein grundlegender Bestandteil der Entwicklungsaktivitäten von FEV. Die Rohemissionen des Motors werden auf der Grundlage stationärer und transienter Messdaten vom Motor- und Rollenprüfstand modelliert. Die Simulationsmodelle für die Abgasnachbehandlung beruhen auf einem kennfeldbasierten Ansatz. Eine Diskretisierung der Katalysatormonolithen erlaubt jedoch auch eine genaue Modellierung des Aufwärmverhaltens, bei dem es darum geht, individuelle temperaturabhängige Umsetzungsraten zu berücksichtigen. Abbildung 1 beschreibt alle relevanten Variablen, die in die Berechnung der Umsetzung mit einfließen.
Um alle Emissionsgrenzwerte unter RDE-Bedingungen zuverlässig einhalten zu können, ist es wichtig zu wissen, welche fahrzeug- und antriebsstrangspezifischen Zyklen die meisten Emissionen verursachen. FEV hat eine Abstraktion von solchen real auftretenden Fahrzuständen vorgenommen und daraus eine übersichtliche Anzahl von Parametern abgeleitet. Mithilfe dieser Parameterbildung können Techniken des maschinellen Lernens auf der Grundlage einer Analyse von einigen hundert simulierten Zyklen die Worst-Case-RDE-Zyklen herausfiltern. Diese Methodik wurde inzwischen in zahlreichen Entwicklungsprojekten erfolgreich angewendet.
Charakterisierung des Katalysators und des Benzinpartikelfilters
Im Zuge der Entwicklung der RDE-Emissionssimulationsmethodik von FEV wurde festgestellt, dass Katalysatoren anfänglich kaum mit der hinreichenden Genauigkeit modelliert werden konnten. Grund dafür sind die meist nicht ausreichenden Messdaten, die von den Katalysatorherstellern und OEMs zur Verfügung gestellt werden. Um jedoch die Emissionen unter den RDE-Randbedingungen präzise vorhersagen zu können, ist es wichtig, die Umsetzungsrate bei den höchsten Raumgeschwindigkeiten und über einen breiten Temperaturbereich zu kennen. FEV hat deshalb eigenes Equipment entwickelt, mit denen das Verhalten von Katalysatoren unter genau diesen Bedingungen charakterisiert werden kann. Das in Abbildung 2 dargestellte System wurde für Abgasmassenströme bis hin zu denen eines V12 Turbo-Motors konzipiert und geprüft. Es dient der Messung des Umsetzungswirkungsgrads im kompletten real auftretenden Betriebsbereich, also insbesondere auch bei großen Massenströmen und kalten Temperaturen, wie sie unter einer Volllastbeschleunigung kurz nach dem Motorstart auftreten.
Alterung des Katalysators und des Partikelfilters
FEV hat eine Methode zur schnellen Alterung von Katalysatoren und Partikelfiltern (Gasoline Particle Filter, GPF) entwickelt. Zur Alterung des GPF wurde der Brennerprüfstand so modifiziert, dass mittels Ölverbrennung Asche erzeugt wird. Verschiedene Methoden wurden evaluiert, die Wahl fiel schließlich auf die Öleinspritzung. FEV hat ein Zyklus- und Öldosierungsverfahren erarbeitet, das die Alterungsmerkmale nachbildet, die bei Fahrzeugdauerläufen zu beobachten sind.
Abgasnachbehandlungskonzept für Zero-Impact-Emissionen
Das Abgasnachbehandlungskonzept, mit dem das Ziel der Zero-Impact-Emissionen erreicht werden soll, setzt sich aus fünf Bausteinen zusammen:
- Optimierung der NOX-Rohemissionen während des Katalysator-Heizens
- Eine Abgasnachbehandlung, die direkt nach dem Motorstart einsatzbereit ist
- Adsorption der HC-Emissionen
- Vergrößerung des Gesamtvolumens der Katalysatoren
- GPF mit verbessertem Wirkungsgrad
Die einzelnen Bausteine werden im Folgenden näher erläutert.
NOX-optimiertes Katalysator-Heizen
Die NOX-Rohemissionen können optimiert werden, indem die Kalibrierung des Katalysator-Heizens angepasst wird. Bei den üblichen stark nach spät verstellten Zündzeitpunkten wird viel Kraftstoff benötigt, um einen indizierten mittleren Druck (indicated mean effective pressure, IMEP) zu erzeugen, der dem mittleren Reibungsdruck (friction mean effective preassure, FMEP) entspricht. Dies hat eine Entdrosselung und eine niedrigere Rate der internen Abgasrückführung zur Folge. Die Spitzentemperatur im Zylinder steigt und behält über längere Zeit dieses hohe Niveau. In der Folge nehmen die NOX-Emissionen zu. Der Zündzeitpunkt wäre im Zuge der Optimierung der Kalibrierung des Katalysator-Heizens demnach nur leicht nach spät zu verstellen, um die NOX-Emissionen deutlich zu senken. Dies führt wiederum zu einem Anstieg der HC-Rohemissionen, dem durch zusätzliche Maßnahmen entgegengewirkt werden muss.
Elektrisch beheizte Katalysatoren
Stromaufwärts des Hauptkatalysators werden zwei elektrisch beheizte Katalysatoren angeordnet (4 kW je Scheibe, insgesamt 8 kW). Das metallische Substrat wird schnell heiß und erreicht binnen weniger Sekunden die Light-Off-Temperatur. Wenn nach dem Motorstart jedoch kaltes Abgas über die elektrisch beheizten Katalysatoren strömt, sinkt deren Temperatur unter das für einen hinreichenden Umsetzungswirkungsgrad benötigte Niveau. Deshalb wird vor dem Motorstart mit einer Sekundärluftpumpe Luft über die elektrisch beheizten Katalysatoren geführt, um auch den Hauptkatalysator zu beheizen. In Abbildung 4 ist der Erwärmungsvorgang des finalen Systems dargestellt. Die konvektive Wärmeübertragung ist in der unteren Hälfte des Diagramms deutlich zu erkennen. Sobald der Motor gestartet wird, führt der stärkere Abgasmassenstrom zu einer noch besseren konvektiven Wärmeübertragung, zugleich jedoch auch zu einem Abfall der Temperaturen.
Die Emissionswerte lassen sich noch weiter optimieren, indem sichergestellt wird, dass in dem Katalysatorsystem eine hohe Temperatur gehalten wird. In einem Hybridantriebsstrang kann hierfür neben der Reaktivierung der elektrisch beheizten Katalysatoren auch die Hybrid-Betriebsstrategie optimiert werden.
Adsorption der Emissionen vor dem Light-Off des Katalysators
Die Adsorption von Emissionen lässt sich unter anderem mit entsprechenden Beschichtungen realisieren. Um eine hohe Adsorptionseffizienz zu erreichen, sind niedrige Temperaturen erforderlich. Dem kommen die geringen Temperaturen des einströmenden Abgases infolge der früheren Zündzeitpunkte während des Katalysator-Heizens entgegen. Es wird ein Metallsubstrat verwendet, da sich mit diesem eine hohe Wärmeträgheit und somit ein geringer Temperaturanstieg in den ersten Sekunden des Motorbetriebs sowie eine gleichmäßige Verteilung des sekundären Luftmassenstroms auf der Eintrittsseite des elektrisch beheizten Katalysators erzielen lassen. Da die Grenztemperatur des Adsorptionskatalysators bei 850 °C liegt, kann das Abgasnachbehandlungssystem nicht motornah angeordnet werden, was im Hinblick auf die thermische Alterung durchaus vorteilhaft ist. In Abbildung 5 ist ein Vergleich der Katalysatorerwärmung mit und ohne HC-Adsorption dargestellt (hier stromabwärts des Katalysators). In Abgasnachbehandlungssystemen, in denen der Katalysator mit einem Brenner anstatt mit elektrisch beheizten Katalysatoren vorgewärmt werden soll, könnte es sinnvoll sein, die Emissionen des Brenners mithilfe eines kleinen Aktivkohlefilters stromabwärts des Katalysators zu adsorbieren.
Vergrößerung des Katalysatorvolumens
Das Katalysatorvolumen wird vergrößert, und zwar um 30 Prozent im Verhältnis zur Euro 6d TEMP Ausgangsbasis, in der bereits ein größeres Katalysatorvolumen angesetzt wird als in Euro 6b/c Systemen. Das Volumen der elektrisch beheizten Katalysatoren ist in diesem Volumen enthalten. In der Folge wird die Raumgeschwindigkeit (RG) bei Nennleistung auf Werte abgesenkt, bei denen auch im gealterten Zustand ein hoher Umsetzungswirkungsgrad aufrechterhalten werden kann.
GPF mit verbessertem Abscheidegrad
Sehr gute Euro-6c- und Euro-6d-TEMP-Motoren ohne GPF erreichen bereits jetzt im WLTC Partikelemissionswerte von nur 0,12?–?0,28 mg/km. Im Hinblick auf den Zero-Impact-Zielwert von 25 µg/m³ (ca. 0,02 mg/km) bedeutet dies, dass die Partikelemissionen um weitere 83?–?93 Prozent gesenkt werden müssen. Dies lässt sich mit einem GPF der zweiten Generation erreichen.
Endergebnisse und Ausblick
Das vorgestellte Abgasnachbehandlungssystem wird mit einem 2,0-l-4-Zyl.-GDI-Motor in einer Plug-In-Hybrid-Konfiguration abschließend evaluiert. Der finale Aufbau des Abgasnachbehandlungssystems ist in Abbildung 6 dargestellt.
Es wurden umfangreiche DoE(Design of Experiment)-Untersuchungen durchgeführt, um das Ziel eines Zero-Impact-Emissionspegels zu erreichen und die Auswirkungen des elektrischen Vorheizens des Katalysators auf den Kraftstoffverbrauch dabei so gering wie möglich zu halten. Abbildung 7 beschreibt den Zusammenhang zwischen der für das elektrische Heizen genutzten Energie und den resultierenden gasförmigen Emissionen. Die gültigen Punkte erreichen das Zero-Impact-Ziel von weniger als 40 µg/m³ NOX-Emissionen sowie einen ausgeglichenen Batterieladezustand am Ende des Zyklus. Das Optimum zum Erreichen des Zero-Impact-Ziels bei bestmöglichem Kraftstoffverbrauch liegt knapp unterhalb von 0,4 kWh. Die HC- und CO-Emissionen bleiben deutlich unter den von FEV erwarteten Euro-7-Grenzwerten, sinken jedoch konzeptbedingt nicht so drastisch wie die NOX-Emissionen.
Die Gesamtergebnisse der optimalen Betriebsstrategie sind in Abbildung 8 dargestellt. Die kaum noch zu erkennenden, verbleibenden NOX-Emissionen entfallen zum größten Teil auf die ersten Sekunden nach dem Motorstart. Der Sauerstoffspeicher des Katalysators ist zu diesem Zeitpunkt vollständig gefüllt und der Katalysator muss zunächst mittels unterstöchiometrischem Motorbetrieb gespült werden, bevor der komplette NOX-Umsetzungswirkungsgrad erreicht werden kann. Im weiteren Verlauf des WLTC tritt nur minimaler NOX-Emissionsschlupf auf. Die elektrisch beheizten Katalysatoren werden während des Zyklus für kurze Zeitabschnitte reaktiviert, um sicherzustellen, dass die Temperaturen durchgängig auf einem ausreichend hohen Niveau verbleiben. Der Kraftstoffverbrauch liegt 4,3 Prozent über dem Euro-6d-TEMP-Grundwert.
Das hier vorgestellte Konzept für Zero-Impact-Emissionen ist speziell darauf ausgerichtet, möglichst geringe NOX-Emissionen zu erzielen. Wenn „nur“ der Euro-7-Emissionsgrenzwert eingehalten werden soll, kann das Konzept auf verschiedene Art und Weise angepasst werden. Beispielsweise wäre denkbar, nur einen anstelle von zwei elektrisch beheizten Katalysatoren zu verwenden. Ebenso könnte der Adsorptionskatalysator weggelassen werden, so dass das gesamte Katalysatorsystem wieder motornah angeordnet werden kann.
Mild-Hybrid-Diesel-Antriebsstrang
Mild-Hybrid-Diesel-Antriebsstrang mit einer der Turbine vorgelagerten Abgasnachbehandlung
Mild-Hybrid-Diesel-Antriebsstrang mit einer der Turbine vorgelagerten Abgasnachbehandlung
Es wurde ein Konzept entwickelt, das ein der Turbine vorgelagertes Abgasnachbehandlungssystem (Pre-Turbine Exhaust Aftertreatment System, PT EATS) mit einem Mild-Hybrid-Konzept kombiniert. Mittels Simulation wurde das Potenzial dieses Konzepts bestimmt, eine gleichzeitige Reduktion der NOx- und der CO2-Emissionen zu erzielen. Nach der Auswahl der wichtigsten Motor- und Hybridsystem-Hardware wurden die Betriebsstrategien für die Rekuperation und die Turbolader-
regelung festgelegt, um das System in die Lage zu versetzen, den Zielwert von unter 40 mg/km NOx in den Emissionen mit einem Konformitätsfaktor von 1 über alle Fahrzyklen unter realen Bedingungen einzuhalten. Das Leistungsverhalten und die Fahrbarkeit des Testfahrzeugs werden so definiert, dass sie den Eigenschaften des Basisfahrzeugs entsprechen. Die Grundidee bestand darin, das Abgasnachbehandlungssystem (EATS) direkt hinter dem Abgaskrümmer und damit vor der Turbine anzuordnen (Abbildung 1), um die bestmögliche Leistung bei der Nachbehandlung zu erzielen und gleichzeitig aufgrund reduzierter Heizmaßnahmen das Potenzial zur CO2-Verringerung zu erschließen.
Die Motorhardware und das PT EATS wurden mittels Simulationsverfahren entworfen und optimiert, um das beste Layout für die Katalysatoren zu ermitteln und die potenziellen Vorteile hinsichtlich der Verringerung der CO2- und NOx-Emissionen zu quantifizieren. In das bestehende Motormodell wurden das 48 V-System, das aus einem Riemenstartergenerator (RSG) mit den zugehörigen Regelungskomponenten, einem elektrisch unterstützten Turbolader (e-TC) und der 48 V-Batterie besteht, sowie das PT EATS integriert. Die Abmessungen der EATS-Komponenten wurden durch Simulationen mit Blick auf eine erfolgreiche Integration in den Motorraum optimiert. Der e-Turbo wurde mittels GT Power dimensioniert und die Abgasrückführungsstrategie (AGR) so optimiert, dass die extrem niedrigen NOx-Rohemissionswerte erreicht werden können. Außerdem wurde anhand des Simulationsmodells das Rekuperationspotenzial bestimmt. Der ursprüngliche Abgaskrümmer wurde um 180 °C gedreht, damit der Turbolader untergebracht werden onnte, und es wurde ein größerer HD(Hochdruck)-AGR-Kühler eingebaut, um die Nutzung der AGR im Volllastbetrieb zu ermöglichen. Darüber hinaus wurden Designänderungen an der Halterung des Zwischenkühlers sowie an den Wasser- und Luftleitungen vorgenommen, wodurch das gesamte System im Motorraum des gewählten Testfahrzeugs aus der SUV-Klasse untergebracht werden konnte.
Auswirkungen auf die Enthalpie
Durch die Platzierung des Nachbehandlungssystems vor der Turbine ändern sich die Enthalpie und das Wärmeträgheitsprofil des Turboladers im Verhältnis zu einer herkömmlichen Anordnung (Abbildung 2). Dadurch, dass das Fahrzeug nun über ein elektrisches System mit 48 V verfügt, kann ein der Turbine vorgelagertes Nachbehandlungssystem eingerichtet werden, indem ein e-TC integriert wird, der den durch die erhöhte Wärmeträgheit des PT EATS verursachten Druck- und Temperaturverlust ausgleicht.
Zu Beginn des Betriebs ist die Temperatur vor der Turbine, aufgrund der erhöhten thermischen Masse deutlich niedriger als ohne das PT EATS. Doch mit der Erwärmung des Abgassystems entstehen infolge der höheren thermischen Masse vor der Turbine eine thermische Verzögerung und ein allgemeiner Temperaturunterschied. Das Wärmeverlustprofil des PT EATS ergibt einen berechneten kumulierten Enthalpieverlust von 4 Prozent über einen WLTC (Abbildung 2). Um in solchen Phasen geringer Enthalpie die Ladedruckpegel halten zu können, erzeugt der elektrische Turbolader zusätzlichen Ladedruck; zudem dient er der Rekuperation überschüssiger Energie aus dem Abgasstrom, wann immer das möglich ist. Rekuperationspotenzial Das Rekuperationspotenzial des Systems wurde an zwei Teillastbetriebspunkten untersucht, siehe Abbildung 3. Zudem wurde der bremsenspezifische Kraftstoffverbrauch bei zwei Rekuperationsstrategien verglichen und ebenfalls in Abbildung 3 dargestellt. Die Rekuperation am Turbolader mittels eines Turboladers mit variabler Geometrie (Variable-Geometry Turbocharger, VGT) wird mit der Entnahme der gleichen Leistung am RSG mittels Betriebspunktlastverschiebung verglichen. Die zweite Strategie weist einen um bis zu 3,3 Prozent energieeffizienteren Verlauf auf, da durch das Schließen des VGT die Pumpenverluste steigen, wie im rechten Diagramm in Abbildung 3 zu sehen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass mit zunehmender Rekuperation auch der Kraftstoffverbrauch steigt, da mehr Leistung benötigt wird, um die gleiche Wirkleistung zu erzielen.
Bemessung des Turboladers
Hinsichtlich der Bemessung des e-TC wurde die Verwendung einer größeren Turbine in Betracht gezogen, da eine solche mittels optimierter Pumpenverluste den Kraftstoffverbrauch hätte senken können. Allerdings spielen pumpenverlustbedingte nachteilige Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch in den meisten Pkw-Fahrszenarien keine große Rolle, der Nutzen eines Upsizing des e-TC wäre also gering gewesen, da im transienten Betrieb eine stärkere elektrische Aufladung erforderlich gewesen wäre. Dementsprechend wurde eine kleinere Turbine gewählt. Das entscheidende Kriterium bei der Bemessung der verwendeten E-Maschine ist das transiente Ansprechverhalten des Fahrzeugs. Unter Verwendung unterschiedlicher Leistungen der elektrischen Maschine am e-TC wurde eine Beschleunigung aus dem Stand auf 100 km/h simuliert, um herauszufinden, bei welcher e-TC-Leistung das Beschleunigungsverhalten dem des Basisfahrzeugs (8,7 s im Sprint auf 100 km/h) am nächsten kommt. Diese Simulationen sind in Abbildung 4 dargestellt. Ohne Unterstützung durch elektrische Aufladung steigt die Beschleunigungszeit auf 13,0 s, was die Notwendigkeit eines e-Turbos verdeutlicht. Ein Anheben der E-Maschinenleistung auf über 11 kW lieferte keine signifikante Verringerung der Ansprechzeit (zwischen 9,0 s und 9,4 s), da die Beschleunigung durch die maximale Drehzahl der Elektromaschine auf 180.000 min-1 begrenzt wird.
AGR-Strategie
Im Hinblick auf eine Reduzierung der Kosten und der Komplexität des AGR-Kreislaufs wurde die Option einer reinen HD-AGR-Strategie untersucht, bei der überschüssige Energie aus dem Abgas rekuperiert und die Position des VGT zugleich so regelt, dass der erforderliche Gegendruck für höhere AGR-Raten bei vergleichbarem Ladedruck erzielt wird. Die Ergebnisse zeigten jedoch, dass bei der Einbindung des ND(Niederdruck)-AGR-Pfads über den WLTC etwa 30 Prozent weniger elektrische Energie erforderlich sind, weshalb sowohl die HD- als auch die ND-AGR verwendet wurden. Da ermittelt wurde, dass sich das PT EATS-Volumen im Verhältnis zur AGR-Strategie nur geringfügig auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt (Abbildung 5), wurde das maximal verfügbare EATS-Volumen ausgenutzt, um ein Partikelfilterregenerationsintervall zu erzielen.
Alle oben genannten Variablen wurden zusammengeführt, um eine optimierte Luftpfadstrategie zu entwickeln. Der geringstmögliche Aufladebedarf während transienten Fahrbedingungen ergibt sich, wenn eine Kombination aus LP- und HD-AGR, eine verhältnismäßig kleine Turbine und ein 11-kW-Elektromotor verwendet werden. Der zusätzliche Energiebedarf für diese Anordnung über einen WLTC lag bei circa 52 Wh ohne Rekuperation am RSG oder dem e-Turbo.
Luftpfadregelung
Die Verwendung einer elektrischen Unterstützung gemeinsam mit einer VGT erfordert eine spezielle Regelungsstrategie zur Optimierung der verschiedenen Betriebszustände. In der vorliegenden Ausgestaltung des Konzepts wird die Elektromaschine hauptsächlich zur Unterstützung im transienten Betrieb während des Ladedruckaufbaus und zur Rekuperation während des Verzögerns oder im Schubbetrieb verwendet. Die herkömmliche Ladedruckregelung des VGT wurde um eine erweiterte modellbasierte Regelung der Leistung bzw. des Drehmoments als direkte Stellgröße der Elektromaschine ergänzt. In diesem Ansatz wird das Drehmoment der Elektromaschine auf Grundlage der Differenz zwischen dem angestrebten und dem tatsächlichen Turbinendrehmoment berechnet.
Zusätzlich wird ein E-Boost-Regelfaktor eingeführt. Dieser passt die Dynamik des geforderten Drehmoments – und damit der elektrischen Ladung – so an, dass ein optimaler Kraftstoff-
verbrauch bei noch ausreichender Ladedruckdynamik erzielt wird. Das geforderte Drehmoment berechnet sich dabei aus dem Modell. In Abbildung 6 sind die Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch und die NOx-Rohemissionen als Funktion des E-Boost-Regelfaktors für den WLTC dargestellt.
Wenn kleine E-Boost-Regelfaktoren angesetzt werden, greift die Elektromaschine nur bei sehr großen Differenzen zwischen dem angestrebten und dem tatsächlichen Turbinendrehmoment unterstützend ein. Bei größeren Werten des Regelfaktors hingegen erfolgt die Unterstützung durch die E-Maschine bereits bei kleineren Differenzen des Turbinendrehmoments. Das hat zur Folge, dass die NOx-Rohemissionen bei höheren Werten des E-Boost-Regelfaktors sinken, der Kraftstoffverbrauch hingegen signifikant ansteigt, weil mehr elektrische Leistung benötigt wird. Diese Beobachtungen wurden zusammengeführt, um den Zielbereich für den E-Boost-Regelfaktor zu bestimmen.
Optimierung der Gesamtstrategie für den Hybridansatz
Es wurde untersucht, welche zusätzlichen Vorteile die in Abbildung 7 dargestellte 48 V-Mild-Hybrid-Systemarchitektur bietet. Der herkömmliche 12 V-Generator wurde durch einen 48 V-Riemenstartergenerator ersetzt. Über einen bidirektionalen Gleichspannungswandler wurden eine 48 V-Batterie mit einer Kapazität von 0,5 kWh und der elektrisch unterstützte VGT an die bordeigene 12 V-Energieversorgung angeschlossen.
Bei der Optimierung der Regelung des elektrischen VGT entscheidet ein Prioritätenmanager auf Grundlage des jeweiligen Zustands des elektrischen Systems über die Aufteilung der verfügbaren Energie auf die verschiedenen Verbraucher. In dem Simulationsmodell wird eine übergeordnete Energiemanagementstrategie eingesetzt, um unter allen Betriebsbedingungen eine zuverlässige Versorgung des bordeigenen 12 V-Netzes sicherzustellen. Zugleich wird das Potenzial der verschiedenen 48 V-Komponenten zum Ausbalancieren der Unterstützung im transienten Betrieb während des Ladedruckaufbaus und des Rekuperationspotenzials im Schubbetrieb und hohem Enthalpiestrom vor der Turbine maximiert.
Der elektrische Energiehaushalt innerhalb des 48 V-Systems über den WLTC ist in Abbildung 8 dargestellt. Die Rekuperation erfolgt fast ausschließlich durch den RSG, wohingegen der Energieverbrauch durch die Verbraucher im 12 V-Netz und die Unterstützung der elektrischen Aufladung ungefähr gleich groß ist. Da die rekuperierte
Energie den elektrischen Energieverbrauch übersteigt, werden circa 30 Prozent zum Laden der 48 V-Batterie verwendet.
Der zweite Teil dieses Artikels widmet sich in einem kommenden Magazinartikel der Optimierung des PT EATS-Systems sowie dem Leistungsverhalten des Gesamtsystems in wichtigen RDE-Zyklen.
Kraftstoffneutraler Transport
Kohlenstoffneutraler Transport – mit synthetischen Kraftstoffen
Kohlenstoffneutraler Transport – mit synthetischen Kraftstoffen
Der Fokus von Gesetzgebung und öffentlichen Debatten liegt mit Blick auf die Senkung der CO2-Emissionen im Transportsektor nahezu ausschließlich auf der flächendeckenden Nutzung von batterieelektrischen Fahrzeugen (Battery Electric Vehicle, BEV). Allerdings gibt es Anwendungsbereiche, für die ein rein batterieelektrischer Antrieb keine optimale Lösung darstellt, zum Beispiel der Langstrecken- und Schwerlastverkehr. Flüssige oder gasförmige Kraftstoffe werden in diesem Bereich aufgrund ihrer hohen Energiedichte noch für einen langen Zeitraum das Mittel der Wahl bleiben. Das gilt insbesondere für Europa, das auch weiterhin massiv von Importen chemischer Energieträger abhängig ist. Einige dieser Energieträger werden in Zukunft in Regionen hergestellt, in denen die erneuerbaren Energiequellen sehr konstant und in hohen Mengen zur Verfügung stehen. Sogenannte E-Fuels – synthetische Kraftstoffe aus erneuerbarem Strom und Kohlendioxid (CO2) – stellen in diesem Kontext eine sehr attraktive Möglichkeit dar, Mobilität durch einen geschlossenen Kohlenstoffkreislauf zu ermöglichen.
Signifikante Senkung von CO2-Emissionen
Sowohl durch das Pariser Abkommen als auch durch das gesellschaftspolitische Ziel, dem Klimawandel entgegenzuwirken, sind alle Sektoren daran gebunden, ihre CO2-Emissionen signifikant zu senken. Der Bereich der elektrischen Energieversorgung soll bis 2050 vollständig CO2-neutral werden; der Transportsektor soll seinen CO2-Fußabdruck im Vergleich zu 1990 um mindestens 80 Prozent senken – dies bei einem stetig wachsenden Transportvolumen. Es besteht also dringender Bedarf, alle denkbaren klimafreundlichen Lösungen für den Personen- und Güterverkehr so schnell wie möglich zu implementieren. Teilweise spiegeln sich diese Ziele in den immer strengeren CO2-Grenzwerten für neu zugelassene Fahrzeuge in den meisten Ländern wider. Am 17. Dezember 2018 entschieden das Parlament und der Rat der EU, die CO2-Flottengrenzwerte für neu zugelassene Fahrzeuge noch einmal weiter abzusenken: Die CO2- Emissionen von Pkw sollen zwischen 2021 und 2030 um weitere 37,5 Prozent sinken. Übersetzt bedeutet das 59 g/km, was etwa 2,5 l fossilem Kraftstoff entspricht. Wenn es um die Treibhausgasreduktion insbesondere im privaten Transportsektor geht, taucht in der öffentlichen und medialen Debatte vor allem eine technische Lösung auf: das BEV. Und in der Tat wird die Anzahl der BEVs im nächsten Jahrzehnt enorm steigen. Der Anfangslevel ist jedoch noch relativ gering mit einem Anteil von derzeit ungefähr 2 Prozent BEVs, Plug-in- oder Range-Extender-Fahrzeugen bei neu zugelassenen Pkw. Die Marktdurchdringung von BEVs hängt stark von unterschiedlichen lokalen gesetzlichen Rahmenbedingungen und staatlichen Subventionierungen ab und ist daher weltweit betrachtet sehr unterschiedlich.
Selbst im Jahr 2030 wird die Mehrheit aller zu dem Zeitpunkt verkauften Autos (fast 90 Prozent) aus diversen Gründen noch immer einen Verbrennungsmotor aufweisen. Die am häufigsten genannten Gründe gegen die Kaufentscheidung für ein Elektrofahrzeug sind der Kaufpreis, die limitierte Reichweite, lange Ladezeiten und die unzureichend ausgebaute Ladeinfrastruktur. Zudem werden nur etwa 2,5 bis 5 Prozent der Fahrzeugflotte in Europa jährlich ausgetauscht. Eine signifikante Marktdurchdringung von BEVs und Brennstoffzellenfahrzeugen wird also noch einige Jahre dauern. Es ist daher keine Option, sich zur Erreichung der ambitionierten CO2-Ziele einzig auf ein Wachstum der Elektroflotte zu verlassen. Stattdessen müssen zusätzlich andere effektive Technologien zum Einsatz kommen. Die Anwendung von CO2-neutralen synthetischen Kraftstoffen, sogenannten E-Fuels, kann neben der Elektrifizierung der Antriebe und der Effizienzverbesserung des Verbrennungsmotors einen Beitrag leisten.
Es ist anzunehmen, dass die Elektrifizierung den größten Beitrag zur CO2-Reduktion im Transport leisten wird. Elektrifizierung meint hier nicht bloß reine Elektrofahrzeuge, sondern auch Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridisierung von verbrennungsbasierten Antrieben und Antriebe mit Range Extender. Eine weitere Reduzierung um 24 Prozent kann durch Effizienzsteigerung mittels Gewicht, Reibung und verbesserter Aerodynamik sowie einer Änderung des Modal Split (Verlagerung von Gütern auf die Schiene) erreicht werden. Die übrig bleibenden 31 Prozent müssen durch CO2-neutrale Kraftstoffe abgedeckt werden, wie in Abbildung 2 zu erkennen ist.
Alternative Kraftstoffe
Betrachtet man die Energiesituation in Europa und speziell in Deutschland, wird deutlich, dass die Aufgabe, ein System zu schaffen, dass zu 100 Prozent auf erneuerbarer Elektrizität beruht, eine große Herausforderung darstellt. Da erneuerbarer Strom (insbesondere in Europa) sehr volatil und nicht leicht zu speichern ist, könnte ein Netzausbau und benötigte Reservekapazitäten künftig sehr hohe Investitionskosten bedingen. Das Ziel, 100 Prozent elektrische Energie aus erneuerbaren Energien zu nutzen, bedeutet auch, dass Deutschland seine erneuerbare Stromproduktion mindestens um den Faktor 3 im Vergleich zur heutigen Produktion steigern müsste.
Zusätzlich zum Stromverbrauch besteht ein noch deutlich höherer Energiebedarf für verschiedene Industrieanwendungen, Gebäudeheizung und Transportnetzwerke, der sich in Deutschland auf etwa 2600 TWh pro Jahr beläuft. Um diesen Bedarf mit Energie aus erneuerbaren Quellen abdecken zu können, wird Deutschland anfangen müssen, erneuerbare Energie im großen Stil zu importieren, siehe Abbildung 3. Der direkte Import von elektrischer Energie ist jedoch technisch aufgrund der teils langen Übertragungswege nur bis zu einem gewissen Maß realisierbar. Daher muss die in Übersee durch Solar- oder Windkraft gewonnene elektrische Energie mittels Power-to-Fuels in chemische Energieträger umgewandelt werden. Für Regionen mit kürzeren Distanzen zwischen Produktionsort und Verbrauchern könnte auch Wasserstoff oder synthetisches Erdgas als Träger dienen und mittels einer Pipeline transportiert werden. Für weiter entfernte Produktionsstätten ist die Umwandlung in Methanol oder sogar Fischer-Tropsch-Produkte ein sinnvollerer Ansatz. Insgesamt muss Deutschland im Jahr 2050 bis zu 29 Prozent seines Energiebedarfs in Form von Power-to-X (PtX) importieren.
Die Nutzung CO2-neutraler Energieträger ist der effizienteste Weg, um den CO2-Fußabdruck zu reduzieren. Als Drop-in-Fuels können sie auch die CO2-Bilanz bestehender Fahrzeugflotten senken. Aufgrund ihrer molekularen Strukturen verfügen viele PtX-Kraftstoffkandidaten über andere chemische und physikalische Eigenschaften. Kandidaten, die die wichtigsten Kriterien (Energiedichte, Kraftstoffverfügbarkeit und etablierte Produktionspfade, Kompatibilität mit der Bestandsflotte) am besten erfüllen, sind Fischer-Tropsch-Kraftstoffe und längerkettige Alkohole für Dieselmotoren sowie Methanol-to-Gasoline (MtG) und Methanol für Ottomotoren. Es ist möglich, mit hydroformylierten Fischer-Tropsch-Kraftstoffen, die lang- und mittelkettige Alkohole enthalten, einen E-Fuel für Dieselmotoren herzustellen, der mit der aktuellen Norm EN590 kompatibel ist und dadurch auch in jedem Verhältnis in die bestehende Flotte beigemischt werden kann. Wie Abbildung 4 zeigt, ermöglichen diese Kraftstoffe aufgrund ihrer günstigen Eigenschaften außerdem eine signifikante Ruß- bzw. NOx-Reduktion.
Für Ottomotoren könnte Methanol ein vielversprechender Kandidat sein. 2018 wurden, hauptsächlich für die Chemieindustrie, etwa 110 Mio. t synthetisiert und gehandelt. Aufgrund der sehr hohen Klopffestigkeit und der guten mageren Brenneigenschaften kann der Wirkungsgrad von Ottomotoren mit Methanol merklich gesteigert werden. So können mithilfe von E-Fuels ähnliche Tank-to-Wheel-Effizienten erreicht werden wie Fahrzeuge mit Brennstoffzelle. Abbildung 5 zeigt die Wirkungsgradsteigerung bisheriger motorischer Maßnahmen und wie das Ziel von 50 Prozent Wirkungsgrad in Zukunft erreicht werden könnte.
Einige Länder, insbesondere China, treiben die Nutzung von Methanol enorm voran. Der Methanolgehalt in Benzin ist in Europa momentan in der EN228 auf 3 Prozent v/v limitiert, auch wenn die meisten Materialien der Kraftstoffsysteme bereits bis 15 Prozent v/v zertifiziert sind. Neben der direkten Nutzung als Kraftstoff eignet sich Methanol auch sehr gut als Ausgangsstoff für andere Kraftstoffe. So kann über den Methanol-to-Gasoline-Prozess (MtG) ein benzinäquivalenter synthetischer Kraftstoff erzeugt werden, der ebenfalls in großen Mengen zu konventionellem Kraftstoff beigemischt werden kann.
Anwendungsbereiche für E-Fuels
Deutschland wird sich in Zukunft stark auf PtX-Importe verlassen müssen. Allerdings sind es vor allem die Kosten, die die Verbreitung verschiedener Technologien entscheiden werden. Da lokale Gegebenheiten die Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien maßgeblich beeinflussen, variieren auch die Synthesekosten weltweit sehr stark. Abbildung 6 zeigt, wie massiv die Produktionskosten des Kraftstoffes von den Stromkosten abhängen.
In vielen Ländern, zum Beispiel im Mittleren Osten und Nordafrika (MENA), werden die Synthesekosten durch geringe Strompreise bis 2030 unter 1 Euro/l Dieseläquivalent sinken. Obwohl die Potenziale von E-Fuels auch außerhalb von Europa diskutiert werden, ist aktuell noch keine großtechnische PtX-Anlage in Planung, da die Gesetzgebung noch keine CO2-Reduzierung durch E-Fuels anerkennt. Daher sehen Marktakteure noch keinen ausreichenden Business Case, um in E-Fuels zu investieren. Eine schnelle Markteinführung könnte erzielt werden, wenn ein Akteur direkt von der Produktion, dem Inverkehrbringen oder der Nutzung von E-Fuels profitieren würde. Dazu könnte ein Zertifikatsystem eingeführt werden, das Autoherstellern erlaubt, CO2-neutralen Kraftstoff und dazugehörige Zertifikate einzukaufen. Der Kraftstoff würde über Beimischung in die bestehende Infrastruktur von allen Kunden genutzt werden. Die CO2-Einsparungen, die durch die Nutzung der E-Fuels entstehen, würden dann auf die CO2-Emissionen der Fahrzeugflotte des Herstellers angerechnet werden. Eine weitere Option stellt eine Umgestaltung der Energiesteuer dar, wobei die Energiesteuer auf erneuerbare Energieträger gesenkt und die Kosten für CO2-Emissionen aus der Verbrennung von fossilen Kraftstoffen nach und nach angehoben würde. Adressierte Stakeholder könnten die Mineralölindustrie oder Automobilhersteller sein. Dies würde ein tragfähiges Geschäftsmodell mit der dringend benötigten Investitionssicherheit hervorbringen.
Licht in Sicht
Licht in Sicht: FEV-Tochter entwickelt Mikro-Linsen-Array für automobile Anwendungen
Licht in Sicht: FEV-Tochter entwickelt Mikro-Linsen-Array für automobile Anwendungen
Neben klimafreundlichen Antriebskonzepten und dem automatisierten Fahren hält der Fortschritt auch in anderen Bereichen der Automobilindustrie Einzug. Das Licht-Design erfährt mit Blick auf Sicherheitsapplikationen und Markendifferenzierung zunehmende Bedeutung. EDL Rethschulte – ein Tochterunternehmen von FEV – hat sich auf diese Disziplin spezialisiert. Mit dieser Kompetenz bietet die FEV Gruppe Lösungen an, die einen direkten Einfluss auf die Wahrnehmung, Sicherheit und Bedienung von zukünftigen Automobilen haben.
Diese Lösungen basieren auf langjährigen Erfahrungen, z. B. bei der Entwicklung von innovativen Lichtsystemen für Scheinwerfer oder transparenten OLEDs für Rücklichtanwendungen. Auch die jüngste Entwicklung hat das Potenzial, den Blick auf das (und aus dem) Automobil nachhaltig zu verändern. Das REALEYES Mikro-Linsen-Array (MLA), eine Weiterentwicklung der MLA Wafer-Technologie, ermöglicht die Herstellung von extrem kompakten und leichten LED-Projektoren aus Kunststoff in der Größe eines Fingerhuts. Mit deren Hilfe können zum Beispiel Bilder beziehungsweise Grafiken aus nahezu jedem Winkel auf beliebige Flächen projiziert werden, ohne dabei zu verzerren. Auch extrem flache Einfallswinkel stellen für das MLA kein Problem dar, was in Kombination mit der kompakten Bauform eine hohe Flexibilität beim Einbau ermöglicht und Kosten reduziert. Bisherige Lösungen bestehen meist aus Projektoren mit nur einem einzelnen Objektiv und sind nicht in der Lage, schräge Projektionen konturscharf durchzuführen.
Die Entwicklung von FEV kann auch mit einem hohen Kontrast und einer homogenen Ausleuchtung deutlich punkten. So ergeben sich völlig neue Anwendungsmöglichkeiten. Einerseits liefern diese neuen Grafikprojektionen einen innovativen Designeffekt, beispielsweise in Form von Lichtteppichen, wie sie in Vorstufen bereits in der Praxis zu sehen sind und dem Fahrer Orientierung und ein angenehmes Ambiente bieten. Bei Mobilitätskonzepten wie dem vollelektrisch betriebenen 3-Sitzer SVEN, den FEV dieses Jahr auf der IAA in Frankfurt am Main als Carsharing-Mobilitätskonzept vorgestellt hat, bietet die neue MLA-Technologie weitere informative Einsatzmöglichkeiten. So kann der Nutzer bei Ankunft am gemieteten Fahrzeug per Projektion außen neben dem Fahrzeug begrüßt werden, oder weitere Informationen erhalten.
Die neue Lichttechnik bietet dabei nicht nur mit Blick auf die erweiterten Designaspekte Vorteile, sondern schafft sie auch einen hohen funktionalen Nutzen, z. B. ein Mehr an Sicherheit, welche sich in Zukunft speziell in Elektrofahrzeugen zum Standard entwickeln wird. Elektrisch betriebene Fahrzeuge, die nahezu geräuschlos unterwegs und in ihrer Umgebung akustisch kaum wahrzunehmen sind, können durch Projektionen auf den vorausliegenden Fahrbahnbereich andere Verkehrsteilnehmer auf sich aufmerksam machen.
Denkbar sind auch Szenarien, in denen via Projektion eines Zebrastreifens vor dem Fahrzeug Fußgänger darüber informiert werden, dass das Fahrzeug anhält und sie die Fahrbahn überqueren können. Fahrradfahrer können durch auf die Fahrbahn übertragene Hinweise davor gewarnt werden, dass sich die Tür eines am Straßenrand parkenden Autos öffnet. Auch beim Rückwärtsfahren oder Ausparken ist eine ähnliche visuelle Information für die Verkehrsteilnehmer denkbar.
Ein weiterer Schwerpunkt im Kontext der MLA-Technologie wird auf den 3D-Bereich gelegt. Setzten bisherige 3D-Verfahren bei Displays meist auf Holographie und Autostereoskopie, basiert das Patent der FEV-Tochter EDL auf der Lichtfeldtechnologie. Mit ihr können hochwertige dreidimensionale Bilder produziert werden, für deren Betrachtung keine Brille oder andere Hilfsmittel benötigt werden. Schließt man bei herkömmlichen autostereoskopischen Technologien ein Auge, ist der 3D-Effekt nicht mehr vorhanden, da vor jedes Auge jeweils ein einzelnes Bild projiziert wird und es sich somit nur um eine 3D-Täuschung handelt. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die Linse des menschlichen Auges nicht auf die wahrgenommene Tiefe eines dargestellten Objektes, sondern auf die Entfernung des Displays scharfgestellt werden muss. Dies führt beim Betrachter oft zu Irritationen und Kopfschmerzen. Diese unangenehmen Effekte treten bei der Lichtfeldtechnologie von EDL nicht auf. Selbst mit einem geschlossenen Auge nimmt der Betrachter immer noch ein räumliches, dreidimensionales Bild wahr, da die Bildpunkte durch Lichtstrahlen in den Raum projiziert werden, so dass ein echtes räumliches Bild entsteht.
Basis dieser patentierten Technologie ist ebenfalls das MLA, das aus einer Vielzahl von Mikroobjektiven von der Größe eines Streichholzkopfes besteht; auf der Fläche eines Quadratmeters sind das 253.000 Objektive. Die Anfertigung dieser Linsen erfolgt mit einer Genauigkeit von unter einem Mikrometer, was entscheidend ist, um qualitativ hochwertige 3D-Displays zu produzieren. Dieser Fertigungsprozess gehört ebenfalls zum Know-how von EDL. Als Speichermedium wird ein Spezialfilm verwendet, der sich hinter den Mikroobjektiven befindet und in der Lage ist, große Datenmengen zu speichern. Dies ist nötig, da jede der 253.000 Linsen das um wenige Tausendstel von ihrer Nachbarlinse abweichende vollständige Bild zeigt und jedes dieser einzelnen Bilder aus 65.000 Pixeln besteht. Die Bildinformationen für die Optik liefert bei der Herstellung ein von EDL patentierter LED-Belichter, der eine exakte Ausrichtung sicherstellt. Farbfehler und Verzerrungen treten bei dieser Methode nicht auf.
Die Technologie führt dazu, dass der Betrachter das Gefühl hat, dass die Objekte bis zu einem Meter aus den Displays herausragen. Für den Automotive-Bereich ergeben sich dafür spannende Anwendungsfelder. Im Fahrzeug-Cockpit der Zukunft können etwa holographische Bedienelemente erzeugt werden, beispielsweise ein virtuell aus der Mittelkonsole projizierter dreidimensionaler Regler oder Schalter, den der Fahrer per Hand – und von Sensorik erfasst – bequem bedienen kann.
Auch außerhalb des Fahrzeugs kann diese 3D-Entwicklung ihre Vorteile ausspielen – wie z. B. integriert in die Scheinwerfer. Durch den Einsatz von Kunststoffoptiken im Spritzgussverfahren in der Qualität von Glasoptiken ergaben sich in diesem Anwendungsfall völlig neue Designfreiheiten, die in einer Scheinwerferhöhe von lediglich 11 mm mündeten und so zu deutlicher Gewichtseinsparung beitrugen. Des Weiteren konnte beim Abblendlicht die sogenannte „Hell-Dunkel-Grenze“ auf das Filmmaterial hinter den Linsen belichten werden, wodurch kein Einsatz von Blenden mehr nötig war, die ein derart schmales Design ebenfalls unmöglich gemacht hätten.
Mit diesem 3D-Licht-Know-how wurden bereits für Prototypen Fahrzeugrücklichter entwickelt, bei denen das Rücklicht optisch aus der Rückleuchte des Fahrzeugs tritt und so deutlicher und schneller zu erfassen ist als bei herkömmlichen Rückleuchten. Bislang haben Fahrzeughersteller zum Beispiel mit Spiegeln arbeiten müssen, um eine ähnliche Tiefenwirkung zu erzielen, die jedoch bei Weitem nicht so ausgeprägt ist. Im Ergebnis erhält man mit dieser 3D-Lichttechnologie ein klares Plus an Sicherheit für die Verkehrsteilnehmer bei deutlich geringerem Bauraum.
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HYBex3 Konzeptfahrzeug
Vorausschauende Funktionen im HYBex3 Konzeptfahrzeug
Vorausschauende Funktionen im HYBex3 Konzeptfahrzeug
Die Hybridisierung von Antriebssträngen ist ein wichtiger Schritt zu einer effizienten und sauberen Mobilität. Insbesondere die Möglichkeit, den Betrieb des Verbrennungsmotors in Bereiche mit höherem Wirkungsgrad zu verlagern und rein elektrische Fahrmodi darzustellen, ist einer der Hauptvorteile von Hybridantrieben. Diese Lastpunktverschiebung kann auf der Grundlage von Streckendaten, die die zu erwartende Fahrzeuggeschwindigkeit und die Fahrbahnsteigung beinhalten, weiter optimiert werden und gilt als Stand der Technik in modernen Hybridantrieben.
In Kombination mit der Entwicklung vorausschauender und automatisierter Fahrfunktionen können weitere Potentiale erschlossen werden. Der Schlüsselfaktor für eine tatsächliche Reduzierung des Energiebedarfs unter realen Fahrbedingungen ist eine genaue Vorhersage der zukünftigen Entwicklung einer Verkehrssituation. Diese Vorhersage kann auf einer Vielzahl möglicher Quellen wie Sensordaten, hochauflösenden Karten und Fahrzeugkommunikation basieren, wobei alle Daten zu einem umfassenden Umgebungsmodell verschmolzen werden.
Basierend auf den Informationen aus diesem Modell können die Fahrzeuglängsführung und die Antriebsstrangsteuerung optimiert werden. FEV hat in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen der RWTH University, Aachen, eine Funktionsstruktur entwickelt, die in der Lage ist, eine Vielzahl von möglichen Datenquellen zu nutzen. Mit diesen wird ein Lösungsraum für eine prädiktive Geschwindigkeitsprofiloptimierung generiert. Dieses Geschwindigkeitsprofil kann dann verwendet werden, um die Drehmomentaufteilung zwischen den Hybridkomponenten optimiert zu betrieben.
Die Funktionsstruktur wurde in einem gemeinsam mit DENSO aufgebauten Hybrid-Prototypenfahrzeug integriert. Ein robuster, echtzeitfähiger modellprädiktiver Regelungsalgorithmus wird verwendet, um die Längsführung des Fahrzeugs zu optimieren.
Das HYBex3 Konzeptfahrzeug
Das HYBex3 („HYBrid power exchange 3 modes“) Fahrzeug wurde entwickelt, um die Einflüsse eines kostengünstigen DHT-Getriebekonzepts im Hinblick auf die Fahrbarkeit des Fahrzeugs zu ermitteln und unter realen Bedingungen zu testen. Die Entwicklung erfolgte gemeinsam mit DENSO AUTOMOTIVE Germany. Das Basisfahrzeug ist ein MINI Cooper mit einem turboaufgeladenen 100 kW Dreizylinder-Verbrennungsmotor. Das Seriengetriebe wurde durch das zu untersuchende speziell für den Anwendungsfall entwickelt Hybridgetriebe ersetzt.
Die Antriebsstrangtopologie entspricht einem Mischhybrid mit zwei Elektromotoren (EM) in einer P2/P3-Anordnung. Die P2-Maschine befindet sich zwischen der elektrohydraulisch angetriebenen Kupplung und dem zweistufigen Stirnradgetriebe. Die Synchro-Elemente werden ebenfalls elektrohydraulisch aktuiert. Die P3-Maschine ist am Ausgang des Getriebes positioniert und hat somit ein festes Übersetzungsverhältnis zum Rad.
Mit diesem DHT-Getriebe sind verschiedenste Betriebsmodi darstellbar. Für den rein elektrischen Fahrbetrieb wird der Verbrennungsmotor gestoppt und die Kupplung geöffnet. Der Elektromotor P2 kann somit in beiden Übersetzungsstufen betrieben werden. Dies ermöglicht neben einem hohen Anfahrmoment im ersten Gang eine maximale Fahrzeuggeschwindigkeit von 140 km/h im zweiten Gang.
Im Hybridbetrieb ist es möglich, entweder seriell oder parallel zu fahren. Im Parallelbetrieb ist einer der beiden Gangsätze eingelegt. Im seriellen Betriebsmodus wird das Getriebe in den Leerlauf geschaltet. Der Verbrennungsmotor ist dann ausschließlich mit dem Elektromotor P2 verbunden und der Elektromotor P3 treibt die Räder an. Alle Gangwechsel sind vollständig elektrisch synchronisiert, so dass die Reibkupplung auch im Hybridbetrieb geschlossen bleiben kann. Der serielle Betrieb im niedrigen Geschwindigkeitsbereich und ein paralleler Betrieb bei höheren Geschwindigkeiten ermöglicht eine deutliche Steigerung des Systemwirkungsgrads. Die Betriebsstrategie sieht vor, dass der Verbrennungsmotor mit sehr geringer Dynamik betrieben wird und schnelle Lastwechsel durch den elektrischen Pfad umgesetzt werden. Die Übersetzungsverhältnisse ermöglichen eine deutliche Reduzierung der Drehzahl des Verbrennungsmotors, ohne die Gesamtdynamik des Antriebsstrangs zu beeinträchtigen. Die Betriebsstrategie wurde mit einem Design-of-Experiments optimiert. Zu diesem Zweck wurden die Parameter der Stopp-Start-Strategie des Verbrennungsmotors gleichzeitig mit den Parametern der Batterielade-Strategie optimiert. Für die endgültige Parametrierung wurde ein Kompromiss zwischen der Auslegung für unterschiedliche Fahrzyklen gewählt.
Die Aufteilung der Drehmomente der beiden Elektromotoren sowohl im Parallelbetrieb als auch im vollelektrischen Fahrbetrieb wird durch eine von FEV patentierte Online-Optimierung bestimmt. Der Suchalgorithmus variiert die Drehmomentverteilung, bis der energetisch optimale Fall gefunden ist. Dabei werden sowohl die Batterie-
grenzen als auch die Leistungsgrenzen der Elektromotoren für die aktuelle Situation berücksichtigt.
Prädiktive Funktionen
Die entwickelte Funktionsstruktur zur vorausschauenden Längsdynamikregelung ist so konzipiert, dass eine Vielzahl von Datenquellen, Optimierungsroutinen und Antriebsstranganordnungen in dieser dargestellt werden kann.
Der erste Schritt ist eine Aggregation und Fusion der verfügbaren Daten zu einem Umgebungsmodell, gefolgt von einer Prädiktion der Verkehrssituation. Diese ermöglicht eine Optimierung des Geschwindigkeitsprofils. Auf Basis dessen erfolgt eine Beschleunigungsregelung des Fahrzeuges. Das geplante Geschwindigkeitsprofil kann ebenfalls genutzt werden, um die Ladezustandsstrategie anzupassen. Ist die gewünschte Ladeleistung bestimmt, wird auf Basis dieser und des Radmomentenwunsches die Momentenaufteilung auf die Antriebsstrangkomponenten durchgeführt.
Zur genauen Vorhersage der aktuellen Verkehrssituation ist die Aggregation aller verfügbaren Daten erforderlich. Dies reicht von Sensoren wie RADAR- oder
LIDAR-Sensoren oder optischen Kameras, die Verkehrsteilnehmer mit Hilfe von Bilderkennungstechniken erkennen können. In der Regel liefern diese Sensoren den Typ (Pkw, Lkw, Fußgänger etc.), die relativen Positionen und eventuell die Relativgeschwindigkeit der erfassten Objekte.
Weitere Informationen können aus On-Board-Navigationssystemen gewonnen werden, die Geschwindigkeitsbegrenzungen, Straßenneigung und -krümmung sowie eventuell Kreuzungsdaten für den wahrscheinlichsten Pfad des Fahrzeugs über einen sogenannten „elektronischen Horizont“ liefern. Ist das Navigationssystem mit dem Internet verbunden, können auch Daten über durchschnittliche Geschwindigkeiten entlang der geplanten Route und Staus bereitgestellt werden.
Zukünftig können durch die Vernetzung von Fahrzeugen mittels 5G oder ETSI ITS G5 weitere Informationen gewonnen werden. Diese so genannte Vehicle-to-Every-
thing (V2X)-Kommunikation soll unter anderem die Positionen, Richtung und Geschwindigkeiten anderer Fahrzeuge sowie die Anordnung von Kreuzungen und den Status von Lichtsignalanlagen beinhalten. Die Fahrzeugkommunikation kann daher Daten bereitstellen, die über den von On-Board-Sensoren erfassbaren Horizont hinausgehen.
Da dasselbe Objekt durch verschiedene Datenquellen somit mehrfach detektiert werden kann, muss die Datenaggregation auch eine Funktionalität zur Datenfusion beinhalten. Dies ist besonders vorteilhaft für Hardware-Setups mit verschiedenen Arten von Sensoren, z. B. einem RADAR- und Kamerasensor. Der RADAR-Sensor kann den Abstand und die relative Position zu einem vorausfahrenden Fahrzeug messen, er kann jedoch nicht die seitliche Position des Fahrzeugs in Bezug auf die Straßenmarkierungen bestimmen. Der Kamerasensor ermöglicht nur Schätzungen der Relativgeschwindigkeit und der Entfernung, aber er ist in der Lage exakt zu erfassen, ob sich ein Objekt auf der gleichen Spur wie das betrachtete Fahrzeug befindet. Nach der Fusion mehrerer Datenquellen wird eine aggregierte Objektliste erstellt, die nur gültige und relevante Daten aller erfassten Objekte enthält und ein entsprechendes Umgebungsmodell generiert.
Bevor eine Optimierung der Fahrzeugtrajektorie durchgeführt werden kann, muss eine Vorhersage über die Entwicklung der aktuellen Situation gemacht werden. Diese Vorhersage basiert auf den relevanten Objekten, die das Umgebungsmodell bereitstellt. In einem ersten Schritt wird die Geschwindigkeitsbegrenzung entlang des Prädiktionshorizontes bestimmt. Basierend darauf und auf dem aktuellen Zustand detektierter, vorausfahrender Fahrzeuge wird eine Prädiktion für die Geschwindigkeits- und Positionstrajektorie dieser Fahrzeuge vorhergesagt.
Auf dieser Basis wird ein sogenannter Lösungsraum aufgespannt, in dem sich der nachgeschaltete Optimierungsalgorithmus bewegen kann. Die von FEV und dem Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen entwickelte Funktionsstruktur ermöglicht die Implementierung unterschiedlichster Algorithmen hierfür. Je nach Anforderung können einfache regelbasierte Ansätze, aber auch Methoden der modellprädiktiven Regelung oder der Diskreten Dynamischen Programmierung dargestellt werden.
Anwendung im Fahrzeug
Zur Erprobung der Funktionsstruktur wurde eine echtzeitfähige modellprädiktive Regelung (MPR) auf dem Rapid Prototyping Steuergerät des HYBex3 Konzeptfahrzeugs implementiert und verschiedene Testszenarien umgesetzt. In einer ersten Demonstration wurde die Funktionalität und Echtzeitfähigkeit dieser für eine vorausschauende Anpassung des Rekuperationsverhaltens des Konzeptfahrzeuges nachgewiesen. Durch eine effiziente Implementierung der MPR mittels des Tools „qpOASES“ kann eine Optimierung des Geschwindigkeitsverlaufes über einen Horizont von zehn Sekunden innerhalb von weniger als 100 µs durchgeführt werden.
Zukünftig kann die modulare Konzeption der Funktionsstruktur genutzt werden, um den Vorausschauhorizont des Fahrzeuges beispielsweise um vorausliegende Ampeln zu erweitern oder vorausschauende, automatisierte Fahrfunktionen wie Predictive Cruise Control (PCC) darzustellen.
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Effizientes Datenmanagement
Effizientes Datenmanagement: Kooperation zwischen FEV und Microsoft
Effizientes Datenmanagement: Kooperation zwischen FEV und Microsoft
Automatisierte Fahrfunktionen und das autonome Fahren beeinflussen grundlegend die Art und Weise, wie wir uns in Zukunft fortbewegen. Bei der Absicherung dieser automatisierten Fahrfunktionen sind Systeme erforderlich, die bei Testfahrten die vielfältigen Szenarien im Straßenverkehr erkennen, bewerten und für die Entwickler aufbereiten. Dieser zentralen Herausforderung begegnet FEV mit einem eigens entwickelten Datenmanagement- und Auswertungssystem, welches auf die Rechnerleistung der Microsoft Cloud-Computing-Plattform „Azure“ zurückgreift.
Nach heutigen Schätzungen sind für die Absicherung
einer automatisierten Fahrfunktion Testumfänge von 240 Millionen bis 16 Milliarden Straßenkilometern* erforderlich. Dabei bestimmt jedoch nicht die Menge der Tests die Reife eines Systems, sondern die Anzahl an „erfahrenen“ Situationen im Straßenverkehr, in denen die Algorithmen aktiv eine Entscheidung treffen müssen – beispielsweise bei einem Überholvorgang auf der Autobahn.
In diesem Zusammenhang stellt das von FEV etablierte V2I-(Vehicle-to-Infrastructure)-Datenmanagementsystem eine effiziente Lösung für die Entwicklung und Absicherung solcher Fahrfunktionen dar. Denn neben der Dauer und Anzahl von Erprobungsfahrten sind im Rahmen der Validierung auch die riesigen anfallenden Datenmengen eine große Herausforderung. So erzeugt das im Fahrzeug installierte Sensorset, bestehend aus Kamera, Lidar (Light Detection And Ranging) und Radar (Radio Detection And Ranging), an einem einzigen Tag schnell bis zu 40 Terrabyte an Daten.
Die Datenmanagementlösung von FEV setzt genau an diesem Punkt an. Zunächst übernimmt ein eigens entwickelter, vernetzter Datenlogger die Sammlung ausgewählter Fahrzeugsignale und sendet diese noch in Echtzeit während der Testfahrt an ein Backend. Hierzu kooperierte FEV zum wiederholten Mal erfolgreich mit dem Unternehmen Microsoft. Mittels der Kombination der Microsoft-Produkte „Azure Cloud“ und dem für den Datentransfer zuständigen IOT-Hub konnte FEV auf eine leistungsstarke und etablierte Toolkette zurückgreifen. In der Cloud werden die übersendeten Fahrzeugdaten konsolidiert, während parallel Algorithmen die Signale hinsichtlich relevanter Szenarien analysieren. Es besteht somit bereits während Testfahrten die Möglichkeit, Rückmeldungen an die jeweiligen Ingenieure zu senden und ganze Flotten nach einem vorher definierten Plan flexibel zu koordinieren.
Ein einheitlicher Zeitstempel vereinfacht weiterhin signifikant die Bereinigung und Aufbereitung aller Fahrzeugdaten. Nicht zuletzt ermöglicht diese Szenarien-basierte Vorfilterung auch eine kosteneffiziente Datenspeicherung in der Cloud. Lediglich vorher detektierte Datenpakete bzw. Szenarien werden in den Cloud-Hot-Storage geladen – also dem Layer mit der höchsten verfügbaren Rechenleistung und Zugriffsverwaltung. Weniger wichtige Abschnitte werden in rechenärmeren und somit kostengünstigeren Cloud-Arealen gespeichert.
Als Integrations- und Entwicklungspartner bei Serienprojekten verschiedener Automobilhersteller hat sich für FEV und seine Kunden das effiziente Auswerten und Validieren von Sensordaten schnell bewährt. Um den allgemeinen Erprobungsaufwand auf realen Straßen und die damit verbundenen Kosten zu minimieren, verlagert der Entwicklungsdienstleister zunehmend signifikante Testumfänge in Simulations- und Laborumgebungen.
Die Data-Logger-Lösung ist, im Zusammenwirken mit der FEV-eigenen cloudbasierten Labellingsoftware, ein wesentlicher Meilenstein für den Aufbau einer ganzheitlichen Entwicklungsumgebung für ADAS/AD-Systeme. Die effiziente Aufbereitung der Daten mittels automatisierter Erkennung und Klassifizierung nach Fahrsituation ist hierbei die Grundlage für alle weiteren Prozessschritte.
Basieren die heute in Serie befindlichen Fahrerassistenzsysteme noch auf vordefinierten Regeln, kann dies aus Sicht von FEV künftig auch durch Einbeziehung von maschinellem Lernen erfolgen. FEVs Ziel ist es, künstliche Intelligenz auch komplexeste Situationen beherrschen zu lassen und dabei das Verhalten der Verkehrsteilnehmer zutreffend zu antizipieren.
Die Kooperation mit Microsoft ist hierbei ein wichtiger Baustein. Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen den Sparten Automobilindustrie und IT gelingt es unternehmensübergreifend, richtungsweisende Innovationen zu etablieren, die entscheidende Entwicklungsvorteile bieten.
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Urban Air Mobility
Urban Air Mobility – Ein neuer Markt für Automobilakteure
Urban Air Mobility – Ein neuer Markt für Automobilakteure
FEV rechnet mit einem starken Wachstum des „Urban Air Mobility“-Markts und geht davon aus, dass sich für Unternehmen aus dem Automobilbereich auf diesem milliardenschweren Markt Geschäftschancen und Diversifizierungsmöglichkeiten für das eigene Produktportfolio bieten.
Mobilität ist ein wichtiger Faktor für die Lebensqualität in städtischen Gebieten. Prognosen zufolge werden sich die Fahrgastzahlen in Städten bis zum Jahr 2050 verdoppeln. Herkömmliche bodengebundene Verkehrsmittel dürften bei dieser Anfrage an ihre Grenzen stoßen. Zudem wird ein Ausbau in diesem Bereich durch die hohen Investitionskosten, den hohen Platzbedarf und die langen Vorlaufzeiten erschwert. Metropolregionen und Städte stehen demnach vor großen Herausforderungen im Hinblick auf Verschmutzung, Geräuschbelastung und Verkehrsverdichtung.
Der Luftraum hingegen wird bereits seit Jahrzehnten für die sichere und zeiteffiziente Langstreckenbeförderung genutzt. Bereits heute werden konventionelle Helikopter als Flugtaxis in Städten wie New York City eingesetzt. Ein 8-minütiger Flug vom Flughafen JFK nach Lower Manhattan kostet mit dem Uber Copter Air Taxi Service um die 180 € pro Passagier. Das Unternehmen Blade bietet gegen eine Jahresgebühr von rund 265 € einen Flughafenpass an, mit dem der Flug zwischen Manhattan und den New Yorker Flughäfen dann noch etwa 130 € kostet. Wer die gleiche Strecke auf dem Boden zurücklegt, zahlt rund 50 € für ein reguläres Taxi und ca. 110 € bis 160 € für den komfortableren Uber Black Service – ist allerdings 55 bis 100 Minuten unterwegs.
Aktuelle technologische Entwicklungen schaffen die Grundlage für einen Durchbruch von eVTOL-Fluggeräten
Die hohen (Betriebs-)Kosten eines Helikopters sind der Hauptgrund für die hohen Gebühren. Darüber hinaus wird die Nutzung gegenwärtiger Flugtaxidienste durch Lärmschutzvorgaben eingeschränkt. In der jüngsten Vergangenheit haben Start-ups und etablierte Luftfahrtunternehmen völlig neue Flugkonzepte entwickelt: senkrecht startende und landende Fluggeräte (electric Vertical Take-Off and Landing, eVTOL), die mit einem verteilten elektrischen Antrieb (Distributed Electric Propulsion, DEP) ausgestattet sind. Die Anzahl der Patente im Zusammenhang mit eVTOL hat in den letzten Jahren stark zugenommen, wobei die Liste derzeit von den USA, China und Deutschland angeführt wird. Grundlage der eVTOL-Technologie sind jüngste technologische Verbesserungen in den Bereichen Batterien, Elektromotoren und Automatisierung, die dem neuen Flugkonzept einige Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Helikoptern verschaffen: Sie sind potenziell sicherer, leiser und erheblich kostengünstiger im Betrieb. Uber geht davon aus, dass sein Uber Air Service mit Verfügbarkeit der eVTOL-Technologie binnen kurzer Zeit deutlich weniger als 4,50 € pro Passagiermeile kosten wird.
Angesichts der Vorteile der eVTOL-Fluggeräte wird für den eVTOL-Markt ein starkes Wachstum prognostiziert. Vor dem Hintergrund eines auf die nahe Zukunft ausgerichteten, umfangreichen Urban-Air-Mobility (UAM)-Programms, das FEV Consulting für die Verkehrsbehörde einer Megacity realisiert, sowie auf Grundlage umfassender Kenntnisse der eVTOL-Branche hat FEV Consulting eine Prognose der weltweiten eVTOL-Flottengröße bis zum Jahr 2040 erstellt. In die Prognose sind mehrere Parameter eingeflossen, darunter die wirtschaftliche Attraktivität von eVTOL-Flugtaxis, die Umweltbedingungen, die gesetzlichen und politischen Rahmenbedingungen sowie die vorhandene Infrastruktur. Auch die Wahrscheinlichkeit für eine Akzeptanz der Technologie in verschiedenen Kulturen sowie die Anzahl zu erwartender, relevanter eVTOL-Hersteller wurden berücksichtigt.
Auf dem eVTOL-Markt tummeln sich viele verschiedene Konzepte, die auf einer Reihe gemeinsamer Technologien wie dem Elektroantrieb beruhen. Mehr als 80 Start-ups und etablierte Hersteller von Fluggeräten arbeiten derzeit an der Entwicklung von über einhundert eVTOL-Flugkonzepten. FEV Consulting hat diese Konzepte einer ausgiebigen Analyse unterzogen und geht davon aus, dass weniger als 20 Prozent für Ride-Sharing-Anwendungen in der Luft geeignet sind und von ernst zu nehmenden Akteuren entwickelt werden, die über die Fähigkeiten verfügen, ihr Konzept durch die gesamte Entwicklungs- und Zulassungsphase bis in den tatsächlichen Betrieb zu bringen. Grund für die ausgeprägte konzeptuelle Diversifikation der eVTOL-Landschaft ist die Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsfälle. Das wichtigste Unterscheidungsmerkmal ist die Bauweise des Fluggeräts und das damit zusammenhängende Antriebskonzept. Es kann zwischen den Bauweisen Multirotor, Lift & Cruise und Tilt Rotor/Wing unterschieden werden. Auch unterschiedliche Energiequellen kommen zum Einsatz; so gibt es beispielsweise sowohl vollelektrische als auch hybride Systeme. In den folgenden Absätzen werden Elektromotoren genauer betrachtet. Aufgrund der unterschiedlichen Reisefluggeschwindigkeiten und Anforderungen an das maximale Startgewicht, aber auch von der Anzahl der Elektromotoren unterscheiden sich die Leistungsanforderungen der verschiedenen Bauweisen. Die Leistungs- und Drehmomentdichte wie auch der Wirkungsgrad des Elektromotors sind wichtige Parameter für Fluggeräte, da sie sich direkt auf den Gesamtwirkungsgrad und die Reichweite und somit auf die Eignung für die vorgesehene Anwendung auswirken. Abbildung 5 bietet einen Überblick über die Leistungsdichte der Elektromotorkonzepte von Zulieferern der Luftfahrtsparte im Verhältnis zu für die Luftfahrt zugelassenen Kolbenmotor- und Turbinenanwendungen. Die Abbildung erklärt, warum sich verteilte elektrische Antriebe bei eVTOL einer immer größeren Beliebtheit erfreuen und zugleich für kleine allgemeine Luftfahrtanwendungen interessant sind.
Verglichen mit Kolbenmotoren lässt sich mit modernen Elektromotoren Gewicht einsparen. Elektromotoren für die Luftfahrt müssen darüber hinaus äußerst zuverlässig sein, da Fehlfunktionen direkt zu kritischen Notfallsituationen führen können. Vor dem Hintergrund des Betriebskonzepts müssen eine hohe Verfügbarkeit und lange Wartungsintervalle gewährleistet werden. Da es sich bei den Fluggeräten um Leichtbaukonstruktionen handelt, die überwiegend aus Verbundwerkstoffen bestehen, sollten die Elektromotoren ein möglichst optimiertes NVH-Verhalten (Noise, Vibration, Harshness) aufweisen, um die Übertragung von Vibrationen auf den Rumpf und die Bauteile des Fluggeräts weitestgehend zu vermeiden. Die Verwendung von Elektromotoren anstatt komplexer Turbinen für diese neue Art von Flugkonzepten könnte Geschäftschancen für Unternehmen aus dem Automobilbereich bieten, die in der Elektrifizierung von Antriebssträngen tätig sind.
Urban Air Mobility ist für Automobilakteure eine interessante Zugangsmöglichkeit in die Luftfahrtindustrie
Anders als in der Automobilindustrie mit ihrer kosteneffizienten Massenproduktion werden Gewinne in der Luftfahrtindustrie nicht durch Masse oder Größenvorteile erwirtschaftet. Der Topseller A320 von Airbus wurde 2018 417-mal verkauft – das ist noch nicht einmal ein Zehntel des Absatzvolumens, das der BMW 3er pro Woche verzeichnet. Ganze 366.475 Einheiten der Reihe wurden im Jahr 2018 verkauft. Schlüsselkomponenten wie das Antriebssystem sind sicherheitskritisch und können Notfälle, Katastrophen und hohe Haftungsansprüche verursachen. Diese Produkte müssen daher den Zertifizierungsvorschriften der Aufsichtsbehörden wie der Federal Aviation Administration (FAA) in den USA oder der European Aviation Safety Agency (EASA) entsprechen. Voraussetzung für die Zulassung sind unter anderem ausführliche Tests, Validierung und detaillierte Dokumentation sowie Berichte. Darüber hinaus wird eine Genehmigung für die Herstellung des schon mit Musterzulassung versehenen Produkts benötigt und alle produzierten Komponenten müssen zuverlässig rückverfolgbar sein. Diese Zulassungs- und Konformitätsanforderungen verursachen einen hohen Entwicklungs- und Industrialisierungsaufwand, der auf die niedrigen Stückzahlen umgelegt werden muss. Der Automobilmarkt zeichnet sich im Gegensatz dazu durch hohe Absatzzahlen und einen ausgeprägten Wettbewerb aus, weswegen hier die kosteneffiziente Massenproduktion und schlanke Organisations- und Entwicklungsprozesse die Mittel der Wahl sind. Der Weg zur Zulassung ist bei einem Flugzeug beschwerlicher als bei einem Auto, doch die neuen eVTOL-Fluggeräte sind weniger komplex als kommerzielle zivile Luftfahrtmaschinen wie der A320. Die Automobilindustrie kann mit ihren Kapazitäten also dazu beitragen, die Kosten zu senken, Flugtaxis für ein breiteres Publikum erschwinglicher zu machen und das erwartete Marktwachstum der eVTOL-Branche zu fördern. Die im Zulassungsverfahren gestellten Anforderungen mögen Unternehmen aus der Automobilbranche zunächst wie eine große Eintrittshürde erscheinen. Der Lieferantenstamm für Technologien wie Batterien und Elektromotoren ist jedoch noch nicht so fest etabliert wie bei herkömmlichen Erzeugnissen für die Luftfahrt. Die Automobilindustrie kann davon profitieren, dass ihre Produkte bereits von den Endkunden auf der Straße genutzt werden und sie somit über reale Lebensdauerdaten verfügt, deren Wert nicht unterschätzt werden sollte. Dieses erfahrungsbasierte Wissen könnte zuträglich sein, wenn die zuständigen Behörden im Rahmen des Zulassungsverfahrens die Vertrauenswürdigkeit der neuen Akteure beurteilen. Darüber hinaus entwickeln Unternehmen aus dem Automobilbereich ihre Produkte nach ISO- und SAE-(Automobil-)Standards, die mit entsprechenden Standards der Luftfahrtindustrie vergleichbar sind. Die Automobilindustrie kann zudem auf umfangreiche Erfahrung mit Lieferketten, Logistik und Produktionsprozessen zurückgreifen – ein Wissen, das gefragt sein wird, wenn der Durchsatz im Verhältnis zur heutigen Situation der konventionellen Luftfahrt steigen soll. Alles in allem mag die eine oder andere Hürde zu überwinden sein, ein Kaltstart steht Lieferanten, die Automobilprodukte auf dem Luftfahrtmarkt platzieren möchten, aber sicherlich nicht bevor.
