Ob autonom, semiautonom oder elektrisch, das moderne Fahrzeug verbraucht mehr Strom. Seine Entwicklung hin zu einem Rechenzentrum auf Rädern bedeutet, dass es viele Möglichkeiten gibt, es energieeffizienter zu machen, ohne die intelligenten Funktionen zu beeinträchtigen.
Je intelligenter das Fahrzeug, desto größer die Notwendigkeit von Energieeffizienz. Eine ständige Herausforderung für selbstfahrende Fahrzeuge ist der immense Energiebedarf für die Autonomie. Bordsensoren verbrauchen sehr viel Strom, während die Fahrzeugcomputer ständig Berechnungen durchführen, um spontane Fahrentscheidungen zu unterstützen.
Pro Sekunde werden viele Gigabyte an Daten generiert, für die Strom benötigt wird. Wie für einen Server oder ein Smartphone ist daher für das moderne Fahrzeug intelligentes Energiemanagement ein Muss, denn der Stromverbrauch beeinflusst Energieeffizienz und Reichweite von E-Autos.
Jede Fahrzeugfunktion konkurriert um Energie
Das Auto ist im Laufe der Jahrzehnte immer energiehungriger geworden. Vorbei sind die Zeiten, als ein einfaches Radio oder vielleicht ein Kassettendeck für die Unterhaltung sorgte. Und elektrische Fensterheber und Schlösser sind längst Standard. Selbst ein modernes Fahrerassistenzsystem (Advanced Driver Assistance System, ADAS) mit Rückfahrkamera gehört heute zur Grundausstattung und wird auch verlangt. Das Armaturenbrett eines neuen Fahrzeugs gleicht mittlerweile einer Konsole in der Mission Control der NASA.
GPS, Satellitenradio und Bordmedienspeicher erhöhen schnell die Energieanforderungen für ein durchschnittliches Auto. Und das ohne ein Mindestmaß an Autonomie, ganz zu schweigen von der Elektronik und Rechenkapazität, die für ein selbstfahrendes Fahrzeug erforderlich sind. In die Fahrzeugarchitektur sind zahlreiche elektronische Systeme integriert, die Motor, Fahrgestell, Sicherheitsfunktionen und Unterhaltung unterstützen.
Die Motorelektronik in Form von Motorsteuergeräten (Engine Control Units, ECUs) ist über das gesamte Fahrzeug verteilt, um Emissionen, Zündung, Kühlung, Drosselung, Kraftstoffeinspritzung und andere Funktionen zu steuern. Diese ECUs müssen mit Subsystemen der Fahrwerkselektronik kommunizieren, u. a. Traktionskontrolle, elektronischer Bremskraftverteilung und Antiblockiersystem sowie Einparkhilfe. Passive Sicherheitssysteme erfordern ebenfalls elektronische Komponenten für Airbag-Steuerung und -Auslösung, Notbremsung und Steuerung der Bergabfahrt bei einem Zusammenstoß oder anderen Zwischenfällen im Straßenverkehr.
Weniger systemrelevant, aber Standard sind Komfortfunktionen für die Passagiere wie Klimaautomatik, elektronische Sitzverstellung, automatische Umgebungssteuerung und automatische Scheibenwischer sowie alle Unterhaltungs- und Navigationssysteme. Sie alle gehören zur Kategorie „Infotainment“.
Diese Elektronik entwickelt sich ständig weiter und neue Komponenten kommen hinzu, da Fahrzeuge immer intelligenter werden. Gleichzeitig werden Systeme wie ADAS durch die Integration von Heads-up-Displays und Gestenerkennung in der Fahrzeugkabine noch stärker von der Elektronik abhängig. Mehr Elektronik und Funktionen bedeuten aber nicht zwangsläufig mehr Energiebedarf. Denn Autos können wie Smartphones zusätzliche Funktionen besitzen und gleichzeitig energieeffizienter werden.
Effizientes Bereitstellen und Speichern von Fahrzeugdaten
Möglichkeiten zur Reduzierung des Stromverbrauchs finden sich in vielen elektronischen Komponenten, die das moderne Fahrzeug intelligenter und autonomer machen: Arbeits- und Datenspeicher, Sensoren und Konnektivität, sowohl kabelgebunden als auch drahtlos.
Die Umsetzung vollständiger Autonomie der Stufe 5 auf breiter Basis wird wohl noch eine Weile auf sich warten lassen. Aber auch schon Autonomie der Stufen 2 und 3 in Form von Fahrerüberwachungssystemen, adaptiver Geschwindigkeitsregelung, Spurhaltung und automatischer Bremsfunktion bedeutet mehr Daten und erfordert somit mehr Arbeits- und Datenspeicher. Angesichts immer komplexerer Systeme und höherer Rechenanforderungen spielt energieeffizienter Arbeitsspeicher eine wichtige Rolle bei der Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs im Fahrzeug.
Für Funktionen, die mehr Arbeitsspeicher und schnelle Verarbeitung erfordern, lässt sich mit LPDDR4X/5X ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung und Energieverbrauch erzielen. Das ist wichtig, da autonome Fahrzeuge der Stufen 4 und 5 mit KI-Anwendungen, die ebenfalls hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit erfüllen müssen, die Zukunft prägen werden. NOR-Flash eignet sich hervorragend zum Speichern kleiner Datenmengen im Fahrzeug und unterstützt „Instant On“, sodass erst Strom verbraucht wird, wenn der Schlüssel im Zündschloss gedreht wird.
NAND-Flash-Datenspeicher mit hoher Kapazität, der für andere Anwendungsfälle optimiert wurde, in denen z. B. eMMC oder Universal Flash Storage (UFS) eingesetzt wurden, kann Infotainment-Daten speichern. Mit SSDs lassen sich sogar Informationsspeichergeräte mit integrierter Intelligenz konsolidieren, die die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit systemrelevanter Daten priorisiert. Ihre Zuverlässigkeit verdanken sie zum Teil dem Fehlen beweglicher Teile, was auch zu einem besseren Energieverbrauchsprofil beiträgt.
Abgesehen von Arbeits- und Datenspeicher sind Konnektivität und Sensoren im modernen Fahrzeug allgegenwärtig. Es ist nicht nur ein Rechenzentrum auf Rädern, sondern auch ein eigenes IoT-Ökosystem (Internet der Dinge) mit Bordgeräten, die sowohl miteinander als auch mit der Umgebung kommunizieren müssen; dies gilt vor allem für vollständig autonome Fahrzeuge.
Auch kleine Sensoren benötigen Strom und bei einer großen Anzahl kann sich dieser Energieverbrauch summieren. Das moderne Fahrzeug ist vollgepackt mit Sensoren, die den Fahrzeugzustand überwachen, Hindernisse beim Fahren und Parken erkennen und sogar den Gesundheitszustand des Fahrers im Auge behalten. Ein stromsparender Infrarot-Temperatursensor benötigt ungefähr 15 mW Leistung, was nicht viel ist. Eine zentrale Herausforderung für das Fahrzeugdesign ist jedoch, dass Energie zwangsläufig als Wärme verloren geht. Ein Teil dieser verlorenen Energie kann zurückgewonnen werden, indem die Abwärme mithilfe thermoelektrischer Generatoren (TEG) in Strom umgewandelt wird, insbesondere in eingebetteten Systemen. Aufgrund ihrer Solid-State-Ausführung erfordern sie fast keine Wartung und verbessern insgesamt die Systemleistung, indem sie Sensoren mit Strom versorgen.
Auch Automotive Ethernet spielt eine wichtige Rolle für die Energieeffizienz. Es ist das Netzwerk, über das alle Daten im Fahrzeug dort bereitgestellt werden, wo sie benötigt werden. Power-Over-Ethernet macht zusätzliche Stromquellen überflüssig, reduziert die Verkabelung im Fahrzeug und ermöglicht die Datenübertragung zwischen Fahrzeuggeräten mit gewohnter Geschwindigkeit. Energieeffizientes Ethernet verringert mittlerweile den Stromverbrauch, indem Netzwerksegmente abgeschaltet werden, wenn der Motor aus ist. Wird der Motor eingeschaltet, steht das Netzwerk wieder zur Verfügung.
Optimierte Wärmeabführung und Leistung
Eine weitere Möglichkeit zur Optimierung des Stromverbrauchs von Fahrzeugen sind Wide-Bandgap-Halbleiter (WBG) aus Siliciumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) mit einer relativ großen Energiebandlücke. Im Vergleich zu Silicium ermöglichen SiC und GaN erhebliche Leistungssteigerungen sowie eine bessere Betriebseffizienz und Zuverlässigkeit in widrigen Umgebungen und eignen sich somit auch für die Automobilindustrie.
Widerstandstechnologie spielt bei der Energieeffizienz von Fahrzeugen ebenfalls eine Rolle. Widerstände mit breiten Anschlüssen weisen zum Beispiel ein hervorragendes Verhältnis zwischen Leistung und Größe auf, da sie einen Großteil ihrer Wärme über die breiten Anschlüsse am Bauteil abführen. Das „reduzierte Hotspot-Design“ impulsfester Widerstände bedeutet hingegen, dass die Bauelemente eine höhere Impulsbelastbarkeit sowie eine höhere Dauernennleistung erlauben.
Auf mehreren Wegen zum Automotive Power Management
Energieeffizienz in modernen Fahrzeugen ist heute ein entscheidender Faktor. Bei der Wahl von Rechenleistung, Arbeits- und Datenspeicher oder der Konnektivität, die zum Bereitstellen von Daten in der Fahrzeugumgebung erforderlich sind, muss der Stromverbrauch immer ein zentraler Aspekt sein. Je intelligenter das Fahrzeug ist, desto stärker muss Energieeffizienz im Fokus stehen und durch verringerten Stromverbrauch, Energy Harvesting und besseres Wärmemanagement umgesetzt werden.
