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• Fraunhofer ESK hat ein neues Sicherheitskonzept für Elektrofahrzeuge entwickelt, das sich mit der Analyse und Bewertung von Gefahren und Risiken beschäftigt.© Fraunhofer ESK
  
• Fraunhofer ESK hat ein neues Sicherheitskonzept für Elektrofahrzeuge entwickelt, das sich mit der Analyse und Bewertung von Gefahren und Risiken beschäftigt© Fraunhofer ESK
  
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Marktreife2011

Damit bei einem Elektrofahrzeug auf einen Großteil der bei einem konventionellen Auto üblichen Mechanik verzichtet werden kann, übernehmen Steuergeräte und ihre Software eine Vielzahl sicherheitskritischer Funktionen. Deren Aufgabenvielfalt wird sich in Zukunft steigern, wenn die E-Autos der kommenden Generation mit mehreren Antrieben ausgestattet werden. Forscher der Fraunhofer ESK haben mögliche Risikofaktoren der elektronischen Steuerungen analysiert und klassifiziert, um daraus ein umfassendes und effektives Sicherheitskonzept abzuleiten.

Es gibt Vorstellungen, die halten sich selbst bei einer „automobilen Nation“ wie der deutschen hartnäckig. Auch wenn sie noch so falsch sind. Im Bereich der E-mobilen Evolution gehört dazu mit Sicherheit die Mär, dass nur der konventionelle Motor durch einen elektrischen ersetzt werden müsse, um ein zumindest im Grundsatz funktionierendes Elektroauto fahren zu können. Auch wenn diese Idee (vorwiegend in den USA) im Zuge der „car conversion” – Angebote, bei denen Getriebe und Kupplung im Wagen verbleiben und der E-Motor mit Antriebsplatte an das Getriebe geflanscht wird – tatsächlich umsetzbar ist: Fahrer und Fahrerinnen bewegen sich in Zukunft nicht nur mit einem neuen Antrieb fort, sondern mit einer (fast) komplett neuen Art von Fahrzeug. Das technische „Innenleben“ eines Elektrofahrzeugs wird auf Grundlage einer veränderten und in vielen Bereichen neuen Architektur entwickelt. Vor allem der mechanische Antriebsstrang wird vereinfacht. Kupplung und Getriebe mit mehreren Übersetzungen können ebenso entfallen wie das Differenzial. Und das mit teils einschneidenden Konsequenzen: So ist beispielsweise die Effizienz dessen, was bei konventionellen Fahrzeugen als „Motorbremse“ bezeichnet wird, beim E-Mobil so hoch, dass auf eine normale Bremse sogar verzichtet werden könnte. Und durch den Wegfall des mechanischen Differenzialbetriebes können andere, „intelligentere“ Wege gefunden werden, um die Drehmomente-Verteilung auf die Räder zu regeln und das Fahrzeug auf der Straße zu stabilisieren. Mit hoher Wahrscheinlichkeit werden die Fahrzeuge zukünftiger Elektromobilgenerationen zudem nicht mehr über einen zentralen Antrieb verfügen, sondern über zwei (vorn und hinten) oder sogar über einen für jedes der vier Räder.

Der Wegfall mechanischer Funktionen sowie eine intelligentere Verteilung des Antriebs bedeuten allerdings auch, dass deutlich mehr Regelungs- und Überwachungstechnik nötig ist, um das technisch einwandfreie Funktionieren des Fahrzeugs zu gewährleisten. Die Software übernimmt damit zentrale Aufgaben bei der Steuerung der Antriebstechnologie. Denn beispielsweise das unerwartete Beschleunigen eines der Antriebe oder die ungewollt asymmetrische Verteilung der Drehmomente würde unweigerlich zu einer großen und letztlich neuartigen Gefahrensituation führen.

Forscher an der Fraunhofer ESK haben deshalb ein neues Sicherheitskonzept für Elektrofahrzeuge entwickelt, in dessen Mittelpunkt die Analyse und Bewertung von Gefahren und Risiken stehen, die durch das Fahren mit mehreren stromgespeisten Antrieben entstehen könnten. Entsprechend der Norm ISO 26262 sind diese vor allem nach den Kriterien Schweregrad, Häufigkeit und einer möglichen Beherrschbarkeit durch den Fahrer bewertet. Betrachtet wurden dabei nicht nur mögliche einzelne Fehlerquellen, sondern deren Einfluss auf andere Komponenten, um die gesamte Wirkkette vom „Gas“-Pedal über ein zentrales Steuergerät, der Übertragung zu den Motoren bis hin zur Regelung, zu analysieren. In einem zweiten Schritt wurden Maßnahmen konzipiert, damit die erkannten Fehler entweder gar nicht auftreten oder zumindest technische Möglichkeiten vorgehalten werden, damit Fahrzeug und Mensch passend darauf reagieren können.

Erfolgreich getestet wurden die Erkenntnisse und abgeleiteten Lösungen bereits am Elektrofahrzeug „Fraunhofer e-concept car type 0“ (Frecc0) , das im Rahmen der Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität entwickelt und gebaut wurde. Hier ist beispielsweise neben dem zentralen Steuerelement, das unter anderem für das Fahrzeugzustands-Management und die Drehmoment-Berechnung zuständig ist, ein „Überwachungs-Computer“ implementiert. Dieser Redundanzrechner spiegelt dabei nicht jeden Rechenschritt der zentralen Steuereinheit, sondern stellt „Plausibilitätsüberlegungen“ an und gibt sein „o.k.“, wenn die berechneten Werte in einem tolerierbaren Rahmen liegen und entsprechende Steuerbefehle an die Motoren weitergeleitet werden können.

Zudem wurden „sichere Zustände“ definiert, um festzulegen, in welchen Zustand eine Komponente gebracht werden sollte, um im Extremfall Gefährdungen zu verhindern. Während beispielsweise das zentrale Steuergerät einfach abgeschaltet werden kann, ist dies bei Motor und Batterie nicht möglich: Ein laufender Elektromotor benötigt eine funktionierende Stromversorgung, um beherrschbar zu bleiben. Deshalb ist hier die elektrische Versorgung redundant ausgelegt. Und für eine Batterie gibt es letztlich keinen „echten“ sicheren Zustand: Es muss gewährleistet sein, dass sie kontinuierlich überwacht wird, um je nach Situation individuell zu reagieren.

Die Forscher haben alle elektromotor-spezifischen Funktionen und ihre möglichen Wechselwirkungen untereinander analysiert, um ein umfassendes und effektives Sicherheitskonzept zu entwickeln. Die daraus abgeleiteten Maßnahmen haben sich auch bei Probefahrten von Frecc0 Anfang September auf der Fahrzeugteststrecke in Papenburg bewährt. Die Erkenntnisse können nun in die Entwicklung von Serienfahrzeugen einfließen.