Sensoren überwachen kritische Bereiche in Elektrofahrzeugen wie den Zustand der Batterien, das Raumklima und die Luftqualität. Sie tragen zu verbesserter Sicherheit, höherer Energieeffizienz und mehr Komfort bei. In Kombination mit anderen intelligenten Technologien wird auch die Reichweite des Fahrzeugs erhöht.

Die Elektromobilität ist derzeit in vielen Regionen der Welt auf dem Vormarsch. In immer kürzeren Entwicklungszyklen werden neue Fahrzeuge auf den Markt gebracht, die sich mit größeren Reichweiten, intelligenten Funktionen und neuen Komfortmerkmalen von der Konkurrenz abheben. Aufgrund des innovationsgetriebenen Charakters der E-Mobilität fordern neue Akteure die etablierten Branchenriesen heraus, indem sie schnell und flexibel neue Technologien entwickeln und auf den Markt bringen.

Wichtige technologische Triebkräfte für die Entwicklung hin zu immer intelligenteren Elektrofahrzeugen sind Hochleistungscomputer, die das Fahrerlebnis zunehmend optimieren und automatisieren, und fortschrittliche Sensoren, die die notwendigen Rohdaten liefern. Ohne die genaue Erfassung und Verarbeitung wichtiger Daten kann die Vision des intelligenten, nachhaltigen Fahrzeugs der Zukunft nicht verwirklicht werden.

Kritische Batteriezustände frühzeitig erkennen
Ein Beispiel für die entscheidende Rolle von Sensoren in Elektrofahrzeugen ist die Überwachung des Batteriestatus mit Hilfe von Metalloxidsensoren (MOX): Für die Batterien in Elektrofahrzeugen gelten hohe gesetzliche Anforderungen, um die Sicherheit der Insassen zu gewährleisten. Gleichzeitig sind die Batterien beim schnellen Laden und Entladen einer hohen Belastung ausgesetzt. Im Einzelfall kann dies im Falle eines Defekts zu einem Brand führen - ebenso wie im Falle eines Schadens durch einen Unfall.

Abbildung 1: Metalloxid-Sensoren (MOX) für die Zustandsüberwachung der Elektroauto-Batterie können auf Systemebene und in jedes Batteriemodul integriert werden, um kritische Zustände wie thermisches Durchgehen so früh wie möglich zu erkennen.

Gemäß der Globalen Technischen Regelung der Vereinten Nationen zur Sicherheit von Elektrofahrzeugen (EVS) müssen Batteriehersteller und OEMs Vorkehrungen treffen, um sicherzustellen, dass Fahrer und Passagiere in solchen Fällen das Fahrzeug verlassen können, bevor es zu einem Brand oder im schlimmsten Fall zu einer Batterieexplosion kommt. Um dies zu erreichen, muss eine unkontrollierte Wärmeentwicklung aufgrund kritischer Batteriezustände frühzeitig erkannt werden. Breitband-Gassensoren für Metalloxide (MOX) sind hierfür ideal geeignet, da sie die Entwicklung und das Ausgasen von Wasserstoff, Kohlenmonoxid und organischen Lösungsmitteln während einer chemischen Reaktion erkennen, bevor es zum thermischen Durchgehen kommt.

In unabhängigen Tests reagierte das speziell entwickelte Sensormodul BCM1 zur Zustandsüberwachung von Li-Ionen-Batterien von ScioSense bis zu 40 Sekunden schneller als Sensoren für Temperatur und Batteriespannung. Idealerweise werden diese Sensoren in den einzelnen Modulen der Batterie installiert, damit Defekte erkannt werden, bevor sie sich auf die gesamte Batterie des Fahrzeugs ausbreiten (thermische Ausbreitung). Dies ermöglicht schnelle Gegenmaßnahmen und eine frühzeitige Warnung der Insassen.

Abbildung 2: In unabhängigen Tests konnten die MOX-Sensoren von ScioSense das Ausströmen von Gas aus einer Li-Ionen-Batterie 40 Sekunden schneller erkennen als herkömmliche Sensoren für Temperatur und Batteriespannung. Dies hilft, der thermischen Ausbreitung entgegenzuwirken.

Optimierte Klimakontrolle erhöht die Reichweite
Luftqualitäts- und Umweltsensoren spielen eine entscheidende Rolle bei der Klimatisierung von Elektrofahrzeugen. Ziel der Überwachung des Innenraumklimas ist es, die Temperatur durch eine intelligent gesteuerte Zirkulation von Außen- und Innenluft optimal zu regulieren und gleichzeitig das Beschlagen der Scheiben zu verhindern. Bei der Kühlung des Fahrzeugs bei warmen Außentemperaturen haben die Sensoren außerdem die Aufgabe, die Leistung des Klimakompressors und der Wärmepumpe ideal aufeinander abzustimmen, um ein bestmögliches Innenraumklima bei möglichst geringem Energieverbrauch zu erreichen.

Auf diese Weise ermöglichen die Luftqualitäts- und Umweltsensoren eine Optimierung der Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Fahrzeug und erhöhen so den Komfort. Gleichzeitig tragen sie dazu bei, die Effizienz der Klimaanlage zu erhöhen. Das reduziert den Energieverbrauch und wirkt sich direkt auf die Reichweite der Fahrzeuge aus. Eine unabhängige Studie, die vom „Car and Driver Magazine“ im Jahr 2020 durchgeführt wurde, ergab Unterschiede in der Reichweite von bis zu 13 Prozent, je nach Einstellung der Klimaanlage. Dies zeigt, wie wichtig die Überwachung und Datenerfassung durch Sensoren sowohl in der Klimaanlage als auch in der Fahrzeugkabine ist.

Sensoren arbeiten zusammen
Idealerweise werden die Daten mehrerer Sensoren in einem intelligenten System kombiniert, um die Klimakontrolle zu optimieren: Module zur Klassifizierung der Außenluft werden zur Steuerung von Lufteinlassventilen und Mischern mit der umgewälzten Kabinenluft verwendet, optional mit Taupunkterkennung.

Sensoren vor dem Klimakompressor messen die Temperatur und Feuchtigkeit der Luft, die dann in den Innenraum abgegeben wird. Die Daten können durch zusätzliche Sensoren ergänzt werden, die dann an verschiedenen Stellen im Fahrgastraum oder z.B. direkt an der Windschutzscheibe angebracht werden. Dies ermöglicht eine individuelle Feinabstimmung der Klimaanlage oder eine zuverlässige und energiesparende Enteisung der Windschutzscheibe.

Vollautomatische Steuerung der Luftqualität
Die Überwachung der Luftqualität geht noch einen Schritt weiter, eine Komfortfunktion, die derzeit vor allem im Luxussegment gefragt ist. Intelligente Sensoren messen die Luftqualität im Fahrzeug und seiner Umgebung mit dem Ziel, die Klimaanlage vollautomatisch zu steuern. ScioSense hat ein Referenzdesign auf der Basis von MOX-Sensoren entwickelt, das die Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) in der Luft misst. Dadurch können Rückschlüsse auf die Luftqualität gezogen werden.

Unangenehme Gerüche in der Umgebung, z.B. von Abgasen, Industrieanlagen oder der Landwirtschaft, können ebenso erkannt werden wie Gerüche von Lebensmitteln oder Zigarettenrauch in Innenräumen. Durch den Vergleich der Luftqualität können die Systeme den Luftaustausch und die Zirkulation sowie die aktive Luftreinigung vollautomatisch steuern. Das Ergebnis ist eine optimierte Luft im Innenraum bei minimalem Energieverbrauch.

Herausforderungen für die OEM-Integration
Die Zustandsüberwachung für E-Auto-Batterien ist bereits heute ein wichtiges Sicherheitsmerkmal und ihre Bedeutung nimmt mit der Nachfrage nach immer leistungsfähigeren Batterien und höheren Ladegeschwindigkeiten zu. Sensoren zur Luft- und Umgebungsüberwachung bieten ein großes Potenzial für die Klimakontrolle in der E-Mobilität, da die Effizienz des Wärme- und Lüftungsmanagements einen direkten Einfluss auf die Reichweite der Fahrzeuge hat.

Aufgrund der hohen Sicherheitsanforderungen, der immer kürzer werdenden Innovationszyklen und der teilweise sehr komplexen Zertifizierungsprozesse sind Zulieferer und Fahrzeughersteller in der Automobilindustrie gut beraten, sich frühzeitig mit intelligenten Sensoren und deren Design-In zu beschäftigen. Einerseits ist es sinnvoll, einen Schritt voraus zu sein, bevor die Sensoren zu einer Standardanforderung in der Branche werden, andererseits sind Faktoren wie Energieeffizienz und Reichweite wichtige Elemente für Fahrzeughersteller, um sich im globalen Wettbewerb zu behaupten.

ScioSense unterstützt Unternehmen weltweit bei der Einführung der Technologie mit über 25 Jahren Erfahrung auf dem Gebiet der Sensorik für die Automobilindustrie. Kunden und Partner profitieren von der schnellen und agilen Entwicklung maßgeschneiderter Produktvarianten und der Integrationsunterstützung durch das Ingenieurteam - an sieben Standorten weltweit, mit Hauptsitz in den Niederlanden und einem lokalen Ansatz für den direkten Kontakt zwischen Kunden und dem Entwicklungsteam.