Interview

Darauf kommt es bei der Auslegung eines E-Antriebs an

| Redakteur: Sven Prawitz

Die Antriebseinheit eines Elektrofahrzeugs.
Die Antriebseinheit eines Elektrofahrzeugs. (Bild: Bosch)

E-Maschinen sind einfacher aufgebaut als Verbrennungsmotoren. Trotzdem ist die Auslegung eines E-Antriebs nicht unbedingt einfacher, erläutert Ralf Schmid, Leiter der Business Unit für elektrische Achssysteme und E-Maschinen bei Bosch.

Ähnlich wie beim Verbrennungsmotor ist auch die Auslegung von E-Maschinen ein ständiges Abwägen zwischen verschiedenen technischen Optionen und Alternativen. Im Interview erklärt Ralf Schmid, verantwortlich für elektrische Achssysteme und E-Maschinen bei Bosch, welche Aspekte bedacht werden müssen.

Herr Schmid, worauf kommt es bei der Auslegung einer E-Maschine an?

Zunächst stehen Zielgrößen im Vordergrund, die sich gar nicht so sehr von denen eines Verbrennungsmotors unterscheiden: Wirkungsgrad, NVH-Verhalten und Kosten. Beim E-Motor kommt hinzu, dass er eine möglichst hohe Leistungs- und Drehmomentdichte aufweisen soll.

Ralf Schmid: „Eine effektive Multizieloptimierung erfordert breites Fachwissen.“
Ralf Schmid: „Eine effektive Multizieloptimierung erfordert breites Fachwissen.“ (Bild: Bosch)

Wie kann man solche Zielgrößen erreichen?

Bei Bosch sehen wir uns zunächst das Zielfahrzeug des gewünschten E-Antriebs an, sein Gewicht, die Radgrößen, die geforderte Beschleunigung und Endgeschwindigkeit und vieles mehr. Erst wenn wir all diese Parameter verstanden haben, beginnen wir mit der eigentlichen Auslegung der E-Maschine.

Gibt es dafür so etwas wie Eckpunkte, die das Gesamtergebnis positiv beeinflussen?

Absolut. Die Spitzenleistung ist eine Antwort auf die geforderte maximale Beschleunigung und sollte 30 bis 60 Sekunden zur Verfügung stehen. Länger wird es schwierig, da dann Systemkomponenten wie Batterie, Leistungselektronik und E-Maschine an ihre thermischen Grenzen stoßen, was große und kostenintensive Kühlsysteme erfordern würde. Die aufwändige Kühlung ist auch der Hauptgrund dafür, dass bei Pkw die Dauerleistung auf etwa 50 bis 60 Prozent der Spitzenleistung festgesetzt wird. Als weiteres Auslegungskriterium setzt die Eckdrehzahl, ab der die maximale Beschleunigungsfähigkeit nicht mehr zur Verfügung steht, gewisse Grenzen.

Wie lässt sich der Wirkungsgrad einer E-Maschine optimieren?

Indem Verluste konsequent vermieden werden. Dafür gibt es verschiedene Ansatzpunkte. Verluste entstehen vor allem im Kupfer, im Eisen, in den Magneten und Lagerungen. Es ist abhängig vom Anwendungsfall und von der Dimension der E-Maschine, welche dieser Verluste sich in den Vordergrund drängen.

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Was kann man im Kupfer und Eisen dagegen tun?

Kupferverluste kann man z. B. durch den Einsatz gut leitender Werkstoffe reduzieren. Eisenverluste lassen sich durch eine optimale Materialauswahl, etwa durch besonders dünne Bleche, begrenzen. Allerdings sind dünnere Bleche teurer im Einkauf und müssen zudem hochgenau gestapelt werden, damit die Toleranzen, Wuchtgüten und der Rundlauf stimmen.

Und bei den Magneten?

Neodym-Magnete legen ein kritisches Temperaturverhalten an den Tag und demagnetisieren sich über bestimmten Temperaturen. Dies kann man entweder durch möglichst minimale Zugabe von schweren Seltene-Erden-Werkstoffen wie Terbium und Dysprosium hinauszögern, oder man kühlt den Rotor stärker. Dies kollidiert jedoch mit dem Ziel, den Aufwand für das Kühlsystem so niedrig wie möglich zu halten.

Wie kann man den Kühlbedarf in Grenzen halten?

Wir bei Bosch versuchen, die Magnettemperaturen mit präzisen Prognosemodellen sehr genau zu ermitteln. So können wir mit der Magnettemperatur sehr nah an den Schwellenwert heranfahren, ab dem eine Demagnetisierung beginnt. So nutzen wir die Materialien maximal aus.

Drehmoment und Leistung: Marktanforderungen an Traktionsmaschinen.
Drehmoment und Leistung: Marktanforderungen an Traktionsmaschinen. (Bild: Bosch)

Spielt die Kühlung auch bei den Lagerverlusten eine Rolle?

In einem gewissen Maße ja, ebenso wie die Lagergröße und die Schmierung. Wichtigster Punkt bei den Lagern ist aber eine optimale Vorspannung. Bei geringerer Vorspannung haben wir zwar weniger Reibung, aber eine erhöhte NVH-Problematik. Bei zu hoher Vorspannung ist zwar das NVH-Verhalten gut, aber die Reibungsverluste nehmen zu.

Wie kann man diese vielen Zielkonflikte und Abstimmungsprobleme in den Griff bekommen, ohne die Entwicklungszeit ungebührlich auszudehnen?

Wir bei Bosch nutzen agile Methoden. Das führt zu hochmotivierten, effizienten Teams, die in einem Miteinander von Entwicklung, Erprobung, Fertigung und Einkauf qualitativ hochwertige Komponenten entwickeln. Wir verfügen somit einerseits über ein komplexes Verständnis der physikalischen Ursache-Wirkungsbeziehungen in Bezug auf den kompletten Antrieb inklusive Batterie und Leistungselektronik und andererseits über Erfahrungen und Kenntnisse kosteneffizienter Fertigungsprozesse.

Wie kann man komplette E-Maschinen bereits virtuell am Bildschirm entwickeln?

Wir nutzen dazu die Multizieloptimierung. Bei dieser Entwicklungsmethodik werden auf Basis aller verfügbaren Parameter möglichst viele Varianten in kurzer Zeit am Rechner simuliert, um daraus die beste Variante für den Kunden herauszufiltern.

Gibt es dafür überhaupt eine passende Tool-Kette?

Wir haben für die Multizieloptimierung eine komplette Tool-Kette selbst aufgebaut. Sie besteht zum einen aus frei am Markt erhältlichen Werkzeugen, zum anderen aus selbst entwickelten Simulationstools. Inzwischen haben wir die Multizieloptimierung so optimiert, dass ihre Ergebnisse bis auf wenige Prozent Abweichung schon dem Verhalten des späteren realen E-Motors entsprechen. Diese sehr wirkungsvollen Entwicklungsmethoden und -prozesse sind zusammen mit der enge Verzahnung von Entwicklung und Fertigung die Hauptgründe, dass Bosch E-Maschinen in der geforderten Qualität und Menge zu wettbewerbsfähigen Kosten liefern kann.

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