Elektrische Antriebe Das Gesamtsystem im Blick

In der Antriebstechnik für Hybrid- und Elektrofahrzeuge steht die Verbesserung von Komponenten und Subsystemen im Fokus. Doch ein ganzheitlicher Ansatz könnte die Effizienz des Gesamtsystems verbessern.

Anbieter zum Thema

Valeo GmbH

OSWALD Elektromotoren GmbH

Xometry Europe GmbH

Galt die Komplexität eines Elektrofahrzeuges bisher als geringer und leichter beherrschbar als die eines konventionellen Fahrzeuges mit Verbrennungsmotor, so erfährt diese Sichtweise inzwischen eine zumindest ansatzweise Korrektur. Denn was mit wenigen Steuerungsfunktionen und einem einfachen Batteriemanagement für die Bewegung von Prototypen ausreicht, lässt sich allein wegen erheblicher Sicherheitsanforderungen nicht ohne weiteres auf Serienfahrzeuge übertragen.

Hinzu kommen weitere Anforderungen, wie eine möglichst große Reichweite, ein berechenbares Fahrverhalten, angenehme Akustik, geringe Kosten sowie hoher Komfort. Vor diesem Hintergrund plädierte Hans Willibald Kemper, FEV Motorentechnik GmbH, Aachen, neben zahlreichen anderen Referenten der Tagung „Trends in der elektrischen Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge“, die das Haus der Technik vom 29.-30. November 2011 in München veranstaltete, für einen systematischen Ansatz. Da Überwachungs- und Sicherheitsfunktionen einen „erheblichen Anteil an der Steuerung von Elektrofahrzeugen“ hätten, stelle sich diese als ein „ähnlich komplexes System aus einzelnen Steuergeräten“ dar, wie in modernen verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen. Kemper begründete diese Einschätzung mit Erfahrungen aus dem Forschungsprojekt „Smart Wheels“, in dessen Rahmen in einem Aachener Feldversuch Elektro-Roller, -Busse sowie elf Elektro-Pkw unter Anforderungen der typischen Stadtwerke-Infrastruktur getestet wurden.

Systemauslegung nach Nutzungsprofil

Die Quintessenz des Projektes: Zwar findet der bereits erreichte Entwicklungsstand der Fahrzeuge eine hohe Anerkennung, doch erweist sich deren Entwicklung als nicht weniger anspruchsvoll als die eines konventionellen Fahrzeuges. Da Fahrer nur selten Nutzungseinschränkungen hinnehmen, ist das statistische Nutzungsprofil zu berücksichtigen, um eine gute Systemauslegung zu erreichen und mögliche Nachteile weitgehend ausblenden zu können.

Als besonders hervorstechende Eigenschaften der Elektrofahrzeuge erwiesen sich das dynamische und das akustische Verhalten. Zwar blieben unabhängig vom Antrieb die fahrbahnerregten Rollgeräusche ebenso wie die Windgeräusche bei höheren Geschwindigkeiten erhalten, allerdings seien die antriebsbezogenen Geräuschanteile, so Kemper, „völlig anders“. Gerade beim Fahren mit niedrigen Geschwindigkeiten ergäben sich daraus „spürbare Komfortsteigerungen“. Synthetisierte Verbrennungsmotorgeräusche seien mangels Authentizität „nur bedingt marktfähig“.

Integration der Antriebs-Leistungselektronik

Als eine Grundvoraussetzung für die Realisierung kompakter und effizienter Antriebssysteme hat sich im Rahmen eines Entwicklungsprojektes der Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität (FSEM) neben der thermischen Optimierung wiederum die Effizienzmaximierung des Gesamtsystems erwiesen. Hubert Rauh stellte dazu in München eine komplett vom Fraunhofer Institut für integrierte System- und Bauelementetechnologie (IISB) entwickelte Achsantriebseinheit für Elektrofahrzeuge vor. Dabei handelt es sich um sehr kompakte Antriebsmodule mit mechatronisch integrierten Antriebsumrichtern. Grundsätzlich weist ein zentraler Achsantrieb im Vergleich zum Radnabenantrieb ein deutlich höheres Leistungspotential auf. Allerdings ist, so Rauh, ein direkter Kostenvergleich schwierig.

Das Aufbaukonzept zeichnet sich durch eine direkte Integration der gesamten Antriebs-Leistungselektronik in die Antriebskomponenten aus. Dadurch vereinfacht sich neben den mechanischen Antriebsstrukturen die Komplexität des Hochvolt-Bordnetzes und der Infrastruktur zur Kühlung der Komponenten.

Ein Hauptziel des Projekts war die Entwicklung eines energieeffizienten Antriebssystems, welches die im Fahrzeug aufwendig transportierte elektrische Energie zu einem möglichst großen Teil in Antriebsleistung und Reichweite umsetzen kann. Dies setzt allerdings ein Verständnis des Zusammenwirkens der Komponenten E-Maschine, Frequenzumrichter und Untersetzungsgetriebe im mechatronischen Gesamtsystem voraus. Ob der Antrieb allerdings direkt in das Rad verlagert oder als Achsantrieb realisiert wird, hänge, so Rauhs Fazit, „stark vom Fahrzeugdesign und den Anforderungen an Leistung und Bauraum“ ab.

Neugestaltung der Fahrzeugarchitektur

Dass es bei der gegenwärtigen Elektrifizierung von Fahrzeugen in erster Linie um Umbauten existierender Modelle gehe, bewertete Karl-Josef Kuhn, Corporate Technology, Siemens AG, München, als einen Mangel an konzeptioneller Neuorientierung. Schließlich böten elektrische Antriebe die „Chance, Fahrzeuge nicht nur umzubauen, sondern die Architektur neu zu gestalten“. Völlig neue mechanische Aufbaukonzepte, elektrische und elektronische Systeme sowie neue Anwendungen und Services seien möglich. So bieten Hochleistungsantriebsstränge mit Motor und Schaltgetriebe ohne Reibkupplung neuen Bauraum und Gewichtsvorteile.

Siemens hat einen Prototyp entwickelt, in dem die Hinterachse eines Fahrzeuges mit Radnabenantrieben versehen ist und die mechanische Reibbremse auf der Hinterachse komplett durch das motorische Bremsen ersetzt wird. Jedoch macht laut Kuhn der Einsatz von Radnabenmotoren, die einen Teil der Bremsfunktion übernehmen sollen, „notwendig, über die weitergehende Automatisierung von Steuerungsbereichen nachzudenken“.

(ID:388541)