gesponsertHybridantriebe Turboaufladung neu gedacht: Boost ohne Kompromiss

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BorgWarner Ludwigsburg GmbH

Ein integrierter Elektromotor auf der Turboladerwelle sorgt für mehr Leistung und weniger Emissionen ohne klassisches Turbo-Dilemma. Wie es funktioniert und weshalb die von BorgWarner entwickelte Technik Hybridherstellern gänzlich neue Möglichkeiten eröffnet.

Jeder Antriebsingenieur kennt das Problem: Wer einen Turbolader für maximale Nennleistung auslegt, erkauft sich damit ein träges Ansprechverhalten bei niedrigen Drehzahlen. Wer umgekehrt auf schnellen Ladedruckaufbau optimiert, limitiert die Spitzenleistung. Diesen Zielkonflikt hat die Branche jahrzehntelang mit Kompromissen verwaltet, bis ein elektrischer Antrieb direkt auf der Turboladerwelle beide Seiten der Gleichung entkoppelt.

Der eTurbo kombiniert Abgasturbolader und permanenterregten Synchronmotor in einer hochintegrierten Rumpfgruppe. Das Ergebnis: Der Verdichter lässt sich auch dann auf Drehzahl bringen, wenn die Abgasenergie noch nicht ausreicht. Der Ladedruckaufbau erfolgt dadurch mindestens doppelt so schnell wie ohne elektrische Unterstützung – messbar in rund 1,5 Sekunden Vollbestromung bis zum Erreichen des Eckdrehmoments.

λ = 1 bis zur Nennleistung

Für Hybridmotoren mit stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis (λ = 1) ist das besonders relevant: Anfetten zur Nennleistungsdarstellung ist regulatorisch nicht mehr zulässig. Die Lösung liegt in einem bewusst groß ausgelegten Turbolader, der im Nennleistungspunkt ohne Anfetten auskommt und dessen träges Anfahrverhalten der integrierte Elektromotor kompensiert. So werden spezifische Leistungsdichten von rund 100 kW/l möglich, ohne Abstriche bei der dynamischen Fahrperformance. Ein Nebeneffekt: Der größere Turbolader senkt den Abgasgegendruck, verbessert den Ladungswechsel im verbrauchsrelevanten Betriebsbereich und reduziert so den Kraftstoffverbrauch.

In Kombination mit einem zusätzlichen Traktionsmotor – wie mit BorgWarner Technologie bei einem großen europäischen Hersteller realisiert – steigert sich der transiente Drehmomentaufbau auf das Vier- bis Fünffache gegenüber einem konventionellen Verbrennungsmotor. Das ist kein theoretischer Wert: Die 400-V-Version ist seit 2024 in Serienproduktion.

Energie zurückgewinnen statt vernichten

Im Normalfall leitet ein Wastegate überschüssige Abgasenergie ungenutzt vorbei. Der eTurbo macht daraus eine Ressource: Anstatt die Turbinenleistung zu begrenzen, wandelt er die überschüssige Energie in Strom um – mit bis zu 20 kW elektrischer Dauerleistung direkt in die Hochvoltbatterie. Das schont die Batterie, entlastet den Antriebsstrang und verbessert die Gesamteffizienz des Hybridsystems.

Ergänzt wird der Nutzen durch die Sekundärluftfunktion im Kaltstart: Der eTurbo arbeitet dabei als elektrische Luftpumpe und beschleunigt den Katalysator-Lightoff – ein direkter Beitrag zur NOₓ-Reduzierung ohne zusätzliche Komponenten.

Hochintegration unter Extrembedingungen

Die technische Herausforderung liegt in der räumlichen Enge: Turbinengehäuse mit bis zu 1.000 °C Abgastemperatur, Hochvolt-Isolationssystem und Leistungselektronik sitzen auf wenigen Zentimetern zusammen. Das Thermomanagement kombiniert Hochtemperatur-Wasserkühlung für Gehäuse und Stator mit gezielter Ölsprühkühlung im Rotorraum. Die Isolationsfestigkeit des Stators wird über einen Vakuum-Vollverguss mit hoher dielektrischer Festigkeit und guter Wärmeleitfähigkeit dauerhaft sichergestellt.

Für die Leistungselektronik kommen Siliziumcarbid (SiC)-Leistungsschalter zum Einsatz – mit Schaltzeiten von rund 10 ns und hoher Schaltfrequenz für minimale Rotorverluste. Die Leistungsplatine ist direkt auf einem wassergekühlten Aluminiumdeckel verklebt, thermisch entkoppelt von der Turbinenseite. Flachbauende Samarium-Kobalt-Magnete erlauben trotz maximaler Drehzahlen von 150.000 U/min ein kompaktes Rotordesign mit hoher Temperaturstabilität. Gegen die dabei entstehenden extremen Fliehkräfte sichert eine Bandage aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff die Permanentmagnete, axial gekapselt durch metallische Deckscheiben. Die Motorregelung arbeitet sensorlos mit feldorientierter Regelung und Sinuskommutierung. Das reduziert Oberschwingungsanteile im Phasenstrom und senkt die Rotorverluste weiter.

Die Lager sind als federvorgespannte Wälzlagerung mit geringstmöglichem Abstand zu den Statorwickelköpfen platziert – das verkürzt den Wellenüberhang, verbessert die Rotordynamik und erhöht die Laufruhe bei hohen Drehzahlen. Eine integrierte Wasserkühlung der Lagergruppe stellt auch bei minimaler Ölschmierung thermische Stabilität unter Volllast sicher.

Ein integriertes Temperaturmodell berechnet in Echtzeit die Zustände in kritischen Bereichen – von Rotor und Stator bis zu den SiC-Leistungsschaltern. Werden Grenzwerte dauerhaft überschritten, greift ein automatisches Derating: Die Leistung wird stufenweise begrenzt, bevor Komponenten in den thermischen Grenzbereich geraten. Das System bleibt betriebsfähig, statt hart abzuschalten.

Secure by Design

Als abgasrelevantes Bauteil unterliegt der eTurbo strengen Sicherheitsanforderungen. Zentrale Funktionen wie die Spannungs- und Strommessung sind gemäß ASIL-B ausgelegt; weitere OBD-relevante Signale wie Drehzahl und Drehmoment ergänzen die Betriebssicherheit. Eigendiagnosen und Plausibilisierungen laufen in Echtzeit im Hintergrund; ein Selbsttest beim Systemstart sichert die Integrität gegenüber dem HV-Bordnetz. Für die elektromagnetische Verträglichkeit kommt eine patentierte Drossel direkt am Hochvolteingang zum Einsatz – eine Weiterentwicklung des im eBooster bewährten Konzepts, die ohne gesonderte Kühlung auskommt.

Skalierbar in beide Richtungen

Die 400-V-Plattform ist der aktuelle Seriensockel. Das Portfolio kann von einer 48-V-Variante für Mild-Hybrid-Anwendungen bis zu einer 800-V-Version für leistungsstarke Hochvoltarchitekturen ergänzt werden – und schließt mit dem eBoosterPlus eine Zwischenlösung ohne Abgasturbine ein – als 400- oder 800-V-Variante mit bis zu 10 kW Dauer- und 15 kW Spitzenleistung. Für den Nutzfahrzeugbereich sind höhere Leistungsklassen in Entwicklung.

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