Elektromobilität: Herausforderung elektrischer Antriebsstrang

Elektromobilität ist nicht nur ein Trend, sondern die Zukunft des Verkehrs. Hochdynamisches Fahrverhalten, Effizienz und der emissionsfreie Betrieb sind starke Vorteile gegenüber bestehenden Verbrennungstechnologien. Diese Vorteile und die sich ankündigende Ressourcenknappheit fossiler Brennstoffe sind die treibenden Gründe für eine elektromobile Zukunft. Die Elektromobilität beschränkt sich nicht nur auf den Individualverkehr wie PKW und Zweiräder, sondern umfasst auch den Bereich der Logistik und des Warentransports, des Personentransports sowie Fahrzeuge in der der Bau-, Land- und Forstwirtschaft.

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Abb. 1: Elektromobile Anwendungen. Zahlreiche neue Anwendungen und Märkte in der E-Mobilität bedingen neue Herausforderungen an die Konstruktion elektrischer Antriebsstränge. Ein Fachbeitrag von Dipl.-Ing. Andreas Stevens.

Durch die Elektromobilität ergeben sich viele neue Märkte, Möglichkeiten, aber auch Herausforderungen im Bereich des elektrischen Antriebsstranges. Bisherige Methoden zur Entwicklung des elektrischen Antriebsstranges für die Industrie reichen für Anwendungen in der Elektromobilität nicht aus. Wesentliche Unterschiede sind die Art der Spannungsversorgung, die bei Fahrantrieben in der Regel durch Batterien dargestellt wird, der begrenzte zur Verfügung stehende Bauraum sowie der Wunsch nach einem möglichst geringen Gewicht zur Energieeinsparung.

Dynamik, Optimierungsschwerpunkte, Leistungsanforderungen, Betriebsverhalten und Stückkosten sind weitere Kriterien, die einen Antriebsstrang für Fahrantriebe von jenen in der Industrie unterscheiden.

Das Fahrzeug

Gerade im Bereich der Elektromobilität ist eine Betrachtung der gesamten Anwendung, in der der elektrische Antriebsstrang integriert werden soll, unerlässlich. Beim PKW ist z.B. häufig ein im Vergleich zum Nennmoment deutlich höheres Anfahrtsmoment bei zugleich hoher Endgeschwindigkeit erforderlich. Diese Problematik ist allein durch eine Maschine mit klassischem Betriebsverhalten meist nur schwer umzusetzen. Im Bereich der Verbrennungstechnik wird dazu auf ein Schaltgetriebe zurückgegriffen, bei elektrischen Maschinen kann dagegen durch Verwendung eines speziellen Ansteuerungsverfahrens (Feldschwächebetrieb) auf ein solches verzichtet werden. Zudem ist vor allem die Reichweite des Fahrzeuges gerade in Bezug auf die gesellschaftliche Akzeptanz eine wichtige Eigenschaft. Demnach ist eine hohe Effizienz bei gleichzeitig hoher Energiekapazität erforderlich.

In der Entwicklung werden in der Regel zunächst die Anforderungen an das Fahrzeug festgelegt. Die konkreten technischen Anforderungen für die einzelnen Komponenten müssen in der Folge erst definiert werden. Dies erfolgt häufig anhand einer Fahrzeuganalyse.

 

Fahrzeuganalyse

Für die Fahrzeuganalyse werden diverse Parameter, wie Gewicht, cw-Wert (Strömunswiderstandskoeffizient) und projizierte Frontfläche aufgenommen und mittels einer Simulation der Verbrauch und damit das benötigte Drehmoment für gegebene Fahrsituationen (z.B. Beschleunigungsfahrten, NEFZ-Fahrzyklus) berechnet.News_E-Antriebe_Beschleunigungsvermoegen_Vergleich_8c04796e1d

Abbildung 2: Beschleunigungsvermögen eines Sportfahrzeuges mit Verbrennungsmotor im Vergleich zu Fahrzeugen mit verschiedenen elektrischen Antriebssträngen (Quelle: Stevens, A. (2015), Auktora GmbH)

 

Als Grundlage der Simulation dient das Fahrleistungspolynom, welches sich aus den einzelnen Fahrwiderständen, also dem Luftwiderstand, dem Rollwiderstand, dem Steigungswiderstand und dem Beschleunigungswiderstand ergibt.

 

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Formel: Leistungspolynom zur Simulation der Fahrleistung

Damit können die konkreten technischen Anforderungen, wie z.B. das Drehmoment- und Drehzahlverhalten sowie die benötigte Energiekapazität der einzelnen Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs ermittelt werden.

 

Besondere Anforderungen an die elektrische Maschine

Für die elektrische Maschine spielt eine hohe Leistungsdichte, gravimetrisch wie auch volumetrisch, eine besondere Rolle. Geringer Bauraum innerhalb des Fahrzeuges sowie der erhöhte Verbrauch durch zusätzliches Gewicht verbieten zu große oder überdimensionierte elektrische Maschinen. Ein hoher Wirkungsgrad verringert zusätzlich den Verbrauch und ermöglicht bei gleichbleibender Batteriekapazität eine höhere Reichweite bzw. bei gleichbleibender Reichweite eine geringere Batteriekapazität, was wiederum Gewicht und Kosten spart.

 

Feldschwächung - unabdingbar für die Elektromobilität

In Bezug zu dem weiten Betriebsbereich führt die traditionelle Auslegung zu einer für den Bauraum ungeeigneten, überdimensionierten Maschine. Daher wird gerade im Bereich der Elektromobilität in der Regel auf die Feldschwächung zurückgegriffen.

Diese erlaubt trotz hoher Drehmomente auch hohe Drehzahlen. Zwar nimmt das maximale Drehmoment im Feldschwächebereich immer weiter ab, erlaubt dafür jedoch deutlich höhere Drehzahlen als es im Normalbetrieb der Fall wäre. Ein Getriebe kann somit entfallen. Gewicht, Bauraum und Kosten werden deutlich reduziert.

Dieser Aspekt muss bei der elektromagnetischen Auslegung der Maschine, die die Größe und die Geometrie von Stator und Rotor auf Basis der Leistungsanforderungen festlegt ebenfalls berücksichtigt werden.

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Abb. 3: Antrieb mit Feldschwächung (rot) und ohne Feldschwächung (blau)

 

48V, 400V, 700V – eine spannende Frage

Die Frage nach der Spannungsebene kann stets nur in der konkreten Anwendung geklärt werden. Ob 48V, 400V oder 700V: jede Spannungsebene hat einen für sich optimalen Bereich bzw. optimale Anwendung. Aus Gründen der Sicherheit ¬– und damit verbunden der Notwendigkeit zusätzlicher Qualifizierungen für den Umgang mit der Hochvolt-Ebene – sowie der Spannungsfestigkeit eignen sich Spannungen unter 60 V (Niedervolt-Ebene), für höhere Leistungen sind Spannungen von 400 V bis 700 V (Hochvolt-Ebene) sinnvoller. Die Spannung muss entsprechend der gewünschten Leistung und verfügbarer Klassen von Leistungshalbleitern passend ausgewählt werden. In diesem Zusammenhang ist besonders auf das Zusammenspiel aller drei Hauptkomponenten des elektrischen Antriebsstrangs zu achten. Jede Komponente ist direkt von der Spannungsebene betroffen.

 

Fazit

Die Entwicklung eines elektrischen Antriebsstrangs für die Elektromobilität erfordert einige zusätzliche Betrachtungen verglichen mit einer Industrieanwendung. In dem weiten Betriebsbereich, den stärkeren Anforderungen an Gewicht und Größe und in der Energieversorgung liegen die größten Unterschiede.

Während viele Industrieanwendungen elektrische Maschinen mit wenigen aber konkreten Arbeitspunkten benötigen, geht das Spektrum in der Elektromobilität von hohen Drehmomenten bei geringen Drehzahlen bis hin zu geringen Drehmomenten bei hohen Drehzahlen. Die Umsetzung in der Verbrennungstechnologie erfolgt durch ein Schaltgetriebe. Mit der elektrischen Maschine bietet sich die Möglichkeit, auf ein solches zu verzichten, indem die Maschine mit Feldschwächeregelung betrieben wird.

Vor allem in mobilen Anwendungen spielt das Gewicht und die Größe der Traktionsmaschine eine besondere Rolle. Fahrzeuge sind in der Regel zur Minimierung des Luftwiderstandes raumtechnisch optimiert, so dass nur ein begrenzter Bauraum zur Verfügung steht. Zusätzliches Gewicht führt zudem zu einer Erhöhung von Roll-, Steigungs- und Beschleunigungswiderstand. Stationäre Anwendungen, wie sie meist in der Industrie zu finden sind, legen in der Regel deutlich weniger Wert auf die Faktoren Gewicht und Größe.

Eine ähnliche Problematik ergibt sich in Bezug auf den Energiespeicher. In der Elektromobilität ist dieser ein Teil der Anwendung und beeinflusst diese in ihrem Verbrauch. In den meisten Industrieanwendungen wird entweder auf das Versorgungsnetz zurückgegriffen oder auf einen stationären Speicher. Beide haben keine Auswirkungen auf die Anwendung selbst, bzw. auf ihren Verbrauch.


Autor: Dipl.-Ing. Andreas Stevens, Auktora GmbH