Fahrkomfort, Effizienz und kompakte Bauform

Auf dem Wiener Motorensymposium hat IAV die Weiterentwicklung seines modularen elektrischen Antriebskonzepts vorgestellt. Die Kombination aus E-Maschine und Getriebe hat bis zu drei Gänge und lässt sich dank des modularen Konzeptes an verschiedene Fahrzeugplattformen und Anforderungen anpassen. Ziel ist es, hohen Fahrkomfort, hohe Effizienz, einen geringen Bauraum und wettbewerbsfähige Kosten miteinander zu vereinen.

Langfristig werden elektrische Antriebe eine zentrale Rolle in der Mobilität spielen, denn sie fahren emissionsfrei und unabhängig von fossilen Energieträgern. Neben dem Umweltaspekt müssen die Hersteller aber auch die Anforderungen ihrer Kunden in puncto Fahrkomfort berücksichtigen. Diese erwarten gleichzeitig eine bestmögliche Effizienz, um mit einer Batterielandung eine möglichst große Reichweite zu erzielen, eine hohe Steigfähigkeit, eine hohe Geschwindigkeit und eine hohe Beschleunigung.

Viele elektrische Antriebe setzen auf die Kombination aus einem E-Motor und einem Getriebe mit festem Übersetzungsverhältnis. Solche Lösungen sind zwar relativ einfach aufgebaut, können aber nicht alle Anforderungen gleichzeitig erfüllen. So verlangen hohe Steigfähigkeit einerseits und maximale Effizienz andererseits ganz unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse. IAV setzt darum auf ein modulares Konzept, das aus einer E-Maschine und einem Getriebe mit einem bis drei Gängen besteht. „Dadurch können wir die elektrische Antriebseinheit an verschiedene Fahrzeugplattformen und Anforderungen anpassen“, erklärt Matthias Krause, Abteilungsleiter im Bereich Powertrain System Development bei IAV. „Unsere Lösung liefert ein hohes Abtriebsdrehmoment über einen weiten Geschwindigkeitsbereich.“

Die IAV-Lösung ist außerdem flexibel einsetzbar – als Hauptantrieb für batterieelektrische Fahrzeuge, für Brennstoffzellenfahrzeuge oder als Bestandteil von Plug-in-Hybriden. Ihre Leistung ist ausreichend für Fahrzeuge aus den Klassen A (Kleinstwagen), B (Kleinwagen), C (Mittelklasse) und D (obere Mittelklasse). Sie ist die Weiterentwicklung einer Lösung, die IAV bereits 2010 vorgestellt hat.

In der modularen elektrischen Antriebseinheit arbeitet ein von IAV entwickelter E-Motor mit einer Dauerleistung von 50 Kilowatt und einer Maximalleistung von 80 Kilowatt. Er erzeugt ein kontinuierliches Drehmoment von 150 Newtonmetern, das sich kurzzeitig bis auf 300 Newtonmeter steigern lässt. Für dessen Design kam das IAV-Tool für die Elektromotorensynthese zum Einsatz, das aus einer unüberschaubar großen Zahl potenzieller Varianten die optimale Lösung für den vorgegebenen Anwendungsfall findet.

Das Planetengetriebe mit bis zu drei Gängen ist seitlich neben dem E-Motor angebracht und kann Abtriebsdrehmomente von bis zu 3.000 Newtonmetern erzeugen. Zugleich kann damit die maximale Drehzahl des Motors auf 8.000 Umdrehungen pro Minute begrenzt werden. Das Differenzial ist im E-Motor untergebracht, um den knappen Bauraum optimal auszunutzen.

„Unsere modulare elektrische Antriebseinheit bedient die Drehmomentanforderungen mit mehr Gängen als vergleichbare Lösungen“, sagt Jens Liebold, Fachreferent für Elektromechanische Antriebssysteme bei IAV. „Diese nutzen statt eines Mehrgang-Getriebes einen größeren Motor, wodurch sie mehr Bauraum benötigen und wegen der hohen Drehzahlen Probleme, zum Beispiel beim Thema NVH, bekommen.“

Eine besondere Herausforderung stellte die Gehäuseentwicklung dar. Eine kompakte Bauform, eine hohe Funktionsintegration und das Temperaturmanagement wurden vorteilhaft miteinander kombiniert. Bei der IAV-Lösung ist die Leistungselektronik im Gehäuse untergebracht, um die Kosten für Kupferleitungen zu reduzieren, eine hohe EMV-Abschirmung zu gewährleisten sowie die Leistungselektronik an den Kühlkreislauf des Elektromotors anzubinden. „In unserem Fall nutzen wir den Kreislauf des Stators, um die Leistungselektronik durch eine großflächige Anbindung an gekühlte Gehäusebereiche zu temperieren“, so Krause. „Das Getriebeschmiersystem wiederum übernimmt gleichzeitig auch die Kühlung des E-Maschinenrotors.“

Daneben stellte das Projekt große Anforderungen an die Struktursteifigkeit des Gehäuses. „Sonst drohen Probleme beim Akustikverhalten und der mechanischen Festigkeit“, erklärt Liebold. „Das Gehäuse musste also möglichst steif sein, um Schwingungen zu vermeiden, aber auch um Kräfte aufzunehmen und an das Fahrzeug weiterzuleiten.“ Bei seiner Entwicklung haben die IAV-Experten eng mit Nemak zusammengearbeitet, einem international tätigen Spezialisten für Aluminiumguss. Entstanden ist dabei ein Gehäuse, das geringe Größe, hohe Steifigkeit, hohe Funktionsintegration und wettbewerbsfähige Kosten miteinander vereint.

Antriebseinheit

• Geeignet für Fahrzeugklassen A bis D
• Steigfähigkeit: maximal 30 Prozent
• Höchstgeschwindigkeit: 160 km/h (kontinuierlich)/185 km/h (maximal)
• Beschleunigung: 0–60 km/h in 4 Sekunden, 0–100 km/h in 10 Sekunden

E-Motor

• Leistung: 50 kW (kontinuierlich)/80 kW (maximal)
• Drehmoment: 150 Nm (kontinuierlich)/300 Nm (maximal)

Getriebe

• Maximal drei Gänge
• Drehmoment: 3.000 Nm (maximal)