Revolutionärer Ansatz – Eigene Toolketten unterstützen dabei, die Komplexität der Antriebsstrangentwicklung zu beherrschen
Die Vielfalt bei den Antrieben nimmt zu: Hybride gehören bereits zum Mainstream und werden immer ausgefeilter, während die batterieelektrische Mobilität gerade Fahrt aufnimmt. Umso wichtiger ist ein ganzheitlicher Überblick über alle Themen und ihre Überschneidungen. IAV nutzt für Konzepte und Entwicklungen unter anderem eine durchgängige Toolkette, mit der sich Komponenten, aber auch ganze Antriebsstränge und Flotten optimieren lassen.
Noch sind E-Fahrzeuge Exoten auf unseren Straßen, aber das dürfte sich bald ändern: Nach Vorreitern wie Nissan oder Tesla bringen die etablierten OEMs Modelle mit elektrischem Antrieb auf die Straße. Zudem versuchen viele neue Hersteller, auf dem schnell wachsenden Markt Fuß zu fassen und die Gunst der Stunde zu nutzen. Parallel dazu entsteht derzeit die nächste Generation der ersten elektrischen Antriebssysteme, bei denen es den Herstellern vor allem um Optimierungen geht – bei den Kosten, der Effizienz, dem NVH-Verhalten und der Industrialisierbarkeit. Hier werden Baukastensysteme bald ganze Familien von elektrischen Antrieben, etwa mit unterschiedlich starken E-Motoren, beinhalten. Bei ihnen dürften neue Funktionen wie Torque Vectoring und Mehrgängigkeit eine wichtige Rolle spielen.
In vielen der aktuellen Fahrzeuge arbeiten derzeit vor allem mechanisch einfache Getriebe mit nur einem Gang. „Mittlerweile sind die Anforderungen an Drehmoment und Fahrleistung aber so hoch, dass man um mehrere Gänge eigentlich nicht mehr herumkommt, gerade bei großen Fahrzeugen“, sagt Jens Liebold, Fachreferent bei IAV. „Dabei gilt: Je größer die Masse des Fahrzeugs ist, desto größer ist der Vorteil durch die Mehrgängigkeit.“ Denn in solchen Fahrzeugen – etwa elektrisch angetriebenen SUVs mit hohem Gewicht und hoher Maximalgeschwindigkeit – fließt eine hohe Leistung durch den Antriebsstrang, sodass ein Getriebe mit mehreren Gängen die Verluste deutlich reduzieren kann, indem es den Motor so nahe wie möglich an seinem optimalen Betriebspunkt hält.
Zwei, drei oder vier Gänge?
Vor allem zwischen den Anforderungen beim Anfahren und bei der Fahrt mit hohem Tempo können Welten liegen. Darum gehen die IAV-Experten davon aus, dass mehrgängige Getriebe in Zukunft zumindest in manchen Modellen Standard sein werden. „Bis zum C-Segment kann ein Gang gerade noch ausreichen, aber spätestens darüber hinaus sind zwei bis drei Gänge erforderlich“, sagt Dr. Klaus von Rüden, Abteilungsleiter bei IAV. „Ich rechne damit, dass in großen Fahrzeugen vor allem zwei Gänge zum Einsatz kommen – ein dritter Gang bietet in puncto Reichweite und Performance keine signifikante Verbesserung mehr, kann aber beim Fahrkomfort helfen.“ Bei Nutzfahrzeugen rechnet IAV mit drei bis vier Gängen, weil sie aufgrund ihrer hohen Trägheit deutlich mehr Drehmoment und Leistung benötigen. „Durch ein mehrgängiges Getriebe kann man die E-Maschine downsizen“, erklärt Liebold. „Es gibt bei den Kosten also einen Trade-off zwischen Motor, Getriebe und Batterie.“
IAV kennt das Thema aus vielen realen Projekten und unterstützt seine Kunden vom Konzept (Wie viele Gänge sind erforderlich?) bis zum Serienstart. Als wichtiges Werkzeug hat sich hier die IAV-Antriebsstrangsynthese bewährt. Sie liefert auf Basis der Kundenvorgaben – etwa zu Reichweite, Performance oder Kosten – eine objektive Empfehlung für die gesamte Flotte. Dabei werden Aspekte wie neue Entwicklungen in der Leistungselektronik, zum Beispiel Bauteile aus SiC- und GaN-Verbindungshalbleitern, berücksichtigt. Auch der Komfortaspekt bleibt immer im Blick der Ingenieure: „In E-Fahrzeugen fallen alle Unsauberkeiten besonders auf“, berichtet von Rüden. „Der Kunde darf davon aber nichts spüren, weshalb die Komfortanforderungen höher sind als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.“
Die Zukunft gehört den DHTs
Mit dem Umbruch bei den Antrieben steigt auch die Zahl der Hybridfahrzeuge. In Europa und den USA sind Automatikgetriebe seit jeher weit verbreitet, sodass die Hersteller in den letzten Jahren vieles aus bestehenden Getrieben übernommen und daraus hybridisierte Varianten abgeleitet haben. China ist auf diesem Gebiet weiter: Dort gibt es mehr E-Fahrzeuge, und die Hersteller haben die Entwicklung dedizierter Hybridgetriebe (DHT) schon früher gestartet. „Diese Entwicklung wird jetzt verstärkt in Europa und den USA ankommen, denn der globale Trend geht eindeutig in Richtung DHT“, sagt Dr. Jörg Müller, Abteilungsleiter bei IAV.
Dedizierte Hybridgetriebe bieten eine ganze Reihe von Vorteilen: Durch die Leistung der E-Maschine kann man auf Gänge verzichten und kommt mit nur vier bis sechs Schaltstufen aus. Außerdem werden neue Funktionen wie stufenloses Segeln ohne Verbrennungsmotor, rein elektrisches Anfahren oder rein elektrisches Rückwärtsfahren möglich. Allerdings ist die Auswahl aus verschiedenen Topologien (parallel, seriell, kombiniert, leistungsverzweigt) groß und erfordert eine eingehende Analyse. Zudem stellt sich die Frage, wie viele E-Maschinen sinnvoll sind. Und schließlich muss man sich zwischen verschiedenen Getriebetechnologien und Aktuierungseinheiten (hydraulisch, elektrisch oder pneumatisch bei Nutzfahrzeugen) entscheiden.
„Bei den Hybridgetrieben haben wir es mit einer deutlich größeren Komplexität als bei den rein elektrischen Antrieben zu tun“, erklärt Müller. „Man muss eine Balance zwischen dem mechanischen und dem elektrischen Aufwand finden und gleichzeitig die Kosten, den Verbrauch und die Kundenanforderungen im Auge behalten.“ Hier werden sich flexible Baukastensysteme mit vielen Übernahmebauteilen durch setzen. Dafür nutzt IAV ein spezialisiertes Tool: Die IAV-Getriebesynthese liefert bei vorgegebenen Randbedingungen aus Millionen von Varianten die objektiv beste Lösung.
Weltweit führend bei den Tools
IAV berät seine Kunden und unterstützt sie dabei, die zunehmende Komplexität der Antriebsstränge zu beherrschen. Dafür nutzen die Experten eine Toolkette, in die jahrzehntelange Erfahrungen eingeflossen sind und die sich in vielen Kundenprojekten bewährt hat. Die Antriebsstrangsynthese analysiert zunächst Millionen unterschiedlicher Optionen und liefert daraus die Antriebskonfigurationen, die objektiv den Kundenvorgaben am besten entsprechen. Weiterhin können mit einem speziellen Baukastentool Kombinationen von Antrieben für verschiedene Fahrzeuge und Märkte untersucht werden, woraus sich optimierte Antriebsbaukästen für eine ganze Flotte ableiten lassen.
Danach kommen die Spezialwerkzeuge für die einzelnen Komponenten zum Einsatz: Synthesetools für Verbrennungsmotor, E-Maschine und Getriebe. „Wir durchforsten immer den gesamten Lösungsraum und finden so den besten Antriebsstrang“, sagt Dr. Christoph Danzer, Teamleiter bei IAV. „Dabei berücksichtigen wir unterschiedliche Auslegungs- und Technologiekombinationen von Komponenten und berechnen damit die Eigenschaften in verschiedenen Fahrzyklen wie dem WLTP. Gleichzeitig behalten wir die Kosten, die Fahrleistungen und die Modularität der Antriebslösungen im Blick.“
Am Ende stehen Lösungen, die objektiv bewertbar sind und ein hohes Maß an Transparenz in puncto Anforderungen, Technik und Kosten aufweisen. „Früher hat man die einzelnen Komponenten separat optimiert. Wegen der strengen gesetzlichen Vorgaben muss man heute das Gesamtsystem betrachten. Hier sind wir weltweit führend und entsprechend erfolgreich auf dem Markt“, so Danzer.
Der Artikel erschien in der automotion 02/2019, dem Automotive Engineering-Fachmagazin von IAV. Hier können Sie die autmotion kostenfrei bestellen.
