Elektrifizierung des Antriebsstrangs

In naher Zukunft werden elektrifizierte Antriebe vor allem in urbanen Zentren einen signifikanten Anteil darstellen. Die Vorteile der lokalen Emissionsfreiheit, einer tendenziell geringeren Lärmbelastung, das hohe Drehmoment und die Effizienz des Antriebs überzeugen weltweit immer mehr Autokäufer. In den wichtigsten Automobilmärkten wird die Entwicklung der elektrifizierten Antriebe allerdings nicht einheitlich und mit unterschiedlicher Geschwindigkeit verlaufen; zu unterschiedlich sind kulturelle Besonderheiten, Anzahl kaufbereiter Endkunden, Infrastrukturaufbau sowie die gesetzlichen Vorgaben und ihr jeweiliger Fokus.

Getrieben von immer strengeren CO₂-Vorgaben und Gesetzgebungen zur Einhaltung von Schadstoffemissionen wächst das Bestreben der Automobilhersteller, den Antriebstrang zunehmend zu elektrifizieren. Aus diesem Bestreben heraus, entstand in den vergangenen Jahren eine Vielzahl an Konzepten für Hybrid- und Elektroantriebe. Die vorgestellten Hybridsysteme haben jeweils ihre speziellen Vor- und Nachteile. Abhängig vom Einsatz (Fahrstreckenlänge, Topografie), der Fahrzeuggröße, den gesetzlichen Rahmenbedingungen, aber auch vom gesellschaftlichen Anspruch und dem emotionalen Bedürfnis des Kunden ist die Entscheidung zu treffen, welches System zum Einsatz kommt.

Es werden die elektrotechnischen Grundlagen der Funktionsweise von Drehstrommaschinen skizziert. Auch die resultierenden, für den Einsatz im Antriebsstrang eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs wesentlichen Eigenschaften, welche sich in vielerlei Hinsicht als vorteilhaft erweisen, werden aufgezeigt. Darüber hinaus wird die Notwendigkeit begründet, in Elektro- und Hybridfahrzeugen mit höherer elektrischer Antriebsleistung zusätzlich zum 12V/14V-Bordnetz ein weiteres mit höherer Spannungsebene einzuführen.

Die Grundlagen der elektrischen Maschinen, sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben, werden in diesem Beitrag kurz vorgestellt. Für den Elektroantrieb von Pkw werden in der Praxis bevorzugt permanenterregte Synchron-, Reluktanz- und Asynchronmaschinen eingesetzt. Die elektrischen Maschinen werden während der Beschleunigung und der Konstantfahrt des Fahrzeuges durch die Drehmomentregelung in Motorbetrieb und während der Bremsung im Generatorbetrieb betrieben. Prinzipiell ist es möglich das Nenndrehmoment aus dem Stillstand heraus zu erreichen und auch kurzzeitig zu überschreiten.

Leistungselektronische Stellglieder sind in Hybrid- und Elektrofahrzeugen unabdingbar. Sie dienen dort insbesondere der Antriebsregelung, dem Energiemanagement im Bordnetz und dem Batterieladevorgang. Außerdem trägt die Leistungselektronik zukünftig einen wesentlichen Anteil zur Wertschöpfung bei.

Die Speicherung der elektrischen Energie im Fahrzeug und ihre bedarfsabhängige Verfügbarkeit gehören neben den elektrischen Maschinen und der Leistungselektronik zu den Schlüsseltechnologien für die Elektrifizierung des Antriebstranges. Über Jahrzehnte wurden Alternativen zur konventionellen Bleibatterie mit einem Fokus zunächst auf Nickel-Cadmium und dann Nickel-Metall-Hydrid Batterie entwickelt. Die Lithium-Ionen-Batterietechnik ist heute die Basis für die meisten modernen Konzepte zur Elektrifizierung des Antriebsstrangs von Fahrzeugen aller Art. Aufgrund ihrer hohen Energie - und Leistungsdichte sowie ihrer hohen Zellspannung ist sie aktuell quasi die einzige Technologieklasse von Bedeutung. Alternativ zur Speicherung der elektrischen Energie in Batterien steht hierfür auch die Kondensatortechnologie zur Verfügung. Die Batteriesystemtechnik ist die Schnittstelle zwischen den Batteriezellen und dem Fahrzeug. Eine zuverlässige und leistungsfähige Batteriezelle ist eine notwendige jedoch nicht hinreichende Bedingung für ein sicheres und langlebiges Batteriesystem. Dazu gehören mechanische und thermische Anforderungen, elektrische Interaktionen mit dem Antriebsstrang sowie Kommunikationskonzepte und die funktionale Absicherung.

Die Brennstoffzelle ist ein Energiewandler, der die im Brennstoff (meist Wasserstoff) gespeicherte Energie mithilfe von Sauerstoff direkt in elektrische Energie umwandelt. Damit entfällt der übliche Energiewandlungsprozess von Kraftstoff in mechanische Energie (Verbrennungskraftmaschine) und anschließend über den Generator in elektrische Energie. Der Wirkungsgrad der Energiewandlung mittels Brennstoffzelle ist deshalb grundsätzlich höher. Für die bedarfsgerechte Verfügbarkeit der elektrischen Energie ist allerdings im Fahrzeug weiterhin eine Batterie notwendig, wenn auch mit geringer Kapazität. Bei den rein elektrischen Fahrzeugantrieben können sich Batterie und Brennstoffzelle als Energiespeicher beziehungsweise –wandler idealerweise ergänzen.

Die am Rad erforderliche Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik unterscheidet sich deutlich von der der Antriebsmaschinen eines Fahrzeugs, ob Verbrennungsmotor oder Elektromotor. Aus diesem Grund ist eine oder sind mehrere Übersetzungen zwischen Antriebsmaschine und dem Rad erforderlich. Diese werden durch das Getriebe realisiert. Die Elektrifizierung des Antriebstrangs ermöglicht neue Getriebekonzepte.

In diesem Kapitel werden die Aktoren für die nächste Getriebegeneration und elektrifizierte Antriebsstränge betrachtet. Energieeffizienz steht im Zentrum der Automobilentwicklung. Um dabei das volle Potenzial auszuschöpfen, müssen alle Energieverbraucher betrachtet werden, und dazu zählen auch die Aktoren, die die Komponenten im Antriebsstrang betätigen. Sie können mittlere Leistungen im dreistelligen Wattbereich aufnehmen. Es stehen sowohl elektromechanische und hydrostatische 1-Verbrauchersysteme wie auch hydraulische Multiverbrauchersysteme zur Verfügung. Bei der Entwicklung neuer Aktorikkonzepte sind die einzelnen Komponenten optimal aufeinander abzustimmen. In gemeinsamer Arbeit mit den Herstellern von Getrieben lassen sich besonders effiziente, kompakte und leistungsstarke Betätigungssysteme realisieren.

Kommt im klassischen Aggregatetrieb ein Riemenstartergenerator (RSG) zum Einsatz, bezeichnet man dies als „P0-Mild-Hybrid“ bei geringer Leistung auch „Mikro-Hybrid“. Standen im Aggregatetrieb anfangs 12-Volt-Riemen-Start-Stopp-Systeme im Fokus, so sind dies heute P0-Mild-Hybridsysteme mit einem 48-Volt- oder Hochvolt- Riemenstartergenerator, mit denen strengere CO₂-Vorschriften erfüllt werden können. Es zeigt sich marktübergreifend, dass der P0-Mild-Hybrid unabhängig vom Spannungsniveau des Bordnetzes auf einem guten Weg zu einer Standardlösung ist.

48-Volt-Hybridsysteme stellen eine Möglichkeit dar, konventionelle Antriebsstränge ohne grundsätzliche Anpassungen der Gesamtarchitektur als Parallel-Hybrid mit Spitzenleistungen von bis zu 20-25 kW zu elektrifizieren. Dadurch reiht sich die 48-Volt-Hybridisierung zwischen dem Mikro- und Vollhybriden ein. Durch die in den Verzögerungsphasen fast vollständig zurückgewonnene Energie, führt der Einsatz eines solchen 48-Volt-Hybridsystems zu erheblichen Verbrauchs- und CO2-Minderungen von bis zu 15 % im WLTC. Im realen Straßenverkehr sind die erzielten Einsparungen sehr stark vom jeweiligen Fahrprofil abhängig, zeigen aber im Stadtverkehr die höchsten Einsparpotenziale.

Die Architektur beschreibt die Anordnung und Kombination der elektrischen Maschine mit dem Verbrennungsmotor und den Leistungsfluss im Betrieb. Hierbei unterscheidet man zwischen dem Parallel-Hybrid, Seriell-Hybrid und der Kombination aus beidem als Parallel-Seriell-Hybrid, oder auch leistungsverzweigter Hybrid. Der Grad der Hybridisierung definiert die Unterteilung in Mikro-, Mild-, Full- und Plug-in-Hybride und ermöglicht unterschiedliche Funktionen. Im Vergleich zu konventionellen Verbrennerfahrzeugen bieten Voll- und Plug-in-Hybride die größten CO2-Einsparpotenziale und gleichzeitig eine Erhöhung von Komfort und Fahrspaß.

Antriebstopologien mit dedizierten Hybridgetrieben ermöglichen, verglichen zu rein elektrischen Fahrzeugen, die Themen Reichweite, durch hybrides Fahren, und Ladezeit, aufgrund der geringeren Batteriekapazität, gemäß den Kundenerwartungen zu erfüllen. Steigende Stückzahlerwartungen führen dazu, dass zunehmend die Optimierung des Gesamtsystems in den Vordergrund rückt. Dazu gehört auch die Möglichkeit, den mechanischen Getriebeteil zu vereinfachen, etwa durch Entfall des Rückwärtsgangs, und stattdessen mindestens eine in das Getriebe integrierte elektrische Maschine zu nutzen, um den vollen Funktionsumfang darzustellen. Solche Getriebekonzepte werden als dedizierte Hybridgetriebe oder „Dedicated Hybrid Transmissions“ (DHT) bezeichnet.

Der klassische Pkw in verschiedenen Elektrifizierungsstufen wird um neue Fahrzeugkonzepte wie beispielsweise autonome Stadtfahrzeuge ergänzt. Grundsätzlich kann man die von einem oder mehreren Elektromotoren erzeugten Antriebskräfte auf verschiedenen Wegen übertragen. Bei derzeit realisierten Hybrid- und Elektrofahrzeugen dominieren getriebeintegrierte Traktionsmotoren, konventionelle Elektroantriebe werden heute als Zentralantriebe ausgeführt. Elektrische Radnabenantriebe verfolgen hingegen einen dezentralen Ansatz über das einzelne Rad und bieten dadurch ein hohes Potenzial, völlig neue Fahrzeugarchitekturen mit hoher Raumeffizienz zu verwirklichen.

Nicht nur die Technik schreitet voran, sondern auch das Verhalten der Verbraucher und Kunden. Gesetzliche Vorschriften und Emissionsgrenzen erzeugen weitere Zwänge, die zu einem Wandel in der Antriebstechnik führt. Im Moment sieht es dabei so aus, dass der elektrische Antrieb aus seinem hundertjährigen Dornröschenschlaf erwacht und sowohl in hybriden Antriebssträngen in Kombination mit einem Verbrennungsmotor als auch mit einem respektablen Marktanteil in rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen zum Einsatz kommt.

Elektrischer Strom und Motorsport – das hat es schon mal gegeben. Vor mehr als 100 Jahren war noch gar nicht klar, dass der Verbrennungsmotor das Rennen machen wird. Das erste Straßenfahrzeug, das die 100-km/h-Grenze durchbrach, war „La Jamais Contente“ von 1899, eine fahrende Batterie mit torpedoförmigem Aufbau und Elektromotor. Die FIA Formel E hingegen ist die erste rein elektrisch betriebene Motorsport-Serie der Welt. Sie hat zum Ziel, das Potenzial von nachhaltiger Mobilität für die Zukunft aufzuzeigen. Die Formel E fährt ihre Rennen ausschließlich auf extra installierten Stadtkursen in Metropolen rund um den Globus. Möglich werden die ungewöhnlichen und attraktiven Locations durch die geringe Lautstärke der Autos und ihre Emissionsfreiheit.

Das Kapitel erläutert die relevanten Zusammenhänge für elektrische Antriebe zwischen den Sensoren zur Erfassung notwendiger physikalischer Größen und den regelungstechnischen Eigenschaften auf Systemebene. Daraus resultieren die zu messenden physikalischen Größen im elektrischen Antriebssystem (bestehend aus E-Maschine, Leistungselektronik sowie der Signalverarbeitung inklusive der zugehörigen Drehmomentregelung). Für diese Größen werden ausgehend von den zugrundeliegenden physikalischen Effekten die Sensorprinzipien dargestellt und bewertet. Neben der Sensorik für die elektrischen und mechanischen Größen erfolgt ergänzend die Diskussion der Temperaturmessung auf Basis unterschiedlicher Prinzipien. Ebenfalls enthalten sind deren Sensorauswertung und die Temperaturschätzung in elektrischen Maschinen.

Bei konventionellen, verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen wird das Thermomanagement im Zusammenhang mit Wirkungsgradverbesserung und der Abgasnachbehandlung betrachtet. Durch die Elektrifizierung kommen neue Herausforderungen hinzu. Zum einen muss die temperaturempfindliche Lithium-Ionen-Batterie auf Zieltemperatur gekühlt werden, was die Anbindung der Batteriekühlung an die Klimatisierung des Fahrzeugs notwendig macht. Zum anderen stellen die Klimatisierung im Sommer und vor allem die Innenraumheizung im Winter neue Ansprüche an die Auslegung dieser Systeme.

Ein Fahrzeughersteller benötigt für seine produzierten Fahrzeuge eine Typengenehmigung, damit er sie in Verkehr bringen und der Kunde sie zulassen kann. Für diese Typengenehmigung sind u. a. zahlreiche Tests vorgeschrieben um bzgl. Sicherheit und Emissionen die Einhaltung gesetzlicher Vorgaben nachzuweisen. Es ist zu erwarten, dass die Grenzwerte der Schadstoffe in den einzelnen Ländern. bzw. Absatzmärkten weiter abgesenkt werden. Ferner wird die günstige CO₂-Bewertung von Plug-in-Hybriden diskutiert und bei entsprechendem Marktanteil sind auch Effizienzsvorgaben für E-Fahrzeuge wahrscheinlich. Überdies wird die Idee diskutiert mittels einer Lebenszyklusanalyse (engl. Life Cycle Assessment, LCA) auch die Emissionen der Produktion und Entsorgung eines Fahrzeugs mit einzubeziehen.

Die Elektrifizierung des Antriebs verändert nicht nur das akustische Verhalten der Fahrzeuge, sondern stellt auch neue Herausforderungen für Gesetzgebung und Entwicklung dar. Um gesundheitliche Schäden und Belästigungen durch den Fahrzeuglärm und im weiteren Sinne den Verkehrslärm zu vermeiden, ist ein möglichst geringer Außengeräuschpegel wünschenswert und durch Grenzwerte nach oben gesetzlich limitiert. Hybrid-, aber insbesondere Elektrofahrzeuge haben bei geringen Fahrgeschwindigkeiten hier einen klaren Vorteil, der aber gleichzeitig auch als Nachteil gesehen werden kann. Grund dafür ist, dass im rein elektrischen Fahrbetrieb und im niedrigen Geschwindigkeitsbereich die gewohnten Geräusche fehlen, welche bislang auch als akustisches Signal zur Wahrnehmung von Fahrzeugen im Straßenverkehr dienten.

Eine besondere Herausforderung im Elektro- oder Hybridfahrzeug ist das problemlose Zusammenspiel der einzelnen elektrischen und elektronischen Komponenten ohne eine negative gegenseitige Beeinflussung. Jedes elektrische Signal, messbar durch Spannung und Strom, ist stets mit einem magnetischen und elektrischen Feld in seiner Umgebung verbunden. Diese Felder können andere elektrische Signale störend beeinflussen.

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs führt dazu, dass sowohl bereits bekannte aber auch neuartige Gefährdungen und deren Risiken über die verschiedenen Phasen des Produktlebenszyklus hinweg betrachtet, bewertet und als Sicherheitsaspekte bei der Auslegung eines elektrischen Antriebsstrangs und seinen Komponenten angemessen beachtet werden müssen. Die Funktionale Sicherheit (FuSi) vermeidet Gefährdungen durch funktionales Fehlverhalten, das sich unmittelbar aus fehlerhaften Elektrik-, Elektronik- bzw. Softwarebestandteilen des elektrischen Antriebsstrangs und seinen Komponenten ergeben könnte. Fahrzeuge, Infrastruktur und inzwischen auch der gesamte Kundendienstbereich werden im Hinblick auf die elektrische. Sicherheit stetig weiter verbessert. Jetzt muss sich das Augenmerk zunehmend auch auf andere Bereiche richten; insbesondere Rettungskräfte, Feuerwehren und Bergungsunternehmen stehen hier im Fokus.

Jedem Antriebssystem in einem Fahrzeug muss Energie zugeführt werden. Bei rein elektrisch betriebenen Zügen oder Oberleitungsbussen wird die Energie während der Fahrt kontinuierlich und bedarfsgerecht zugeführt. Für verbrennungsmotorisch angetriebene Fahrzeuge sind derzeit überwiegend auf fossiler Basis erzeugte Kraftstoffe (Benzin, Diesel und Gas) im Einsatz. Die damit gespeicherte Energie reicht für etwa 300 bis 1000 km Fahrstrecke, und die Energieaufnahme an der Tankstelle dauert wenige Minuten. Anders verhält es sich mit der Aufnahme und Speicherung der elektrischen Energie bei batteriebetriebenen Elektro- und Plug-in-Hybrid-Fahrzeugen. Die begrenzte Speicherkapazität von Batterien und Superkondensatoren reicht nur für vergleichsweise geringe Fahrstrecken von weniger als 30 bis etwa 600 km.

Die Anpassung und Systemintegration des Verbrennungsmotors in den hybriden Antriebsstrang bietet erhebliches Potential Betriebsverhalten, Verbrauch und Emissionen zu verbessern. Durch die häufigeren transienten Betriebsphasen entstehen neue Herausforderungen an den Verbrennungsmotor, zum Beispiel häufigere Starts mit ungünstigen Reibzuständen im Triebwerk und dem Ventiltrieb, ungünstiges Temperaturniveau für die Abgasnachbehandlungssysteme. Die elektrische Unterstützung bietet die Möglichkeit, sowohl die Zylinderzahl zu reduzieren als auch einzelne Komponenten und Baugruppen zu vereinfachen (Aufladesysteme, Einspritzsysteme usw.).

Wir befinden uns bereits mitten im Wandel und die Elektrifizierung wird zukünftig definitiv eine Schlüsselrolle spielen. Die Elektrifizierung darf aber nicht als rein batterieelektrischer Antrieb missverstanden werden. Die hohe Komplexität der miteinander kommunizierenden Energiesektoren, die Globalisierung der Märkte und die jeweiligen volkswirtschaftlichen Zielsetzungen lassen kein sicheres Urteil zu, welche Antriebsform sich nachhaltig durchzusetzen vermag. Es spricht einiges dafür, dass uns ein Antriebsmix erhalten bleibt, bei dem der elektrifizierte Antriebsstrang in unterschiedlicher Ausprägung vertreten sein wird.