Antriebsprüfstände für die Konzepte von morgen

Bild 1: Ein EMV-Prüfstand in ContainerbauweiseTechnogerma

In der PKW- und Nutzfahrzeugentwicklung gehören Prüfstände bereits seit Jahrzehnten zu den etablierten Werkzeugen, auf denen Komponenten und komplette Fahrzeuge getestet werden. Im Antriebsbereich dienen Rollenprüfstände oder reine Motoren- und Getriebeprüfstände der Abstimmung und Erforschung des Laufverhaltens, alle relevanten Einsatzparameter werden durchlaufen: Abgasverhalten, Leistungsermittlung, Fahrbarkeit und Lastprüfungen ebenso wie Dauerbelastungstests. Nicht nur in der Entwicklung, auch in der Instandhaltung sind solche Prüfstände im Einsatz, um die Leistungsparameter von gewarteten Motoren zu prüfen und die Einsatzsicherheit zu bestätigen.
Alternative und neuartige Antriebskonzepte erfordern nicht nur ein Umdenken in der Entwicklung und in der Verbraucherakzeptanz – auch die Prüfstands- und Testtechnologie muss Schritt halten mit der mobilen Zukunft. Hybrid- oder vollwertige Elektrofahrzeuge haben in den vergangenen Jahren die Wasserstoff- oder Brennstoffzellenexperimente verdrängt und haben bereits Serienfahrzeuge wie den Tesla oder die Mercedes S-Klasse als Hybrid hervorgebracht. Radnabenmotoren oder komplette Antriebsstränge, hybride Antriebe mit Verbrennungsmotor als Energieerzeuger ohne Wirkung auf die angetriebenen Achsen, oder Hybridmodelle, die den Elektromotor zwischen Verbrenner und Getriebe tragen: Die Herausforderungen sind vielfältig.

Bild 2: Die Container lassen sich flexibel bestücken – auch für Komponententests.Technogerma

Die Ingenieure bei Technogerma sind daher nicht nur auf die Entwicklung von Prüfständen für konventionelle Antriebe spezialisiert. Die realistische Prüfung der Komponenten oder Fahrzeuge gemäß den Bedingungen im Einsatz erfordert gerade bei den elektrischen Antrieben einen besonderen Aufwand, um die Lastenhefte der Hersteller – ob OEM oder Originalhersteller – zu erfüllen. So hat das Unternehmen bereits erfolgreich Prüfstandssysteme für alternative Antriebskonzepte entwickelt.
Der Antrieb über Radnabenmotoren erfordert einen Rollenprüfstand, auf dem ganze Fahrzeuge geprüft werden können. Treiben die Elektromotoren nur eine Achse an, ein hybrider Benzin- oder Dieselmotor jedoch die zweite, ist eine Auslegung auf Allradfahrzeuge mit passender Mess- und Regeltechnik notwendig. Ein integriertes Modul für Hybridfahrzeuge wie die S-Klasse von Mercedes-Benz lässt sich als einzelnes Bauteil in einem simulierten Antriebsstrang prüfen – ein Rollenprüfstand ist hier erst interessant, wenn die Module bereits in einem Fahrzeug vollständig verbaut und vorher durch Einzelprüfungen bewährt sind. Die Simulation der späteren Einbausituation beispielsweise zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe macht jedoch den Einsatz aufwändiger Hoch- und Tieftemperaturtechnik notwendig, um beispielsweise die Abwärme der anderen Bauteile nachzustellen. Künstlich erzeugte Vibrationen stellen realistisch das Verhalten eines Fahrzeuges auf der Strecke nach. Alleine diese Anwendungen zeigen bereits, dass ein Prüfstand heute ebenso flexibel sein muss wie die zu prüfenden technischen Varianten.

Parallel-Hybrid

Bereits seit 2009 ist mit dem Mercedes-Benz S400 Hybrid ein Fahrzeug auf dem Markt, das einen Elektromotor des Herstellers ZF Friedrichshafen AG enthält. Der gleichzeitig auch als Generator wirkende Motor wurde als Teil des Antriebsstranges zwischen Motor und Getriebe als Parallel-Hybrid konzipiert. Bei leichtenBremsungen wird so elektrische Energie zurückgewonnen, in der Batterie gespeichert und zur Beschleunigung oder im Stadtverkehr wieder genutzt. Kleine und leichte Lithium-Ionen-Akkus dienen als Energiespeicher – erstmals in einem Serienfahrzeug. Das unter dem Namen „DynaStart“ von ZF hergestellte Modul wurde auf einem Prüfstand von Technogerma entwickelt. Auch bei BMW findet das Modul mittlerweile Verwendung.

Im Entwicklungsstadium stellt der Antrieb besondere Herausforderungen durch die Einbaulage, bei der das 20-PS-Aggregat stark beansprucht wird. Umfassende Tests waren Pflicht vor der Serienreife: Entscheidendes Kriterium ist die Betriebssicherheit im Dauereinsatz. Tiefe Außentemperaturen, stark schwankende Temperaturen durch die Nachbaraggregate Verbrennungsmotor und Getriebe – allesamt schwierige Bedingungen. Hitzekissen simulieren im Prüfstand diese Bedingungen, zudem kann der Prüfstand auf -25 °C abgekühlt werden. Hinzu kommt die direkte Einbindung in einen Antriebsstrang mit Belastungsmaschine, um auch den Kraftfluss realistisch zu simulieren. 
Zuverlässigkeit ist das entscheidende Stichwort für die Antriebsmodelle. Was so auf die Straße geht und unmittelbar Einfluss auf die Verbraucherakzeptanz für zukünftige Konzepte hat, muss langfristig zuverlässig sein. Die Einbaulage erfordert bei den 75 kg „schweren“ DynaStart-Modulen eine besondere Schwingungsdämpfung, um die im Antriebsstrang eines benzin- oder dieselgetriebenen Fahrzeugs auftretenden Schwingungs- und Taumelbewegungen auszugleichen. Bis zu 30 % Kraftstoffeinsparungen stehen im Raum, und ZF sieht hier auch Langfristigkeit: je nach Einsatzzweck und Kundenwunsch sind für die Zukunft Systeme mit 100 bis 1000 Nm Drehmoment sowie einer Nennleistung von 10 bis 100 kW geplant, die auch in Nutzfahrzeugen zum Einsatz kommen können.

Radnabenmotoren

Eine andere Bauart stellen Motoren in der Radnabe oder direkt in der Achse dar. Elektrische Antriebe sind aufgrund des geringen Platzbedarfs leichter zu integrieren, zudem ist keine Versorgung mit Brennstoffen nötig. Neben Elektrizität ist oft ein Kühlsystem das einzig nötige Medium für den oder die Motoren. Kann ein einzelner Nabenmotor noch in einem kleinen Motorenprüfstand gestestet werden, ist die Prüfung des Motor in Einbaulage nur auf einem Rollenprüfstand möglich.

Das Zentrum für Kfz-Leistungselektronik und Mechatronik (ZKLM) des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) hat sich der Aufgabe gestellt, auch nachrüstbare Hybridantriebe zu entwickeln. Als erster Prototyp diente ein bis zur Wagenmitte serienmäßiger Audi-Sportwagen. Unter der Haube steckt ein konventioneller Verbrennungsmotor, die Hinterachse wurde durch ein Modul mit integriertem elektrischem Antrieb ersetzt. Ähnlich wie auch das DynaStart-Modul von ZF soll diese Technologie bei möglicher Nachrüstbarkeit zwischen 20 und 50 % Kraftstoffeinsparungen erbringen.

Herausforderung für den Prüfstand

Diese besondere Antriebsart stellte dabei gleichzeitig auch die größte Herausforderung für den Prüfstand dar, der letztlich durch Technogerma Systems als vollwertiger 4WD-Prüfstand ausgelegt wurde, um die beiden unabhängigen Antriebssysteme gemeinsam prüfen zu können. Das containerbasierte Prüffeld enthält die Infrastruktur, das zentrale Containerelement ist dabei der klimatisierte Fahrzeugrollenprüfstand.
Die Leistung des Fraunhofer-Prüfstandes ist ausreichend für starke Prüflinge: 340 kW leistet die Anlage, Fahrgeschwindigkeiten bis zu 140 km/h können simuliert werden bei einer Maximalbelastung von 4000 N pro Achse. Eine stufenlose Temperaturregelung erlaubt dabei die Abdeckung eines Temperaturbereiches zwischen minus 25 °C und bis zu 40 °C. Sowohl hohe wie auch sehr niedrige Temperaturen lassen die Kapazität der Batterien deutlich schrumpfen: Ein Reichweitenkiller für Elektromobilität.

Batterietest

Grundlagenforschung in den Batterietechnologien beeinflusst auch den Prüfstandsbau – nicht selten sind heute Batterien die sensiblen Prüflinge. Hitze, Kälte, Vibrationen und ungleichmäßige Entladezyklen: so sehen die natürlichen Feinde der Stromspender aus. Technogerma entwickelt und baut neben Prüfständen für konventionelle oder alternative Antriebe auch Testeinrichtungen für Batterien. Die Sicherheit genießt dabei einen hohen Stellenwert, und Zerstörungsprüfungen gehören zum Testalltag. Die Bauform als Containerprüfstand sorgt hierbei für einen Sicherheitsbonus, der als Feuerlöschzelle selbst im Katastrophenfall den Schaden übersichtlich hält, ohne eine komplette Gebäudeinfrastruktur zu gefährden. Vorsicht ist dennoch geboten, im Brandfall (Hazard Level 7) kann eingesetztes Löschwasser zur Verschleppung von Flusssäure führen. Nicht nur für den Einsatz im Kraftfahrzeug ist das zu beachten, sondern auch für das Prüfstandssystem, so dass ein abgestimmtes Lösch- und Sicherheitssystem daher Pflicht ist. Druckentlastungssysteme in der Prüfkammer sowie dem umgebenden Raum begrenzen das Schadenspotenzial für Bedienpersonal und Prüfraum.

(av)