Die Automobilindustrie kann für die Umsetzung von Hybridanwendungen, seien es Mild-, Plug-in- oder Vollhybride, auf unterschiedliche Lösungen für den Antriebsstrang zurückgreifen. Von der P0-Architektur über P1, P2, P3 und P4 bis hin zu PS (Powersplit) stehen verschiedene Anordnungsvarianten zur Auswahl. Diese unterscheiden sich vornehmlich durch die Positionierung des Elektromotors innerhalb der Antriebsstrangarchitektur: Bei P0 ist dieser direkt mit dem Verbrenner verbunden, bei P1 am Motorausgang vor dem Getriebe montiert. In der P2-Konfiguration befindet er sich am Getriebeeingang, in P3 am Getriebeausgang. Bei der P4-Anordnung sorgen Elektro- und Verbrennungsmotor für den Antrieb unterschiedlicher Achsen, und bei PS ist der Motorgenerator ins Getriebe integriert.

Die P2-Konfiguration, mit Elektromotor zwischen Getriebe und Verbrennungsmotor, erlaubt die Entkopplung des Verbrenners durch eine Trennkupplung und macht dadurch rein elektrisches Fahren möglich. Diese Lösung, die sich für verschiedene Getriebearten, insbesondere auch für Schaltgetriebe und Doppelkupplungsgetriebe, eignet, gehört zur Zeit zu den präferierten Architekturen in der Automobilindustrie.

Flexible Einsatzmöglichkeiten

Bild 1: Mehr Leistung bei weniger Kraftstoffverbrauch durch P2-Module, die auch rein elektrisches Fahren möglich machen.

Bild 1: Mehr Leistung bei weniger Kraftstoffverbrauch durch P2-Module, die auch rein elektrisches Fahren möglich machen. Borg Warner

Die technischen Lösungen von Borg Warner bieten Automobilherstellern unterschiedliche Optionen für die Hybridisierung verschiedener Fahrzeugmodelle. Die P2-Hybridmodule (zwei unterschiedliche Ausführungen) lassen sich ohne großen Aufwand im Antriebsstrang verbauen und individuell auf die Erfordernisse der Kunden zuschneiden (Bild 1). Je nach verfügbarem Bauraum lässt sich eine achsparallele oder eine koaxiale Anordnung, die den Elektromotor auf der Hauptachse platziert, nutzen.

Da Antriebsstränge mit Längsmotor über genügend Raum zum Einbau des Elektromotors verfügen, ist hier das koaxiale Design besonders geeignet. Idealerweise lässt sich die Trennkupplung in die E-Maschine integrieren, wodurch eine kompakte Bauweise möglich ist. Im Falle eines Doppelkupplungsgetriebes lässt sich sogar eine weitere Doppelkupplung einbauen, wodurch sich dann sogenannte Dreifachkupplungsmodule ergeben. Die Drehmomentübertragung lässt sich aufgrund der achsumschließenden Konstruktion kostengünstig und technisch unkompliziert realisieren.

Die achsparallele Anordnung findet ihren Einsatz insbesondere bei quer eingebauten Motoren, da hier üblicherweise kaum axialer Bauraum zur Verfügung steht. Diese Konfiguration, die Drehzahl und Drehmoment durch eine Kette überträgt, kann durch die Wahl eines geeigneten Übersetzungsverhältnisses der Kettenräder besonders energieeffizient ausgelegt werden. (Bild 2).

Konfiguration der Motor-Bauteile

Betriebsspannung, Windungstyp, Kühlsystem und nicht zuletzt der erforderliche Bauraum sind ausschlaggebend für die Auswahl der optimalen Elektromotorkonfiguration. Für einen optimierten Wirkungsgrad innerhalb achsparalleler Lösungen ist eine E-Maschine mit kleinem Durchmesser und hohen Drehzahlen vorzuziehen. Größere Elektromotoren, die ein höheres Drehmoment bei niedrigeren Drehzahlen erzielen, sind hingegen die bessere Lösung im Rahmen der koaxialen Anordnung.

Bild 2: Der Elektromotor innerhalb koaxialer (oben) und achsparalleler (unten) Konfiguration.

Bild 2: Der Elektromotor innerhalb koaxialer (oben) und achsparalleler (unten) Konfiguration. Borg Warner

Zwei Optionen stehen bezüglich der Betriebsspannung zur Verfügung: Ein Niedervoltsystem kann erheblich zur CO2-Minderung beitragen und zeichnet sich außerdem durch geringen Kostenaufwand aus. Ein Hochvoltsystem hingegen weist nicht nur das größte Potential für Krafteinsparungen auf, sondern kann auch über 100 kW an Leistung erzeugen und somit das rein elektrische Fahren ermöglichen (Bild 3).

Der Wirkungsgrad eines Elektromotors hängt neben der Betriebsspannung noch von weiteren Faktoren wie der Form des Drahts und dessen Wicklung ab. So können verteilte Statorwicklungen auf Grund ihres geringen Rastmoments und der niedrigen Drehmomentwelligkeit das Geräuschverhalten (Noise, Vibration, Harshness) des ganzen Systems verbessern. Für die Stromleitung erweist sich ein rechteckiger Draht als gute Wahl, da er Wärmeübertragung optimieren und Stromdichte maximieren kann. Um die Performance und Wirtschaftlichkeit des Elektromotors insgesamt zu erhöhen, sollte bei der Auswahl der Rotorkonstruktion statt eines Induktionsmotors ein eingebetteter Permanentmagnet (interior permanent magnet) präferiert werden. Dieser erhält das Magnetfeld ohne Fremderregung aufrecht und ist für alle Statorentypen geeignet.

Konzepte für die Kühlung

Für die Kühlung des Elektromotors bieten sich unterschiedliche Lösungen an, je nach zu berücksichtigenden Temperaturen und weiteren Rahmenbedingungen. Eine wirkungsvolle Methode ist die Ölkühlung. Sie zeichnet sich durch eine kontinuierliche Kühlleistung aus und gewährleistet damit gleichbleibende Durchschnittstemperaturen. Diese Lösung steht für einen guten Wärmetransfer, denn Kühlmittel und wesentliche thermische Komponenten stehen hier in direktem Kontakt.

Ganz anders arbeitet die Kühlung durch ein Wasser-Ethylenglykol-Gemisch. Kühlmittel und Wärmequelle haben keinen direkten Kontakt, stattdessen leitet ein sogenannter äußerer Kühlmantel die Motorwärme via Stator an das Kühlmittel ab. Bei dieser Konzeption lassen sich insbesondere Temperaturspitzen abfangen, da sich das Kühlmittel leichter mit niedriger Temperatur zuführen lässt, so dass kurzfristig ein großes Temperatur-Delta zur schnellen Wärmeübertragung zur Verfügung steht.

Bild 3: Hoch- und Niedervolt-Elektromotoren weisen verschiedene Vorteile auf und lassen sich individuellen Anforderungen anpassen.

Bild 3: Hoch- und Niedervolt-Elektromotoren weisen verschiedene Vorteile auf und lassen sich individuellen Anforderungen anpassen. Borg Warner

Es ist je nach Anforderung auch möglich, diese beiden Konzepte miteinander zu kombinieren. Dabei umfließt das Wasser-Ethylenglykol-Gemisch, das üblicherweise eine Einlasstemperatur von lediglich 65 °C aufweist, den Stator. Die Wärme wird aus dem Rotor abgeleitet, indem Öl eingespritzt wird, das durch die typische Getriebefunktion auf eine Temperatur von etwa 90 °C erhitzt ist. Sowohl im Normalbetrieb als auch bei höchsten Temperaturen weist diese Methode einen hohen Wirkungsgrad mit überaus guter Kühlleistung auf. Es empfiehlt sich jedoch, bei der Auslegung des Kühlkonzepts klar zu definieren, welches Ausmaß an Kühlleistung tatsächlich nötig ist, um die spezifischen Anforderungen zu erfüllen. Denn der Einsatz eines zusätzlichen Kühlmantels kann in vielen Fällen die Kosten signifikant erhöhen.

Verschiedene Kupplungslösungen

Die P2-Hybridarchitektur ermöglicht rein elektrisches Fahren, indem sie den Verbrenner durch eine Trennkupplung vom Antriebsstrang entkoppelt. Hierfür lassen sich unterschiedliche technische Lösungen realisieren. Steht wenig Bauraum zur Verfügung und ist höchste Effizienz bei möglichst geringen Kosten gefordert, kann ein Freilauf mit seinen geringen Abmessungen diesen Anforderungen Rechnung tragen. Um Nachteile zu vermeiden, empfiehlt sich die Verwendung von Lamellenkupplungen. Vor allem nasslaufende Reiblamellenkupplungen sind langlebig, kompakt und überzeugen gleichzeitig durch ihre hohe Funktionalität.

Fazit

Strenge und sich weiter verschärfende Umweltrichtlinien sowie Emissions-Grenzwerte lassen Automobilherstellern wenig Zeit, um ihre Flotten entsprechend umzurüsten. Die Hybridisierung über P2-Module ist eine wirtschaftliche und technisch ausgereifte Lösung, die OEMs dabei hilft, diese Ziele rasch zu erreichen. Eine P2-Architektur lässt sich ohne großen Aufwand und mit überschaubaren Kosten in bestehende Antriebsstrang-Konzepte integrieren, denn sie erfordert keine umfangreichen Veränderungen an Getriebe oder Motor. Unterschiedliche Elektrifizierungsoptionen lassen sich einfach realisieren und auch spezifische Anforderungen lassen sich flexibel erfüllen. Die P2-Konfiguration unterstützt alle wesentlichen Hybridfunktionen wie Stopp-Start, regeneratives Bremsen, elektrische Motoraufladung oder rein elektrisches Fahren.