Bild 4: Einblick in den Radnabenmotor von E-Traction (Bild: E-Traction)
Heutzutage hat die Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen einen hohen Stellenwert bei der Energiespeicherung eingenommen. Als technologischer Haupttrend haben sich mittlerweile Elektrofahrzeuge herauskristallisiert, wobei die Energieversorgung sowohl über Batterien als auch Brennstoffzellen erfolgt. Schlüsselfaktoren sind hier Reichweite und Gewicht. Mit eher geringem Energieinhalt und hohem Gewicht sind Batterien weit von der Energiedichte fossiler Brennstoffe entfernt. Zwar sind Fahrzeugbatterien billiger geworden, jedoch sind sie nach wie vor der größte Kostentreiber bei reinen Elektrofahrzeugen. Hinzu kommt, dass fossile Energie noch immer einen Großteil der Elektrizität für die Elektromobilität erzeugt. Um die Schadstoff- und Feinstaubemissionen zu eliminieren, müssen Hersteller den Energieverbrauch der Fahrzeuge reduzieren und gleichzeitig die Kosten senken.
Als Hauptenergieverbraucher im Elektrofahrzeug gilt der Antriebsstrang. Eine effizientere Gestaltung des Antriebsstranges wirkt positiv auf die Reichweite und das Fahrzeuggewicht und führt zudem zu einem niedrigeren Energieverbrauch. Weniger Energie pro gefahrenem Kilometer bedeutet kleinere Batterien für dieselbe Reichweite oder eine höhere Reichweite für dieselbe installierte Batteriekapazität.
Nutzfahrzeuge elektrifizieren
Bild 1: In Nutzfahrzeugen kommt Elektromobilität oft zu kurz, aber gerade hier eignen sich Radnabenmotoren. E-Traction
Viele Initiativen rund um den Pkw gehen derzeit von Automobilherstellern und den Gesetzgebern aus, um die CO2-Emissionen zu senken. Auf Nutzfahrzeuge wirken sich die Maßnahmen jedoch weitaus geringer aus, obwohl gewerblich genutzte Fahrzeuge in der Regel deutlich größere Strecken pro Jahr zurücklegen und für 38 Prozent aller durch Straßenfahrzeuge ausgestoßenen Emissionen verantwortlich sind.
E-Traction ist ein niederländischer Hersteller und Entwickler elektrischer Antriebsstränge mit Fokus auf der Technologie für Radnabenmotoren. Das Unternehmen konzentriert sich seit über zehn Jahren auf elektrische Nutzfahrzeuge und hat speziell dafür Antriebskonzepte entwickelt. Darüber hinaus verfolgt E-Traction einen globalen Ansatz und hat eine intelligente Steuerungstechnologie entworfen, um die Effizienz des elektrischen Antriebs durch die Entwicklung von Steuerungsalgorithmen und die Integration mit anderen Systemen im Fahrzeug weiter zu optimieren.
Kosten und Nutzen ermitteln
Wesentlicher Faktor für eine geringere Belastung des Batteriespeichers sowie für den Energieverbrauch ist der Wirkungsgrad. Für diese Gleichung gibt es jedoch noch zusätzliche Parameter. So sind etwa die Kosten ein weiterer entscheidender Faktor, um die Entwicklung in Richtung Nullemission zu beschleunigen. Das Abrechnungsverfahren Total Cost of Ownership (TCO) beschreibt die Kosten über die Lebensdauer des Fahrzeugs und schließt alle wichtigen Faktoren ein. TCO beinhaltet die Beschaffungskosten der einzelnen Fahrzeugkomponenten wie etwa Antriebsstrang oder Batterien, aber auch die Instandhaltungskosten, die aufgewendeten Energiekosten sowie die Ausfallzeiten etwa beim Laden der Batterie. Zusätzlich berücksichtigt es noch Daten zur Nutzlast der Fahrzeuge und die erforderliche Flottengröße, um im Verkehr eine bestimmte Transportkapazität zu erreichen. Je mehr Passagiere ein Fahrzeug im Rahmen des zulässigen Gesamtgewichtes (Gross Vehicle Weight, GVW) befördern kann, desto weniger Fahrzeuge sind notwendig, um eine bestimmte Flottentransportkapazität zu erreichen. Gleiches gilt für den Warentransport. Daher sorgt ein TCO-Berechnungsmodell für jeden Anwendungsfall und für jedes eingesetzte System für eine Kostenoptimierung über den gesamten Lebenszyklus hinweg. TCO-Berechnungen mit unterschiedlich effizienten Antriebssträngen zeigen Abweichungen der Kosten über die Lebensdauer des Fahrzeugs von mehr als 20 Prozent.
Evolution elektrischer Antriebsstrang-Architekturen
Im Verlauf der intensiven Auseinandersetzung mit elektrischen Antriebslösungen folgte E-Traction seiner eigenen technischen Evolution. Bild 2 zeigt in schematischer Übersicht die Entwicklungsphasen dreier unterschiedlicher Elektroantriebs-Architekturen für eine Stadtbusanwendung. In der ersten Phase der Elektrifizierung eines Stadtbusses wurden Verbrennungsmotor und Getriebe durch Batterie, Elektromotor und Wechselrichter ersetzt. Der Hauptvorteil eines Antriebsstranges mit zentralem Motor liegt im minimalen Integrationsaufwand, denn viele traditionelle Komponenten wie beispielsweise die Antriebswelle und das Differenzialgetriebe konnten im Originalzustand bleiben. Ein Nachteil dieser Lösung sind die mechanischen Verluste, die inhärent mit den Differential- und Schaltgetriebeverlusten zusammenhängen.
Bild 2: Die Entwicklung der elektrischen Antriebsstrang-Architekturen. E-Traction
Als es weitere technologische Fortschritte ermöglichten, kam eine zweite technologische Stufe auf den Markt, die den Elektromotor physisch näher am Rad platziert. Solche Radnabenmotoren mit Getriebe ermöglichen die redundante Erzeugung von Drehmomenten für jede einzelne Radnabe. Der redundante Betrieb jedes Rades ermöglicht eine verbesserte Verfügbarkeit des Antriebsstrangs. Bei diesem Konzept ist trotz Ausfall des Antriebes einer Seite aufgrund unerwarteter Fehler immer noch ein Fahrbetrieb mit der anderen Seite möglich, wenngleich mit eingeschränkter Leistung. In Anbetracht der Entwicklung der autonomen Antriebstechnik hat die Verfügbarkeit des Antriebsstrangs an Bedeutung gewonnen. Zudem ermöglicht die Fähigkeit, das Drehmoment jedes Rads unabhängig zu steuern, auch Torque-Vectoring-Techniken. Ein Nachteil der zweiten Antriebstechnologiestufe ist die Notwendigkeit einer hohen Untersetzung, was häufige Wartungen erforderlich macht und aufgrund der Planetengetriebekonstruktion Wirkungsgradverluste sowie Geräuschemissionen bedeutet. Schließlich werden die Wechselrichter typischerweise an der Fahrzeugkarosserie installiert, was den Fahrzeughersteller vor zusätzliche Integrationsherausforderungen stellt.
Die neueste Stufe der elektrischen Antriebstechnologie ist der direktantreibende Radnabenmotor. Dieses Konzept ermöglicht es, das Drehmoment direkt am Rad zu erzeugen, ohne dass ein Getriebe benötigt wird. Diese Lösung bietet eine überlegene Drehmomentsteuerung im Hinblick auf Genauigkeit und Dynamik. Das Fehlen eines Getriebes führt zu einer optimalen Effizienz dieser Antriebstechnik. Die Erhöhung der Effizienz ist ein Schlüsselelement für den Erfolg von elektrischen Antriebslösungen.
Zusammenfassend ist in der Entwicklung der elektrischen Antriebsstrang-Architekturen zu beobachten, dass sich die kritischen Komponenten näher zum Rad hinbewegen, was eine logische Weiterentwicklung der Technologie ist. Denn das Drehmoment entsteht und wirkt genau der Stelle, wo es gebraucht wird.
Evolution der elektrischen Antriebstechnik
Bild 3: Explosionsdarstellung des E-Traction-Systems E-Traction
Es lassen sich drei verschiedene Antriebsstrangtechnologien definieren. Ein einfacher Weg zur Elektrifizierung ist die Verwendung eines zentralen Motors. In diesem grundlegenden Ansatz ersetzt der Hersteller den Verbrennungsmotor mit Getriebe durch einen Elektromotor. Er lässt sich einfach integrieren und zudem bleiben alle anderen Komponenten wie beispielsweise Hinterachsen, Differentiale oder Bremssysteme unverändert. Jedoch ist dies nicht der Weg zu höchster Effizienz, besten TCO-Werten, bester Raumnutzung, minimaler Wartung und geringster Geräuschemission.
Eine zweite Stufe in der Entwicklung des elektrischen Antriebsstrangs ist die Verwendung von Getriebemotoren. In diesem Fall gibt es bestimmte Vorteile, so entfällt dabei beispielsweise ein Differenzialgetriebe, wodurch zusätzlicher Platz entsteht. Die Wechselrichter sind noch immer extern installiert und benötigen Platz. Auch werden Zwischengetriebe benötigt, um das erforderliche Drehmoment anzupassen, was wiederum Verluste und Geräusche erzeugt.
Der Direct-Drive-Radnabenmotor ist eine fortschrittliche Antriebstechnologie, die viele Vorteile mit sich bringt und die Nachteile der anderen Antriebstechnologien überwindet.
Vorteile der Radnabenmotor-Technologie
Bild 4: Einblick in den Radnabenmotor von E-Traction E-Traction
Das E-Traction-System basiert auf der Radnabenmotor-Technologie und verwendet dafür PMSM-Typen (Permanent Magnet Synchron Motor). Darüber hinaus hat E-Traction Wechselrichter speziell für diesen Motortyp entwickelt, die im Radnabenmotor integriert sind (Bild 3 und 4).
Bei Nutzfahrzeugen ist ein maximales Drehmoment erforderlich, um in Hanglage aus dem Stillstand zu beschleunigen. PMS-Motoren leisten das und sind die leistungsstärksten wie auch effizientesten Elektromaschinen, die verfügbar sind. Ihre Effizienz ist bei richtiger Auslegung extrem hoch. Die Direct-Drive-Systeme von E-Traction sind hochwirksam, da sie elektrische Energie ohne Verluste durch ein Zwischen- oder Differenzialgetriebe direkt in kinetische Energie umwandeln. Solche Verluste summieren sich über die Lebensdauer auf 5 bis 10 Prozent. Argumenten, dass langsam laufende Maschinen weniger effizient sind als schnell laufende Maschinen mit Getriebe, lässt sich entgegnen, dass schnell laufende Maschinen Probleme mit Proximity-Effekten sowie Getriebeverluste haben, die sich signifikant negativ auswirken können.
Die integrierten Wechselrichter bieten erhebliche Vorteile, da die hohen Stromflüsse im Inneren der Maschine bleiben und somit EMV-Effekte deutlich geringer sind als bei Verwendung externer Wechselrichter. Diese kompakte Lösung mag technisch komplexer und daher teurer sein, bei einer Serienfertigung ist dies jedoch nicht mehr der Fall. Zudem verzichtet dieses Konzept auf lange elektrische Zuleitungen für hohe Leistung und erspart EMV-Gegenmaßnahmen. Weil das System Kühlleitungen gemeinsam mit dem Motor nutzt, sind weitere Kostenvorteile erzielbar.
Ein dritter Vorteil der Radnabenmotoren mit integrierten Wechselrichtern ist der Gewinn an Bauraum. Alles ist im Inneren des Rades verbaut, was für Fahrzeugkonstrukteure von Vorteil ist, die so den Raum für Niederflurbusanwendungen optimal und ohne zusätzlichen Platz im Fahrgastbereich nutzen können. Auch bei Lastkraftwagen lässt sich das Transportvolumen optimieren. Lärm ist ein weiterer Nachteil. Sobald der Verbrennungsmotor wegfällt, wird der von anderen Fahrzeugkomponenten erzeugte Geräuschpegel plötzlich sehr auffallend.
Bild 5: Für eine Neukonstruktion oder für den Umbau von Niederflurbussen sind alle notwendigen Komponenten für die Realisierung eines elektrischen Antriebsstrang einbaufertig erhältlich. e-Traction
Während Verbrennungsmotoren viele andere Geräuschquellen verdecken, sind elektrische Maschinen von Natur aus fast geräuschlos. Eine deutliche Geräuschquelle sind die Zahnräder in Differenzial- und Zwischengetrieben. Sie verursachen sehr störende Geräusche sowohl außerhalb als auch innerhalb des Fahrzeugs. Insbesondere für Busanwendungen ist das ein entscheidender Faktor. Direct Drive hat diesen Nachteil nicht und ist von Natur aus ruhig.
Direktantreibende Radnabenmotoren kommen weitgehend ohne bewegliche Teile aus. Es gibt im Wesentlichen zwei Kugellager, die Lebensdauerbeschränkungen unterliegen, aber für die Lebensdauer des Fahrzeugs ausgelegt sind. Andere Antriebssysteme, die mit Getrieben arbeiten, leiden unter Verschleiß, haben höhere Leistungsverluste und müssen regelmäßig gewartet werden. Ein Direktantriebssystem ist quasi wartungsfrei, wodurch Betriebskosten und Ausfallzeiten sinken.
Systemaufbau und Spezifikationen
The Motion ist ein komplettes System für die Realisierung eines elektrischen Antriebsstranges. Es enthält alle notwendigen Komponenten, unterstützt sämtliche Funktionen und ist plug-and-play-fähig. Zudem ersetzt das System die Hinterachse, funktioniert einwandfrei in Neufahrzeugen und lässt sich in bestehende Flottenfahrzeuge nachrüsten. Die intelligente Software verbindet sich auf einfache Weise nahtlos mit traditionellen und modernen ABS/EBS-Systemen, erreicht ein optimales Zusammenwirken mit dem Bremssystem und kann so die Energieeffizienz steigern.
Bild 6: Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Fahrstrecke aus mehreren mit The Motion durchgeführten Testläufen. Drei SORT-Zyklen werden definiert, die verschiedene Anwendungsfälle abdecken. Aus diesen drei Zyklen lässt sich dann ein mehr oder weniger standardisierter Wirkungsgradverlauf ableiten. E-Traction
Das Antriebssystem bietet die Funktion eines elektronisch geregelten Differenzialgetriebes, ermöglicht eine einfache Fahrzeugintegration und bringt ein eigenes Diagnosesystem mit, welches konform zu den gängigen Kfz-Normen und -Vorschriften ist. Das komplette System des Antriebsstrangs beinhaltet eine intelligente Steuerung, eignet sich für vollelektrische sowie Hybridfahrzeuge und lässt sich auf 12- und 18-Meter-Bussen oder auf großen Lastkraftwagen montieren.
Die Stromversorgung kann beispielsweise über Batterien, Superkondensatoren oder Brennstoffzellen erfolgen. The Motion ist ein komplettes Paket bestehend aus vier Grundkomponenten:
- The Wheel: Direktantreibende Radnabenmotoren mit integriertem Hochspannungsantrieb
- The Control: Steuergerät für Antriebsstrangsteuerung mit AUTOSAR-basierender Antriebssteuerungssoftware
- The Connect: Hochspannungsverteilereinheit
- The Motion Tool: Softwareanwendung mit umfassenden Diagnose- und Kalibrierungsfunktionen
Als Ergänzung zu The Motion sind ein Satz ausgewählter Zwillingsreifenfelgen sowie eine Hinterachse erhältlich, die E-Traction speziell für Niederflurbusanwendungen entwickelte.
The Motion 2.0 bietet:
- 94 Prozent Wirkungsgrad von der Batterie bis zum Rad
- hohes Spitzendrehmoment bis 20.000 Nm pro angetriebene Achse
- Nenndrehmoment von 7800 Nm
- Spitzenleistung von 410 kW
- Nennleistung von 260 kW
- maximale Achslast von 13.000 kg
- Höchstgeschwindigkeit von 90 km/h
- Leistungsspannungsbereich von 520 bis 800 VDC
- minimale Betriebsspannung von 400 VDC
Zyklen und Ergebnisse vergleichen
Bild 7: Teststrecke für SORT-Messungen College van Rijksadviseurs
Um die Effizienz in gewerblichen Straßenfahrzeugen zu überprüfen, sind objektive Messungen notwendig. Betrachtet man beispielsweise die Routen von Stadtbussen genauer, wird deutlich, dass Fahrzyklen in der Stadt sehr stark variieren können. Dies hängt ab von den Routen, der Anzahl der Start-Stopps, dem geografischen Höhenprofil, den Geschwindigkeitsunterschieden und weiteren Faktoren. Für eine bessere Vergleichbarkeit kommen von der UITP entwickelte SORT-Zyklen (Standardised On-Road Test) zum Einsatz. Dabei handelt es sich um standardisierte Zyklen, mit denen sich die Energieeffizienz zwischen verschiedenen Fahrzeugen und Antriebssträngen messen lässt. Bild 6 zeigt die Geschwindigkeit-Fahrstrecken-Beziehung von mehreren SORT-Testläufen, durchgeführt mit The Motion.
Messungen für verschiedene Antriebsstränge zeigen, dass zwischen den unterschiedlichen Systemen große Unterschiede in der Energieeffizienz bestehen. Bei einem modifizierten SORT-2-Zyklus ergeben sich beispielsweise die folgenden Unterschiede:
- 1,06 kWh/km für ein zentrales Antriebssystem
- 1,04 kWh/km für ein Getriebemotor-System
- 0,91 kWh/km für die Radnaben-Motortechnologie der 1. Generation
- 0,78 kWh/km für den neuesten Radnabenmotor von E-Traction
Diese Beispiele decken natürlich nicht alle auf dem Markt erhältlichen Systeme ab, sondern zeigen deutlich die Vorteile der Direct-Drive-Technologie. Dennoch sind die Unterschiede erheblich und führen zu Einsparungen bei Batteriekosten und Gewicht, zur Erhöhung der effektiven Nutzlast und zu einer erheblichen Energiekostenverringerung.
Effizienzoptimierung und modellbasierendes Design
Die Verbesserung der Energieeffizienz gegenüber traditionellen Antriebssystemen und der ersten Generation des In-Wheel-Systems führte zum Erfolg aufgrund gewonnener Erfahrungen aus früheren Systemen, durch eine Verbesserung der Regelalgorithmen für die Motorsteuerung und ergänzend durch die Bereitstellung intelligenter Algorithmen zur Steuerung des Antriebsstrangs wie auch zum Mischverbau mit anderen Systemen im Fahrzeug.
Durch umfangreiche Simulationen mit proprietären Modellen war es E-Traction möglich, eine hocheffiziente Steuerung zu entwickeln. Die statistische Analyse der Fahrzyklen diente der Optimierung des Motordesigns und neue Erkenntnisse in der Steuerungstechnik führten zu einem neuen Motorsteuerungsalgorithmus. Eine neu entwickelte Software für die Steuerung des Antriebsstranges optimiert die Energierückgewinnung und den Energieverbrauch. Es ist also das Gesamtsystem, das zum hervorragenden Wirkungsgrad beiträgt.
Die konstruktiven Herausforderungen eines direkt antreibenden Radnabenmotors
Die Konstruktion eines direkt antreibenden Radnabenmotors ist eine große Herausforderung, die ein breites Spektrum an mechanischen, elektromagnetischen, thermischen wie auch fahrzeugdynamischen Kenntnissen erfordert. Da an den Motor hohe Leistungsanforderungen in Bezug auf Drehmoment und Wirkungsgrad gestellt sind, während jedoch viele konstruktive Einschränkungen bestehen, kommt ein strukturierter Konstruktionsansatz zur Anwendung, um eine optimale Lösung zu erreichen. Zur Beurteilung der Motorleistung werden drei Hauptkriterien ausgewählt, die sich aus den Anwendungsfällen von 12- und 18-Meter-Bussen ergeben.
- Maximales Drehmoment
- Nenndrehmoment
- Maximale Drehzahl
Bild 8: Verteilung der Energieabgabe E-Traction
Durch einschränkende Faktoren sind Grenzen gesetzt, die es verhindern, die oben genannten Leistungsmerkmale zu erreichen – sie müssen bei der Konstruktion berücksichtigt werden:
- Bauvolumen: Die Drehmoment-Charakteristik wird normalerweise signifikant von der Motorgröße beeinflusst, sodass ein hohes Drehmoment für gewöhnlich einen großen Motor erfordert. Bei dieser In-Wheel-Anwendung ist der Motordurchmesser jedoch streng durch den Raddurchmesser begrenzt, der für Stadtbus-Anwendungen 22,5 Zoll beträgt. Die Motorlänge ist dabei durch die Fahrzeugbreite und die geometrischen Abmessungen der Hinterachse mit Anbauteilen wie mechanischen Bremsen begrenzt.
- Kosten: Aufgrund der Wettbewerbsfähigkeit am Markt sind die Produktionskosten des Motors begrenzt und müssen bei der Auswahl von Materialien wie Magneten berücksichtigt werden.
- Weitere konstruktive Kriterien sind die magnetische Sättigung, das Entmagnetisierungsrisiko sowie thermische Bedingungen, da die Leistung eines Motors durch die erzeugte Wärme begrenzt ist.
Ein gutes Verständnis dieser Einschränkungen ist für den Prozess der Konstruktionsbewertung unerlässlich. Diesem Prozess folgt die Optimierung der Motoreffizienz. Der Wirkungsgrad eines Motors variiert jedoch abhängig vom Betriebspunkt des Drehmoments und der Drehzahl. Ein Motor mit optimalem Wirkungsgrad an einem Arbeitspunkt funktioniert möglicherweise an einem anderen Punkt nicht optimal. Um einen optimalen Gesamtwirkungsgrad zu gewährleisten, ist es daher wichtig zu wissen, wo in einer Drehmoment-Drehzahl-Ebene der Motor am meisten arbeitet oder die meiste Energie verbraucht. Der gewählte Ansatz besteht darin, für die Zielanwendungen eine statistische Analyse für typische Fahrzyklen durchzuführen und eine Karte mit Auftrittswahrscheinlichkeiten aufzuzeichnen, um zu visualisieren, in welchem Drehmoment- und Drehzahlbereich der Motor am häufigsten arbeitet. Auf diese Weise lässt sich in jedem Fahrzyklus die Verteilung der Energieabgabe des Motors an die Räder genau ermitteln (Bild 8). Diese Informationen liefern zusätzliche Auslegungskriterien und erzielen somit ein optimales Design.
(prm)
