Borg-Warners iDM-Module (Bild 1) zeigen den ganzheitlichen Ansatz des Unternehmens bei der Entwicklung zukünftiger Mobilitätslösungen. Die iDM-Module vereinen Leistungselektronik mit Getriebetechnologie sowie Motortechnologie in einem kompakten Design. Je nach Architektur und Anwendung lässt sich die Lösung an der Vorder- beziehungsweise Hinterachse von Pkws oder leichten Nutzfahrzeugen integrieren. Die iDMs eignen sich aber nicht nur für rein elektrische Fahrzeuge, sondern können auch in P4-Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen.

Bild 1:  Die iDM-Module vereinen Leistungselektronik mit Getriebetechnologie sowie Motortechnologie in einem kompakten Design.

Bild 1: Die iDM-Module vereinen Leistungselektronik mit Getriebetechnologie sowie Motortechnologie in einem kompakten Design. Borg-Warner

Drei Leistungsklassen mit den Bezeichnungen iDM 200-75, iDM 200-87 und iDM 200-110 lassen sich zur iDM-Familie zusammenfassen, die mit ihrer umfassenden Bandbreite von Übersetzungsverhältnissen eine skalierbare und modulare Architektur bietet. Dies erlaubt ein höheres Maß an Flexibilität und eine leichtere Anpassung an Nutzeranforderungen. Beim Betrieb mit 230 V bis 450 V Gleichstrom (VDC) ermöglichen sie bei einem Spitzendrehmoment zwischen 2500 Nm und 3500 Nm maximale Leistungsdichten von 90 kW, 120 kW beziehungsweise 160 kW bei 330 VDC.

Integrierte Leistungselektronik

Eine speziell entwickelte integrierte Leistungselektronik (Bild 2) erlaubt neben einer kompakten Baugröße auch geringere Komplexität und höhere Effizienz. Borg-Warners Leistungselektronik bietet auf Grundlage der weit verbreiteten Autosar-Plattform zusätzlich umfassende Softwarefunktionalitäten mit optionalen Steuermöglichkeiten des Energiemanagements und der Fahrzeugdynamik. Die Softwarearchitektur ermöglicht darüber hinaus die Umsetzung von Sicherheitsaspekten wie ASIL D. Die Leistungselektronik lässt sich mit einem Flexray- oder CAN-FD-Bus verwenden, um dem zunehmenden Datenaustausch in aktuellen Fahrzeugsystemen zu begegnen.

Eine integrierte Einheit aus Elektromotor und Getriebe bildet den Kern des Antriebsmoduls. Die Getriebetechnologie basiert auf dem e-Gear-Drive, welches mit seinem Getriebestrang mit Vorlegerad und seinem reduzierten Gewicht zu größeren Reichweiten im Batteriebetrieb beiträgt. Auf diese Weise lässt sich die erforderliche Kapazität der Fahrzeugbatterie verringern. Die Getriebetechnologie kann Eingangsdrehzahlen von bis zu 16.000 U/min verarbeiten und bietet auch bei hoher Drehmomentkapazität einen laufruhigen Betrieb mit einem guten NVH-Verhalten (Noise Vibration and Harshness). Durch die verschiedenen Übersetzungsverhältnisse lässt sich die Fahrzeugleistung basierend auf den vom Hersteller bevorzugten Antriebseigenschaften individuell anpassen.

Die integrierte Leistungselektronik ermöglicht neben einer kompakten Baugröße auch geringere Komplexität und höhere Effizienz.

Bild 2: Die integrierte Leistungselektronik ermöglicht neben einer kompakten Baugröße auch geringere Komplexität und höhere Effizienz. Borg-Warner

Der Elektromotor stellt die zweite Kernkomponente des iDMs dar und lässt sich optional mit HVH-Technologie (High Voltage Hairpin) ausstatten. Aufgrund der Statorwicklungstechnologie und der passenden Leistungselektronik erreicht der HVH-Elektromotor einen Wirkungsgrad von über 95 Prozent und ist in Sachen Leistung und Drehmoment in seiner Größen- und Gewichtsklasse führend (laut Hersteller). Für kompakte elektrische Maschinen mit größeren Leistungs- und Drehmomentdichten sind dies ausschlaggebende Faktoren in der Entwicklung. Im Hinblick auf die Baugröße ermöglicht die HVH-Elektromotorentechnik einige Verbesserungen, während sie gleichzeitig im Vergleich zu herkömmlichen Motoren mit ähnlichen Leistungsdaten eine um mehr als zehn Prozent geringere Masse aufweist. Die aktuelle Umrichtergeneration des Unternehmens enthält eine vollständig integrierte, kompakte elektronische Steuereinheit. Die flexible Architektur der Steuerung ist angepasst an die Elektrifizierungsanforderungen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen.

Wärmemanagement und NVH-Verhalten

Das Wärmemanagement spielt beim Design des integrierten Antriebsmoduls eine wichtige Rolle, da dieser Faktor in unmittelbarem Zusammenhang zu Leistung und Kosten der Technologie steht. Bei der Auswahl des Kühlsystems ist daher die Analyse des Preis-/Leistungsverhältnisses in der jeweiligen Anwendung sehr wichtig. Entsprechende Untersuchungen kommen zu dem Ergebnis, dass sich die Betriebskosten verringern lassen, wenn das Kühlmittel zunächst der Leistungselektronik und dann der elektrischen Maschine durch einen Wassermantel zugeführt wird. Je höher die Leistung, desto eher sind Wärmemanagementlösungen wie beispielsweise Direktölkühlungen von Interesse. Durch zusätzliche Komponenten – wie Pumpen und Öl-Wasser-Wärmetauscher – verursachte Kosten lassen sich durch Einsparungen bei der elektrischen Maschine ausgleichen.

Bild 3:  Anwendungen aus der iDM-Familie sollen einen geringerem Energieverbrauch elektrisch angetriebener Fahrzeuge ermöglichen.

Bild 3: Anwendungen aus der iDM-Familie sollen einen geringerem Energieverbrauch elektrisch angetriebener Fahrzeuge ermöglichen. Borg-Warner

Um Konstruktionsmerkmale mit Auswirkungen auf die NVH-Eigenschaften unter Einhaltung anderer Leistungsvorgaben zu optimieren, hat Borg-Warner spezielle Tools entwickelt und in verfahrenstechnische Prozesse eingebettet. Es wurden beispielsweise die radialen Kräfte des Elektromotors und die elektromagnetische Drehmomentwelligkeit zusammen mit Leistungsmerkmalen wie dem Wirkungsgrad und Gesamtdrehmoment optimiert. Die Konstruktion des Getriebes minimiert zudem Übertragungsfehler durch Zahneingriff und erfüllt trotzdem die Anforderungen in Hinblick auf Lebensdauer und Festigkeit.

Fazit

Die Entwicklung effizienter Mobilitätslösungen und die damit einhergehende Senkung von Emissionen stellt sowohl für OEMs als auch für Automobilzulieferer eine große Herausforderung dar. Anwendungen aus der iDM-Familie (Bild 3) sollen einen geringerem Energieverbrauch elektrisch angetriebener Fahrzeuge ermöglichen und können auf diese Weise pro Batterieladung eine höhere rein elektrische Reichweite erzielen. Diese ganzheitliche Paketlösung für elektrifizierte Fahrzeuge soll den Anforderungen elektrischer und hybrider Antriebe Rechnung tragen.