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Bild 1a: Die Fahrzeugart hat erheblichen Einfluss auf den eingesetzten Elektroantrieb: Hier ein Elektro-Pkw.
Bild 1b: Elektroboot.
Bild 1c: Propellerantrieb für Segelflugzeuge.
Bild 1d: Transportfahrzeug.
Bild 1e: Transportraupe für Weinberge.
Bild 1f: Elektrokart.
Bild 1g: Mit Ravon erforscht die Arbeitsgruppe Robotersysteme der Technischen Universität Kaiserslautern verhaltensbasierte Bewegungs-, Lokalisations- und Navigationsstrategien im rauen, unebenen Gelände.

Elektromobilität hat eine lange Tradition. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren in den USA immerhin 38 Prozent aller Fahrzeuge Elektrowagen, mit 40 Prozent nur knapp übertroffen von den Dampfwagen. Benzinfahrzeuge lagen mit 22 Prozent Verbreitung deutlich darunter. Die höhere Leistungsdichte von Kraftstoffen im Vergleich zu Batterien verbunden mit niedrigen Ölpreisen haben dann den Siegeszug der Verbrennungsmotoren eingeleitet. Inzwischen gewinnen Elektro-Antriebskonzepte in den verschiedensten Fahrzeugen wieder an Bedeutung. Beim Aus- oder Umrüsten gilt es aus antriebstechnischer Sicht, zahlreiche Faktoren zu beachten.

Das erste Kriterium ist der Typ des Fahrzeug, das einen Elektroantrieb erhalten soll, etwa Pkw, Lkw, landwirtschaftliches Fahrzeug, Baufahrzeug oder gar ein Boot oder Segelflugzeug (Bild 1a bis 1g). Die Fahrzeugart, deren Einsatzgebiet und die davon abhängige Betriebsdauer haben wesentlichen Einfluss auf die Antriebswahl, denn diese Faktoren definieren die Anforderungen an Kurzzeit- und Dauer-Leistung, Batteriespannung und die notwendige Schutzart.

Bild 2a: Auf Elektroantrieb umgerüsteter Pkw.

Bild 2a: Auf Elektroantrieb umgerüsteter Pkw.Lorinser

Einsatzort und Umgebungsbedingungen beeinflussen Antriebskomponenten

Daneben beeinflusst das Höhenprofil des Geländes, in dem sich das Fahrzeug bewegt, die Wahl der richtigen Komponenten. Gefährte, die auf dem Flugfeld oder auf vorwiegend flachen Messe- und Industriegeländen unterwegs sind, benötigen eine geringere Antriebsleistung als vergleichbare Straßenfahrzeuge und auch die Anforderungen an die Schutzart sind geringer. Auf unbekanntem Terrain dagegen kann es ein Fahrzeug mit Steigungen bis 25 Prozent zu tun bekommen. Das erfordert eine höhere Leistung und es gilt hier auch die Rekuperation (die Bremsenergie-Rückgewinnung) zu berücksichtigen.

Bild 2b: Detailansicht eines auf Elektroantrieb umgerüsteten Pkws.

Bild 2b: Detailansicht eines auf Elektroantrieb umgerüsteten Pkws.Lorinser

Zum Vergleich: Die mittlere Leistung eines Kleinwagens liegt im Flachland bei zirka 12 kW, im bergigen Gelände bei 20 kW. Gleichzeitig sind die Geschwindigkeiten im Einsatz auf der Straße mit bis zu 140 km/h deutlich höher als in Industrieanwendungen. Daneben müssen bei Fahrzeugen für den Straßenverkehr die entsprechenden gesetzlichen Vorschriften beachtet werden (Bild 2a und 2b). Zudem wird gefordert, dass die eingesetzten Komponenten unempfindlich sind gegen Schmutz, Wasser, Vibrationen und hohe Temperaturschwankungen.

Je nach Einsatzbereich sind Umgebungstemperaturen eine kritische Größe. In zeitweise kalten Ländern muss das Fahrzeug klimatisiert werden. Die in Wärme gewandelte Verlustenergie ist beim elektrischen Antrieb jedoch so gering, dass sie nicht zum Heizen des Fahrgastraums ausreicht. Bei Temperaturen unter 5 °C muss auch die Batterie geheizt und bei Temperaturen über 60 °C aktiv gekühlt werden. Auch das Einsatzland hat einen Einfluss auf die geforderten Zulassungen der eingesetzten Komponenten.

Das Einsatzfeld bestimmt somit maßgeblich die Konstruktion und Antriebsleistungen eines Fahrzeugs und damit den Fahrzeug- und Antriebspreis. Die Spanne ist breit, beim Pkw reicht sie von Kleinstfahrzeugen mit geringen Geschwindigkeiten und 5 kW Antriebsleistung bis zu Fahrzeugen der Mittelklasse mit bis zu 150 kW.

Jahrelange Erfahrungen nutzen

Für eine Neuentwicklung sind daher umfangreiche Erfahrungen mit Lösungsansätzen für die Elektromobilität sinnvoll, über die zum Beispiel die Reglerspezialisten der Firma Unitek verfügen. Unitek hat bereits mehrere Hundert sehr unterschiedliche Fahrzeuge in kleinen und mittelgroßen Serien für vielfältige Anwendungen aus- oder umgerüstet. Dabei unterstützen sie ihre Kunden nicht nur mit den passenden Batterie-Motorreglern, sondern bieten auch umfangreiche Beratung.

Bild 3: Gerhard Körber, Geschäftsführer der Unitek: „Wir haben jahrelange Erfahrung beim Um- und Ausrüsten von Elektrofahrzeugen unterschiedlichster Art vom Pkw über Lkw bis hin zum Elektroboot. Neuerdings kommen auch Propellerantriebe für Segelflugzeuge

Bild 3: Gerhard Körber, Geschäftsführer der Unitek: „Wir haben jahrelange Erfahrung beim Um- und Ausrüsten von Elektrofahrzeugen unterschiedlichster Art vom Pkw über Lkw bis hin zum Elektroboot. Neuerdings kommen auch Propellerantriebe für Segelflugzeuge Unitek

„Aus technischer Sicht ist ein Elektroantrieb relativ primitiv“, sagt Gerhard Körber, Uniteks Geschäftsführer (Bild 3). „Softwareseitig ist beim Umrüsten aber einiges zu beachten. So erwartet der Bordcomputer Signale vom Benzinmotor, um zuverlässig zu arbeiten. Baut man diesen aus, müssen die Signale entsprechend simuliert werden, ohne in sicherheitskritische Software einzugreifen, damit keine Fehlfunktionen auftreten und sich das Fahrzeug im Fehlerfall nach wie vor richtig verhält. Die Sicherheitsanforderungen sind in diesem Bereich immens.“

Flexibler Motorregler für alle Antriebskonzepte

Ein Motor-Controller setzt die Gleichstromleistung der Batterie in eine Drehstromleistung für den Motor um, dabei übernimmt eine digitale Prozessoreinheit (DSP) die Steuerung. Der Controller überwacht und begrenzt die Regelgrößen auf die zulässigen Motordaten in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen. Dabei kann der Motorregler im einfachsten Fall nur Drehzahl oder Drehmoment steuern. Mit umfangreicherer Software übernimmt er in komplexeren Anwendungen auch weitere Funktionen wie elektrische Rekuperation, Fahrstabilität, Fahrprofile (ECO-Sport), Notlaufeigenschaften oder Batterieüberwachung. Mit dem Bordrechner des Fahrzeugs kommuniziert der Controller über das Bus-System, zum Beispiel CAN. Der mechanische Aufbau und die elektrische Sicherheit müssen den nationalen und internationalen Vorschriften für elektrische Straßenfahrzeuge entsprechen. Betriebsstörungen des Controllers und Motors dürfen zu keinen unkontrollierbaren Zuständen des Fahrzeugs führen.

Unitek beschäftigt sich seit mehr als 15 Jahren mit Fahrzeugantrieben und bietet für Straßenfahrzeuge Motor-Controller in unterschiedlichen Bauformen an. Zu den Standardgeräten gehören Bamobil und Bamocar. Bei ihnen reicht der Spannungsbereich bis 700 V und der Strombereich bis 400 A. Die Controller sind für den harten Einsatz in hoher Schutzart aufgebaut. Nationale und internationale Vorschriften sind berücksichtigt. Die Motor-Controller eignen sich für Synchron-, Asynchron- und Gleichstrommotoren. Leistungsstarke DSPs und umfangreiche Software ermöglichen fortschrittliche Steuerung und Regelung für elektrische Straßenfahrzeuge. Auch kundenspezifische Sonderbauformen sind auf Anfrage realisierbar.

Bild 4: Die Einsatzgebiete des Motorreglers Bamocar sind Elektro-Pkw, vollelektrische Elektro-Klein-Lkw, starke Elektro-Bootsantriebe (bis 80 PS) und Segelflugzeugantriebe.

Bild 4: Die Einsatzgebiete des Motorreglers Bamocar sind Elektro-Pkw, vollelektrische Elektro-Klein-Lkw, starke Elektro-Bootsantriebe (bis 80 PS) und Segelflugzeugantriebe.Unitek

Die richtige Antriebsart

Sinnvolle Optionen für Motor und zugehörigem Motorregler (Bild 4) sind bei derzeitigem Entwicklungsstand entweder Drehstrom-Asynchronmotoren oder Drehstrom-Synchronmotoren (Tabelle 1). Entscheidender Vorteil des Synchronmotors ist seine geringe Größe: Bei gleicher Leistung ist er halb so groß und auch nur halb so schwer wie ein Asynchronmotor. Damit eignet er sich ideal für den Einsatz in Hybridfahrzeugen. Daneben überzeugt er durch einfachere Regelung und besseren Wirkungsgrad.

Nachteilig ist jedoch das hohe Bremsmoment der Synchronmotoren bei einer Störung, also beispielsweise einem Kurzschluss im Motor oder im Umrichter. Weil der Antrieb getriebelos arbeitet, kann der Fahrer in nicht einfach auskuppeln. Ein weiterer Nachteil ist der Einsatz teurer und wegen des chinesischen Monopols immer schlechter verfügbaren Seltene-Erden-Magnete. Es stehen drei Bauformen zur Verfügung: Synchron-Standardmotor, Synchron-Torque-Motor und der hochdrehende Synchronmotor.

Tabelle 1: Vergleichstabelle Motoren.

Tabelle 1: Vergleichstabelle Motoren.Strukturstudie BWe mobil, modifiziert

Synchronmotorbauformen im Vergleich

Synchron-Standardmotoren arbeiten in einem Drehzahlbereich bis 8000 U/min und liefern vom Stillstand bis zur maximalen Drehzahl ein konstantes Drehmoment. Sie finden Verwendung bei direktem getriebelosen Antrieb auf das Differenzial. Synchron-Torque-Motoren haben die gleichen Eigenschaften, arbeiten aber im Drehzahlbereich bis 2000 U/min und finden besonders bei Radnaben-Antrieben ihren Einsatz sowie bei direkten innen liegenden Radantrieben ohne Getriebe und Differenzial. Der hochdrehende Synchronmotor erreicht Drehzahlen bis 20.000 U/min. Das Drehmoment ist hier vom Stillstand bis zu einer Drehzahl von 8000 U/min konstant, die Leistung im Bereich von 8000 bis 20.000 U/min ebenfalls, allerdings erfordert die Feldschwächenregelung zusätzliche Schutzmaßnahmen gegen generatorische Überspannungen.

Vor- und Nachteile der Asynchronmotoren

Asynchronmotoren kommen in der Industrie seit Jahren zum Einsatz, in Maschinen, Förderanlagen, Pumpen oder Lüftern. Dadurch sind sie die am meisten verbreitete Drehstrommotor-Variante und ihre Produktion ist sehr weitgehend automatisiert. Diese Motorart ist daher sehr preisgünstig. Zudem werden keine Magnete benötigt und hohe Drehzahlen sind möglich. Auch das Problem des Bremsmoments bei Motorkurzschluss besteht nicht. Diese Vorteile werden mit den Nachteilen höheres Leistungsgewicht, geringerer Wirkungsgrad (vor allem im Teillastbereich, also bei kleinen Geschwindigkeiten) und komplexerer Regelung erkauft.

Um seinen Kunden die richtige Motorbauart anbieten zu können, kooperiert Unitek eng mit verschiedenen deutschen Motoren- und Spezial-Autogetriebe-Herstellern. Insgesamt kann das Unternehmen Regler für alle fünf genannten Motorbauarten anbieten. Darüber hinaus sind die Reglerspezialisten in Forschungsprojekten eng mit Motorherstellern und Universitäten verbunden. „Ich gehe derzeit davon aus, dass sich beim Gros der Elektromobilanwendungen Asynchronmotoren durchsetzen werden, vor allem weil sie dank hohem Automatisierungsgrad in der Produktion sehr kostengünstig herzustellen sind,“ schätzt Körber die zukünftige Situation ein. „Trotzdem unterstützen unsere universellen Motorregler Bamobil und Bamocar bewusst alle Antriebskonzepte mit AC-, EC- oder DC-Motoren.“

Die richtige Getriebe-Motor-Kombination

Auch bei der richtigen Motor-Getriebe-Kombination muss der Anwender vorab einige Fragen klären. So wird bei direktem Radantrieb (Radnabenmotor, Doppel-Torquemotor) kein Getriebe eingesetzt, beim mitteldrehenden Motor nur ein Differenzial. Hochdrehende Motoren setzen in der Regel auf ein einstufiges Getriebe mit Differenzial, manchmal sind hier auch zweistufige Schaltgetriebe gefragt.

Mit der Wahl einher gehen wieder verschiedene Vor- und Nachteile. Getriebelose Motoren beispielsweise verlangen ein hohes Drehmoment bei kleiner Drehzahl und die Motorkosten liegen relativ hoch, dafür entstehen keine Kosten für Getriebe und Differenzial und der Verschleiß ist geringer.

Die Batterie als Engpass

Auch bei der Wahl der Batterie spielt der Anwendungsbereich eine wesentliche Rolle. Bei Industrieantrieben, etwa in Flurförderfahrzeugen oder Flugfeldfahrzeugen, werden immer noch Blei-Akkumulatoren eingesetzt. Auch in Elektrobooten, wo das Gewicht keine so große Rolle spielt, finden die schweren, aber preisgünstigen und in Herstellung und Pflege unkomplizierten Blei-Akkus sinnvolle Einsatzbereiche. Ihr Nachteil ist jedoch eine geringe Ladekapazität pro Gewichtseinheit sowie ihre schlechte Umweltverträglichkeit wegen der Verwendung von Blei und Schwefelsäure.

Bei Straßenfahrzeugen haben sich Lithium-Akkus in unterschiedlicher Zusammensetzung durchgesetzt. Entscheidende Kriterien sind hier die Kapazität, das Gewicht, die Strombelastbarkeit beim Betrieb und beim Laden sowie die erreichbaren Ladezyklen. Die Weiterentwicklungen wird in einigen Jahren vermutlich die Kapazität pro Gewichtseinheit um das zwei- bis fünffache steigern und die Preise um bis zur Hälfte reduzieren.

Bild 5: Dipl.-Ing. (FH) Nora Crocoll.

Bild 5: Dipl.-Ing. (FH) Nora Crocoll.Redaktionsbüro Stutensee

„Nichtsdestotrotz bleiben die Batterie und deren lange Ladezeiten der Engpass“, gibt Körber zu bedenken. „Eine denkbare Lösung wären Leasing-Konzepte: Die großen Energieunternehmen entwickeln eine Standardbatterie für Elektroautos, die dann von Automobilunternehmen verbaut werden. An der „Tankstelle“ tauscht der Anwender seine leere Batterie gegen eine volle und kann sofort weiter fahren. Die Batterie gehört den Energieunternehmen, der Anwender bezahlt nur eine Leihgebühr sowie den Batterieinhalt. Ich denke, die großen Energieunternehmen hätten das Potenzial, so etwas durchzusetzen.“

Bild 6: Dipl.-Ing. (FH) Dietrich Homburg.

Bild 6: Dipl.-Ing. (FH) Dietrich Homburg.Redaktionsbüro Stutensee

Gut kombinieren

Die Herausforderungen beim Umrüsten oder Neuentwickeln von Elektrofahrzeugen beginnen bereits bei der Wahl der Komponenten im Antriebsstrang. Nicht jeder Motor eignet sich für jeden Einsatzbereich, Getriebe und Differenzial müssen passen (oder können entfallen) und die Batterie ist sowieso ein bekannter Schwachpunkt der der E-Mobilität. Doch Lösungsansätze sind für alle Felder in Sicht oder bereits im Einsatz. (lei)