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Elektrische Drehmomentregelung für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

26. März 2019, 13:00 Uhr | Von Jeff Ronning

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Elektrische Drehmomentregelung

Elektrische Drehmomentregelungs-Systeme sind erst seit kurzer Zeit präsent, die zunehmende Verbreitung fällt mit der wachsenden Zahl der Elektroantriebe zusammen. Neu ist die Verteilung der Antriebsmomente bei Elektrofahrzeugen allerdings nicht. Aktuell werden die Systeme mit der Twin-Motor-Einheit in nachfolgenden Fahrzeugen integriert:

  • Acura RLX Hybrid
  • Honda NSX
  • Mercedes SLS E-Cell

Die in den Autos eingesetzte Form des elektrischen Torque-Vectorings wird als duale E-Motor-Modulation bezeichnet. Hier werden zwei separate Antriebsmotoren hintereinander montiert, die die rechten und linken Räder unabhängig voneinander antreiben. Um beide Motoren zu versorgen, sind entsprechend zwei Getriebekästen und zwei Wechselrichter erforderlich. Besitzen die Systeme kein mechanisches Differenzial, werden zusätzliche Steuerungseinheiten erforderlich, um Kontrollverluste oder eine einseitige Radabnutzung zu vermeiden.

Ein weiteres elektrisches Design, das in Bild 3 dargestellt ist, greift das kupplungsbasierte System auf. Der schon bewährte Ansatz bringt vor allem in hybriden Allradfahrzeugen zahlreiche Vorteile mit sich, indem der Schlupf der Power-on-Kupplung minimiert werden kann. Das einfache Design der elektrischen Variante ist im Vergleich zu den hochkomplexen mechanischen Systemen weniger störanfällig und somit zuverlässiger.

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Kupplungsbasierte Variante von GKN
Bild 3. Kupplungsbasierte Variante von GKN.
© AAM

Der letzte beschriebene Vertreter der elektrischen Drehmomentregelungs-Systeme wurde von Schaeffler und AAM unabhängig voneinander entwickelt und wird als epizyklische relative Twist-Modulation bezeichnet. Das ursprüngliche Konzept beinhaltete einen konzentrischen Torque-Vectoring-Motor, die aktuelle Entwicklung verwendet hingegen einen Offset-Motor. Daher sind weder Bremsen noch Kupplungen erforderlich und bei der Fahrt auf gerader Strecke ist das System passiv beziehungsweise dreht sich durch die spezielle Anordnung der Planetengetriebe nicht. Darüber hinaus bleibt der Motor ohne Last in einem relativ niedrigen Drehzahlbereich. Daher zeichnet sich das System durch einen hohen Wirkungsgrad aus, wenn das Fahrzeug geradeaus fährt. Zudem sind die Leistungseinbußen bei Wendemanövern vergleichsweise gering.

Entwicklungen auf dem Gebiet der elektrischen Drehmomentregelung

Bild 4 zeigt ein System, das im AAM Trollhattan Technical Center in Schweden entwickelt wurde. Das System kann entweder einen mechanischen oder einen elektrischen Motor als Leistungsquelle nutzen. In Bild 4 ist eine Regelungseinheit erkennbar, die fest mit dem Mechanismus verbunden ist. Alternativ ist das System auch für zwei E-Motoren ausgelegt, die jeweils eine Antriebs- und Regelungs-Funktion übernehmen. Zudem gibt es eine weitere Version, die nur einen E-Motor nutzt und dessen Funktionen dynamisch zwischen Regelungs-, Antriebs- und Trennmodus wechseln kann. Neben dem Wegfall eines zweiten Motors zeichnet sich das System durch einen effizienten Betrieb in allen Modi und minimale Zusatzkosten in Bezug auf die Drehmomentverteilung aus.

Schematische Darstellung des elektrischen Ansatzes von AAM – als Leistungsquelle kann entweder ein mechanischer oder ein elektrischer Motor dienen
Bild 4. Schematische Darstellung des elektrischen Ansatzes von AAM – als Leistungsquelle kann entweder ein mechanischer oder ein elektrischer Motor dienen.
© AAM

Elektrische Drehmomentregelungs-Systeme, die sich durch den Wechsel der Betriebsart auszeichnen, beinhalten Software-Steuerungen. Für den Wechsel der Motorfunktion bedienen sie sich dabei ähnlichen Algorithmen, wie andere Produktlinien, die die Antriebswelle vom System trennen. Soll in den Antriebsmodus gewechselt werden – einen Zustand mit niedriger Priorität, bei dem eine kurze Verzögerung kein Problem darstellt – prüft das System beispielsweise, ob die nötigen Parameter wie neutraler Lenkwinkel gegeben sind.

Der Wechsel in den Regelungsbetrieb ist aufgrund des Potenzials für Leistungs- oder Drehmomentdiskontinuitäten allerdings aufwendiger. Algorithmen zur Steuerung des Übergangs beinhalten mehr Daten aus Sensoren, und die Analyse, ob eine Aktivierung erforderlich ist, ist detaillierter.

Vorteile von elektrischen Drehmomentregelungs-Systemen

lektrische Torque-Vectoring-Systeme (blaue Linie) bieten eine verbesserte Steuerung
Bild 5. Elektrische Torque-Vectoring-Systeme (blaue Linie) bieten eine verbesserte Steuerung.
© AAM

Die verbesserte Fahrdynamik auf Oberflächen mit hohem Kraftschlussbeiwert war zunächst die Hauptmotivation für die bisherigen Entwicklungen. Inzwischen verlagert sich das Augenmerk jedoch auf die Vorteile, die die Technik in Sachen Verkehrssicherheit mit sich bringt und die auch auf unterschiedlichen Oberflächen zum Tragen kommen. Bild 5 zeigt die verbesserte Steuerung, die elektrische Torque-Vectoring-Systeme (blaue Linie) erzeugen: der Lenkwinkel wird um 40 Prozent reduziert, die Lenkgeschwindigkeit um 30 Prozent. Eine erhöhte Traktion und Beschleunigung der Vorderachse ergibt sich dabei aus dem geringeren Untersteuern und der verringerten Aktivität des Elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP).

Im Vergleich zu elektronischen Sperrdifferenzialen bieten Torque-Vectoring-Systeme, wie beispielsweise das 48-V-System von AMM, zahlreiche Vorteile
Bild 6. Im Vergleich zu elektronischen Sperrdifferenzialen bieten Torque-Vectoring-Systeme, wie beispielsweise das 48-V-System von AMM, zahlreiche Vorteile.
© AAM

Bild 6 vergleicht unterschiedliche Drehmomentregelungs-Systeme mit einem offenen Differenzial. Einige Systeme, wie beispielsweise das 48-V-System von AAM, bieten eine gute Leistung in Sachen Agilität, Handling bei niedrigem Reibwert und Stabilität.
Preis und Komplexität sind dabei lediglich geringfügig höher als bei elektronischen Sperrdifferenzialen (e-LSD). Darüber hinaus ergaben auch Tests zu Steigungsvermögen und µ-Split-Betrieb gute Ergebnisse.

Einige elektrische Systeme zeigen auch eine gesteigerte Agilität und ein verbessertes Handling – das trägt zu einem höheren Sicherheitsgefühl bei. Die elektrischen Systeme sind zudem in der Lage, vorhandene Sicherheitssysteme wie Seitenwind- und Spurhalteassistenten zu unterstützen und deren Leistung zu optimieren. Oft greifen die Systeme ein, bevor das ESP aktiv wird, was das auftretende Bremsfading reduziert. Die Fähigkeit, die Regelung unabhängig der gesamten Längsantriebskraft durchzuführen, ist ebenfalls ein entscheidender Vorteil. Schließlich wird je nach Grad der Hybridelektro-Integration ein deutlicher Anstieg der Kraftstoffeffizienz von 15 bis 50 Prozent erreicht. Plug-in-Hybride profitieren sogar in noch größerem Ausmaß von elektrischen Drehmomentregelungs-Systemen.

Potenzial für wachsende Akzeptanz

Ausgewählte Fahrzeugtypen mit herkömmlichen Antrieben werden auch weiterhin mechanische Regelungssysteme erhalten. Die zusätzlichen Kosten dürften allerdings eine zunehmende Verbreitung behindern. Anders verhält es sich bei den künftigen E-Antrieben: Hier entstehen für die Drehmomentregelungs-Systeme niedrigere Zusatzkosten, sodass die Akzeptanz größer sein dürfte – für eine verbesserte Fahrstabilität in der künftigen Mobilität. Da grundsätzlich die Zahl der E-Antriebe steigen wird, um beispielsweise die strengen CO2-Anforderungen zu erfüllen, werden sich viele Hersteller mit den elektrischen Torque-Vectoring-Systemen beschäftigen.

Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Kombination aus hoher Funktion und niedrigen Kosten.

 

Der Autor

 

Jeff-Ronning von AAM
Jeff-Ronning von AAM.
© AAM

Jeff Ronning

ist Senior Manager Advanced Engineering & Electrification Systems bei AAM. Seine Karriere begann 1991 bei General Motors. Seitdem beschäftigt sich Ronning mit elektrischen Antriebssystemen. Der Schwerpunkt seiner Arbeit liegt auf der Systemsimulation und dem Wärmemanagement von Motoren, Leistungselektronik und Batteriesystemen

 


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