Hochintegrierte elektrische Fahrantriebe E-Power auf der Achse

Im Rahmen der Systemforschung Elektromobilität beim Fraunhofer-Institut IISB ist ein integriertes Achs-Antriebssystem für Elektrofahrzeuge entstanden, das sehr flexibel für die unterschiedlichsten Mobilitätsanwendungen einsetzbar ist - von Bussystemen wie der »Autotram« über Kleintransporter bis hin zu Elektro-Sportwagen. Hervorzuheben bei dieser Lösung ist die vollständige Integration der erforderlichen Leistungselektronik im System.

Neben der Batterietechnik sind innovative elektrische Antriebssysteme für eine erfolgreiche Entwicklung der Elektromobilität von entscheidender Bedeutung.

Zentrale Einzelrad-Achsantriebe besitzen dabei einige Vorteile gegenüber alternativen Konzepten wie Radnabenmotoren. Dadurch lassen sich Leistung und Drehmoment besser skalieren, die Gewichtseinflüsse auf das Fahrverhalten verringern sowie die Belastungen durch Stöße, Vibrationen und Spritzwasser reduzieren.

Das neue Fraunhofer-Antriebssystem besteht aus zwei mechanisch unabhängigen Einzelradantrieben mit integriertem Doppelumrichter und separater feldorientierter Regelung der beiden E-Maschinen (Bild 1).

Dadurch lässt sich das Drehmoment frei auf beide Antriebsräder der Achse verteilen. Insgesamt stehen pro Rad eine Antriebsleistung von 80 kW sowie ein Spitzendrehmoment von 2000 Nm zur Verfügung.

Das Antriebssystem ist achsparallel angeordnet, sitzt dabei aber nicht koaxial, sondern »off-axis« zu den Radantriebswellen. Durch dieses Design lassen sich viele Bauraumbeschränkungen umgehen und der Antrieb flexibel in unterschiedliche Fahrzeugplattformen integrieren.

Die in den Antrieb vollständig integrierte Leistungselektronik (Bild 2) senkt nicht nur den Platzbedarf und die Kosten, sondern verbessert auch das EMV-Verhalten deutlich. Die direkte Kontaktierung der Phasenanschlüsse der Motoren sowie die Nutzung eines gemeinsamen Kühlmantels für die beiden Motoren und die Leistungselektronik sind nur zwei von vielen Aspekten, durch die der Materialeinsatz und die Montagekosten gesenkt werden konnten.

Die Leistungselektronik nutzt erstmals neuartige »intelligente« Umrichterbausteine. Mit diesen konnten die Entwickler viele konzeptionelle Schwächen heutiger Leistungsmodule beseitigen. So eliminierten sie besonders anwendungskritische Schnittstellen, was den Systementwicklungsaufwand erheblich reduziert, die Montagetechnik vereinfacht und die Zuverlässigkeit erhöht.

Die Integration des Zwischenkreiskondensators in das Leistungsmodul beispielsweise stellt unabhängig von der Einbausituation des Umrichterbausteins eine breitbandig niedrige Impedanz an den Leistungshalbleitern sicher, was wiederum essenziell für Robustheit (Überspannungsreserve), Störfestigkeit (EMV-Eigenschaften) und Energieeffizienz (Schaltverluste) ist. Auch die Ansteuerelektronik und Stromsensorik sind in den Umrichterbaustein integriert.

Sechs dieser Bausteine bilden die beiden Umrichter mit einem nominalen Phasenstrom von jeweils 300 A. Ein zentrales Steuerboard mit »TriCore«-Prozessor von Infineon und umfassenden Sicherheitsmerkmalen übernimmt die Regelung der beiden Motoren und die CAN-Kommunikation mit der übergeordneten Fahrzeugsteuerung.

Energieeffizienz im Fokus

Ganz im Fokus der Entwicklung stand auch das Thema Energieeffizienz, um die wertvolle, im Fahrzeug gespeicherte elektrische Energie möglichst vollständig in Antriebsleistung und Reichweite umsetzen zu können. Dazu besitzt die Doppel-Stirnrad-Getriebeeinheit (Untersetzung von 7:1) oberflächenbeschichtete Zahnräder mit reduzierter Zahnflankenreibung. Daneben wurden durch weitere konstruktive Maßnahmen speziell die lastunabhängigen Getriebeverluste minimiert.

Um den Gesamtantrieb hinsichtlich Effizienz zu optimieren, war ein tiefes Verständnis des transienten Zusammenwirkens der Komponenten E-Maschine, Frequenzumrichter und Untersetzungsgetriebe erforderlich. Umfangreiche, am Fraunhofer IISB durchgeführte simulative Untersuchungen des Antriebsstrangs bildeten die Basis für die Auswahl und Auslegung der E-Maschine unter Berücksichtigung der Aspekte Wirkungsgrad, Leistungsdichte und Sicherheit im Fehlerfall.

Zum Einsatz kommen speziell entwickelte Permanentmagnet-Synchronmaschinen mit vergrabenen Magneten und einem auf die realen Fahr- beziehungsweise Belastungsprofile hin effizienzoptimierten Wirkungsgradkennfeld. Die Entwicklung des Achsantriebssystems erfolgte am Fraunhofer-Institut IISB. An der Modulentwicklung waren die Fraunhofer-Institute IFAM, IKTS, ILT und ISIT beteiligt.

Die Projekte der Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität wurden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Mehr als 30 Fraunhofer-Institute forschten in dem soeben abgeschlossenen Verbundprojekt an den zentralen Fragestellungen der Elektromobilität.