Einzelteile richtig kombinieren Auswirkungen bei der Entwicklung eines eAntriebsstrangs

Reichweite eines Elektroautos

Im Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs sind die vier vorgenannten Bestandteile eng mit der Fahrzeugarchitektur verzahnt. Nachfolgende Faktoren beeinflussen maßgeblich die Reichweite und Leistung eines E-Autos:

  • Verfügbare Antriebsenergie aus dem Energiespeicher: Sie hängt von den Materialien der Batterie, dem Zellen- und Gehäusedesign sowie dem Wärmemanagement der Batterie ab.
  • Wirkungsgrad von Motor und Wechselrichter: Er ist von der Topologie und Temperatur abhängig. In einem Elektrofahrzeug, bei dem die Batterie die einzige Energiequelle darstellt, muss die Batterie auch die Kühlleistung für Motor und Wechselrichter bereitstellen.
  • Wärmemanagementsystem: Es besteht aus einem Heizung/Lüftung/Klima-Kreislauf im Fahrzeuginnenraum sowie Kühler, Kompressor und Lüfter, die das Wärmemanagement von Batterie, Motor und Wechselrichter unterstützen.
  • Fahrzeuggewicht: Ein erheblicher Teil wird durch das Gewicht des Kabelbaums und dessen Verlegung verursacht. Systemanforderungen wie maximale und minimale Spannung im Antriebsstrang und maximale Strombeschränkungen bestimmen die Größe von Batterie, Motor und Wechselrichtern.

Es sind aber nicht nur das Design und die Leistung von Batterien, Motoren, Wechselrichtern und Wärmemanagement, sondern auch ihr kombiniertes Verhalten, das bei der Konzeption und Entwicklung eines elektrischen Antriebsstrangs präzise erfasst werden muss. Die Akkulaufzeit sowie die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik und des Elektromotors hängen stark von den Betriebstemperaturen ab. Das wiederum erfordert eine enge Abstimmung zwischen Reichweitenmaximierung sowie Lebensdauer und Zuverlässigkeit des elektrifizierten Antriebs. Darüber hinaus ergeben sich durch das Layout des Batteriepacks in der Fahrzeugarchitektur weitere Einschränkungen für mögliche Wärmemanagementstrategien der Batterien (Bild 2).

Zur Platzersparnis werden in den Antriebssträngen von Elektrofahrzeugen immer häufiger Wechselrichter und Motor in einem einzelnen Gehäuse vereint. Solche Architekturen bringen neue Herausforderungen an Kühlung der Elektronik und Zuverlässigkeit von Wechselrichtern mit sich.

Integration von Design-Tools

Eine Vielzahl von Designüberlegungen im Zusammenhang mit der Optimierung von Karosserie und Gewicht erfordert eine enge Verbindung zwischen elektrischen und mechanischen Entwicklungswerkzeugen. Der Vergleich eines benzinbetriebenen 2017er VW Golf und einem e-Golf ergibt beispielsweise eine 32-prozentige Zunahme des Leergewichts bei der elektrifizierten Version. Und die Steigerung verstärkt sich, wenn zusätzliche Komponenten für das autonome Fahren hinzugefügt werden. Ein im Februar 2018 von der University of Michigan und Ford veröffentlichter Bericht zeigt, dass autonome Systeme die Nettoenergieaufnahme von selbstfahrenden Elektrofahrzeugen erhöhen können, obwohl die Fahrzeuge in der Lage sind, das Fahrprofil zu optimieren und dementsprechend Energie einzusparen.

Das elektrische Bordnetz (Bild 3) ist das dritt-schwerste System eines Fahrzeugs (nach Karosserie und Antriebsstrang), sodass hier viel Potenzial zur Gewichtsreduzierung besteht.

Das Managen der physikalischen Größen und Massen, die für die Übertragung hoher Ströme erforderlich sind, ist eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung und Auslegung von Steckverbindern und Kabeln für Elektrofahrzeuge.
Zur Optimierung von Gewicht und Karosserie ziehen OEMs beispielsweise in Betracht, Hochspannungskabel auf das Notwendige zu reduzieren. Daher ist eine genaue Analyse elektromagnetischer Störungen hoch- und niederfrequenter Emissionen aus den Hochspannungskabeln, dem Batteriemanagementsystem und der Leistungselektronik erforderlich. Zudem ist eine mögliche Optimierung von Kabel- und Kabelbaumführungen zu untersuchen. Entwicklerteams benötigen daher entsprechende Werkzeuge, um bei der Analyse auf 3D-CAD-Anwendungen zurückgreifen zu können.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die optimale Ein- und Ausschaltreihenfolge des Hochspannungssystems. Ein Beispiel ist der richtige Zeitpunkt für die Kapazitätsanalyse des Hochspannungs-Bordnetzes. Den Selbsttest des Systems führen alle E-Fahrzeuge beim Ein- und/oder Ausschalten des HV-Systems durch, um Hochvolt-Kontakte zu überprüfen. Wichtig ist dabei, dass lediglich die für den jeweiligen Fahrzeugmodus (Ladebetrieb oder Fahrbetrieb) benötigten Komponenten berücksichtigt werden.

Daraus ergibt sich, dass die Entwicklung von Elektrofahrzeugen, die künftig weitere Funktionen für das autonome Fahren beinhalten werden, zu einem der komplexesten System-of-Systems wird – mit allen dazugehörigen Herausforderungen.

 

Der Autor

 

Dr. Puneet Sinha

ist Automotive Manager in der Mechanical Analysis Division von Mentor, a Siemens business. In der Funktion ist er für die Geschäftsstrategie und Marktentwicklung seiner Division für Fahrzeugautonomie und Elektrifizierung verantwortlich. Sinha leitet auch die Siemens PL Thought Leadership Initiative für Fahrzeugelektrifizierung und verfügt über mehr als zehn Jahre Erfahrung in verschiedenen Bereichen der Fahrzeugelektrifizierung. Er hat an der Pennsylvania State University in Maschinenbau promoviert, mehr als 20 Zeitschriftenartikel verfasst und 7 Patente für das Design und die Betriebsstrategien von Brennstoffzellen und Batteriesystemen erhalten.