Einzelteile richtig kombinieren Auswirkungen bei der Entwicklung eines eAntriebsstrangs

DIe Kombination in dem einzelnen Hauptsystem sind bei einem Elektrofahrzeug entscheidend.
DIe Kombination in dem einzelnen Hauptsystem sind bei einem Elektrofahrzeug entscheidend.

Ein Elektrofahrzeug zeichnet sich durch Energiespeicher, Wechselrichter mit Leistungselektronik, Motorantrieb sowie Wärmemanagement aus. Bei der Entwicklung des E-Antriebsstrangs sind allerdings nicht nur Design und Leistung der einzelnen Hauptsysteme entscheidend, sondern deren Kombination.

Die Techniken für den Antrieb und den Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen haben in den letzten 15 Jahren bedeutende Innovationen erfahren, die den Übergang vom Verbrennungsmotor zum Elektroantrieb beschleunigen. Einer der wichtigsten Katalysatoren für den Wandel sind neue Bestimmungen hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission in globalen Automobilmärkten. In den Vereinigten Staaten schreibt beispielsweise der CAFE-Standard (Corporate Average Fuel Economy) vor, dass die Fahrzeugflotten bis zum Jahr 2025 einen durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch von 5 l/100 km erreichen sollen. Der Grenzwert der Europäischen Union liegt bei 95 g CO2/km für Neufahrzeuge – 40 Prozent unter dem Flottendurchschnitt des Jahres 2007.
Die Regulierungen sind nach wie vor eine treibende Kraft für Automobilhersteller, die Elektrifizierung der eigenen Flotte zu forcieren. Zusätzlich haben ein verändertes Mobilitätsverhalten der Menschen und ein verstärktes Interesse an autonomen Fahrzeugen die Nachfrage nach E-Fahrzeugen belebt (Bild 1).

Bis zum Jahr 2035 sollen Fahrzeuge mit autonomen Fahrfunktionen bereits 25 Prozent des Neuwagenmarkts ausmachen. Das gesteigerte Interesse an Elektroautos beschränkt sich hierbei nicht nur auf Pkw. So schrieb Eric A. Taub in einem Artikel der New York Times am 21. Juni 2018: »Die Unternehmensberatungsgruppe McKinsey & Company prognostiziert, dass leichte und mittelschwere elektrische Lastkraftwagen bis 2030 einen Umsatzanteil von acht bis 34 Prozent erreichen könnten. Die Angebotsbreite hängt von den Marktbedingungen ab. Fuhrparkbesitzer brauchen bei den Gesamtbetriebskosten Parität zwischen einem traditionellen dieselbetriebenen und einem elektrischen Fahrzeug. Und die kommunalen Verordnungen zur Luftqualität können die Einführung von Elektroflotten entweder anregen oder verzögern.«

Die Nachfrage sorgt nun dafür, dass sowohl traditionelle als auch neue Unternehmen in elektrische Antriebsstränge investieren. Daher wird erwartet, dass E-Fahrzeuge, die heute einen Anteil von weniger als ein Prozent am weltweiten Automobilabsatz haben, bis zum Jahr 2040 etwa 35 Prozent des gesamten Neuwagenabsatzes ausmachen. Die großen Automobilhersteller beschleunigen die Entwicklung mit ihren aggressiven Einführungsplänen von Elektrofahrzeugen.

Trends der Elektrifizierung

Nachfolgende Trends zeichnen sich für die Elektrifizierung und die sich daraus ergebenden Konsequenzen für die Fahrzeugentwicklung ab:

  • Die Elektrifizierung breitet sich auf viele Fahrzeugsegmente aus. In den nächsten fünf Jahren wird nicht nur die Elektrifizierung verschiedener Fahrzeugklassen erfolgen, sondern auch für unterschiedliche Einsatzzwecke. Ein elektrischer Sportwagen, der in drei Sekunden von 0 auf 100 km/h beschleunigt, hat andere Anforderungen an die Batteriegröße und wird eine andere Kombination von Batterie, Motor und der Systemkomplexität erfordern als ein Pendlerfahrzeug mit identischer Reichweite. Da Automobilhersteller einen elektrischen Antrieb für unterschiedliche Fahrzeugtypen einsetzen wollen, wird die Bewertung der Batterie- und Motorgröße auf Basis einer Fahrzeug- und System-Trade-off-Analyse in der frühen Konstruktionsphase immer wichtiger.
  • Elektrofahrzeuge mit Reichweiten von circa 350 km werden in den nächsten fünf Jahren zum Standard werden. Der 2016er Chevrolet Bolt und das Tesla Modell 3 übernehmen hier eine Vorreiterrolle, wobei die Angebote anderer Hersteller unmittelbar bevor stehen. Die gesteigerte Reichweite soll den Kunden teilweise die sogenannte »Reichweitenangst« nehmen. Die Reichweite eines elektrischen Antriebs muss jedoch auch bei unterschiedlichen Wetterbedingungen gewährleistet werden. Analysen haben ergeben, dass unter Nahfrostbedingungen oder bei heißen Wetterverhältnissen aufgrund der Komfortfunktionen im Fahrzeuginnenraum die Reichweite um bis zu 50 Prozent sinkt. Die »Reichweitenunsicherheit« stellt daher auch künftig eine große Herausforderung für die Kundenzufriedenheit und die Marktdurchdringung von Elektroautos dar, die es zu lösen gilt.
  • Die Rennserien Formel-E und Formel-1 werden ebenfalls von der Entwicklung des elektrischen Antriebsstrangs profitieren. Wie auch bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor versprechen die Motorsportarten, den Entwicklungsfortschritt für den E-Antrieb zu erhöhen. Das kommt sowohl dem Systemdesign als auch der Optimierung künftiger Elektrofahrzeuge zugute.
  • Schnellladung wird bei der Elektrifizierung immer mehr an Bedeutung gewinnen. In den USA verfügt Tesla aktuell über mehr als 1.300 Schnellladestationen mit 120 kW. Andere Unternehmen wie Audi, BMW und Nissan bieten oder planen Angebote für Schnellladesäulen, die mit den Standards wie CHAdeMO oder Combined Charging Systems (CCS) kompatibel sind. Die Schnellladestationen sollen in den kommenden Jahren eine Ladeleistung von 150 kW und mehr ermöglichen (aktuell 70 kW für CHAdeMO und 90 kW für CCS). Wenn künftig innerhalb einer halben Stunde die Batterie auf einen Ladezustand von 80 Prozent auf-geladen wird, muss dem Wärmemanagement der Batterie mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden – auch beim Design der Anschlüsse und des Wärmemanagements des Ladegeräts.
  • Der Antriebsstrang eines E-Fahrzeugs kann als System-of-Systems mit vier Hauptbestandteilen betrachtet werden. Dazu zählen eine Energiespeichereinheit (Lithium-Ionen-Batteriepack), ein Wechselrichter mit zusätzlicher Leistungselektronik (einschließlich eines On-Board-Ladegeräts), ein Elektromotor sowie ein Wärmemanagementnetzwerk. Die vier Blöcke sind dabei von den Rahmenbedingungen der Fahrzeugarchitektur abhängig.