Unter allen Bedingungen Elektrische Drehmomentregelung für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

Durch die zunehmende Verbreitung der E-Antriebe sind die elektrischen Systeme auf dem Vormarsch.
Durch die zunehmende Verbreitung der E-Antriebe sind die elektrischen Systeme auf dem Vormarsch.

Drehmomentregelungs-Systeme werden seit vielen Jahren bei den Automobilherstellern eingesetzt und geschätzt. Bislang kamen dafür vorrangig mechanische Systeme zum Einsatz. Durch die zunehmende Verbreitung von E-Antrieben befinden sich nun allerdings die elektrischen Systeme auf dem Vormarsch.

Drehmomentregelungs-Systeme (Torque-Vectoring-Systeme) wurden entwickelt, um durch die individuelle Drehmomentzuteilung an den Antriebsrädern die Stabilität des Fahrzeugs zu verbessern. Die erste Entwicklung eines kommerziellen Systems wurde 1994 von Mitsubishi vorgestellt – im Rallye-Fahrzeug Lancer Evolution. Heute können sechs grundlegende Systeme unterschieden werden, wobei die Hinterachs-Systeme aufgrund ihrer dynamischeren Fahreigenschaften beliebter sind.
Mechanische Drehmomentregelung

Die einfachste und kostengünstigste Art der Regelung ist die bremsbasierte Variante. Das System kam in den letzten Jahren beispielsweise bei Ford und Volkswagen zum Einsatz. Es greift auf bewährte Fahrzeugsysteme zurück und beansprucht keine oder nur wenig zusätzliche Masse oder Kosten für einen grundlegenden Grad an Fahrstabilität. Da die Auswirkungen der Bremsmodulation allerdings immer subtraktiv sind, muss zusätzlich eine dynamisch variable Leistungsaufnahme erfolgen, um die von den Bremsen absorbierte Leistung zu kompensieren. Obwohl es die Systeme seit vielen Jahren gibt, konnten sie sich bislang nicht richtig etablieren. Einer der wesentlichen Gründe dürfte in der geringen Effizienz liegen – mittlerweile ein wichtiger Faktor für die Automobilhersteller.

Ein weiteres mechanisches System ist die einseitige Drehzahlüber- oder Unterschreitung, die beispielsweise bei Mitsubishi zum Einsatz kam. In Sachen Energieeffizienz und Drehmomentverteilung kann das System mit anderen durchaus Schritt halten. Mitsubishi konnte sich mit seinem spezifischen Ansatz früh als Vorreiter etablieren. Das System bietet ein hohes Maß an Steuerbarkeit aufgrund der vergleichsweise großen Kupplungskapazität und der geringeren relativen Differenz der Kupplungsdrehzahlen. In dem System steuern zwei Kupplungen die Drehzahl der rechten Abtriebswelle in Abhängigkeit von der Drehzahl des Hohlrades:

  • Die eine Kupplung greift mit einer etwa zehn Prozent höheren Geschwindigkeit.
  • Die andere Kupplung greift mit einer etwa zehn Prozent niedrigeren Geschwindigkeit.

Die abgestufte Auslösung des Kupplungsschlupfs ermöglicht somit ein reibungsloses Kontinuum von Schwankungen der linken oder rechten Traktionsneigung. In »Super AYC« (Active Yaw Control), der zweiten Generation des mechanischen Systems, wird zusätzlich ein Stirnraddifferenzial eingesetzt. In der Variante werden rechte und linke Wellendrehzahl in Abhängigkeit voneinander reguliert – so lässt sich die Drehmomentübertragung verdoppeln.

Die Links-/Rechts-Überdrehzahlmodulation ähnelt grundsätzlich dem vorgenannten System. Architektonisch unterscheidet sich der Überdrehzahlansatz dadurch, dass er auf beiden Seiten der Achsbaugruppe Zahnräder und Kupplungen besitzt. Damit sorgt er für Symmetrie und erlaubt die Wiederverwendung von Konstruktions-elementen. Wird die rechte Kupplung betätigt, überdreht die rechte Welle – bei Betätigung der linken Kupplung verhält sich das System analog. Das offene Differenzial auf der gegenüberliegenden Welle spiegelt einen entsprechenden Grad an Unterdrehzahl wider. Audi bezeichnet den Ansatz als Überlagerungs-differenzial und bevorzugt die Technik gegenüber dem einfacheren, kupplungsbasierten Ansatz. Starke Kupplungen und zweistufige Hohlradgetriebe unterstützen dabei, die Leistungsziele zu erreichen. In dem Konzept „Vector-Drive“ verwendet der Autobauer zweistufige Überdrehzahl-Planetengetriebe, bei denen die inneren Sonnenräder fest mit dem Differenzialgehäuse verbunden sind. Die äußeren Ritzel sind mit den jeweiligen Antriebswellen und die gemeinsamen Planetenträger sind mit dem Gehäuse verbunden, das entweder das rechte oder linke Überdrehzahlräderwerk aktiviert.

Ein Vorteil des Drehmomentregelungs-Ansatzes ist, dass sich die Planetengetriebe bei der Geradeausfahrt nicht abnutzen, da sie sich als Gruppe bewegen (Bild 1). Zwar weisen die beiden Kupplungen im normalen Drehzahlbereich einen gewissen Schlupf auf, da allerdings die Kapazität der beiden Kupplungen geringer ist als bei anderen Konstruktionen, sind die Gesamtverluste vernachlässigbar.

Kupplungsbasierte Drehmomentregelungen basieren auf einem einfacheren Konstruktionsprinzip als der übersetzungssteigernde Ansatz. In dem Verfahren setzen Hersteller große Kupplungen direkt an den Abtriebswellen der Hinterachsen ein. In der Regel ist eine Überdrehzahl im Bereich von fünf Prozent gegenüber der Vorderachse erwünscht, um auch bei einer unterbrochenen Leistungszufuhr eine ausreichende Fahrstabilität zu erreichen. So kommt es bei Geradeausfahrt mit Allradantrieb zu einem Einschalt-Schlupf von fünf Prozent in beiden Kupplungen, die das Drehmoment der Hinterachse übertragen. Aufgrund der dem Prinzip zugrundeliegenden Verluste sollten Fahrzeugsteuerungen den Betrieb im Frontantriebsmodus auch bei geöffneten Kupplungen effektiv optimieren.

Ein weiterer beachtenswerter Punkt bei kupplungsbasierten Systemen ist, dass sie keine Differenzialvorrichtungen mit Getriebe benötigen – die Abtriebskupplungen arbeiten daher die meiste Zeit mit einem gewissen Schlupf. Bild 2 zeigt ein solches Drehmomentregelungs-System von AAM. Vorteile der Architektur sind vor allem das einfache Design, die niedrigen Kosten und die leistungsstarke Regelung, die bis an die Grenzen der Kupplungskapazität reicht. Um die Steuerbarkeit dynamisch zu gestalten, ist in dem System zudem eine servo-hydraulische Kupplungsbetätigung integriert. Die größte Herausforderung bei kupplungsbasierten Systemen ist der Schlupf beziehungsweise der Leistungsverlust, den die Hochleistungskupplungen bei offener Raddrehzahl oder einem Antrieb mit fünf Prozent verursachen.
Zusammengefasst lassen sich die mechanischen Drehmomentregelungs-Systeme in drei Kategorien aufteilen:

  • Bremsbasierte Systeme
  • Überdrehzahlsysteme
  • Kupplungsbasierte Systeme

Jede Kategorie besitzt zahlreiche Designs mit individuellen Vor- und Nachteilen. Derzeit werden die mechanischen Systeme vorrangig in Fahrzeugmodellen eingesetzt, in denen der Fahrspaß ein wichtiges Merkmal darstellt. Die Marktdurchdringung ist dennoch verhältnismäßig gering, obwohl die Technik bereits seit 20 Jahren verfügbar ist. Das deutet darauf hin, dass entweder die Kosten reduziert werden müssten oder sich die funktionale Ausrichtung ändern müsste.