E-Motoren bis 300 kW bei 48 V Neue Motoren revolutionieren E-Mobilität

Der Motor der vierten Generation von Volabo

Denkbar einfacher modularer Aufbau, eine hohe Effizienz ganz ohne den Einsatz von Permanentmagneten, geringe Produktionskosten und berührsichere Spannungen von 48 Volt – das sind die Kennzeichen einer neuen E-Motorklasse, die die E-Mobilität revolutionieren könnte.

Konventionelle Motoren, die heute E-Autos antreiben, arbeiten mit Wicklungen im Stator und mit Hochvoltsystemen von 400 bis 800 V. Das hat konstruktionsbedingt einige entscheidende Nachteile.

Wicklungen sind kostenintensiv, oft noch in Handarbeit herzustellen und Hochvoltsysteme haben größere, schwerere und teurere Bauelemente zur Folge. Außerdem stellen die hohen Spannungen eine Gefahr dar, sowohl für die Personen im Auto als auch für die, die es bauen und warten müssen. Rettungskräfte, die sich Zugang zu einem Unfallauto verschaffen müssen, sind besonders gefährdet.

All diese Nacheile waren bisher durchaus bekannt. Aber erst die Fortschritte in der Leistungshalbeitertechnik ließen über die vergangenen Jahre erfolgversprechende neue Konzepte entstehen.

Ein solches neues Konzept verfolgt Volabo in Ottobrunn bei München. Der Stator des von Grund auf neu entwickelten Motors enthält keinerlei Wicklungen mehr, er besteht lediglich aus einem Käfig von Aluminiumstäben. Durch die Aluminiumstäbe fließt der Strom – und zwar durch jeden einzelnen Stab über speziell dafür ausgelegte Leistungshalbleiter. „Intelligent Stator Cage Drive“ – kurz ISCAD – nennt Volabo das Konzept. Der erste Prototyp dazu wurde schon vor Gründung von Volabo am Institut für elektrische Antriebe und Aktorik unter der Leitung von Prof. Gerling entwickelt. Dieser erste Prototyp zeigte bereits 2015: Die Steuerung funktioniert prinzipiell.

»Mit dem spulenlosen Konzept bilden wir die Startorwicklungen nicht nur nach, das Konzept geht weit darüber hinaus und bringt eine viel höhere Flexibilität und Effizienz«, sagt Adrian Patzak, der Volabo zusammen mit Florian Bachheibl gegründet hat. Beide arbeiteten zuvor am Institut für elektrische Antriebe bei Prof. Gerling. Dadurch könne Volabo auch in neue Leistungsbereiche weit über 30 kW vorstoßen, was über konventionelle Techniken selbst mit zusätzlichen Tricks nur schwer funktioniere.

Denn weil nun die Ströme auf viele Phasen (also Stäbe) aufgeteilt werden, übersteigt ihre Stärke nicht die maximale Stromtragfähigkeit und die Motoren können trotz der niedrigen Spannung hohe Leistungen erreichen. Weil sich im Auto eine Spannung von 48 V als Standard etabliert, hat sich Volabo dazu entschieden, den Motor genau für dieses Spannungsniveau auszulegen, um von den kostengünstigen Standard-Komponenten zu profitieren.

Allerdings müssen von der Batterie zum Motor hohe Ströme fließen, das lässt sich nicht umgehen. Für 50 kW bei rund 50 V sind es 1000 A, bei 200 kW 4000 A. Darin sieht Patzak aber kein Problem. Denn die Entfernungen, die im Auto von der Batterie zum Motor überwunden werden müssen, liegen meist unter 1 m. »Es lassen sich kompakte Antriebseinheiten mit Übertragungslängen im Bereich von 30 cm aufbauen, dann fallen dickere Kupfer- oder Aluminiumkabel weniger ins Gewicht. Dafür fallen die für hohe Spannungen benötigten Absicherungen weg, weder in der Produktion noch in den Werkstätten ist geschultes Personal notwendig«, sagt Patzak.

Doch zurück zu den Motoren: Während bei gewickelten Statoren die Polpaarzahl nach der Fertigung nicht mehr verändert werden kann, können im Motor von Volabo die Phasen (also die Aluminiumstäbe des Stators) über die Leistungselektronik nicht nur einzeln angesteuert, sondern auch ein- und ausgeschaltet werden. Die Polpaarzahl kann bei ISCAD somit im Gegensatz zu gewickelten Motoren während des Betriebs variiert werden. Kommt es auf eine hohe Beschleunigung mit hohem Drehmoment an, dann werden alle verfügbaren Polpaare eingeschaltet; wenn das Auto bei konstanter Geschwindigkeit auf ebener Stecke fährt, reichen wenige Polpaare aus. Durch die flexible Konfigurierbarkeit von ISCAD kann sich der Motor permanent an das Lastprofil anpassen und somit eine bessere Ausnutzung der verfügbaren Batteriekapazität erreichen.