Welcher Motortyp für welches Fahrzeug?
Die Qual der Antriebstechnik-Wahl
Elektro-Antriebskonzepte gewinnen in Pkws und Klein-Lkws zunehmend an Bedeutung. Beim Aus- oder Umrüsten gilt es aus antriebstechnischer Sicht, zahlreiche Faktoren zu beachten.
»Am Anfang steht immer die Frage, was für ein Fahrzeug mit einem Elektroantrieb ausgerüstet werden soll, z.B. ein Pkw, Lkw, landwirtschaftliches Fahrzeug, Baufahrzeug oder gar ein Boot oder Segelflugzeug«, erklärt Gerhard Körber, Geschäftsführer bei Unitek. Denn die Fahrzeugart, deren Einsatzgebiet und die davon abhängige Betriebsdauer haben wesentlichen Einfluss auf die Antriebswahl, denn diese Faktoren definieren die Anforderungen an Kurzzeit- bzw. Dauer-Leistung, Batteriespannung oder die notwendige Schutzart.
Daneben beeinflusst das Höhenprofil des Geländes, in dem ein Fahrzeug eingesetzt wird, die Wahl der richtigen Fahrzeugkomponenten. Fahrzeuge, die z.B. auf dem Flugfeld oder auf vorwiegend flachen Messe- und Industriegeländen unterwegs sind, benötigen meist eine geringere Antriebsleistung als vergleichbare Straßenfahrzeuge und auch die Anforderungen an die Schutzart sind bei diesen Fahrzeugen geringer. Auf unbekanntem Terrain dagegen kann es ein Fahrzeug mit Steigungen bis 25 Prozent zu tun bekommen. Das erfordert natürlich eine höhere Leistung und es gilt hier auch die Rekuperation (also die Nutzbremsung, bei der Brems-Energie in die Batterie geladen wird) zu berücksichtigen. Zum Vergleich: Die mittlere Leistung eines Kleinwagens liegt im Flachland bei ca. 12 kW, im bergigen Gelände bei ca. 20 kW. Darüber hinaus sind die Geschwindigkeiten im Einsatz auf der Straße mit bis zu 140 km/h höher als in Industrieanwendungen. Körber: »Daneben müssen bei Fahrzeugen für den Straßenverkehr die entsprechenden gesetzlichen Vorschriften beachtet werden. Zudem wird gefordert, dass die eingesetzten Komponenten unempfindlich sind gegen Schmutz, Wasser, Vibrationen und hohe Temperaturschwankungen.«
Je nach Einsatzbereich sind auch Umgebungstemperaturen eine kritische Größe. In zeitweise kalten Ländern muss das Fahrzeug klimatisiert werden. Die in Wärme gewandelte Verlustenergie ist beim elektrischen Antrieb so gering, dass sie zum Heizen des Fahrgastraums aber nicht ausreicht. Bei Temperaturen unter 5 °C muss außerdem die Batterie geheizt und bei Temperaturen über 60 °C aktiv gekühlt werden. Und schließlich hat der Einsatzort einen Einfluss auf die geforderten Zulassungen der eingesetzten Komponenten. »Somit bestimmt das Einsatzfeld maßgeblich die Konstruktion und Antriebsleistungen eines Fahrzeugs und damit den Fahrzeug- bzw. Antriebspreis. Die Spanne ist dabei breit, beim Pkw reicht sie beispielsweise von Kleinstfahrzeugen mit geringen Geschwindigkeiten und 5 kW Antriebsleistung bis zu Fahrzeugen der Mittelklasse mit bis zu 150 kW«, so Körber weiter.
Die richtige Antriebsart
Das Herz eines Elektrofahrzeugs bildet der eingesetzte Motor mit zugehörigem Motorregler. Aus der Sicht von Körber sind bei derzeitigem Entwicklungsstand Drehstrom-Asynchron-Motoren und Drehstrom-Synchron-Motoren sinnvolle Optionen. Entscheidender Vorteil des Synchron-Motors ist seine geringe Größe: Bei gleicher Leistung ist er halb so groß und auch nur halb so schwer wie ein Asynchron-Motor. Damit eignet er sich ideal für den Einsatz in Hybridfahrzeugen. Daneben überzeugt er durch einfachere Regelung und besseren Wirkungsgrad. Von Nachteil ist jedoch das hohe Bremsmoment bei einer Störung, also beispielsweise einem Kurzschluss im Motor oder Umrichter. Körber: »Weil der Antrieb getriebelos arbeitet, kann in einem solchen Fall nicht einfach ausgekuppelt werden. Ein weiterer Nachteil ist der Einsatz teurer und wegen des chinesischen Monopols immer schlechter verfügbaren Selten-Erden-Magnete.« Synchron-Motoren werden typischerweise bei Hybrid- und Radnaben-Antrieben eingesetzt. Es stehen drei Bauformen zur Verfügung: der Synchron-Standard-Motor, der Synchron-Torque-Motor und der hochdrehende Synchron-Motor.
Der Asynchron-Motor wird seit Jahren in der Industrie eingesetzt z.B. in Maschinen, Förderanlagen, Pumpen oder Lüftern und ist dadurch der am meisten verbreitete Drehstrom-Motor. Der große Vorteil: Diese Motorart ist sehr preisgünstig. Zudem werden keine Magnete benötigt und hohe Drehzahlen sind möglich. Auch das Problem des Bremsmoments bei Motorkurzschluss besteht nicht. Diese Vorteile werden mit den Nachteilen eines höheren Leistungsgewichts, eines geringeren Wirkungsgrades (vor allem im Teillastbereich, also bei kleinen Geschwindigkeiten) und einer komplexeren Regelung erkauft.
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