Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs forderte und fordert die Ingenieure heraus.
XtravaganT / fotolia.com
Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs bietet noch viel Potenzial für Verbesserungen. Neben der Traktionsbatterie arbeiten Ingenieure an der Optimierung von Leistungselektronik und dem HV-Bordnetz. Lassen sich alle Ideen umsetzen, könnte die Reichweite eine Elektroautos verdoppelt werden.
Derart turbulent ging es in den Entwicklungsabteilungen der Automobilhersteller noch nie zu. Die vergangenen zehn Jahre haben die Branche wie keine andere Dekade zuvor geprägt. Vor allem die Elektrifizierung des Antriebsstrangs forderte und fordert die Ingenieure außergewöhnlich stark heraus. Zwar verkaufen sich erste rein wie auch teilelektrisch angetriebene Serienfahrzeuge, doch die anvisierten Verkaufserfolge bleiben in der Regel hinter den Erwartungen zurück. Die Gründe sind bekannt, die Forderungen nach besseren physikalischen Kenngrößen künftiger leistungselektronischer Komponenten für Traktionsanwendungen werden deshalb lauter.
"Vor allem aber wird die Erhöhung der Leistungsdichte vom Markt gefordert", weiß Markus Schöttle und fasst in seiner Einleitung zur Titelstrecke "Elektrifizierung des Antriebsstrangs - Komponenten und Systeme" aus der ATZelektronik 4-2015, die wesentlichen Entwicklungsziele der bevorstehenden zehn Jahre zusammen. So zeigt er unter anderem, dass ganz oben auf der Agenda der Wunsch nach einer höheren Leistungsdichte der Traktionsbatterie für das elektrische Fahren steht. Natürlich bei kompakterer Baugröße und geringerem Gewicht. Im Interview mit Tobias Lösche-ter Horst, dem Leiter der Antriebsforschung im Volkswagen-Konzern, wird dabei deutlich, dass sich alle Automobilhersteller unter anderem sehr viel von den Forschungen auf diesem Gebiet versprechen. Gespannt sind sie dabei, welche Energiespeichertechnik etwa der Lithium-Ionen-Batterie folgt. Immerhin spricht die Branche heute von einer vielversprechenden Post-Lithium-Generation und nennt die Lithium-Luft- beziehungsweise Lithium-Schwefel-Technik.
Ein e-Golf könnte es bald 500 km weit schaffen
Weitere Artikel zum Thema |
Lösche-ter Horst hat dazu allerdings eine eigene Meinung. Die Fortschritte zur Lithium-Luft-Batterie "beobachten wir", sagt er dazu und will sich die Ergebnisse "vielleicht in 10 Jahren wieder genauer anschauen". Und Lithium-Schwefel? Die hat seiner Einschätzung nach eine Perspektive, "allerdings mit Einschränkungen". So weiß er, dass Lithium-Schwefel sich zwar durch seine bessere gravimetrische Eigenschaft auszeichnet, aber nicht durch seine volumetrische. "Bei derzeitigen Pkw-Konzepten und -Bauräumen sehe ich deswegen Nachteile, insbesondere vor dem Hintergrund, dass die nächsten Generationen der Lithium-Ionen-Akkus mit hohen Energiedichten aufwarten, die wir vor Jahren noch nicht für möglich gehalten haben".
Er sieht die Möglichkeiten fortschrittlicher Lithium-Ionen-Batterien nach lange nicht ausgeschöpft. "Hier stecken enorme Potenziale, die uns noch nach 2030 beschäftigen werden", erzählt er und verweist auch auf die sogenannte Festkörper-Batterie, "eine vielversprechende Lithium-Ionen-Technik". Und die könnte der Elektromobilität einen enormen Vorschub geben. Doch auch ohne Festkörpertechnik, "sind elektrisch erfahrbare Reichweiten von rund 500 km mit einem E-Golf vorstellbar."
Halbierung der Kosten für elektrische Antriebskomponenten
Ob dieser Aussicht, die "künftigen Entwicklungsschwerpunkte sollten sich allerdings nicht allein auf die Energiespeicherentwicklungen beschränken", mahnt Lösche-ter Horst. "Generell müssen wir mit unseren Forschungsarbeiten auch im Antriebsstrang heute agiler und noch ergebnisorientierter werden als zuvor". Darüber hinaus müssen die Ingenieure auch an einer besseren elektromagnetischen Verträglichkeit, einer höheren Robustheit im Umgang mit thermomechanischen Spannungen sowie einer intelligenteren Einbindung sicherheitsrelevanter Software-Funktionsumfänge arbeiten.
Als wäre das nicht schon genug, steht nun auch noch die Herausforderung im Raum, bis 2020 die Kosten für elektrische Antriebskomponenten um bis zu 50 Prozent zu reduzieren. Ein langer und schwieriger Weg, den der Technologiekonzern Siemens unter anderem mit seiner neuen Geschäftseinheit eCar Powertrain Systems beschreiten will. Die Ingenieure sollen dort künftig vom Know-how aus den Industriesparten profitieren und die Potenziale künftiger Elektromotoren und Leistungselektronik ausloten.
Geringere Materialkosten, neue Bordnetzarchitektur
So konzentrieren sich die Entwickler auch auf die Weiterentwicklung des permanenterregten Synchronmotors (PSM), der derzeit meist eingesetzten Maschinenart für Hybrid- und Elektrofahrzeuge. Vor dem Hintergrund teurer Seltenen Erden, wollen sie durch sogenannte Multi-Barrier-Anordnungen die Magnetmenge reduzieren - bei ähnlich hohen Leistungsdichten. Im Beitrag "Trends in der Entwicklung von Antriebskomponenten für Elektro- und Hybridfahrzeuge" aus der ATZelektronik 4-2015 erklärt Karsten Michels von Siemens die Möglichkeiten der Leistungssteigerung - trotz geringerer Anteile Seltener Erdmetalle. Und er zeigt, dass auch der Asynchronmotor (ASM), "der eine technisch attraktive Lösung ohne Seltene Erden für nahezu alle Fahrzeugklassen darstellt", künftig eine vergleichbar hohe Leistungsdichte und eine hohe Effizienz aufweist wie der PSM.
Eine ebenso große Bedeutung kommt auch der Leistungselektronik zu, um das Hochvoltbordnetz im Fahrzeug mit spannungs- und gewichtsoptimierten Komponenten auszustatten. Gelingt dies, kann auch die Traktionsbatterie kleiner dimensioniert werden. So arbeitet etwa Dräxlmaier an zukünftigen Bordnetzkonfigurationen von Elektrofahrzeugen. Im Artikel "Ein Ausblick auf zukünftige Bordnetzkonfigurationen in Elektrofahrzeugen" aus der ATZelektronik 4-2015 zeigen die Autoren Georg Scheidhammer, Robert Saller und Oliver Druhm, welche Vorteile etwa ein Systemverbund auf eine fortschrittliche HV-Bordnetzarchitektur hat.