Das elektrische Antriebssystem mit Drei-Motor-Layout im Audi E-tron S

Mit einem stärkeren Achsantrieb an der Vorderachse und dem neuen hochdynamischen Twinkoax-Antrieb an der Hinterachse werden Fahrverhalten sowie Längs- und Querdynamik der E-tron S-Modelle nochmals deutlich geschärft.

In diesem Beitrag werden zunächst die wichtigsten Modellpflegemaßnahmen zur Effizienzsteigerung der E-tron-Baureihe seit Markteinführung zusammengefasst. Der inhaltliche Schwerpunkt ist jedoch die detaillierte Vorstellung des neuen elektrischen Twinkoax-Hinterachsantriebs und der Torque-Vectoring-Funktionen der S-Modelle.

Zum Jahreswechsel 2019/2020 erhielten alle Modelle der E-tron-Baureihe diverse Optimierungen und Maßnahmen zur Reichweitenerhöhung. Die wichtigsten Punkte sind in Bild 1 zusammengefasst (Werte bezogen auf WLTP).

Der nutzbare State-of-Charge(SOC)- Hub der Batterie (nutzbare Batteriekapazität in %) wurde von 88 auf 91 % angehoben. Umfangreiche Tests haben die Robustheit des Batteriesystems unter Beweis gestellt. Die Anhebung des SOC-Hubs erfolgt unter vollumfänglicher Berücksichtigung der hohen Qualitäts- und Lebensdaueransprüche.

Im schwachlastigen Fahrbetrieb wird der vordere Achsantrieb des Audi E-tron nun komplett elektrisch abgekoppelt. Die Leistungselektronik (LE) pulst hierbei keinen Strom mehr in die E-Maschine. Der reduzierte Energieverbrauch verbessert die Effizienz des Fahrzeugs. Diese Maßnahme konnte mittels optimierter LE-Funktionen ohne Komfort- oder Agilitätseinbußen beim Wiederankoppeln der E-Achse umgesetzt werden.

Die Reduzierung der Restbremsmomente an den Radbremsen und die Optimierung der Bremsscheiben- Reinigungsfunktion verbessern die Reichweite zusätzlich.

Das hochflexible Thermomanagement wurde weiter optimiert. So konnten die Volumenströme im Kühlmittelkreislauf weiter verringert und der Stromverbrauch der Kühlmittelpumpe gesenkt werden.

Gegenüber dem Erstanlauf des Audi E-tron erhöht sich damit die Reichweite des SUV um rund 25 km (6 %). Der bessere c_W-Wert der Sportback- Variante resultiert in weiteren 10 km mehr Reichweite im WLTP.

Für die E-tron-Baureihe wurde ein intelligenter Achsantriebsbaukasten mit vielen Gleichteilen entwickelt. Für eine optimale Ausnutzung des Fahrzeugpackages kommen vorne achsparallele und hinten koaxiale Elektroantriebe zum Einsatz. Bei den E-Maschinen handelt es sich um baugleiche Asynchronmaschinen, die sich lediglich in ihrer aktiven Länge (120 und 210 mm) unterscheiden. Auch die LE sind als Gleichteile ausgelegt, die sich nur durch unterschiedliche Softwarestände und flexible DC-Anschlüsse unterscheiden. Ein Einheitsgetriebe an den Vorderachsen, diverse Gleichteile in den Getrieben der Hinterachsen und die Verwendung weiterer Gleichteile (Wälzlager, Dichtungen, Rotorlagegeber etc.) runden den Baukasten ab, Bild 2.

Der Twinkoax-Antrieb ATA250 wird im ungarischen Motorenwerk in Győr gebaut und ist der erste Doppel-E-Antrieb in einem Großserienfahrzeug. Die Dimensionierung aller wichtigen Baukasten-Komponenten (E-Maschine, LE und Getriebe) wurde von Anfang an auf den Einsatz dieses Twinkoax-Antriebs in der MLBevo-Plattform des Audi E-tron abgestimmt. Der zur Verfügung stehende Bauraum im Hinterachsträger wurde komplett ausgenutzt. Die Antriebseinheit ist an vier Stellen ohne weitere Stützen direkt im Hilfsrahmen gelagert. Die Aufhängung erfolgt über Befestigungsgewinde an den E-Maschinen und den Getriebegehäusen, Bild 3.

Die beiden E-Maschinen sind unabhängig voneinander ansteuerbar. Die Statoren sind baugleich mit denen des E-tron 55, die Rotoren sind an der Welle am Getriebeeingang und im Bereich der Dichtung für die Rotorinnenkühlung leicht modifiziert. Der Magnetkreis ist identisch. Sämtliche Gehäuse im Antriebsbaukasten sind Aluminium-Druckgussteile, die hinsichtlich Festigkeit, Steifigkeit und Akustik optimiert wurden. Die E-Maschinen-Gehäuse für den linken und rechten Teil des ATA250-Antriebs sind baugleich. Sie werden um die Fahrzeug-Längsachse gedreht im Umschlag verbaut. Bild 4 (links) zeigt den kompakten Twinkoax-Hinterachsantrieb mit zwei E-Maschinen, zwei Getrieben und zwei LE. Die beiden Antriebe sind Rücken an Rücken aneinander geschraubt und verfügen sonst über keine mechanische Koppelung. Die LE sind ebenso wie die E-Maschinen im Umschlag verbaut, weshalb sich der dreiphasige Leistungsanschluss zu den Statoren einmal oben und einmal unten befindet. Damit der Anschluss zur Batterie jeweils packageoptimal von unten erfolgen kann, verfügen die LE über einen variablen DC-Anschluss, der bedarfsgerecht ausgefräst und bestückt wird.

Der Twinkoax-Antrieb verfügt über ein sehr effektives Kühlkonzept. Die kühlmittelführenden Bereiche sind in Bild 4 (rechts) blau dargestellt (LE-Kühlung, Statorkühlung, Lagerschildkühlung und Rotorinnenkühlung). Standardmäßig verfügen die E-Maschinen-Rotoren über eine spezielle Wellenerdung, um mögliche Lagerströme durch die Wälzlager oder die Getriebezahnräder zu vermeiden. Die Wellenerdung ist im E-Maschinen-Aktivraum jeweils links und rechts an der Getriebeseite untergebracht. Die beiden innenliegenden Rotorlager sind als Keramiklager ausgeführt, um Stromdurchgang zu vermeiden. In der Mitte des Twin-Antriebs befinden sich außerdem die beiden Drehzahlsensoren und der Kühlmittelsammler für die Versorgung der Rotorinnenkühlung.

Bild 5 zeigt den Hinterachsantrieb in einer Explosionsdarstellung. Die um die Fahrzeug-Längsachse gedrehte Anordnung der beiden E-Maschinen und LE ist gut zu erkennen, außerdem der Kühlmittelsammler in der Mitte des Antriebs sowie die Motorlagerungspunkte an den E-Maschinen- und Getriebegehäusen.

Die Entwicklung einer Basis-LE für alle Achsantriebsvarianten des Audi E-tron war eine wichtige Anforderung bei der Konzeption des Antriebsbaukastens, um maximale Entwicklungs- und Fertigungssynergien zu erhalten. Egal für welche E-Achse, die verwendete LE ist im Grundaufbau in allen Fällen identisch.

Das Gehäuse hat zwei HV-DC-Anschlüsse. Je nach benötigter Anschlussseite wird die für diese Anschlussvariante erforderliche Seite ausgefräst und die entsprechende Stiftwanne sowie das Druckausgleichselement gedreht angeordnet, Bild 6.

Die besonderen Anforderungen an die Twinkoax-Hinterachse wie die ASIL-D-Fähigkeit der Drehmomentüberwachung sind grundsätzlich in allen Varianten der E-tron-LE umgesetzt.

Im Gegensatz zu den anderen E-tron-Achsantrieben benötigt der Twinkoax- Hinterachsantrieb der Audi E-tron S-Modelle kein Differenzial. Die Differenzialfunktion wird über die zwei autarken E-Antriebe dargestellt, die miteinander verschraubt, aber bezüglich des Momentenpfads nicht mechanisch gekoppelt sind. Beim Doppelantrieb kommen zwei kompakte koaxiale Getriebe zum Einsatz, Bild 7. Diese sind spiegelgleich an der linken und rechten Seite der Hinterachse mit den zwei getrennt laufenden E-Maschinen verbunden. Je ein auf die Rotorwellen der E-Maschinen aufgepresstes Sonnenrad kämmt mit einem gestuften Doppelplaneten und sorgt in Verbindung mit einem im Gehäuse schwimmend gelagerten Hohlrad für eine Gesamtübersetzung von 9,08:1. Im Planetenträger ist die Flanschkontur zur Aufnahme der Gelenkwellen eingebracht (im Vordergrund braun). Durch diese kompakte Bauweise war es möglich, maximalen axialen Bauraum für die E-Motoren bereitzustellen.

Eine gute Kühlung spielt für die Leistungsdichte von E-Maschinen eine wesentliche Rolle. Da Bauraum und Gewicht für eine Automobilanwendung entscheidend sind, müssen effektive, hochintegrierte Kühlkonzepte umgesetzt werden. Mithilfe von umfangreichen Simulationen wurde für die E-Maschinen des Audi E-tron ein sehr effizientes und effektives Entwärmungskonzept entwickelt. Dabei wurden in CHT(Conjugate Heat Transfer)-Simulationen durch gekoppelte Modelle sowohl die Strömung von Kühlmittel und Luft als auch die gesamte Struktur der E-Achse simuliert. Für den Twinkoax-Hinterachsantrieb kommt, wie bei den Basisantrieben, pro E-Maschine eine Wasserkühlung mit Stator-, Lagerschild und Rotorinnenkühlung zur Anwendung, Bild 8. Der Fokus liegt neben der guten Entwärmung auf einer möglichst platzsparenden Umsetzung des Wasserkreislaufs, insbesondere zwischen den E-Maschinen, um die Baulänge der E-Achse kompakt zu halten. Der Kühlmitteleintritt in die E-Achse erfolgt jeweils über die beiden LE, da die Halbleiter die niedrigsten Kühlmitteltemperaturen benötigen. Nach dem Durchströmen der beiden LE gelangt das Kühlmittel in die E-Maschinen. Das Lagerschild auf der Getriebeseite und der Statorkühlmantel werden jeweils seriell durchströmt. Das Getriebeöl entwärmt sich über das gekühlte Lagerschild, sodass auf einen Getriebeölkühler verzichtet werden kann. Außerdem erzeugen Lüfterschaufeln an den Stirnseiten der Rotoren eine gerichtete Luftströmung durch spezielle Kühlelemente an den Lagerschildern, wodurch die Luft im Aktivraum gekühlt wird. Dies führt zu einer guten konvektiven Entwärmung der Aluminium-Kurzschlusskäfige der Rotoren und der Stator-Wickelköpfe. Der Hauptentwärmungspfad für die Asynchron-Rotoren ist allerdings die Wasser-Rotor-Innenkühlung (RIK). Vor dem Einströmen in die Rotoren erfolgt eine Zusammenführung beider Wasserkreisläufe, um eine unterschiedliche Erwärmung des Kühlwassers durch das Torque Vectoring auszugleichen, Bild 9. Die Zuströmung aus dem Sammler in die Rotoren erfolgt jeweils über stehende Lanzen, die das Kühlwasser tief im Inneren der Rotoren entlassen. Beim Austreten in die drehenden Rotoren wird das Fluid durch die Scherwirkung in Rotation versetzt und strömt dann durch die Rotorwellen wieder zurück in Richtung Austritt zwischen den E-Maschinen. Nach der RIK fließt das Kühlmittel in einem anderen Bereich des Sammlers zusammen, bevor es die E-Achse wieder verlässt, Bild 8 und Bild 9. Der sehr kompakt ausgeführte und hinsichtlich Strömungsverlusten und Gleichverteilung optimierte Wassermantel zwischen den beiden E-Maschinen wird von den beiden E-Maschinen-Gehäusen sowie dem aus zwei Druckgussbauteilen bestehenden Wasserverteiler/-sammler gebildet. Bild 10 zeigt eine sehr homogene Temperaturverteilung im Twinkoax-Antrieb im Dauerleistungs-Betriebspunkt (S1) bei 13.500/min.

Bild 11 zeigt die Leistungs- und Drehmomentkurven der E-Antriebe des Audi E-tron S-Modells. Hierbei ist zu beachten, dass die Kurven der Hinterachse addiert werden müssen, um die volle Leistungsfähigkeit des Twinkoax-Antriebs zu sehen. Durch die Überlastfähigkeit der Asynchronmaschinen und das effektive Kühlsystem stehen an beiden Achsen deutliche Leistungsreserven für Boost oder das elektrische Torque Vectoring (eTV) zur Verfügung. Bild 12 zeigt die Leistungsfähigkeit des elektrischen Antriebssystems. Die sehr gut reproduzierbare Peak-Systemleistung (60 s) hat ein ausgeprägtes Plateau bei 320 kW. Im Zusammenspiel mit der maximalen Leistungsfähigkeit der Batterie und ebenfalls mit dem Ziel einer guten Reproduzierbarkeit liegt die konsolidierte eTV-/Boost-Systemleistung (10 s) bei 370 kW - ebenso auf breitem Plateau. Das Systemdrehmoment liegt im ersten Drittel des Drehzahlbands auf einem konstant hohen Niveau von über 800 Nm (60 s) bis knapp 1000 Nm für eTV/Boost, Bild 12 (unten). Auch die hohe Dauerleistung der Asynchronmotoren, die aufgrund der guten Kühlung auch bei hohen Außentemperaturen nach 30 min Volllast (zulassungsrelevanter Betriebspunkt) immer noch 2×70 kW (hinten) und 95 kW (vorne) abgeben, ist hervorzuheben. Ein Überhitzen der Antriebe mit nachfolgendem Leistungs-Derating ist auch bei hochdynamischer Fahrt kaum möglich.

Auch hinsichtlich der Energierückgewinnung setzt das Antriebssystem der E-tron S-Modelle neue Maßstäbe. Durch das Drei-Motor-Layout konnte die Rekuperationsleistung gegenüber der Basismodelle von 220 auf 270 kW gesteigert werden.

Das gute Ansprechverhalten der drei E-Maschinen kann optimal für die Drehmomentverteilung zwischen den Rädern genutzt werden. Innerhalb weniger Millisekunden kann das Fahrzeug auf wechselnde Reibwerte an den Reifen reagieren. Im Gegensatz zum Audi E-tron 55 wurde das Ansprechverhalten der drei E-Maschinen in den S-Modellen weiter verbessert. Die Fahrzeuge reagieren in jedem Fahrmodus direkter auf Fahrpedaländerungen. Gleichzeitig wurde auf eine gute Dosierbarkeit der hohen Antriebsmomente in jedem Geschwindigkeitsbereich Wert gelegt.

Seit der Modellpflege Ende 2019 wird bei allen E-tron-Modellen der Antrieb auf der Vorderachse situationsabhängig komplett elektrisch abgekoppelt. Die Taktung der LE ist dann deaktiviert, und es wird für den vorderen Antrieb kein Strom mehr aus der Hochvoltbatterie entnommen. Die E-Maschinen auf der Hinterachse setzen im Normalfall den Beschleunigungswunsch des Fahrers um. Durch das Anheben des Lastpunkts werden die hinteren E-Maschinen in einem wirkungsgradoptimalen Zustand betrieben.

Bei schneller und starker Lastzunahme oder in fahrdynamisch relevanten Situationen (bei Reibwertänderungen oder Erkennung von schlupfenden Rädern) wird der vordere Antrieb zugeschaltet. Für den Fahrer ist dieser elektrische Ankoppelvorgang nicht zu spüren.

Zusätzlich zur vollvariablen Momenten-Längsverteilung beim E-tron 55 kommt bei den S-Modellen eTV zum Einsatz. Umgesetzt durch die zwei E-Motoren an der Hinterachse können unterschiedliche Momente (Differenzmomente) zwischen den beiden Hinterrädern aufgebracht werden und so das Fahrverhalten sowohl im Zug- als auch im Schubfall - auch ohne Bremseneingriff - gezielt verbessert werden.

Das hintere Antriebsaggregat ermöglicht in fahrdynamisch relevanten Situationen eine Momentenverteilung links/rechts von bis zu 2100 Nm Differenzmoment innerhalb weniger Millisekunden. Dadurch wird ein Giermoment um die Fahrzeug-Hochachse erzeugt, welches das Eigenlenkverhalten massiv verbessert. In klassischen Traktionssituationen wie einer µ-Split-Beschleunigung können bis zu 3000 Nm Differenzmoment verlagert werden. Durch den Entfall der mechanischen Koppelung zwischen rechtem und linkem Rad ergeben sich gegenüber einem mechatronischen Differenzial neue Freiheitsgrade in der Momentenverteilung, aber auch Herausforderungen in der hochdynamischen Regelung des Antriebsstrangs.

Um die Potenziale maximal zu nutzen und gleichzeitig die Herausforderungen einer Einzelradmaschinenregelung zu lösen, wurden spezielle Steuergeräte- und LE-Funktionen umgesetzt:

Die Basis der Fahrdynamik-Funktions- und Softwarearchitektur liefert der Audi E-tron 55, bei dem die radselektive Momentensteuerung mittels Bremseneingriffen bereits in die elektrische Antriebsmomentenverteilung integriert ist. Bei den S-Modellen wurde zusätzlich das eTV in diese Funktionssoftware auf der Elektronischen Fahrwerk Plattform (EFP) integriert, um maximale Fahrperformance auf allen Reibwerten zu erreichen.

Mit den Audi E-tron S-Modellen wird der quattro-Antrieb mit E-tron-Technologie durch den Einsatz des eTV an der Hinterachse konsequent weiterentwickelt. Durch den Ansatz einer integrierten Momentenregelung als zentralem Element im Antriebssystem konnte das Potenzial des elektrischen Antriebsstrangs mit Doppelmotor an der Hinterachse maximal ausgenutzt werden. Die Funktion ist auch dann noch erfüllt, wenn die Antriebsschlupfregelung deaktiviert ist und die Elektromotoren ihre gesamte Leistung freisetzen.