Experten-Forum Powertrain: Komponenten und Kompetenzen zukünftiger Antriebe 2022

Welche Vor- bzw. Nachteile bieten die verschiedenen Maschinentypen, die, im Einsatz als Traktionsantrieb für elektrisch betriebene Fahrzeuge Verwendung finden? Zur Beantwortung dieser Frage wird ein technischer Vergleich von permanentmagneterregter und fremderregter Synchronmaschine sowie Asynchronmaschine durchgeführt, wofür eine Maschine des jeweiligen Maschinentyps mit einer Spitzenleistung von ca. 150 kW und einer maximalen Drehzahl von 14.000 min⁻¹ ausgelegt wird. Die gewählte Leistung entspricht einer für Fahrzeuge aus dem C-Segment typischen Leistungsklasse. Um eine hohe Dauerleistung zu gewährleisten, kommt eine äußerst effektive Ölkühlung zum Einsatz, wodurch sehr hohe Leistungs- und Drehmomentdichten erreicht werden können. Nach der Vorstellung der drei Maschinen werden ihre Vor- und Nachteile, insbesondere in Hinblick auf Bauraum, Effizienz, Dauerleistung sowie Materialeinsatz untersucht. Die Effizienz der Maschinen wird nicht nur anhand ihrer Kennfelder betrachtet, sondern auch mittels zweier Fahrzyklen – dem WLTC und dem RTS95. Zum Abschluss des Artikels findet eine Gegenüberstellung und Bewertung der vorgestellten Maschinen statt. Das Ziel hierbei ist es, dass durch den technischen Vergleich für spezifizierte Randbedingungen der optimale Maschinentyp ausgewählt werden kann.

Die Brennstoffzelle ergänzt rein batterieelektrische Mobilität dort, wo Fahrzeuge mit hohen Massen große Reichweiten erzielen sollen. Die Schaeffler-Strategie zielt darauf ab, sowohl die Wasserstoffproduktion aus regenerativ erzeugtem Strom als auch die Rückverstromung in der Brennstoffzelle an Bord der Fahrzeuge wirtschaftlicher zu machen, als dies heute angesichts kleiner Stückzahlen möglich ist. Der Schlüssel dazu liegt in einer Industrialisierung der Herstellprozesse von Komponenten, Subsystemen und perspektivisch auch kompletten Brennstoffzellensystemen.

Auf Komponentenebene entwickelt Schaeffler ein Bipolarplatten-Modul, das konsequent auf die Industrialisierung in hohen Stückzahlen ausgelegt ist. Ein technisch herausragendes Merkmal der Bipolarplatte ist ein von Schaeffler entwickeltes Beschichtungssystem, das eine Passivierung verhindert und so eine hohe Standzeit ermöglicht. Auf Ebene der Subsysteme spielt die Medienversorgung eine wesentliche Rolle für Leistung und Dauerhaltbarkeit der Brennstoffzelle. Für den Luftpfad entwickelt Schaeffler einen Verdichter, der aufgrund eines Folien-Luftlagers einen reibungs- und schmierungsfreien Betrieb erlaubt. Für den Wasserstoffpfad sind Rezirkulationsdüsen in Entwicklung, die eine präzise und reproduzierbare Mengensteuerung erlauben. Des Weiteren arbeitet Schaeffler an Subsystemen für Thermomanagement und elektronische Steuerung der Brennstoffzelle sowie an Stacks als Komplettmodul. Als Entwicklungsplattform kommt dafür ein in Kooperation mit einem Brennstoffzellen-Systemintegrator entwickeltes Brennstoffzellensystem mit einem Stack aus dem Hause Schaeffler zum Einsatz, das im Juni 2022 in ein leichtes Nutzkraftfahrzeug integriert und dessen alltagstaugliche Fahrtüchtigkeit nachgewiesen wurde.

Vom Produktionsstart für großserientaugliche Bipolarplattenmodule bis hin zur Systemerprobung in realen Fahrzeugen deckt Schaeffler alle technischen Facetten ab, die eine schnelle Industrialisierung der Brennstoffzelle ermöglichen.

Die vorliegende Entwicklung bezieht sich auf die Auslegung und Herstellung eines keramischen Kühlers für die Anwendung in Power Modulen in der Elektromobilität. Durch simulative Untersuchungen und Messungen an Prototypen konnten die thermischen Eigenschaften im Vergleich zu einem Referenz-Metallkühler bei gleichbleibender Innengeometrie um fast 30 % verbessert werden. Eine zusätzliche, keramikgerechte Auslegung zeigte einen nochmals geringeren thermischen Widerstand.

In modernen Antriebssträngen für BEV werden E-Maschinen mit hoher Drehmomentkapazität und Drehzahlgrenzen jenseits von 20.000 U/min eingesetzt, die spezielle Anforderungen an die Rotorlagerung mit sich bringen. Im Besonderen treten in diesen schnelle Drehmomentwechsel und damit hoch-dynamische Axialkraftwechsel auf. Hinzu kommen neben den äußeren Lasten noch in signifikantem Maße Kreiseleffekte und Fliehkräfte aufgrund von leichten Unwuchten bzw. Materialsetzungen, die das radiale und axiale Schwingungsverhalten am Ende dominieren und daher bei der Auslegung genau analysiert werden müssen. Ziel ist es, kritische Betriebszustände für die Lagerung rechtzeitig zu identifizieren und in der Folge beispielsweise den besten Kompromiss aus Vorspannung und niedrigem Reibmoment zu finden. In diesem Beitrag werden zunächst relevante und kritische Lastfälle diskutiert und deren Einflüsse auf die Dynamik der Rotorwelle detailliert veranschaulicht. Dabei werden moderne Analyseverfahren und Simulationswerkzeuge thematisiert. Im Folgenden wird die Dynamik im Wälzlager selbst erläutert, d. h. inklusive Käfigschwingungen, woraus Maßgaben an das bzw. die Lager als Ganzes resultieren. Es werden Kugellager und Zylinderrollenlager präsentiert, die den besonderen Anforderungen moderner Antriebsstränge standhalten und zudem weitere Eigenschaften wie geringe Reibung und Selbsterwärmung aufweisen. Des Weiteren werden im Ausblick Lösungen für Rotorlagerungen mit Stromdurchgang dargestellt.

IAV hat ihr bewährtes Verschleißmessverfahren auf Basis der Radionuklidtechnologie (RNT), dessen bisheriger Haupteinsatzbereich in der Verbrennungsmotorenentwicklung lag, für Untersuchungen an Getrieben angepasst und optimiert. Die Verfahrensweiterentwicklung ermöglicht die simultane und hochpräzise Verschleißanalyse an mehreren Getriebebauteilen unter weitestgehend realen Betriebsbedingungen. Das Messverfahren stellt damit eine ideale Ergänzung der bisherigen Entwicklungsmethoden von Getrieben dar, die unter den Randbedingungen der E-Mobilität vor neue Herausforderungen gestellt werden.

Park lock systems are safety critical units. Due to intellectual property rights and different transmission configurations, a large variety of park lock design exists in the market. Furthermore, many park lock designs are still manually actuated. A new mechanical park lock system will be presented which is actuated by wire. The system has been optimized for rotary actuators and is extraordinarily compact. In addition, it minimizes the contact stresses due to optimized geometries. Furthermore, the functional safety and diagnostic concept for park-by-wire park lock systems, exemplarily for this system, will be presented. This will be done in accordance to current multi speed power-shift EDU concepts, including FMEA, legal, requirements summary, safety goal definition and error detection mechanism.

In den letzten zehn Jahren wurden wesentliche Fortschritte in der Elektromobilität und in der Batterietechnologie erzielt. Während die Batteriepacks der ersten Generationen noch stark auf etablierten Architekturen und Plattformen aus dem Verbrennungsmotorenbereich basierten, treten wir nun in das Zeitalter dedizierter Elektroplattformen und hochintegrierter Batteriesysteme ein. Der Trend geht in Richtung Cell-to-Pack oder Cell-to-Car-Design; die Batterie als Kernelement verschmilzt immer mehr mit dem Gesamtfahrzeug. Dies führt zu grundlegenden Veränderungen im Entwicklungsprozess. Zentrale Herausforderungen sind die Wahl der richtigen Zelle, sowie das Verständnis der Zelleigenschaften in ihren Wechselwirkungen mit dem System. Der Übergang von modularen Packs zu vollintegrierten Systemen geht mit verschiedenen technischen und sicherheitsrelevanten Fragen rund um die Batteriezelle einher.

APL stellt die Vor- und Nachteile bestimmter Zellformate und -chemien für den Einsatz in Cell-to-Pack-Systemen vor und gibt Einblicke in neue Methoden. Die Batterien werden speziellen Testverfahren unterzogen, um zusammenhängende Fragestellungen in den Bereichen Gasanalyse, mechanische Zellintegration, Schnellladung sowie thermische Analyse einschließlich Thermal Runaway Prävention untersuchen zu können. Durch die anschließende Detaildiagnostik, die neben klassischen Zellöffnungen und Analysen auch neue nicht-invasive Lasermessverfahren und Gasanalysen umfasst, können gezielte Antworten gefunden werden. Lithium Plating und andere Alterungseffekte werden detektiert, Gasmenge und -zusammensetzung ermittelt und mit den Einflussgrößen in Beziehung gesetzt. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden Anpassungen am Packungsdesign vorgenommen und Betriebsstrategien überarbeitet.

Aus Sicht der Kunden sind eine hohe Sicherheit, eine hohe Kapazität und eine schnelle Lademöglichkeit wesentliche Anforderungen an ein Elektrofahrzeug. Aus technischer Sicht ergeben sich daraus sehr anspruchsvolle Anforderungen an das Batteriesystem. Die Schlüsseleigenschaften in Bezug auf Sicherheit und Laden werden stark von der mechanischen Struktur (z. B. Crashsicherheit) und dem thermischen System (z. B. Ladeleistung) der Batterie beeinflusst. Da es verschiedene Ansätze für Zellformate und -größen sowie für die strukturelle oder funktionale Integration gibt, besteht in der Entwicklungsphase ein Bedarf an präzisen Simulationsmodellen.

Neben verschiedenen Kundenprojekten unterstreicht EDAG seine Kompetenz in Innovationsprojekten zu Energiespeichersystemen. Im Rahmen eines solchen Projekts wurde die skalierbare Batterie SCALEbat entwickelt, die Automobilherstellern und Startup-Unternehmen hilft, die Zeit bis zur Markteinführung von flexiblen Elektrofahrzeugplattformen zu verkürzen. Parallel dazu wurde das hybride Energiespeicherkonzept H2HyBat als neuartiger Ansatz entwickelt, um sowohl Wasserstofftanks als auch Batteriezellen in den Bauraum einer Elektrofahrzeugplattform zu integrieren.

In diesem Beitrag werden ausgewählte Anwendungen von Simulationen des Batterie- und Zellverhaltens für die beiden genannten Batteriesysteme beschrieben. Die Kenntnis über das Zellverhalten in einem Crashlastfall ist unerlässlich für die Entwicklung eines verlässlichen und sicheren Batteriesystems. Aus diesem Grund hat EDAG ein Zellmakromodell entwickelt, das in Modul-, Batterie- und Gesamtfahrzeugsimulationen eingesetzt werden kann.

Das Batteriemodell für die Crashsimulation beschreibt das mechanische und elektrische Verhalten der Zelle während einer Crashsituation. Das Modell wurde durch eine Reihe von mechanischen Versuchen validiert, damit die mechanischen Eigenschaften und die jeweiligen Kurzschlusszeitpunkte übereinstimmen. Die Bestimmung des Kurzschlusses erlaubt eine bessere Abschätzung der Kurzschlussgefahr der Zelle, wodurch eine weniger konservative Auslegung der Batterie- und Crashstruktur ermöglicht wird.

Durch den Einsatz der EDAG-Batteriesimulation kann die Leistung in Bezug auf Reichweite und die Crashsicherheit deutlich optimiert werden.

Stellantis ist ein global agierender Automobilkonzern entstanden aus der Fusion von PSA und FCA im Januar 2021. Die Elektrifizierung der Fahrzeugantriebe ist eine Hauptstrategie des Konzerns und einzelne Marken wie beispielsweise Opel haben bereits den vollständigen Wechsel zu elektrischen Antrieben innerhalb dieses Jahrzehnts angekündigt. Das Ziel ist Nachhaltigkeit und damit ist ein ganzheitlicher Ansatz zur Materialgewinnung, der Reduktion von Emissionen, langfristiger Nutzung von Batteriesystemen in Fahrzeugen und möglicherweise auch in stationären Anwendungen sowie effizientes und effektives Recycling nötig. Um dies zu erreichen, arbeitet Stellantis daran die Methoden der Kreislaufwirtschaft zu etablieren. Der Beitrag wird die Bandbreite der Elektrifizierung der Antriebe und sowie der Entwicklung der Batterietechnik bei Stellantis vorstellen. Konkrete Beispiele für die Nutzung von gebrauchten Fahrzeugbatterien werden im Vortrag dargestellt.

Für die Aufarbeitung von Batteriesystemen für die Ersatzteilversorgung betreibt Stellantis auf dem Opel Firmengelände in Rüsselsheim (Deutschland) das „Battery Expertise Center“. Hier werden Batteriesysteme auf Fehler analysiert, Teile ausgetauscht und in einem umfangreichen Testprogramm als Austauschbatterie qualifiziert. Das Unternehmen hat bereits über 10 Jahre Erfahrung bei der Aufarbeitung von Lithium Ionen Antriebsbatteriesystemen.

Im Rahmen eines Ladeinfrastrukturprojekts wurde ein Energiespeicher zur stationären Nutzung von gebrauchten Batterien des Opel Ampera entwickelt. Bis zu 18 Batteriesysteme sind mit Umrichtern verbunden und können mit Drehstrom aufgeladen werden und Energie speichern, welche für 8 Ladepunkte oder zur Netzstützung verwendet werden kann.

Batteriesysteme, bei denen eine weitere Nutzung nicht mehr wirtschaftlich sinnvoll ist werden zerlegt und die Materialien dem Recycling zugeführt. Die Verfahren für das Recycling von Batteriezellen und Batteriemodulen werden durch Partner weiter optimiert. Eine Übersicht über die Recyclingverfahren wird im Beitrag vorgestellt.

Die Nutzung von kritischen Elementen aus recycelten Batteriezellen, wie beispielsweise Nickel, Kobalt oder Lithium für die zukünftige Fertigung von Batterie-elektroden ist das Ziel.

Durch die Anwendung der „Life-Cycle-Analysis“ (LCA) Methode kann die Nachhaltigkeit der Batterieanwendungen optimiert werden.

Die zunehmende Marktdurchdringung batterieelektrischer Fahrzeuge führt dazu, dass der weltweite Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien weiter ansteigen wird. Durch die hohe Anzahl der sich im Umlauf befindlichen Batteriezellen rückt die Notwendigkeit einer Circular Economy in den Fokus. Darüber hinaus gewinnt die Entwicklung von Batteriekonzepten und Betriebsstrategien, welche den gesamtheitlichen Batterielebenszyklus nachhaltig gestalten, immer stärker an Bedeutung. Die Reduktion des CO2-Fußabdrucks bei der Produktion, die Verlängerung der Batterielebensdauer und die Realisierung eines geschlossenen Materialkreislaufs sind nur einige Herausforderungen, die es als Maßnahmen gegen den Klimawandel zu lösen gilt. Gleichzeitig bietet ein nachhaltiger und verlängerter Batterielebenszyklus das wirtschaftliche Potential, die Gesamtkosten über die Nutzungsdauer der Batterie zu reduzieren.

Bertrandt hat ineinandergreifende Engineeringleistungen entlang des erweiterten Batterielebenszyklus entwickelt und zeigt Lösungen auf, die einen entscheidenden Entwicklungsschritt zu mehr Nachhaltigkeit durch die Second-Life-Nutzung und ein smartes Recycling ermöglichen. Zentrale Elemente für die Maximierung der Lebensdauer sind dabei ein auf die Weiterverwendung und das Recycling optimiertes Batteriedesign sowie eine intelligente Betriebsstrategie des Hochvolt-Speichers, welche die Nutzungsphase im Fahrzeug bei vorhersagbarer Performance verlängert. Neben der kontinuierlichen Erfassung und Analyse von Batteriemessdaten für die Optimierung der Betriebsparameter, liegt das Augenmerk besonders auf der Entwicklung von Batteriemodellen, welche je nach Datenlage empirisch, mathematisch oder mit Hilfe von künstlicher Intelligenz erstellt werden können.

While battery-electric vehicles already account for almost 100 % of all alternative drive concepts in the passenger car sector today and in the medium term, the medium- to long-term future is open in other transport sectors. Here, concepts of purely battery-electric drives as well as hydrogen-based drives with fuel cells and hydrogen combustion engines continue to be discussed. One of the most important factors for the success of a drive technology, especially in commercial applications, is the total cost of ownership (TCO).

In the case of TCO in long-distance transport, fuel costs play a decisive role and account for the largest share of the cost per km. Therefore, in the use of hydrogen-based propulsion concepts, the cost of hydrogen procurement plays a central role, which in turn is determined in equal parts by hydrogen production costs and distribution costs (including the refueling station). The existing hydrogen refueling station network is essentially based on on-site liquid storage and uses high-capacity compressors to fill the high-pressure gas storage tanks (350 or 700 bar) of current hydrogen vehicles. The capital and operating costs of the compressors significantly determine hydrogen costs and have a corresponding impact on TCO performance. Storage systems based on in-vehicle liquid hydrogen storage can positively influence overall cost performance by modifying the refueling system accordingly and have an impact on the capital cost of the storage systems. This analysis examines and compares these cost effects in comparison to battery electric drives

Um die Energieeffizienz von Getrieben zu steigern, ist die weitere Viskositätsabsenkung der Getriebeöle zur Reduzierung von Plansch- und Pumpverlusten eine geeignete Maßnahme. Der Einsatz niedrigviskoser Schmierstoffe sowie die Erhöhung der Leistungsdichte von Getrieben führen jedoch zu einem vermehrten Betrieb der Getriebeverzahnungen im Mischreibungsgebiet. Um einem zunehmenden Verschleiß entgegenzuwirken, kann der Einsatz von reibungs- und verschleißmindernden Dünnschichten (DLC-Schichten) eine mögliche Lösung sein. Wichtig ist hier ein gute Abstimmung von Schmierstoff und Beschichtung.

Zur Bewertung des Potenzials beschichteter Zahnflanken können Versuche oder thermo-elastohydrodynamische (TEHD) Simulationen zum Einsatz kommen. Simulationen bieten die Möglichkeit, in einem frühen Entwicklungsstadium eine Potenzialabschätzung durchzuführen, ohne hohe Kosten für eine Prototypenfertigung zu erzeugen.

Anhand ausgewählter TEHD-Simulationen mit verschiedenen DLC-Schichten wird gezeigt, welchen Einfluss eine Beschichtung von Ritzel und/oder Rad auf die Temperaturentwicklung, die Reibungsverluste und den Wirkungsgrad hat und welche thermo-physikalischen Eigenschaften der Schichten von Vorteil sind.