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E-Antrieb: Frontloading für höheren Wirkungsgrad und niedrige Kosten

| Redakteur: Benjamin Kirchbeck

Um die Energiekapazität der Batterie in eine möglichst hohe Reichweite umzusetzen, ist ein hoher Wirkungsgrad der E-Maschine erforderlich.
Um die Energiekapazität der Batterie in eine möglichst hohe Reichweite umzusetzen, ist ein hoher Wirkungsgrad der E-Maschine erforderlich. (Bild: Bosch)

Ähnlich wie beim Verbrennungsmotor ist auch die Auslegung von E-Maschinen ein ständiges Abwägen zwischen verschiedenen technischen Optionen und Alternativen. Nur ihre intelligente Kombination führt zu wirkungsgradoptimierten E-Antrieben.

Dass sich Verbrennungs- und E-Motoren grundlegend unterscheiden, ist eine Binsenweisheit. Allerdings sind gewisse Leitlinien und Prinzipen ihrer Entwicklungsprozesse gleich. So stehen bei beiden Motorarten Faktoren wie der Wirkungsgrad, das NVH-Verhalten und die Kosten im Mittelpunkt des Interesses. „Weitere wichtige Bezugspunkte bei der Auslegung von E-Antrieben sind die Dauerleistung und Spitzenleistung der E-Maschine“, präzisiert Ralf Schmid, Leiter der Business Unit für elektrische Achssysteme und E-Maschinen bei der Robert Bosch GmbH. Nicht zuletzt kommen noch Aspekte wie eine möglichst hohe Leistungs- und Drehmomentdichte sowie eine an das Fahrzeugkonzept angepasste Motorcharakteristik hinzu.

Die Spitzenleistung definiert sich über die maximale geforderte Beschleunigung und sollte in der Regel 30 bis 60 Sekunden zur Verfügung stehen, bevor die Systemkomponenten wie Batterie, Leistungselektronik und E-Maschinen, dann an ihre thermischen Grenzen stoßen. Durch eine optimale thermische Auslegung der Systemkomponenten kann man diese Grenzen erweitern, wobei Kosten und Nutzen im richtigen Verhältnis stehen müssen. Als weiteres Auslegungskriterium prägt die Eckdrehzahl, ab der die maximale Beschleunigungsfähigkeit nicht mehr zur Verfügung steht, die Auslegung der E-Maschine.

Um die Energiekapazität der Batterie in eine möglichst hohe Reichweite umzusetzen, ist ein hoher Wirkungsgrad der E-Maschine erforderlich. Da im Grenzbereich eine weitere Anhebung des Wirkungsgrads nur zu unverhältnismäßig hohen Kosten möglich ist, gilt es die Nutzen-Kosten-Relation genau abzuwägen. Hier zeigt sich nur einer der potenziellen Zielkonflikte bei der Auslegung des E-Antriebsstrangs, den es aufzulösen gilt. Dazu analysiert Bosch vor der Auslegung des E-Antriebs zunächst das Gesamtsystem Fahrzeug. Aus der genauen Kenntnis wesentlicher Größen, wie etwa der Fahrzeuggewichte, der Radgrößen, der geforderten Beschleunigung und Endgeschwindigkeit wird anschließend der E-Antrieb ausgelegt.

Beispielsweise ist es bei Pkw üblich, die Dauerleistung etwa auf 50 bis 60 Prozent der Spitzenleistung festzusetzen. Je höher die Dauerleistung sein soll, desto aufwändiger wird das Kühlsystem. Aus Kostengründen versucht man, auf besondere Kühlsysteme zu verzichten und die E-Maschine an vorhandene Kühlflüssigkeits-Kreisläufe anzuschließen. Lediglich bei besonders hohen Dauerleistungs-Anforderungen ist eine Ölkühlung unvermeidbar.

Verluste vermeiden

Die Wirkungsgradverluste in der E-Maschine entstehen hauptsächlich beim Kupfer, Eisen, den Magneten und durch Lagerreibung – mit unterschiedlichen Anteilen, je nach Auslegung der E-Maschine. Durch eine sorgfältige Auswahl der optimalen Werkstoffe und angepasste Kühlkonzepte kann man Verluste jedoch in Grenzen halten. Eisenverlusten wirken beispielsweise höherwertige dünne Bleche entgegen. Sie verursachen jedoch im Einkauf höhere Kosten und erfordern einen besonders sorgfältigen Einbau, um die geforderten Toleranzen und Wuchtgüten einzuhalten.

Neodym-Magnete legen ein kritisches Temperaturverhalten an den Tag, das sich durch Zugabe von Werkstoffen wie Terbium und Dysprosium verbessern lässt. Um die Zugabe dieser kostspieligen schweren seltenen Erden auf ein Minimum zu begrenzen, empfiehlt sich ein optimales magnetisches Design und eine gute Kühlung. Da sich die Magnettemperaturen nur sehr schwer sensieren lassen, arbeitet Bosch mit Temperaturmodellen, die die thermische Belastung im E-Motor abbilden. Damit keine Demagnetisierung der Magnetwerkstoffe stattfindet, darf die Temperatur bestimmte Schwellwerte nicht überschreiten. Ein zu niedriger Schwellwert verursacht jedoch größeren Kühlaufwand, für einen höheren Schwellwert nahe der Demagnetisierungs-Grenze ist ein sehr zuverlässiges Temperaturmodell unabdingbar.

Lagerverluste hängen von der Lagergröße, der Kühlung, der lokalen Temperaturverteilung und der Schmierung ab. Ein wesentlicher Zielkonflikt besteht bei der Vorspannung der Lager zwischen den Reibungsverlusten (optimal bei weniger Vorspannung) und der NVH-Problematik (optimal bei höherer Vorspannung).

Simulationen fürs Optimum

Zur Auflösung der vielen Zielkonflikte bei der Auslegung einer E-Maschine – wie beispielsweise Wirkungsgrad vs. Kosten hat Bosch eine in-house Simulationsumgebung entwickelt. Deren Kern ist ein Multizieloptimierungsansatz: die verschiedenen gewünschten Zielwerte werden in Abhängigkeit von weiteren Auslegungsparametern optimiert. Das ist möglich, indem gleichzeitig mehrere 100.000 Designvarianten der E-Maschine am Hochleistung-Rechner simuliert werden können – darunter ist dann auch die eine Auslegung, die den Kundenwunsch optimal umsetzt.

„Um eine effektive Multizieloptimierung durchführen zu können, ist ein breites Fachwissen erforderlich, dass über die E-Maschine an sich hinausgeht.“, stellt Ralf Schmid klar. „Ein tiefgreifendes Verständnis der physikalischen Ursache-Wirkungsbeziehungen in Bezug auf den kompletten Antrieb inklusive Batterie und Leistungselektronik ist ebenso Voraussetzung, wie Erfahrungen und Kenntnisse über kosteneffiziente und reproduzierbare Fertigungsprozesse.“

Für Multizieloptimierungen hat Bosch eine Toolkette entwickelt, die zum Teil aus frei am Markt erhältlichen Tools, zum Teil aus Eigenentwicklungen besteht. Ralf Schmid: „Dank dieses Instrumentariums und umfangreichen Fachwissens kann Bosch Multizieloptimierungen durchführen, die in dieser Tiefe und Präzision ein Alleinstellungsmerkmal im Markt darstellen. Im Vergleich zu späteren Messungen am E-Antrieb weichen die per Simulation errechneten Werte nur um wenige Prozent ab.“ Zusammen mit der engen Verzahnung von Entwicklung und Fertigung kann Bosch so die E-Maschinen in der gewünschten Qualität und Menge zu wettbewerbsfähigen Kosten fertigen.

VDI-Fachtagung „EDrive“

Mehr über die verlustarme Auslegung von E-Maschinen und die Elektrifizierung der Fahrzeugflotten präsentieren zahlreiche hochkarätige Referenten auf der VDI-Fachtagung „EDrive“ und dem internationalen VDI-Getriebekongress „Dritev“, jeweils am 27. und 28. Juni 2018 in Bonn.

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posted am 16.05.2018 um 10:08 von Unregistriert


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