Die Anzahl der elektrifizierten Fahrzeuge auf unseren Straßen wächst von Jahr zu Jahr. Neue Modelle der Automobilhersteller benötigen effiziente elektrische Antriebslösungen, um den steigenden CO2-Anforderungen gerecht zu werden und den Verbrauchern ein komfortables Fahrerlebnis, optimale Leistung und eine hohe Benutzerfreundlichkeit zu bieten. Gleichzeitig zeigen Entwicklungen in der Branche einen wachsenden Bedarf an Experten, die sich auf elektrische Antriebseinheiten (EDUs) spezialisieren und die erforderliche Fachkenntnis und Erfahrung mitbringen. Darüber hinaus sind hochanpassungsfähige und schnell einsetzbare Systemlösungen unerlässlich, um die Gesamtentwicklungszeiten zu verkürzen und die Realisierung neuer Elektrofahrzeugkonzepte zu beschleunigen.
Was sind EDUs und warum sind sie wichtig für die Elektrifizierung des Antriebsstrangs?
Eine elektrische Antriebseinheit (EDU) besteht aus drei Hauptmodulen: der Leistungselektronik, dem Getriebe und dem Elektromotor. Alle drei müssen perfekt zusammenarbeiten, um das Fahrzeug in Bewegung zu setzen.
EDUs liefern dynamisches Fahrverhalten, Fahrspaß und Komfort sowie Kosteneinsparungen und Effizienz im Gesamtsystem. Der Hauptzweck besteht darin, elektrische Energie in Bewegung umzuwandeln. Die Art der verwendeten Energiequelle kann je nach Bedarf variieren – von konventionellem Strom aus Ladestationen oder Steckdosen, der in Batterien gespeichert wird, bis hin zu Brennstoffzellen – alles ist möglich.
Die Leistungselektronik ist verantwortlich für die Gesamtsteuerung des E-Antriebs und wandelt die Gleichspannung von Hochleistungsbatterien in eine dreiphasige Wechselspannung um. Dieses Subsystem trägt die Logik des gesamten EDU-Systems und regelt den Strom zum Motor. Für elektrische und Hybridantriebssysteme ist die maximale Effizienz wichtiger als die maximale Leistung. Der Wechselrichter soll eine hohe Flexibilität, Haltbarkeit, Leistungsfähigkeit und eine variable und maximale Spannungsausnutzung erreichen. Um auch bei höchsten Leistungsanforderungen ein konstantes Drehmoment zu liefern, müssen strenge Sicherheitsanforderungen erfüllt werden, einschließlich der höchsten Sicherheitsklassifizierung ASIL Level D für einige sicherheitsrelevante Systemfunktionen mit hohem Risiko.
Weitere wichtige Themen sind Ladezeiten und Ladeleistung. Für hohe Ladeleistungen sind Inverter erforderlich, die während des Ladevorgangs Verluste so gering wie möglich halten und gleichzeitig extrem hohe Spannungen bewältigen können. Da die Leistungselektronik den Stromfluss zwischen Batterie und Motor steuert, muss ihr Design in der Lage sein, diese hohen Ströme effektiv zu handhaben. Aus diesem Grund gewinnen 800 V-Inverter, die eine doppelte Ladeleistung im Vergleich zu 400 V-Invertern ermöglichen, an Popularität. Schnellere Ladezeiten werden durch neue Technologien wie Siliziumkarbid-basierte Halbleiter erreicht, die noch höhere Rückwärtsspannungen aushalten können. SiC-Technologie erzeugt weniger Wärme als konventionelle Silizium-Halbleiter und bringt die Leistungselektronik auf ein ganz neues Niveau.
Der Elektromotor ist ein zentraler Fokus für die Antriebssysteme von Elektrofahrzeugen, da er sowohl in Hybrid- als auch in reinen Elektrofahrzeugen benötigt wird. Er wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Je nach kontinuierlicher und Spitzenleistung können Elektromotoren in verschiedene Leistungsbereiche eingeteilt werden. Einige neue Fahrzeugmodelle gehören bereits zur 800-V-Kategorie. Abhängig von den Gesamtanforderungen, die von den Automobilherstellern festgelegt werden, wird entschieden, ob ein einzelner Elektromotor die gewünschte Leistung liefern kann oder ob mehrere Elektromotoren benötigt werden. Bei unseren beliebtesten EDU-Varianten wird die Leistung des Elektromotors über mehrstufige Stirnrad- oder Planetengetriebe und ein Differential auf die Halbachsen übertragen.
Das Getriebe ist letztendlich für die Drehmomentübertragung vom Motor auf die Räder mit dem wirksamsten Übersetzungsverhältnis verantwortlich. Bei der Auswahl einer EDU hat die Anzahl der Gänge im Getriebe einen erheblichen Einfluss auf die Konstruktionskomplexität, die Funktionalität, die Gesamtleistung und die Effizienz des Systems und beeinflusst andere Faktoren wie die Größe des Elektromotors und die Systemkosten. Der Schwerpunkt liegt insbesondere auf zwei Leistungsaspekten: der Beschleunigungsleistung und der Reichweite. Für eine Vielzahl von Anwendungen sind 1- bis 2-Gang-Getriebe am effektivsten. Im Gegensatz zum 1-Gang-Getriebe ermöglicht ein 2-Gang-Getriebe eine Erhöhung der Reichweite und Höchstgeschwindigkeit bei gleicher Beschleunigungsleistung. Bei Mehr-Gang-Getrieben muss das Getriebe in der Lage sein, die Gänge zu wechseln, um eine Beschleunigung ohne Traktionsunterbrechung sicherzustellen, was für Elektrofahrzeuge typisch ist.
EDU-Getriebe haben häufig zusätzliche Funktionen, wie z.B. eine elektrisch betätigte Parksperre innerhalb der elektrischen Antriebseinheit, die zur Sicherheit des Fahrzeugs beiträgt und ein Abrollen des geparkten Autos verhindert.
Ein übergeordnetes, besonders relevantes funktionales Element in dieser hochvernetzten und digitalen Zeit ist die Steuerungssoftware. Sie umfasst die Funktionen zur Regelung und Überwachung der Antriebseinheit des Fahrzeugs. Die Steuereinheit, die sich in der Leistungselektronik befindet, kommuniziert mit den Fahrzeug-Systemen auf höherer Ebene. In Fahrzeugen steigt der Bedarf an Software stetig. Antriebseinheiten müssen so gesteuert werden, dass eine größtmögliche Effizienz gewährleistet ist. Da der Wechselrichter je nach Leistungskapazität eine Grenze hat, ist es Aufgabe der Steuerungssoftware, diesen Bereich zu erreichen, um das Potenzial voll auszuschöpfen und maximale Leistung zu liefern.
Die Effizienz von elektrischen Antriebssystemen profitiert enorm von Fortschritten in der Softwaresteuerung. Es werden eine exzellente Genauigkeit bei der Aufzeichnung von Strömen, Spannungen und Temperaturen benötigt. Schließlich reduziert präzise Steuerungssoftware den Einsatz von Hardware und Materialien in einem Fahrzeug erheblich.
Algorithmen werden verwendet, um die Reichweite zu optimieren und immer die effizientesten Fahreigenschaften zu bestimmen. Hochwertiges Softwaredesign ist dabei unerlässlich. Bereits in der Entwicklungsphase müssen die Modelle alle gewünschten Softwarefunktionen detailliert darstellen und frühzeitig berücksichtigen.
Immer höhere Anforderungen an die Sicherheit werden an Steuerungstechnologien gestellt. Überwachungs- und Schutzfunktionen, die Fahrzeugfehlfunktionen schnell erkennen und intelligent lösen können, sind erforderlich. Beispielsweise können die Stromzufuhr rechtzeitig unterbrochen werden, wenn eine unerwartete, ungewollte Beschleunigung erkannt wird, oder die Bremse kann aktiviert werden, wenn das Fahrzeug zu schnell beschleunigt und die Kontrolle verliert. All diese Funktionen sorgen dafür, dass die Verbraucher mehr Vertrauen in Elektrofahrzeuge haben und die progressive Akzeptanz der E-Mobilität beschleunigen.
Das übergeordnete Ziel der Ingenieure besteht darin, so viel Hardware wie möglich zu eliminieren und die Softwarefunktionalität ohne Qualitätseinbußen zu replizieren, um eine größere Kosteneffizienz und Funktionalität für die Kunden zu erreichen. Software- und Anwendungsingenieure mit einem systemischen Ansatz und fundiertem Know-how sind unverzichtbar, um die gewünschten Funktionen in verschiedenen Fahrzeugkonzepten umzusetzen.
Die Automobilindustrie verlangt zunehmend nach Multifunktionalität, die eng mit elektrischen Antriebseinheiten verbunden ist. Je nach individuellen Vorlieben haben Hersteller eine Vielzahl von Architekturen und Konfigurationsoptionen zur Auswahl. Der Vorteil eines integrierten Systemansatzes einer EDU besteht darin, dass schnelle, marginale Anpassungen und Anpassungen möglich sind.
Bestehende E-Motor- und PEU-Leistungsvarianten bieten eine hohe Flexibilität als Elemente einer EDU und können für verschiedene Leistungsniveaus konfiguriert werden. Dadurch werden Entwicklungskomplexitäten und -kosten minimiert und Herstellern ermöglicht, ihre gewünschten Lösungen in kurzer Zeit in ihre Fahrzeugkonzepte zu integrieren, um sie so schnell wie möglich auf die Straße zu bringen.
Alle unsere EDU-Varianten sind kompakt im Design. Die elektrischen Antriebseinheiten unterscheiden sich in ihrer Leistung, ihrem Antriebsmoment und ihren Übersetzungsverhältnissen. Sie können alles von 12V-Systemen bis hin zu Hochleistungskategorien von bis zu 300/400/500 kW aufnehmen. Diese Spezifikationen einer EDU hängen von den Anforderungen des Fahrzeugs, dem Gewicht, der Größe und dem verfügbaren Installationsraum ab – SUVs erfordern eine größere elektrische Antriebseinheit als kleine Fahrzeuge. Ob koaxial, achsparallel oder doppelt achsparallel, mit oder ohne Trennkupplung, hofer powertrain bietet diese Lösungen als Standardlösungen sowie als maßgeschneiderte leistungsstarke vielseitige Lösungen an.
In dem nächsten Teil dieser EDU-Artikelserie werden wir die beliebtesten Antriebseinheiten zusammen mit ihren technischen Parametern vorstellen. Wir werfen einen Blick auf interessante Anwendungsszenarien von EDUs auf dem Markt und sehen uns die neuesten Entwicklungen der Ingenieurteams von hofer powertrain an.
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