Die Qual der Antriebstechnik-Wahl: Lösungsansätze für Elektromobilität

Am Anfang steht die Frage, was für ein Fahrzeug mit einem Elektroantrieb ausgerüstet werden soll, z.B. ein PKW, LKW, landwirtschaftliches Fahrzeug, Baufahrzeug oder gar ein Boot oder Segelflugzeug (Bild 1). Die Fahrzeugart, deren Einsatzgebiet und die davon abhängige Betriebsdauer haben wesentlichen Einfluss auf die Antriebswahl. Denn diese Faktoren definieren die Anforderungen an Kurzzeit- bzw. Dauer-Leistung, Batteriespannung oder die notwendige Schutzart. Einsatzort und Umgebungsbedingungen beeinflussen Antriebskomponenten Daneben beeinflusst das Höhenprofil des Geländes, in dem ein Fahrzeug eingesetzt wird, die Wahl der richtigen Fahrzeugkomponenten. Fahrzeuge, die z.B. auf dem Flugfeld oder auf vorwiegend flachen Messe- und Industriegeländen unterwegs sind, benötigen meist eine geringere Antriebsleistung als vergleichbare Straßenfahrzeuge. Auch die Anforderungen an die Schutzart sind bei diesen Fahrzeugen geringer. Auf unbekanntem Terrain dagegen kann es ein Fahrzeug mit Steigungen bis 25% zu tun bekommen. Das erfordert natürlich eine höhere Leistung und es gilt hier auch die Rekuperation (also die Nutzbremsung, bei der Brems-Energie in die Batterie geladen wird) zu berücksichtigen. Zum Vergleich: Die mittlere Leistung eines Kleinwagens liegt im Flachland bei ca. 12kW, im bergigen Gelände bei ca. 20kW. Gleichzeitig sind die Geschwindigkeiten im Einsatz auf der Straße mit bis zu 140km/h höher als in Industrieanwendungen. Daneben müssen bei Fahrzeugen für den Straßenverkehr die entsprechenden gesetzlichen Vorschriften beachtet werden (Bild 2). Zudem wird gefordert, dass die eingesetzten Komponenten unempfindlich sind gegen Schmutz, Wasser, Vibrationen und hohe Temperaturschwankungen. Je nach Einsatzbereich sind gerade auch Umgebungstemperaturen eine kritische Größe. In zeitweise kalten Ländern muss das Fahrzeug klimatisiert werden. Die in Wärme gewandelte Verlustenergie ist beim elektrischen Antrieb jedoch so gering, dass sie nicht zum Heizen des Fahrgastraums ausreicht. Bei Temperaturen unter 5°C muss auch die Batterie geheizt und bei Temperaturen über 60°C aktiv gekühlt werden. Und schließlich hat das Einsatzland einen Einfluss auf die geforderten Zulassungen der eingesetzten Komponenten. Somit bestimmt das Einsatzfeld maßgeblich die Konstruktion und Antriebsleistungen eines Fahrzeugs und damit den Fahrzeug- bzw. Antriebspreis. Die Spanne ist dabei breit, beim PKW reicht sie beispielsweise von Kleinstfahrzeugen mit geringen Geschwindigkeiten und 5kW Antriebsleistung bis zu Fahrzeugen der Mittelklasse mit bis zu 150kW. Jahrelange Erfahrungen Umfangreiche Erfahrung mit Lösungsansätzen für die Elektromobilität haben die Reglerspezialisten der Unitek GmbH. Sie haben bereits mehrere Hundert, ganz unterschiedliche Fahrzeuge in kleinen und mittelgroßen Serien für vielfältige Anwendungen aus- oder umgerüstet. Dabei unterstützen sie ihre Kunden nicht nur mit den passenden Batterie-Motorreglern, sondern bieten auch umfangreiche Beratung. \“Aus technischer Sicht ist ein Elektroantrieb relativ primitiv\“, sagt Gerhard Körber, Geschäftsführer Unitek GmbH (Bild 3). \“Softwareseitig ist beim Umrüsten aber einiges zu beachten. So erwartet der Bordcomputer Signale vom Benzinmotor, um zuverlässig zu arbeiten. Baut man diesen aus, müssen die Signale entsprechend simuliert werden. Bei der Kommunikation mit dem Computer ist es aber wichtig, dass man nicht in sicherheitskritische Software eingreift, damit keine Fehlfunktionen auftreten und sich das Fahrzeug im Fehlerfall nach wie vor richtig verhält. Die Sicherheitsanforderungen sind in diesem Bereich immens.\“ Die richtige Antriebsart Das Herz eines Elektrofahrzeugs bildet natürlich der eingesetzte Motor mit zugehörigem Motorregler (Bild 4). Sinnvolle Optionen sind bei derzeitigem Entwicklungsstand entweder Drehstrom-Asynchron-Motoren oder Drehstrom-Synchron-Motoren (Tabelle). Entscheidender Vorteil des Synchron-Motors ist seine geringe Größe: Bei gleicher Leistung ist er halb so groß und auch nur halb so schwer wie ein Asynchron-Motor. Damit eignet er sich ideal für den Einsatz in Hybridfahrzeugen. Daneben überzeugt er durch einfachere Regelung und besseren Wirkungsgrad. Von Nachteil ist jedoch das hohe Bremsmoment bei einer Störung also beispielsweise einem Kurzschluss im Motor oder Umrichter. Weil der Antrieb getriebelos arbeitet, kann in einem solchen Fall nicht einfach ausgekuppelt werden. Ein weiterer Nachteil ist der Einsatz teurer und wegen des chinesischen Monopols immer schlechter verfügbaren seltenen-Erden Magnete. Synchron-Motoren werden in der Regel bei Hybrid- und Radnaben-Antrieben eingesetzt. Es stehen drei Bauformen zur Verfügung: der Synchron-Standard-Motor, der Synchron-Torque-Motor und der hochdrehende Synchron-Motor. Der Asynchron-Motor wird in der Industrie seit Jahren eingesetzt z.B. in Maschinen, Förderanlagen, Pumpen oder Lüftern und ist dadurch der am meisten verbreitete Drehstrom-Motor. Deshalb ist der Automatisierungsgrad seiner Produktion weit fortgeschritten. Damit einher geht sein wesentlicher Vorteil: Diese Motorart ist sehr preisgünstig. Zudem werden keine Magnete benötigt und hohe Drehzahlen sind möglich. Auch das Problem des Bremsmoments bei Motorkurzschluss besteht nicht. Diese Vorteile werden mit den Nachteilen höheres Leistungsgewicht, geringerer Wirkungsgrad (vor allem im Teillastbereich, also bei kleinen Geschwindigkeiten) und komplexerer Regelung erkauft. Die richtige Getriebe-Motor-Kombination Um seinen Kunden die richtige Motor-Bauart anbieten zu können, kooperiert Unitek eng mit verschiedenen deutschen Motoren- und Spezial-Autogetriebe-Herstellern. Insgesamt kann das Unternehmen Regler für alle der fünf genannten Motor-Bauarten anbieten. Darüber hinaus sind die Reglerspezialisten in Forschungsprojekten eng mit Motorherstellern und Universitäten verbunden. \“Ich gehe derzeit davon aus, dass sich beim Gros der Elektro-Automobil-Anwendungen Asynchron-Motoren durchsetzen werden, vor allem weil sie dank hohem Automatisierungsgrad in der Produktion sehr kostengünstig herzustellen sind\“, schätzt Körber die zukünftige Situation ein. \“Trotzdem unterstützen unsere universellen Motorregler Bamobil und Bamocar bewusst alle Antriebskonzepte mit AC-, EC- oder DC-Motoren.\“ Auch bei der richtigen Motor-Getriebe-Kombination muss der Anwender vorab einige Fragen klären. So wird bei direktem Radantrieb (Radnaben-Motor, Doppel-Torquemotor) kein Getriebe eingesetzt, beim mitteldrehenden Motor nur ein Differenzial. Hochdrehende Motoren setzen in der Regel auf ein einstufiges Getriebe mit Differenzial, manchmal sind hier auch zweistufige Schaltgetriebe gefragt. Mit der Wahl einher gehen hier ebenfalls wieder verschiedene Vor- und Nachteile. Getriebelose Motoren beispielsweise verlangen ein hohes Drehmoment bei kleiner Drehzahl und die Motorkosten liegen relativ hoch, dafür entstehen keine Kosten für Getriebe und Differenzial. Engpass Batterie Auch bei der Wahl der Batterie spielt der Anwendungsbereich eine wesentliche Rolle. Bei Industrie-Antrieben (z.B. in Flurförderfahrzeugen oder Flugfeldfahrzeugen) werden immer noch Blei-Akkumulatoren eingesetzt. Auch in Elektrobooten, wo das Gewicht keine so große Rolle spielt, finden die schweren, aber preisgünstigen und in Herstellung und Pflege unkomplizierten Blei-Akkus sinnvolle Einsatzbereiche. Ihr Nachteil ist jedoch eine geringe Ladekapazität pro Gewichtseinheit sowie ihre schlechte Umweltverträglichkeit wegen der Verwendung von Blei und Schwefelsäure. Bei Straßenfahrzeugen haben sich daher Lithium Akkus in unterschiedlicher Zusammensetzung durchgesetzt. Entscheidende Kriterien sind hier die Kapazität, das Gewicht, die Strombelastbarkeit beim Betrieb und beim Laden sowie die erreichbaren Ladezyklen. Es ist damit zu rechnen, dass Weiterentwicklungen in einigen Jahren die Kapazität pro Gewichtseinheit um das zwei- bis fünffache steigern und die Preise um bis zur Hälfte reduzieren werden. \“Nichtsdestotrotz bleiben die Batterie und deren lange Ladezeiten der Engpass\“, gibt Körber zu bedenken. \“Eine denkbare Lösung wären hier Leasing-Konzepte folgender Art: Die großen Energieunternehmen entwickeln eine Standard-Batterie für Elektroautos, die dann von Automobilunternehmen verbaut werden. An der \’Tankstelle\‘ tauscht der Anwender seine leere Batterie gegen eine volle und kann sofort weiter fahren. Die Batterie gehört den Energieunternehmen, der Anwender bezahlt nur eine Leihgebühr sowie den Batterieinhalt. Ich denke, die großen Energieunternehmen hätten das Potenzial, so etwas durchzusetzen. Gleichzeitig ließe sich so die Reichweitenbegrenzung aufheben.\“ Kasten 1: Ein flexibler Motorregler für alle Antriebskonzepte Ein Motor-Controller setzt die Gleichstrom-Leistung der Batterie in eine Drehstrom-Leistung für den Motor um, dabei übernimmt eine digitale Prozessoreinheit (DSP) die Steuerung. Der Controller überwacht und begrenzt die Regelgrößen auf die zulässigen Motordaten in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen. Dabei kann der Motorregler im einfachsten Fall nur Drehzahl oder Drehmoment steuern. Mit umfangreicherer Software übernimmt er in komplexeren Anwendungen auch weitere Funktionen wie elektrische Rekuperation, Fahrstabilität, Fahrprofile (ECO-Sport), Notlauf-Eigenschaften oder Batterie-Überwachung. Mit dem Fahrzeug-Bordrechner kommuniziert der Controller dazu über das BUS-System (z.B. CAN). Der mechanische Aufbau und die elektrische Sicherheit müssen den nationalen und internationalen Vorschriften für elektrische Straßenfahrzeuge entsprechen. Betriebsstörungen des Controllers und Motors dürfen zu keinen unkontrollierbaren Zuständen des Fahrzeugs führen. Unitek beschäftigt sich mit Fahrzeugantrieben seit mehr als 15 Jahren. Für Straßenfahrzeuge werden seit mehreren Jahren Motor-Controller in unterschiedlichen Bauformen angeboten. Zu den Standard-Geräten gehören Bamobil und Bamocar. Bei ihnen reicht der Spannungsbereich bis 700V, der Strombereich bis 400A. Die Controller sind für den harten Einsatz in hoher Schutzart aufgebaut. Nationale und internationale Vorschriften sind berücksichtigt. Die Motor-Controller eignen sich für Synchron-, Asynchron- und Gleichstrom-Motoren. Leistungsstarke DSP-Prozessoren und umfangreiche Software ermöglichen fortschrittliche Steuerung und Regelung für elektrische Straßenfahrzeuge. Kundenspezifische Sonderbauformen sind auf Anfrage realisierbar. Kasten 2: Synchron-Motor-Bauformen im Vergleich Synchron-Standard-Motoren arbeiten in einem Drehzahlbereich bis 8.000rpm und liefern vom Stillstand bis zur maximalen Drehzahl ein konstantes Drehmoment. Sie finden Verwendung bei direktem getriebelosen Antrieb auf das Differenzial. Synchron-Torque-Motoren haben die gleichen Eigenschaften, arbeiten aber im Drehzahlbereich bis 2.000rpm und finden besonders bei Radnaben-Antrieben ihren Einsatz sowie bei direkten innen liegenden Radantrieben ohne Getriebe und Differenzial. Der hochdrehende Synchron-Motor erreicht Drehzahlen von bis zu 20.000rpm. Das Drehmoment ist hier vom Stillstand bis zu einer Drehzahl von 8.000rpm konstant, die Leistung im Bereich von 8.000 bis 20.000rpm ebenfalls, allerdings erfordert die Feldschwächenregelung zusätzliche Schutzmaßnahmen gegen generatorische Überspannungen. Kasten 3: Über die Firma Unitek entwickelt und produziert Leistungselektronik für elektromotorische Antriebe in unterschiedlichen Techniken von 200W bis 800kW. Mehr als 300 Geräte pro Monat werden nach hausinternen Richtlinien der Qualitätssicherung hergestellt. Qualifizierte Mitarbeiter und optimale Bedingungen garantieren gute Qualität, die Forderungen von ISO9001:2000 sind die Grundlage. Leitgedanke der Reglerspezialisten ist, dass der Qualitätsstandard in der Entwicklung und Konstruktion gründet und von der Produktion umgesetzt wird. Die Prüfung ist eine Kontrolle und Bestätigung der Qualität. Die Entwicklung des Unternehmens arbeitet eng zusammen mit Labod electronic GmbH & Co und LNT. Optimale Maschinen- und Fahrzeugantriebe mit durchgängiger Software sind nur ein Ergebnis dieser Kooperation.