Elektromobilität – In diese Richtung gehen die Entwicklungstrends
Die große Elektrifizierungsoffensive der deutschen Automobilhersteller kommt. Sie muss kommen. Durch die politischen Rahmenbedingungen, sowie die bekannte Abgasproblematik werden die Automobilhersteller weltweit geradezu gezwungen, Milliardensummen in die Entwicklung elektrifizierter Antriebssysteme zu investieren. Entscheidend dabei ist, bei der Elektromobilität technologisch nicht den Anschluss zu verlieren. Doch was sind derzeit die Trends bei der Elektrifizierung? Wohin wird die Entwicklung gehen? Im Folgenden möchten wir kurz anreißen, welche Rolle dem Getriebe in Verbindung mit den neuesten Generationen von Elektromotoren zukommt.
Flexible Gestaltungsmöglichkeiten der Elektromobilität
Grundsätzlich bietet die Elektrifizierung des KFZ-Antriebsstranges viele gestalterische Möglichkeiten und Chancen und auch nach vielen Jahren der Forschung und Entwicklung hat sich die „beste“ Konfiguration noch nicht eindeutig herauskristallisiert. In der Vergangenheit brachte zum Beispiel Mercedes-AMG einen SLS E-Cell heraus, der über 4 Elektromotoren mit Untersetzung (also einer nicht schaltbaren Getriebestufe) angetrieben wurde, die jeweils direkt am Rad montiert waren. Auch Schaeffler entwickelt weiterhin in diese Richtung. Der große Vorteil dieser Konfiguration besteht darin, dass es sich um einen relativ „unkomplizierten“ Antriebsstrang handelt. Dies bedeutet, es kann komplett auf ein Getriebe/Differential verzichtet werden, da die Elektromotoren stets das gewünschte Drehmoment direkt am Rad bereitstellen.
In den vergangenen Jahren sind jedoch zunehmend Automobile wie der i3 von BMW, oder das Model S von Tesla auf den Markt gekommen, deren Antriebsstrangkonfigurationen der eines klassischen PKWs in gewisser Weise ähneln. Die bedeutet, dass ein zentraler Elektromotor die Hinterachse antreibt. Bei der Allradversion des Tesla ist ein Motor pro Achse vorgesehen. Das vom Elektromotor bereitgestellte Leistungsangebot wird von einem einstufigen, also nicht schaltbaren Getriebe, gewandelt und via Differential auf die Achswellen verteilt.
Verdopplung der Reichweite der Akkus? Oder welche Alternativen gibt es noch?
Das große Manko der elektrifiziert angetriebenen PKW liegt im Vergleich zu den klassisch verbrennungsmotorisch angetriebenen PKW in der limitierten Reichweite. Energie- und Leistungsdichte der neuesten Generation von Akkus ist noch nicht auf dem benötigten Niveau – auch wenn Bosch schon seit geraumer Zeit die Verdopplung der Reichweite seiner Akkus prognostiziert. Dies bedeutet, dass die Optimierung der Reichweite kurzfristig nur über die Weiterentwicklung des Gesamtsystems erfolgen kann. Dies bedeutet wiederum anschaulich, dass die Antriebsstränge auf Energieeffizienz getrimmt werden müssen – wo auch immer es möglich ist. Jeder Prozentpunkt an Energieeffizienz der gewonnen wird, bedeutet bildlich gesprochen „bare Kilometer“ an zusätzlicher Reichweite pro Ladungszyklus.
Bei hochdrehenden Elektromotoren ist eine bessere Energieeffizienz gegeben als bei langsam drehenden. Hochdrehende Elektromotoren besitzen zudem eine hohe Leistungsdichte und stellen extrem schnell gewünschte Änderungen von Drehzahl und Drehmoment bereit. Im Fachjargon bezeichnet man einen Elektromotor mit dieser Eigenschaft auch als „hoch dynamisch“.
Der Trend bei Elektromotoren und bei der Elektromobilität zeigt diesbezüglich eindeutig in Richtung höhere Drehzahlen in Verbindung mit niedrigeren Drehmomenten. Konkret bedeutet dies, dass laut Studien des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) maximale Drehzahlbereiche des Elektromotors von 25.000 U/min in naher Zukunft durchaus Rahmen des Möglichen liegen. Die Firma NSK aus Japan hat sogar schon Getriebe für Elektromotoren entwickelt, deren maximale Drehzahl bei 40.000 U/min liegt. Zum Vergleich: Bei dem Tesla Model S P85 lag die maximale Drehzahl bei etwa 15.000 U/min. Für das Getriebe bedeutet dies, dass größere Übersetzungsverhältnisse nötig werden um den gewünschten Drehmomentbedarf am Rad bereit zu stellen.
Die Energieeffizienz des gesamten Antriebssystems vom Akku bis hin zum Rad wird durch den zentralen, hochdrehenden Elektromotor trotz des, im Vergleich zu der Konfiguration des direkten Radantriebs, längeren Übertragungswegs besser. Daher scheint sich aktuell dieses Konzept durchzusetzen. Die Entwicklung in Zukunft wird es letztendlich zeigen.
Quelle: K. Bause, A. Radimersky, S. Ott, „Anforderungen an Getriebe in E-Fahrzeugen unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen im Antriebssystem“, IPEK, Karlsruher Institut für Technologie, 2015.
