Elektromobilität Wie der ideale Antriebsstrang für Elektroautos aussieht

Ein Hochdrehzahlantriebsstrang erhöht die Reichweite von Elektrofahrzeugen. Wie er aussehen kann und welche Überlegungen zum Kühl- und Schmierkonzept dahinter stecken, lesen Sie hier.

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TU München

Ein Hochdrehzahlantriebsstrang hat den Vorteil, dass sich aufgrund des niedrigen Drehmoments auch die Baugröße des Elektromotors reduziert. Ein kleiner E-Motor spart Gewicht ein und das ist interessant für die Elektromobilität. Denn je leichter ein E-Auto, desto weiter kann es voll aufgeladen fahren. Genau dieses Thema beschäftigt die Teilnehmer*innen des Forschungsprojektes Speed4E: Hyper-Hochdrehzahl für den elektrifizierten automobilen Antriebsstrang zur Erzielung maximaler Reichweite.

Aktive Masse der E-Maschine um ca. 34 Prozent reduzieren

Dass das funktioniert, wurde schon im Vorgängerprojekt Speed2E bewiesen. Bei Drehzahlen von bis zu 30.000 min^–1 konnte die aktive Masse der E-Maschine um ca. 34 Prozent reduziert werden. Bei Speed4E wollen die Forscher*innen noch einen Schritt weiter gehen. Untersucht wird ein Hochdrehzahlantriebsstrang mit Drehzahlen von bis zu 50.000 min^–1. Dabei handelt es sich um die Peak-Antriebsdrehzahl. Letztendlich soll ein Dauerbetrieb bei 30.000 min^–1 möglich sein. Doch wie sieht so ein Hochdrehzahlantriebsstrang aus? Und welche Herausforderungen gibt es bei der Konstruktion zu beachten?

Neben zahlreichen Herausforderungen wie die Entwicklung eines geeigneten Dichtkonzepts, Umgang mit Verlusten in den Halbleitern der Leistungselektronik und in der Luftströmung oder die Generierung eines hochintegrierten und skalierbaren Antriebsstrangs, gilt es auch einen hocheffizienten Schmierstoff und ein integriertes Thermomanagement-System zu entwickeln. Die Idee dahinter: den Wirkungsgrad des Gesamtsystems verbessern, indem gewisse Stellschrauben in der Schmierstoffversorgung angepasst werden. Im Beitrag wird die Herangehensweise dieses Projektziels beschrieben.

So ist der Antriebsstrang aufgebaut

Der Antriebsstrang besteht aus zwei E-Motoren – ein Asynchronmotor mit Drehzahlen von bis zu 30.000 min^–1 und einer Nennleistung von 60 kW sowie ein permanenterregter Synchronmotor, der bis zu 50.0000 min^–1 schnell drehen kann mit einer Nennleistung von 75 kW. Die beiden Leistungselektroniken befinden sich in einem gemeinsamen Gehäuse direkt auf den Motoren. Beide E-Motoren haben ein eigenes Teilgetriebe. Der Asynchronmotor sitzt an Teilgetriebe 1 – eine Planeten-Stirnradstufen-Kombination. Teilgetriebe 2 sitzt am permanenterregten Synchronmotor, ist dreistufig ausgeführt und schaltbar, d.h. mit einem Tauchspulenaktuator werden zwei Gänge dargestellt. Mit einem Stirnraddifferential von Schaeffler werden die Leistungen beider E-Motoren summiert und auf die Räder übertragen.

Antriebstechnik

Warum der Antrieb 2030 Konstrukteuren die Arbeit erleichtert

Hinter der Schmierung des Antriebsstrangs steckt ein ausgeklügeltes System. Denn es schmiert nicht nur das Getriebe, sondern kühlt auch gleichzeitig die elektrischen Komponenten. Möglich macht dies ein wasserhaltiges Fluid. Der Wasseranteil sorgt für eine ausreichende Kühlung. So entsteht ein Kreislauf, in dem das Getriebe geschmiert und alle Komponenten gekühlt werden. Ziel des ganzheitlichen Thermomanagements ist es, möglichst geringe Verluste im Schmierungssystem aufzuweisen und Reibungswärme zuverlässig abzuführen.

Hybridlösung aus Tauch- und Einspritzschmierung

Der Kühlkreislauf ist folgendermaßen aufgebaut: Vom Kühler in der Fahrzeugfront aus gelangt das Fluid ins Heck und wird in die beiden Leistungselektroniken geteilt. Dann folgt die Kühlung der beiden Statormäntel. Anschließend wird das Fluid wieder zusammengeführt und dann geteilt – einmal zur Rotorkühlung der beiden Motoren und einmal in zwei Zweige zur Einspritzschmierung der beiden Teilgetriebe. Die Planetenradstufe des Teilgetriebes 1 wird nicht einspritzgeschmiert, sondern es gibt radiale Bohrungen in der Sonnenwelle. Das Fluid, das aus dem Asynchronrotor kommt, wird herausgeschleudert und mithilfe von Fangblechen gesammelt und in die Planeten zur Schmierung geleitet. Nach Rotorkühlung und Getriebeschmierung sammelt sich das Fluid in einem Sumpf und wird anschließend von einer Trockensumpfpumpe wieder abgetankt und dem Kreislauf erneut zugeführt.

Die Trockensumpfpumpe ermöglicht es, einen gewissen Ölstand im Getriebe einzustellen. Das stellt sicher, dass genügend Schmierstoff zur Versorgung der tribologischen Kontakte vorhanden ist und gleichzeitig zu hohe Eintauchtiefen verhindert werden, denn diese können durch Planschverluste den Wirkungsgrad erheblich beeinträchtigen.

Umfangreiche Strömungssimulationen wurden durchgeführt

Es gibt also eine Einspritzung an der Hochdrehzahlstufe, eine am Differenzial zu Teilgetriebe 1 und eine Tauchschmierung mit Eintauchtiefe, die noch eingestellt werden muss.

Begleitet wurden die Entwicklungen zum Kühl- und Schmierkonzept durch umfangreiche Strömungssimulationen (CFD = Computational Fluid Dynamics, deutsch: Numerische Strömungsmechanik).

Wie die Simulationsmethodik im Detail aussah und welche Erkenntnisse sich daraus ziehen ließen, beschreibt die eine detaillierte Arbeit, die am 10. November 2020 hier veröffentlicht wurde: Morhard, B., Schweigert, D., Mileti, M. et al. Efficient lubrication of a high-speed electromechanical powertrain with holistic thermal management. Forsch Ingenieurwes 85, 443–456 (2021). https://doi.org/10.1007/s10010-020-00423-0

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