6. Mai 2020
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Optimierte elektromotorische Getriebelösungen
Electronic Drive Unit
Rein elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugen (Battery Electric Vehicles – BEVs) kommt eine entscheidende Bedeutung zu, um zukünftige Fahrzeugflottenziele hinsichtlich der Emissionen (etwa CO2, NOx und Feinstaub) zu erreichen. Insbesondere in großen Städten kann der Beitrag dieser Fahrzeuge zur Luftreinhaltung erheblich sein. Auch Hybridfahrzeuge (Hybrid Electric Vehicles – HEVs) leisten ihren Beitrag in Städten unter der Voraussetzung, dass der Fahrer den Fahrzeugakkumulator über das Stromnetz lädt und nicht über die Verbrennungskraftmaschine. Für beide Fahrzeugkonfigurationen, BEVs und HEVs, hat FEV Getriebe sowohl für Personenkraftwagen, als auch für leichte Nutzfahrzeuge vorentwickelt, die den wachsenden Anforderungen an Leistung und Größe gerecht werden .
>> DIE AUFGABE DER PRODUKTENTWICKLER IST ES, DIE KOMPLEXITÄT UND DIE DAMIT GESTEIGERTEN PRODUKTKOSTEN AUF DAS UNBEDINGTE MINIMUM ZU BEGRENZEN
Abb. 1: Elektromotorische Antriebseinheit mit lastschaltfähigem 2-Gang-Doppelkupplungsgetriebe bis 300 Nm
Die Komplexität bei Getrieben für rein elektromotorische Antriebe nimmt deutlich zu, da die Anforderungen durch vielfältige Anwendungen steigen. Die maximale Geschwindigkeit des elektromotorischen Fahrens wird kontinuierlich erhöht, die Ansprüche an die Anfahrperformance bleiben gleichzeitig erhalten. Diesen Zielkonflikt können hochdrehende Elektromaschinen oder 2-Gang-Getriebe lösen, wobei die Erfahrung zeigt, dass diese Getriebe lastschaltfähig sein müssen. Neben der Rekuperation besteht auch die neue Forderung nach einer Neutralfunktion „Disconnect“, welche die Elektromaschine von den Antriebsrädern trennt. Gerade bei hohen Drehzahlen und P4-Hybriden macht sich das Schleppdrehmoment permanent erregter Elektromaschinen nachteilig bemerkbar, bei anderen Anwendungen wechselt die Parksperre vom Getriebe zum Fahrzeugbremssystem. Sehr anspruchsvolle Fahrzeugbauräume erfordern darüber hinaus eine koaxiale Bauweise der elektromotorischen Antriebseinheit. Die Aufgabe der Produktentwickler ist es, diese Komplexität und die damit gesteigerten Produktkosten auf das unbedingte Minimum zu begrenzen. Eine wesentliche Hilfe bildet die Übernahme von Teilsystemen aus Getrieben für den konventionellen Antriebsstrang. Diese Maßnahme wendet FEV an.
Âbb. 2: Elektromotorische Antriebseinheit mit lastschaltfähigem 2-Gang Planetenzahnradgetriebe bis 600 Nm
Neben 1-Gang-Getrieben, bereits in Serie für BEVs und P4-HEVs, entwickelt FEV auch lastschaltfähige 2-Gang-Systeme. Abb. 1 zeigt eine Antriebseinheit der ersten Generation mit einer kontinuierlichen Leistung von 70 kW sowie einer Spitzenleistung von 90 kW. Die Batteriespannung in dieser Einheit beträgt 400 V. Das Getriebe ist eine Eigenentwicklung von FEV, der Entwicklungspartner YASA stellt die Elektromaschine P400S zur Verfügung, den Inverter fertigt die Firma SEVCON. Alternativ sind auch FEV Eigenentwicklungen von Elektromaschine und Inverter einsetzbar. Das drehmomentbegrenzende Bauteil ist die trockenlaufende Großserien-Doppelkupplung. Die entsprechende elektromechanische Aktuatorik stammt ebenfalls aus Großserien-Doppelkupplungsgetrieben für den rein verbrennungsmotorischen Antriebsstrang. Gerade die Verwendung dieser auf dem Markt verfügbaren Teilsysteme ermöglicht eine kurze, effiziente Entwicklung und damit eine schnelle Markteinführung. Berstdrehzahl und Drehmomentkapazität der Kupplungen begrenzen jedoch die Anwendbarkeit auf die genannten Zahlenwerte. Die Forderung nach höheren Fahrleistungen führt zu einer neuen Lösung (siehe Abb. 2). Aus Gründen höherer Elektromaschinendrehzahlen sowie höheren Drehmomentbedarfs kommt ein Planetengetriebe in der Ausführung eines Ravigneaux-Satzes zum Einsatz. Diese Getriebe sind weit verbreitet und entsprechende Fertigungseinrichtungen sowie Werkzeuge damit bereits verfügbar. In Verbindung mit diesem einfachen reduzierten Koppelgetriebe reichen zwei Bremsen aus, um zwei Gänge zu realisieren. Die ausschließliche Verwendung von Bremsen war bei der Konzeptauswahl ein wichtiges Kriterium, da sie gegenüber Kupplungen den Einsatz von Drehdurchführungen oder Einrücklagern zur Betätigung der Schaltelemente vermeiden und damit deutlich kostengünstiger sind. Die in Abb. 2 ebenfalls sichtbare Ölpumpe und der Wärmetauscher dienen nicht nur dem Getriebe, sondern auch der Kühlung des Stators der Elektromaschine sowie der Kühlung des Inverters. Elektromaschine und Inverter in integrierter Bauweise gehören zu einer neuen Produktgeneration des Entwicklungspartners YASA. Die kurzbauende Axialfluss-Elektromaschine ist dabei auch für Fahrzeuge mit kleiner Spurweite geeignet, wie beispielsweise kleinere Baufahrzeuge und Kommunalfahrzeuge.
>> BEI DER EINFÜHRUNG REIN ELEKTROMOTORISCHER ANTRIEBSSTRÄNGE SIND HYBRIDANTRIEBE DIE ENTSCHEIDENDE BRÜCKENTECHNOLOGIE
Auf dem Weg zur großvolumigen Einführung rein elektromotorischer Antriebsstränge werden Hybridantriebe die entscheidende Brückentechnologie darstellen. Der folgende Abschnitt stellt zwei Lösungen von FEV für quer zur Fahrtrichtung eingebaute Antriebsstränge vor.
Bedarfsgerechte Getriebe für P2- und kombinierte Hybride
Abb. 3: P2-Hybrid aufbauend auf der Doppelkupplungsgetriebe-Familie von FEV
>> DIE „POWER-ON-DEMAND-AKTUATORIK“ ERMÖGLICHT VOLL-HYBRIDEN, DAS GETRIEBE UNABHÄNGIG VON DER VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINE ZU BETÄTIGEN
Das in Abb. 3 dargestellte P2-Hybridgetriebe (Parallelhybrid) erweitert den FEV Doppelkupplungsgetriebebaukasten mit Varianten für Eingangsdrehmomente von 150, 250 und 350 Nm für den quer zu Fahrtrichtung eingebauten Antriebsstrang. Sämtliche Getriebe nutzen nasslaufende Doppelkupplungen und ausschließlich bedarfsgerechte Aktuatorik. Die sogenannte „Power-on-Demand-Aktuatorik“ bildet die entscheidende Voraussetzung für Voll-Hybride, um das Getriebe unabhängig von der Verbrennungskraftmaschine zu betätigen. Der P2-Hybrid stellt aus der FEV Erfahrung mit seinen zahlreichen Funktionen eine sehr gute Lösung dar. Auch die hier dargestellte Ausführung auf Basis der 350 Nm-Variante des Doppelkupplungsgetriebebaukastens nutzt bereits auf dem Markt befindliche Getriebeteilsysteme. Die eingesetzte Elektromaschine liefert 50 kW kontinuierliche Leistung sowie 100 kW für eine maximale Dauer von 30 Sekunden. Die für den quer zur Fahrtrichtung eingebauten Antriebsstrang sehr wichtige Getriebebaulänge beträgt 440 mm und kann im Fall einer Sechs-Gang-Variante auf 415 mm verringert werden. Sechs Gänge sind für die meisten Fahrzeuge ausreichend, weil das Elektromaschinendrehmoment quasi aus dem Stand heraus verfügbar ist und die Getriebeübersetzungen damit „länger“ gewählt werden können. Für bauraummäßig sehr anspruchsvolle Fahrzeuge bildet jedoch auch die Sechs-Gang-Version keine Lösung. Deshalb hat FEV ein weiteres Konzept entwickelt, welches die Vorteile eines P2,5- und eines P3-Hybrids kombiniert. Diese Hybridtypen haben den für das „Package“ großen Vorteil einer parallel zum Getriebe angeordneten Elektromaschine (Abb. 4). Der P2,5-Hybrid, die Elektromaschine ist hier an ein Teilgetriebe des Doppelkupplungsgetriebes gekoppelt, besitzt jedoch den Nachteil, dass der Rotor im Fall einer Schaltung zu den von den Gangsynchronisierungen anzusynchronisierenden Massenträgheiten gehört. Die Elektromaschine muss während jeder Schaltung des entsprechenden Teilgetriebes aktiv synchronisieren. Um das zu vermeiden, kann bei dieser Hybrid-Variante die Elektromaschine vom Teilgetriebe entkoppelt werden und mit dem Getriebeabtrieb als P3-Hybrid verbunden werden. Dies geschieht über eine zusätzliche Getriebewelle mit einer Schalteinrichtung. Gegenüber dem P2-Hybrid baut dieser kombinierte P2,5-/P3-Hybrid bei einem Summendrehmoment von 350 Nm gegenüber dem Sechs-Gang P2-Hybrid um 50 mm kürzer.
Abb. 4: Kombinierter P2,5/ P3 Hybrid (auch als 48 V-Variante realisierbar)
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