Mit der Entwicklung neuer, effizienter Elektromotoren mit einem Leistungsspektrum von 5 bis120 kW für Hybrid – und Elektrofahrzeuge unterstreicht der internationale Automobilzulieferer Continental seine führende Position bei der Elektrifizierung des Antriebsstrangs in Personen- und Nutzfahrzeugen.
"Leistungsfähige Elektromotoren sind ein integraler Bestandteil unseres Baukastens aus Leistungselektronik, Batterie und dem System-Know-how zur effizienten Steuerung des elektrischen Antriebs", sagte Jörg Grotendorst, Leiter Business Unit Hybrid & Electric Vehicles, Continental Division Powertrain.
Effiziente Elektromotoren für Antriebskonzepte der Zukunft
In Elektro- und Hybridfahrzeugen kommen überwiegend Dreiphasen-Drehstrommotoren unterschiedlicher Bauartprinzipien zum Einsatz. Der Grundaufbau ist dabei, abgesehen von den getriebeintegrierten Applikationen, häufig gleich: Die Statorwicklung befindet sich meist außen, ihre Aufgabe ist es, mit dem, durch sie hindurchfließenden elektrischen Strom, ein magnetisches Drehfeld zu erzeugen. Im Inneren des Motors befindet sich der Rotor. Bei permanent erregten Elektromotoren (Permanent Magnet Synchronous Machine, PSM) trägt der Rotor Magnete, bei fremderregten Elektromotoren (Synchronous Machine, SM) befindet sich hier eine Erregerwicklung, die erst durch den fließenden Strom magnetisiert wird. Als drittes Bauartprinzip ist die Asynchronmaschine (Asynchronous Machine, ASM) im Einsatz. Der robuste und bewährte Asynchronmotor zeichnet sich durch einfachen Aufbau und niedrige Kosten aus, beansprucht aber vergleichsweise viel Bauraum und erzielt in bestimmten Betriebsbereichen nur einen niedrigen Wirkungsgrad. Asynchronmotoren werden deshalb überwiegend bei kostenoptimierten Hybrid-Systemen zur Unterstützung des Verbrennungsmotors (Boost-Funktion) und bei der Rückgewinnung von Energie beim Bremsen (Rekuperation) eingesetzt. Für Elektroantriebe in Vollhybriden, die auch elektrisches Fahren ermöglichen, oder für reine Elektrofahrzeuge sind die leistungsstärkeren PSM- oder SM-Techniken erforderlich. Continental setzt dabei auf beide Motorentypen.
Die derzeit auf dem Markt überwiegend eingesetzten Motoren mit Permanentmagnet (PSM) verbinden dabei die Vorteile der kompakten Bauform mit einem hohen Wirkungsgrad, zumindest für weite Teile des geforderten Leistungsspektrums. Durch seine kompakte Bauform (geringe axiale Länge) eignet sich dieses Konzept auch für Motoren, die in die Getriebeglocke integriert werden. Als Herausforderungen stellen sich jedoch hohe Schleppverluste bei höheren Drehzahlen, der Aufwand zur Absicherung der Maschine im Fehlerfall sowie Verfügbarkeit und Kosten des Rohstoffs Magnet dar.
Diese Themen stellen sich beim fremderregten Synchronmotor (SM) nicht. Die längere Bauform dieses Motorentyps fällt bei der Anwendung für elektrische Achsantriebe weniger ins Gewicht. Gleichzeitig bietet der SM einen hohen Wirkungsgrad über nahezu alle Betriebszustände. Insbesondere bietet er Vorteile im Bereich höherer Drehzahlen, da hier durch die Erregerstromregelung die Gegeninduktivität reduziert werden kann.
Im Fehlerfall ist die Maschine durch die Abschaltbarkeit des Rotorfeldes leicht abzusichern, es wird keine Spannung im Stator induziert. Continental ist bei der Entwicklung dieses Motorentyps weltweit Technologieführer. Zu seiner Serienpremiere kommt der von Continental entwickelte SM-Motor im kommenden Jahr, wenn die Elektroflotte eines europäischen Großserienherstellers ihre Markteinführung hat.
Durch den Zugriff auf alle drei Motortypen, die durch ihre unterschiedlichen Längen und Bauformen sowie Leistungen individuell an die Ansprüche des Fahrzeugherstellers angepasst werden können, bietet Continental einen modularen und skalierbaren Motoren-Baukasten. Der Einsatz eines hohen Anteils an Gleichteilen in den verschiedenen E-Motor-Typen ermöglicht Kostenvorteile sowie Zeit- und Qualitätsvorteile bei der Entwicklung neuer Systeme.
Umfangreicher Baukasten für die Elektrifizierung des Antriebsstrangs
Continental erwartet für das Jahr 2012 weltweit rund zwei Millionen Hybrid- und Elektrofahrzeuge. Der international operierende Automobilzulieferer reagiert auf diese Dynamik und hat seit vielen Jahren in die Forschung und Weiterentwicklung von Komponenten und Systemen zur Elektrifizierung des Antriebsstranges investiert.
Die Elektromotoren sind dabei nur ein Baustein in der anspruchsvollen Technologie zur Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Continental Powertrain hat die ganze Bandbreite kostengünstiger Antriebskomponenten und Komplettsysteme entwickelt und seit 2003 im Serieneinsatz. Ziel ist eine möglichst schnelle Marktdurchdringung der umweltfreundlichen Technologie.
Kernkomponenten sind unter anderem der Energiespeicher. Diesen hat Continental in Form der seit 2008 serienmäßig weltweit erstmals eingesetzten und in Nürnberg produzierten Lithium-Ionen-Batterie im Portfolio.
Rasante Fortschritte macht auch die Komponente Leistungselektronik. Zu deren Aufgabe gehört es, den Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom für den Elektromotor zu wandeln und umgekehrt die zurück gewonnene Bremsenergie in der Batterie zu speichern. Continental verringert mit seiner neuen Generation der Leistungselektronik den Platzbedarf unter der Haube um rund 30 Prozent. "Erreicht werden konnte dies durch die Verkleinerung der Komponenten, neue Herstellungs- und Fertigungsverfahren und einem insgesamt verbesserten Wirkungsgrad" so Jörg Grotendorst.
Elektroantrieb mit großen Vorteilen im innerstädtischen Verkehr
Für Kurzstrecken in Stadt- und stadtnahen Bereichen werden in Zukunft Elektrofahrzeuge eine wichtige Rolle spielen. "Unsere Motoren bieten eine große Leistungsbandbreite, hohe Effizienz in realistischen Fahrzyklen mit einem Mix aus Stadt- und Überlandfahrten", sagt Grotendorst. Dabei spielt der Elektroantrieb seine Stärke vor allem auf der Kurzstrecke aus, auf der nach Continental Marktstudien rund zwei Drittel aller Fahrten stattfinden. "Elektrisches Fahren wird somit dort am schnellsten an Bedeutung gewinnen", sagt Grotendorst. Aus ökologischer Sicht ergibt der Einsatz von Elektro-, aber auch Hybridfahrzeugen in Ballungsgebieten zusätzliche Vorteile, weil gerade in den Gebieten mit hoher Belastung durch Kraftfahrzeugverkehr unmittelbar vor Ort die Emissionen an Abgasen, aber auch Lärm deutlich reduziert werden können.
