Elektroantrieb | Aufbau, Batterie, Speicher
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Der Elektroantrieb steht im Mittelpunkt der aktuellen Entwicklungen in der Automobilindustrie. Hersteller präsentieren zunehmend innovative Lösungen, die nicht nur die Reichweite verbessern, sondern auch die Ladezeiten verkürzen und die Lebensdauer der Batterien verlängern. Der Beitrag beleuchtet die neuesten Technologien, die den Elektromotor effizienter und nachhaltiger machen.
Inhalt
- Elektromotor Baukasten verzichtet auf seltene Erden
- Edag und Hexagon Purus forschen für flexiblen Hybridspeicher
- Positronen als neues Werkzeug für die Forschung an Lithiumionen-Batterien
- Elektroauto getriebelos und energieeffizient neu formuliert
- HV-Stecker für Elektro- und Hybridfahrzeuge
Elektromotor Baukasten verzichtet auf seltene Erden
03.10.2023 | Mahle hat einen neuen Technologiebaukasten für E-Motoren (Bild oben) entwickelt. Dieser kombiniert die Vorteile seiner SCT- und MCT-Elektromotoren. Diese vereinen dauerhaft hohe Spitzenleistung, kontaktlose und damit verschleißfreie Leistungsübertragung, sie verzichten auf Seltene Erden und bieten höchste Effizienz.
Der kontaktlos arbeitende Magnet-free Contactless Transmitter (MCT) und der ausdauernde Superior Continuous Torque (SCT) Elektromotor sind die jüngsten Innovationen des Automobilzulieferers im Bereich des Elektromotors. Der Verzicht auf Seltene Erden bei der MCT-Technologie macht die Herstellung bietet nicht zuletzt Rohstoffsicherheit. Der Elektromotor ist besonders effizient in fast allen Betriebzahlen. Speziell im realen Straßenverkehr spielt der MCT-E-Motor seine Effizienzvorteile aus.
Ladestecker, Ladekabel | Für das Elektroauto
Der MCT-E-Motor hat eine hohe Haltbarkeit, weil die notwendige Übertragung der elektrischen Ströme zwischen den stationären und rotierendenTeilen im Motorinneren kontaktlos und somit verschleißfrei erfolgt. Somit ist der E-Antrieb wartungsfrei und für viele Anwendungen bestens geeignet.
Ausdauerstärkster Motor für E-Autos
Der SCT-E-Motor stellt den derzeit ausdauerstärksten E-Motor im Programm von Mahle dar. Der Traktionsmotor kann unbegrenzt lange mit hoher Leistung arbeiten. Ein neues Kühlkonzept macht das möglich. Die integrierte Ölkühlung macht den E-Motor nicht nur robust, sondern ermöglicht gleichzeitig auch die Nutzung der entstehenden Abwärme im Gesamtsystem des Automobils. Der Elektromotor ist unerreicht klein, effizient und leicht. Dank extrem kompakter Bauweise werden Materialien gespart und und Gewicht reduziert.
Der MCT-E-Motor hat in einem breiten Drehzahl-/Drehmomentbereich einen hohen Wirkungsgrad. Der SCT-E-Motor hingegen ist so ausgeführt, dass er in den optimierten Hauptbetriebspunkten höchste Wirkungsgrade erreicht. Die hohe Dauerleistung ist eine weitere Stärke des SCT-E-Motors. Diese beträgt 93 bis 100 % seiner Spitzenleistung, wie Messergebnisse belegen. Dieses bislang unerreichte und einzigartige Verhältnis ermöglicht den Einsatz in E-Fahrzeugen aller Art selbst unter sehr anspruchsvollen Bedingungen. Klassische Beispiele sind die Fahrt eines E-Lkw über Gebirgspässe oder wiederholtes Beschleunigen eines batterieelektrischen Pkws. Solche Szenarien decken bisher erhältliche Elektromotoren nur begrenzt ab.
Edag und Hexagon Purus forschen für flexiblen Hybridspeicher
08.07.2020 | Während für den täglichen Weg zur Arbeit im Elektroauto ein Batteriespeicher heute das Mittel der Wahl ist, müssen Langstreckenfahrer trotz Schnellladesäulen längere Zwischenstopps einplanen. Für sie bieten Wasserstoffantriebe Vorteile, weil deren Tanks schnell gefüllt werden können. Edag und Hexagon Purus forschen jetzt zusammen an einem Hybridspeicher, der das Beste der zwei Welten zusammenführt.
Das gemeinsame Forschungsprojekt wird von der Hessenagentur gefördert und ist für 18 Monate Laufzeit angesetzt. Die Edag Group als Engineering Dienstleister für die Automobilindustrie und der Spezialist für Composite-Hochdruckbehälter und -systeme für Fahrzeuge aller Art möchten einen Hybridspeicher realisieren, der die Vorteile beider Antriebe verbindet.
Flexibler Speicher auf dem Fahrzeugboden
Dazu soll ein flexibler Speicher für den Fahrzeugboden entwickelt werden. Darin sollen parallel Batterien und Wasserstoffdrucktanks der neuesten Generation verbaut werden. Der Kunde soll selbst die jeweilige Speicheranzahl individuell konfigurieren. Er wird tägliche Strecken batterieelektrisch und lange Strecken mit Energie aus der Brennstoffzelle fahren, die aus den Wasserstofftanks versorgt wird.
Die Entwicklung basiert auf der von Edag entwickelten, skalierbaren Fahrzeugplattform Scalebase. Sie biete laut Edag große Vorteile für beruflich und privat genutzte Fahrzeuge. Die Austauschbarkeit der Speicher ermögliche zudem die ressourcenschonende Zweitnutzung und erfülle den Nachhaltigkeitsanspruch der beiden Entwicklungspartner.
Positronen als neues Werkzeug für die Forschung an Lithiumionen-Batterien
21.03.2017 | Akkus, deren Kathode aus einer Mischung aus Nickel, Mangan, Kobalt und Lithium besteht, gelten derzeit als die leistungsfähigsten. Doch auch sie haben eine begrenzte Lebensdauer. Schon beim ersten Zyklus verlieren sie bis zu 10 % ihrer Kapazität. Woran das liegt und was gegen den darauffolgenden schleichenden Kapazitätsverlust unternommen werden kann, hat ein interdisziplinäres Wissenschaftlerteam der Technischen Universität München (TUM) mit Hilfe von Positronen nun genauer erforscht.
So genannte NMC-Akkus, deren Kathoden aus einer Mischung aus Nickel, Mangan, Kobalt und Lithium bestehen, haben die herkömmlichen Lithium-Kobaltoxid-Akkus weitgehend vom Markt verdrängt. Sie sind billiger und sicherer und werden deshalb unter anderem für Elektro- und Hybridautos eingesetzt. Doch auch bei ihnen tragen nur wenig mehr als 50 % der Lithium-Atome zur tatsächlichen Kapazität bei. Ließen sich bei der ersten Entladung der an der TU München untersuchten Elektroden noch 62 % der Lithium-Atome aus dem Kristallgitter herauslösen, so kehren beim Wiederaufladen nur noch 54 % zurück.
Bei den darauffolgenden Zyklen ist der Verlust zwar wesentlich geringer, jedoch sinkt die Kapazität schleichend immer weiter ab. Nach einigen Tausend Zyklen ist die Restkapazität dann so gering, dass der Akku unbrauchbar wird.
Eingefangene Positronen zeigen Löcher im Gitter
Untersuchungen anderer Gruppen zeigten, dass beim Laden offenbar nicht alle Lithium-Atome wieder in die passenden Lücken im Kristallgitter zurückfinden. Bisherige Methoden konnten allerdings nicht die dafür verantwortlichen atomaren Prozesse zeigen. Die Lösung brachte, wie so oft, die interdisziplinäre Zusammenarbeit: Irmgard Buchberger, Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Technische Elektrochemie der TU München wandte sich an Stefan Seidlmayer, der am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) an der Forschungs-Neutronenquelle FRM II ebenfalls Akkutechnologien erforscht.
Er vermittelte den Kontakt zu Christoph Hugenschmidt, der am MLZ das Instrument Nepomuc betreut. Es erzeugt Positronen, die Antiteilchen der Elektronen, mit denen sich gezielt nach Löchern in Kristallgittern fahnden lässt. „Als extrem kleine und hoch bewegliche Teilchen können Positronen durch Materialien hindurch fliegen. Treffen sie auf ein Elektron, so enden sie auf der Stelle in einem Energieblitz, finden sie eine leere Stelle im Kristallgitter, überleben sie deutlich länger“, erläutert Markus Reiner, der die Versuche am Instrument Nepomuc durchführte.
Da die Positronen für kurze Zeit in den leeren Gitterplätzen gefangen sind bevor sie schließlich doch zerstrahlen, lassen sich mit der Positronen-Annihilations-Spektroskopie genannten Methode genaue Rückschlüsse auf die lokale Umgebung ziehen – und dies mit einer sehr hohen Empfindlichkeit, denn es lassen sich Fehlstellenkonzentrationen von bis zu 1:10 Millionen detektieren.
Gezielte Materialentwicklung
Die Studie zeigt eindeutig, dass beim Wiederaufladen verbleibende „Löcher“ im Gitter des Kathodenmaterials mit dem irreversiblen Kapazitätsverlust einhergehen und diese Blockade auf die mangelhafte Befüllung der Löcher im Kathodenmaterial zurückzuführen ist. „Nun sind wir als Chemiker wieder an der Reihe“, sagt Prof. Hubert Gasteiger, Inhaber des Lehrstuhls für Technische Elektrochemie. „Mit gezielter Modifikation des Kathodenmaterials können wir nun nach Möglichkeiten suchen, diese Barriere zu umgehen.“
„Für die Batterieforschung ist die Garchinger Forschungs-Neutronenquelle ein extrem hilfreiches Instrument“, sagt Ralph Gilles, der am FRM II die Messungen für das Batterieforschungsprojekt ‚Exzelltum‘ koordiniert. „Mit Neutronen können wir insbesondere kleine Atome wie das Lithium gut sehen, sogar durch die Metallhülle hindurch, bei laufendem Betrieb. Mit den Positronen haben wir nun eine weitere Möglichkeit erschlossen, die Prozesse besser zu verstehen und damit weiter verbessern zu können.“
Die Forschungsarbeiten wurden unterstützt aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projekts Exzelltum. Auch der Betrieb des für die Studie genutzten Coincident Doppler-Broadening Spectrometers wird aus Mitteln des BMBF unterstützt
Elektroauto getriebelos und energieeffizient neu formuliert
24.02.2016 | Mit ‚zu‘ beginnen alle grundsätzlichen Probleme der elektrischen Mobilität: zu geringe Reichweite, zu hohes Gewicht des Fahrzeugs, zu wenig Energie in der Batterie und zu lange Ladezeit. Das 2015 gegründete Unternehmen High Torque Drive Systems schickt sich nun an, alle diese Probleme zu lösen. Mittels einem getriebelosen Direktantrieb möchten die Gründungsmitglieder 450 bis 800 km Reichweite, ein tieferes Fahrzeug-Gewicht, möglichst wenig Leistung und eine flächendeckende Schnell-Ladetechnik bis 2020 in Form einer Serienlösung mit Einzelradantrieb umsetzen und damit den Elektroantrieb neu formulieren.
Drehmoment statt Drehzahl
PS oder kW sind nicht die Messgrößen von HTDS in der elektrischen Mobilität. Die Leistung nimmt mit steigender Geschwindigkeit exponential zu. Dass eine hohe Leistungsabfrage zur schnellen Entladung der Batterie führt, belegen aktuelle elektrische Antriebssysteme mit ihren kurzen Reichweiten. Elektroautos müssen aber mit hoher Effizienz eine möglichst hohe Reichweite haben. Dafür bedarf es neuer Werte und vor allem eines Umdenkens. Die Schwachstelle beim Elektroauto ist der eingeschränkte Aktionsradius, verbunden mit einer langen Ladezeit der Batterie. Es gibt viele Konzepte, diese Nachteile zu verringern. Aber kein System hat dieses bisher vollständig erreicht.
Gewicht, Funktionalität und Effizienz verbessern
Ein Punkt, um diesen Nachteil zu begegnen ist, das Gewicht zu reduzieren. Mit einer kompakten Bauform vergrößert sich der nutzbare Raum im Auto. Mittels hoher Systemintegration sollen die Anzahl der Bauteile markant reduziert werden. Schließlich soll die nötige Flexibilität durch Front- oder Heckantrieb bzw. als 4 x 4 ohne Kardanwelle oder Achse / Differenzialausführung erreicht werden.
Jede Steckdose muss zur Tankstelle werden. Mit dem Synchron Direct Drive lassen sich ABS und ESP bis hin zu Selbstfahrfunktionen integrieren sowie automatische Ausweichmanöver realisieren. Der Fahrspaß kommt nicht zu kurz, denn der Antrieb habe ein überwältigendes Anfahr-Drehmoment.
Durch den Direktantrieb pro Rad gehören die Verluste durch ein Getriebe der Vergangenheit an. Der Fahrsituation angepasster Leistungsbedarf führt zur Reichweitenoptimierung. Dank Rekuperation wird die Verzögerungsenergie des Synchronmotors konsequent zurückgespeist. Für eine noch höhere Reichweite soll der Antrieb mit Brennstoffzelle oder Range Extender kombinierbar sein.
Kettcar für Erwachsene schafft bis zu 200 km Reichweite
Viel Leistung im Betrieb bedeutet hohen Strombedarf. Damit wird die Batterie rasch entladen und die Reichweite nimmt mit hoher Geschwindigkeit rasant ab. Die Antriebe von HTDS laufen extrem sparsam. Im Leerlauf zieht der Motor inklusive Steuerung nur sehr wenig Strom. Es werden Werte erreicht, die mit einem Getriebemotor durch die höhere Reibung im System nicht erreicht werden können. Wirkt eine Last auf den HTDS-Antrieb, erhöht sich der Stromverbrauch proportional. Damit wird nur Energie verbraucht, wenn der Motor belastet wird.
Hohe Polzahl als Grundlage für maximales Anfahrdrehmoment
Zu den bekannten Nachteilen des Elektroantriebs gehören die Getriebe, Geräusche, eine hohe Massenträgheit, Reibungsverluste bis hin zu mechanischen Schäden durch Überlast. Jede Getriebestufe reduziert mechanisch den Wirkungsgrad. Die Hochleistungsmotoren „HTDS-extreme“ basieren auf einer hochpoligen Synchron-Maschine. Eine hohe Pol-Anzahl ergibt ein hohes Anfahr-Drehmoment und eine niedrige Nenndrehzahl. Diese Eigenschaften sind die Voraussetzung für den effizienten Direct Drive.
Die Grundlagen und die Vorteile für Motoren mit transversaler Flussführung kennt die Fachwelt seit vielen Jahren. Universitäten und Antriebsspezialisten sind seit langem von dieser Motorenart begeistert. So wurde bereits 2009 das Grundkonzept dieses Motors von der Fachjury des Network of Automotive Excellence (NoAE) als Antriebssystem der Zukunft ausgezeichnet. Bis heute war jedoch die industrielle Umsetzung das Hauptproblem. High Torque Drive Systems hat sich intensiv mit der Fertigungstechnologie und dem Aufbau des hochpoligen Motors auseinandergesetzt und hat nun eine Lösung für die serienfähige Fertigung gefunden.
Das hohe Anlaufmoment wird bei niedrigen Drehzahlen erzeugt. Die benötigte Batterie-Leistung zum Anfahren ist also klein. Die hohe Wirtschaftlichkeit des Fahrzeugbetriebes steht mit dem Antriebssystem HTDS im Vordergrund. Als Direktantrieb setzt das High Torque Drive System neue Maßstäbe für eine alltagstaugliche und saubere Mobilität.
Weniger Gewicht für höhere Reichweite
Das HTDS-Antriebskonzept verzichtet auf Verbrennungsmotoren, Achsen, Getriebe, Kupplung und Differenzial. Der gewonnene Platz kann damit für die Fahrgastzelle oder den Laderaum genutzt werden. Die Fahrzeuge werden kompakter, kleiner und damit leichter, ohne dass Komfort oder Sicherheit eingeschränkt werden. Das Antriebskonzept leistet damit einen wesentlichen Beitrag zu einer Hauptanforderung für elektrische Fahrzeuge: Weniger Gewicht für eine höhere Reichweite.
Ein weiterer Vorteil des getriebelosen Einzelrad-Antriebs ist der synchrone Lauf. Damit können selbstfahrende Funktionen implementiert werden. Durch präzise Ansteuerung des Direktantriebs über die integrierte Sensorik lassen sich mit aktiven Steuerbewegungen neue Sicherheits-Funktionen wie Ausweichmanöver, Parkvorgänge, Spurhaltefunktionen bis hin zum selbstfahrenden Auto neue Sicherheits-Funktionen verwirklichen. Vorteile wie die Integration von ABS und ESP in der Motorsteuerung oder ein kleineres Bremssystem auf Grund der vorhandenen Motorbremse sind weitere Bausteine für ein kostengünstiges Fahr-System der Zukunft.
Statement auf den Fachpressetagen 2016
HV-Stecker für Elektro- und Hybridfahrzeuge
24.10.2014 | Dräxlmaier präsentiert einen HV-Stecker (High Voltage) für branchenübergreifenden Einsatz wie Automobilindustrie, Schifffahrt oder Bahn- und Schienenverkehr. Der Hochvolt Steckverbinder wurde für Querschnitts-Bereiche von 16 bis 50 mm² in Aluminium- sowie Kupferleitungen entwickelt und erfüllt bei Spannungen bis zu 1000 V und hohem Gleichstrom alle Sicherheitsanforderungen.
So zeigt sich der High Voltage Steckverbinder in einem Bereich von -40 C bis 170 °C als äußerst temperatur- und alterungssbeständig. Beispielsweise liegt bei 83 °C die Stromtragfähigkeit einer 50 mm²-Leitung bei 275 A.
Kompatibel für AK Schnittstellen
Zudem ist der wasserdicht ausgelegte HV-Stecker kompatibel für AK-Schnittstellen und verfügt über eine geschlossene 360°-Kontaktierung sowie langzeitstabile Leiteranschlüsse. Seine Robustheit konnte der HV-Stecker bei Rütteltests auf Schlechtweg- und Hochgeschwindigkeitsstrecken erfolgreich unter Beweis stellen. Der High Voltage Steckverbinder erfüllt die Anforderungen an die Vibrationsfestigkeit nach LV 215. Zusätzlich gewährleistet der HV-Stecker eine sehr gute EMV-Abschirmung. Es gibt ihn in einer zwei- sowie dreipoligen Ausführung mit dazugehörigem Header.
Ab 2015 wird der HV-Stecker in Elektro- und Hybridfahrzeugen zweier deutscher Automobilhersteller eingesetzt.
Quellenangabe: Dieser Beitrag basiert auf Informationen folgender Unternehmen: Dräxelmaier, Edag, Hexagon, HTDS, Mahle, TU München.
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