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Fraunhofer IISB entwickelt Achsantriebssystem für Elektrofahrzeuge

Das neuartige integrierte Achsantriebssystem für Elektrofahrzeuge ist flexibel für die unterschiedlichsten Mobilitätsanwendungen einsetzbar. Es soll sich für Bussysteme wie die Auto-Tram über Kleintransporter bis hin zu Elektro-Sportwagen eignen. Mit dieser Entwicklung erweitert das Fraunhofer Institut Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) sein Portfolio an elektrischen Antriebslösungen, denen allen gemein ist, dass die erforderliche Leistungselektronik vollständig integriert ist. Entstanden ist das System im Rahmen der Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität.

Das neue Antriebssystem besteht aus zwei mechanisch unabhängigen Einzelradantrieben mit integriertem Doppelumrichter und separater feldorientierter Regelung der beiden E-Maschinen, erläutert die Fraunhofer-Gesellschaft. Dadurch besteht die Möglichkeit einer freien Drehmomentverteilung auf beide Antriebsräder der Achse. Insgesamt stehen pro Rad eine Antriebsleistung von 80 kW sowie ein Spitzendrehmoment von 2000 Newtonmeter zur Verfügung. Das Antriebssystem sei achsparallel angeordnet, sitze dabei aber nicht koaxial, sondern off-axis zu den Radantriebswellen. Dieses Design erlaube, viele Bauraumbeschränkungen zu umgehen und den Antrieb flexibel in unterschiedlichste Fahrzeugplattformen zu integrieren.

Die in den Antrieb vollständig integrierte Leistungselektronik wiederum soll nicht nur den Platzbedarf und die Kosten senken, sondern zudem zu einem deutlich verbesserten Verhalten der elektromagentischen Verträglichkeit (EMV) führen. Die direkte Kontaktierung der Phasenanschlüsse der Motoren sowie die Nutzung eines gemeinsamen Kühlmantels für die beiden Motoren und die Leistungselektronik seien nur zwei von vielen Aspekten, die zur Senkung des Materialeinsatzes und der Montagekosten beitragen.

Die Leistungselektronik soll erstmals neuartige Umrichterbausteine nutzen. Mit diesen sei es gelungen, viele konzeptionelle Schwächen heutiger Leistungsmodule zu beseitigen. So seien besonders anwendungskritische Schnittstellen eliminiert worden, was den Systementwicklungsaufwand reduziert, die Montagetechnik vereinfacht und die Zuverlässigkeit erhöht habe. Beispielsweide die Integration des Zwischenkreiskondensators in das Leistungsmodul soll unabhängig von der Einbausituation des Umrichterbausteins eine breitbandig niedrige Impedanz an den Leistungshalbleitern sicherstellen, was wiederum für Robustheit (Überspannungsreserve), Störfestigkeit (EMV-Eigenschaften) und Energieeffizienz (Schaltverluste) essentiell ist. Auch die Ansteuerelektronik und Stromsensorik seien in den Umrichterbaustein integriert.

Sechs dieser Bausteine bilden die beiden Umrichter mit einem Nenn-Phasenstrom von jeweils 300 Ampere. Ein zentrales Steuerboard mit Tri-Core-Prozessor und umfassenden Sicherheitsmerkmalen übernimmt die Regelung der beiden Motoren und die CAN-Kommunikation mit der übergeordneten Fahrzeugsteuerung.

Auch das Thema Energieeffizienz habe ganz im Fokus der Entwicklung gestanden. Es sei darum gegangen, die wertvolle, im Fahrzeug gespeicherte elektrische Energie möglichst vollständig in Antriebsleistung und Reichweite umsetzen zu können: Dazu besitzt die Doppel-Stirnrad-Getriebeeinheit (Untersetzung von 7:1) oberflächenbeschichtete Zahnräder mit reduzierter Zahnflankenreibung. Daneben sind wie es weiter heißte weitere konstruktive Maßnahmen speziell zur Minimierung der lastunabhängigen Getriebeverluste umgesetzt worden. Die Effizienzoptimierung des Gesamtantriebs habe ein tiefes Verständnis des transienten Zusammenwirkens der Komponenten E-Maschine, Frequenzumrichter und Untersetzungsgetriebe erfordert. Simulative Untersuchungen des Antriebsstrangs, die am Fraunhofer IISB durchgeführt wurden, bildeten die Basis für die Auswahl und Auslegung der E-Maschine unter Berücksichtigung der Aspekte Wirkungsgrad, Leistungsdichte und Sicherheit im Fehlerfall. Zum Einsatz kommen speziell entwickelte PM-Synchronmaschinen mit vergrabenen Magneten und einem auf die realen Fahr- beziehungsweise Belastungsprofile hin effizienzoptimierten Wirkungsgradkennfeld.

Die Entwicklung des Achsantriebssystems erfolgte am Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen. An der Modulentwicklung waren die Fraunhofer-Institute IFAM, IKTS, ILT und ISIT beteiligt.

Die Projekte der Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität wurden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Mehr als 30 Fraunhofer-Institute forschten in dem kürzlich abgeschlossenen Verbundprojekt an den zentralen Fragestellungen der Elektromobilität.
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