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Neue Spielregeln für den Antriebsstrang

Elektromobilität: Skalierbares Antriebskonzept, Serie Teil 6
Neue Spielregeln für den Antriebsstrang

Elektromobilität ist nicht mehr nur ein Marketing-Thema. Schon heute ist der Wettbewerbsdruck auf die deutsche Industrie vorhanden. An der RWTH Aachen ist Elektromobilität als Kernthema identifiziert worden. Zahlreiche Institute fokussieren sich auf die neuen Chancen, die die Elektrifizierung des Antriebsstrangs bietet.

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs ist zu einem ernstzunehmenden Trend avanciert. Getragen von staatlichen Förderprogrammen und sich verschärfender Gesetzgebung, fortschreitender Ressourcenverknappung und einem wachsenden Umweltbewusstsein in der Bevölkerung, prognostizieren Branchenexperten für die nahe Zukunft potenzielle Absatzmengen für Elektrofahrzeuge weit über dem Volumen klassischer Nischenmärkte.

Ob und inwiefern diese Prognosen tatsächlich eintreffen werden, hängt neben den zu lösenden technischen Problemen letztendlich von der Preisfähigkeit der Elektrofahrzeuge ab, und damit in großem Maße von den Kosten für die Komponenten des elektrischen Antriebsstranges. Beim StreetScooter-Projekt der RWTH Aachen University steht daher neben der technischen Entwicklung eines Elektrofahrzeugs besonders das Thema Produzierbarkeit und Modularisierung im Vordergrund.
Wesentlicher Neuheitsgrad im StreetScooter-Projekt ist die Entwicklung und Produktion eines stringent an den Anforderungen eines Elektrofahrzeuges ausgerichteten elektrischen Antriebsstranges. Die vorgesehene modulare Produktarchitektur des Antriebsstranges stellt dabei einen maßgeblichen Beitrag dar, die Effizienz sowohl im Entwicklungs- als auch im Produktionsprozess optimal zu erreichen. Modularisierung führt hier nicht nur zu einer Entkopplung der Subkomponenten innerhalb des Produkts, sondern auch zu einer Reduktion des Vernetzungsgrades innerhalb des Entwicklungs- und Produktionsprozesses.
Neben der reinen Technologieentwicklung gewinnt das Thema Produzierbarkeit an Bedeutung. Die Strategie zur Technologieentwicklung für die Elektromobilität musste gestern erzeugt werden – heute muss die Strategie zum Aufbau einer wettbewerbsfähigen Wertschöpfungskette entwickelt werden. Dabei gilt es folgende, Grundsätze zu beachten:
  • Entwicklung von Systemen: Nicht einzelne Komponenten müssen kosten- und funktionsoptimiert sein, sondern ganze technologische Systeme und Produktarchitekturen
  • Integrierte Produkt- und Prozessentwicklung von Beginn an: Reine Technologiekompetenz reicht nicht aus, sondern eine kostenoptimale Produktion muss erreicht werden
  • Aktuelle Branchenstandards erfüllen und neue Standards aufbauen: Um den Prototypenstatus der Komponenten zu verlassen, sind Standards in der Wertschöpfungskette notwendig
Unter dem Motto „Produzierbarkeit“ wird ein produktionsgerechter Baukasten entstehen, aus dem unterschiedliche Leistungsklassen eines elektrischen Antriebs durch Kombination einzelner Module zusammengebaut werden können. Das Produkt- und Produktionskonzept für den Antriebsstrang umfasst sowohl Innovationen, um die Kostenziele zu erreichen als auch um die Kundenakzeptanz mittels Erhöhung der Alltagstauglichkeit zu erhöhen.
Im Bereich der Leistungselektronik stehen ebenfalls die Modularisierung und die Skalierbarkeit im Vordergrund. Somit können verschiedene modulare Antriebskonzepte untersucht werden, die für den Einsatz in Elektromobilen geeignet sind. Hierzu zählen neue Konzepte mit zum Beispiel zwei Antriebsumrichtern (etwa für zwei radnahe Motoren), wodurch eine Minimierung der Zwischenkreiskapazität möglich ist.
Weiterhin sollen verschiedene Konzepte mit und ohne DC/DC-Wandler für die Übertragung der Energie von der Batterie bis zum Antrieb untersucht werden. Durch eine variable Anpassung der Zwischenkreisspannung an den Betriebspunkt kann der Wirkungsgrad des Antriebs erhöht werden, indem beispielsweise die Maschine im Blockbetrieb gefahren wird. Die optimale Spannung des Antriebs ist hier von der benötigten Leistung abhängig. Durch den Einsatz von parallelen Leistungselektronikmodulen ist eine weitere Skalierung der Leistung möglich. Die Anpassung an die jeweiligen Anforderungen erfolgt modular. Dadurch können verschiedene Komponenten für verschiedene Fahrzeuge aus gleichen Teilen aufgebaut werden. Dies soll insgesamt die Kosten für Leistungselektronik im Fahrzeug reduzieren (Economy of Scale).
Im Bereich des Motors sollen die Maschinenkenngrößen (beispielsweise Länge, Durchmesser, Windungszahl, Induktivitäten oder ohmsche Widerstände) identifiziert werden, durch deren Änderung ein großer Skalierungseffekt bei Bemessungsdrehzahl oder Bemessungsdrehmoment unter Beibehaltung eines hohen Wirkungsgrades nach der Skalierung ermöglicht wird. Ziel ist eine kundenindividuelle Skalierung der Motorleistung. Fertigungstechnisch soll mit den gleichen Werkzeugen ein um mehrere Kenngrößen veränderter Elektromotor als Variante des Basisdesigns mit gleicher Kennwertgüte produziert werden können.
Prof. Dr.-Ing. Achim Kampker Lehrstuhl für Produktionsmanagement Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen Dipl.-Ing. Dipl. Wirt.-Ing. Tobias Reil Lehrstuhl für Produktionssystematik Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen Dipl.-Ing. Fabian Schmitt Leiter der Geschäftsstelle Elektromobilität, RWTH Aachen
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