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Groschopp entwickelt Antriebsmodul für E-Fahrzeuge

Synchronmotoren
Groschopp entwickelt Antriebsmodul für E-Fahrzeuge

Experten sind sich einig, dass in der Elektromobilität die Zukunft liegt. Jedoch sind die vorhandenen Antriebstechnik-Lösungen für einen flächendeckenden Einsatz oder eine Serienproduktion derzeit noch nicht ausgereift genug. Grund genug, sich der Sache mit vereintem Expertenwissen anzunehmen: Im Rahmen des Verbundprojekts ESKAM entwickelte Groschopp zusammen mit anderen Partnern den Prototyp eines Achsantriebsmoduls für elektrische Fahrzeuge mit einem neuartigen Synchronmotor.

Aleksandar Andric, Produktmanagement Groschopp AG Drives & More, Viersen

In Zukunft werden mehr und mehr Elektroautos auf deutschen Straßen fahren: Die Bundesregierung schafft mit staatlichen Prämien wie dem „Umweltbonus“ finanzielle Anreize für potentielle Käufer von Plug-in-Hybrid- und Elektroautos. Damit kündigt sich eine technologische Zeitwende im Verkehrsbereich an. Bis es soweit ist, muss allerdings noch viel getan werden. Denn eine elektrische Antriebstechnik, die speziell auf die Belange der Automobilindustrie zugeschnitten sein muss, steht bisher nur sehr bedingt zur Verfügung. Diesen Missstand wollen die Mitglieder des Verbundprojekts ESKAM (Elektrische Skalierbare Achsantriebs-Module) unter der Leitung der Groschopp AG beseitigen. Sie haben speziell für elektrische Antriebe von Fahrzeugen ein Antriebsmodul entwickelt, das sich für viele Einsatzszenarien eignet. Inzwischen gibt es einen Interessenten, der mit einem Fahrzeugumbau als Prototyp beginnen will, um dann anschließend eine erste Kleinserie mit diesem Antriebsmodul auszustatten. Im Zuge dieses Projektes werden auch die Möglichkeiten analysiert und beurteilt, eine Serienfertigung zu implementieren. An dem Projekt beteiligt waren sieben mittelständische Firmen, ein Fraunhofer-Institut, eine Hochschule und zwei Fachhochschulen (siehe Infokasten). Bei den Unternehmen handelt es sich um mittelständische Zulieferer, die über langjährige Erfahrungen bei der Herstellung von Komponenten und Systemen in der Automobilproduktion verfügen oder einen Hintergrund in der elektrischen Antriebstechnik vorweisen können. Letzteres trifft vor allem auf Groschopp zu. Die Firma hat im Rahmen des Projekts einen Motortyp entwickelt, um den herum die gesamte Antriebslösung konzipiert ist. „Das Spezialgebiet unseres Unternehmens sind innovative Motoren, Getriebe und Regler mit einem Fokus auf kundenspezifische Systeme“, so Wolfgang Pflug, Vorstand beim Antriebsspezialisten. „Alle unsere Produkte basieren auf eigener Grundlagenforschung. Unsere Entwicklungsabteilung ist direkt bei uns im Haus angesiedelt und verfügt über modernste Tools, einen speziell eingerichteten Musterbau und ein eigenes Labor – beste Voraussetzungen für ein solch spannendes Projekt.“

Ein skalierbares Antriebsachsmodul

Die Aufgabenbereiche aller ESKAM-Mitglieder waren Teile eines Basis-Konzepts: Ein innovativer Elektroantrieb sollte mit einer Achse verbunden werden, so dass ein flexibel skalierbares Achsantriebsmodul entsteht. „Diese Idee ist revolutionär, denn derzeit gibt es für Fahrzeuge mit reinem Elektroantrieb keine Antriebsachsen, die im Hinblick auf das Gesamtkonzept optimiert sind“, erklärt Pflug. Beim ESKAM-Konzept wurden Umrichter, Motoren und Getriebe nicht zuletzt in einem Leichtbau-Gehäuse integriert, um schließlich mit der Achse ein integriertes Achsantriebsmodul zu konstruieren. Dadurch lassen sich Energieeffizienz, Leistung und Wirkungsgrad erhöhen, aber auch Gewicht und Produktkosten senken. Der Einsatz von schnell drehenden Elektromotoren in Kombination mit geeigneten Übersetzungsgetrieben trägt zusätzlich zur Reduktion von Gewicht und Volumen des Systems bei. Das Gehäuse für die Integration des gesamten Antriebes wurde in einer Leichtbau-Gußversion aus Magnesium ausgeführt. Bei ESKAM besteht der Innovationsanspruch für alle verbauten Komponenten. Das gilt auch für das Herzstück des Antriebssystems, den Motor. „Fakt ist, dass die zurzeit am Markt erhältlichen Typen gemessen an der verfügbaren Leistung zu schwer, zu teuer und zu groß sind“, so Pflug. Bislang werden in der Elektromobilität fast immer teuere Synchronmotoren mit Permanentmagneten eingesetzt. Alternativ gibt es auch Lösungen mit größeren permanent erregten Asynchronmaschinen. Diese Motoren haben eine Reihe von Nachteilen, allen voran der Preis. Die Lösung für dieses Dilemma liegt in schnelllaufenden, elektrisch erregten und elektronisch kommutierten Synchronmotoren (EEEK) mit Schenkelpolläufer. Im Rahmen von ESKAM verantwortete Groschopp die Entwicklung und Konstruktion eines solchen Systems.

Auf dem Weg zum ersten Prototypen

Im Zuge des ersten Projektabschnitts entwickelte Groschopp einen Prototypen. Dieser wurde in einen Demonstrator eingebaut, so dass Tests unter realen Einsatzbedingungen durchgeführt werden konnten. Nachdem die konstruktive Planung abgeschlossen war, werden nun im Rahmen eines Folgeprojekts Prozesse entwickelt, um die Motoren kostengünstig in Serie herzustellen. Der EEEK-Synchronmotor erreicht gedrosselt durch die Elektronik eine maximale Abgabeleistung von 35 kW bei einer Drehzahl von bis zu 20.000 U/min. Der Motor wurde so auf die Elektronik abgestimmt, dass bei Testläufen der Artemis-Fahrzyklus auf dem Prüfstand der Hochschule Aalen erfolgreich abgefahren werden konnte. Dieser Zyklus (CADC, Common Artemis Driving Cycle) wurde in einem EU-Projekt entwickelt, um Verbrauch und Schadstoffausstoß von Fahrzeugen realistischer bestimmen zu können. Beim Artemis-Fahrzyklus muss bei einer Drehzahl von 20.000 U/min noch ein Drehmoment von Mn = 10 Nm bzw. Mmax = 55 Nm zur Verfügung stehen. Um dies zu erreichen, wurde der optimale Arbeitspunkt auf 6700 U/min ausgelegt. Der Erregerstrom kann ab diesem Arbeitspunkt langsam abgesenkt werden ohne dass sich die vorgegebene Leistung reduziert.

Tauglich für die Automobilindustrie

Elektrisch erregte Synchronmaschinen kommen in der Antriebstechnik, insbesondere in der Elektromobilität bislang nur selten zum Einsatz. „Deswegen war es so wichtig, dieses innovative Antriebskonzept im Rahmen des Projekts auf seine Tauglichkeit für den Einsatz in Automobilen zu prüfen“, so Pflug. Bei der Entwicklungsarbeit stellten aber auch Aufgaben wie die Energiezuführung über Schleifringe und eine Fluid-Kühlung des Motors die Projektpartner vor technische Herausforderungen. „Die Erreichung des Ziels erschien uns dennoch realistisch. Insbesondere die Diskussion und der Abgleich mit den anderen Netzwerkpartnern war sehr hilfreich“, so Pflug. So konnte im April 2016 nach einer langen Entwicklungsphase der Prototyp eines serienfähigen Antriebsmoduls präsentieren werden. jg

Details zum ESKAM-Verbundprojekt:

http://hier.pro/AaUWx


„Das Spezialgebiet von Groschopp sind innovative Motoren, Getriebe und Regler.“

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