E-Mobilität

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs ist seit einigen Jahren ein wichtiges Thema in der Automobilbranche. Trotz der politischen Förderung und großer Anstrengungen seitens der Industrie ist der Durchbruch der Elektromobilität bis heute nicht erfolgt. Themen wie Reichweite, Infrastruktur und Kosten stellen weiterhin große Herausforderungen dar.

Am IMS werden unterschiedliche Projekte rund um das Thema Elektromobilität behandelt, die einen Beitrag zur Umsetzung von ökologisch nachhaltiger und für den Nutzer kostengünstiger und alltagstauglicher Mobilität leisten sollen. Dabei werden rein elektrische Antriebssysteme aber auch Plug-In Hybrid- und Range-Extender-Konzepte betrachtet.

In der Forschung am IMS wird Wert darauf gelegt, einerseits den Antriebsstrang zu optimieren, andererseits das System „Fahrzeug“ aber nicht isoliert, sondern im Gesamtkontext mit der Energieerzeugung und des Nutzerverhaltens zu betrachten. So werden zum Beispiel die Potentiale durch Kopplung der Sektoren Verkehr und Energieerzeugung zur Verbesserung der ökologischen Gesamtbilanz untersucht. Andere Projekte fokussieren die Umsetzung neuartiger, effizienter und leistungsdichter Antriebsstrangkonzepte.

Derzeitige Projekte zu diesem Thema:

Zeitraum: 2018 – 2021

Speed4E ist das Folgevorhaben des erfolgreich abgeschlossenen Forschungsprojektes Speed2E. Wie auch bei Speed2E soll ein rein elektrischer Antriebsstrang mit zwei Hochdrehzahlmaschinen konzipiert und entwickelt werden. Die maximale Drehzahl soll hierbei noch einmal von 30 000 auf 50 000 U/min angehoben werden um die Leistungsdichte weiter zu steigern. Eine weitere Besonderheit ist die Mehrgängigkeit eines Teilgetriebes welche durch formschlüssige Schaltelemente realisiert ist. Hierfür wird eine dedizierte Schaltaktorik und Getriebesteuerung entwickelt. Die Integration des Antriebs in ein Fahrzeug wird unter anderem die Bewertung und Optimierung von Schalt- und Fahrkomfort ermöglichen.

Kontakt: Daniel Schöneberger

Abgeschlossene Projekte zu diesem Thema:

Zeitraum: 2017 – 2018

Im Rahmen des öffentlich geförderten Projekts FahrKLang wurde eine Gesamtoptimierungsumgebung für die vergleichende Bewertung der Ökobelastung von Antriebskonzepten entwickelt, die eine belastbare Vergleichsbasis für die Bewertung von Antriebsstrangkonzepten schafft. Ausgangspunkt zur Dimensionierung der zu vergleichenden Antriebskonzepte sind dabei reale Flottenfahrdaten, die das charakteristische Nutzungsverhalten der Fahrer in Deutschland abbilden. Durch spezielle Zyklussyntheseverfahren werden aus den Flottenfahrdaten repräsentative Fahrzyklen erzeugt, welche die umfangreichen Datensätze komprimiert abbilden können. Dies ermöglicht eine recheneffiziente Bewertung von Antriebskonzepten mittels Simulation auf Basis von Realfahrdaten. Eine Optimierungsumgebung wird verwendet, um die optimale Parametrierung des Antriebsstrangs und eine für jede einzelne Variante angepasste Betriebsstrategie zu ermitteln. Die Zielfunktion der Optimierung setzt sich aus den Treibhausgasemissionen über den gesamten Lebensweg der Fahrzeuge zusammen. Für jedes Antriebsstrangkonzept werden durch die optimale Dimensionierung und Bedatung der Komponenten die jeweils minimalen Treibhausgasemissionen ermittelt. Auf diese Weise wird eine belastbare Vergleichsbasis für verschiedene Antriebskonzepte geschaffen. Über zusätzliche technologieneutrale Randbedingungen, wie z.B. eine erforderliche Anfahrsteigfähigkeit, wird die Plausibilität der generierten Fahrzeugparametrierungen sichergestellt. Durch diese Methode wird eine belastbare Vergleichsbasis von Antriebsstrangtechnologien unter variierenden Randbedingungen geschaffen. Dabei wird auf die Auswahl von Stellvertreterfahrzeugen von am Markt verfügbaren Fahrzeugen verzichtet, die üblicherweise zur Festlegung der typischen Komponenteneigenschaften von verschiedenen Antriebsstrangkonzepte herangezogen werden. Da diese Fahrzeuge aber unter diversen und unbekannten Entwicklungszielen, wie der sportlichen Performance oder dem Markenimage entwickelt wurden, ist der Vergleich bezüglich der lebenszyklusbezogenen Treibhausgasemissionen zu hinterfragen. Im FahrKlang Projekt wird als Lösungsansatz hingegen für jedes Betrachtungsszenario die optimale Parametrierung und Betriebsweise aller Antriebsstrangkonzepte für die Reduzierung der Ökobelastung identifiziert, sodass eine gemeinsame Vergleichsbasis der Antriebskonzepte entsteht. Diese Vergleichsbasis stellt das Potential der verschiedenen Antriebsstrangkonzepte zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen dar (das erreichbare Minimum).

Für die Bewertung von Antriebskonzepten werden verschiedene Szenarien externer Einflussgrößen untersucht. Neben einem Szenario für den aktuellen Stand aus 2018 werden auch Entwicklungsszenarien z.B. für den prognostizierten deutschen Strommix oder bzgl. der Batterietechnologie für die Jahre 2030 und 2050 diskutiert. Im Projekt FahrKLang wird eine differenzierte Untersuchung, insbesondere für langstreckentaugliche Fahrzeuge durchgeführt.

Kontakt: Arved Eßer

Zeitraum: 2015 – 2018

Im Vorhaben „Doppel-E-Antrieb mit Range-Extender“ (DE-REX) wurde ein innovatives parallel-serielles Hybrid-Antriebskonzept aufgebaut. Das Antriebskonzept ist dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die zwei vergleichsweise kleinen Elektromotoren als auch der Verbrennungsmotor über ein Getriebe mit den Antriebsachsen des Fahrzeugs verbunden werden können. Das Getriebe ist als automatisiertes Schaltgetriebe – bestehend aus zwei Teilgetrieben mit jeweils zwei Gängen – umgesetzt. Das Antriebskonzept zeichnet sich dabei insbesondere durch hohe Effizienz und zugkraftunterbrechungsfreie Schaltvorgänge aus.

Aufbauend auf den Optimierungsergebnissen aus dem abgeschlossenen Vorhaben Doppel-E-Antrieb wurden im Rahmen des DE-REX-Vorhabens die Elektromotoren und das Getriebe entworfen, gefertigt und anschließend als Gesamtantriebsstrang mit Verbrennungsmotor sowohl am Prüfstand als auch in einem Versuchsfahrzeug in Betrieb genommen. Im Rahmen des Projekts konnten sämtliche Ziele erreicht werden, sodass das Projekt zum 30.06.2018 erfolgreich abgeschlossen werden konnte.

Kontakt: Andreas Viehmann

Weitere Informationen finden Sie auf der Projekthomepage

Zeitraum: 2013 – 2016

Der Elektrifizierung des Antriebsstrangs stehen aus Sicht des Kunden mit Kosten und Reichweite zwei wesentliche Hemmnisse entgegen. Plug-In-Hybridfahrzeuge (PHEV) lösen zwar das Reichweiten-, nicht aber das Kostenproblem, da derzeit auf konventionelle Antriebsstränge aufgesetzt wird, die lediglich um spezifische und damit teure elektrische Komponenten ergänzt werden und folglich einen hohen Preis aufweisen.

Teilvorhaben IMS „Entwurf und Simulation (Betriebsstrategie)“

Die beteiligten Unternehmen und Forschungseinrichtungen hatten es sich zum Ziel gesetzt, mit Hilfe eines modularen und skalierbaren Baukastensystems aufzuzeigen, dass Plug-In-Hybride zu attraktiven Kosten darstellbar sind.

Das Teilprojekt des IMS der TU Darmstadt legte seinen Fokus im Bereich der simulativen Optimierung vor allem auf die Betriebsstrategie.

Das Ziel war es, eine Simulationsumgebung aufzubauen, mit der automatisiert Optimierungen durchgeführt werden können. Ein wichtiger Zwischenschritt ist hierbei die Ermittlung des Kostenreduktionspotentials. Ein weiterer entscheidender Bestandteil ist eine modulare Betriebsstrategie für PHEV, welche eine Vergleichbarkeit der verschiedenen Varianten herstellt. Durch die Simulationen wird u.a. überprüft, inwiefern ein modularer Ansatz der Betriebsstrategie sich auf den Wirkungsgrad auswirkt.

Kontakt: Jean-Eric Schleiffer

Weitere Informationen finden Sie auf der Projekthomepage.

Zeitraum: 2014 – 2017

Das Gesamtziel von Speed2E war die Entwicklung, Optimierung und der Aufbau eines Hochdrehzahl-Antriebsstrangs für die Anwendung in elektrifizierten Automobilen. Eine Steigerung der Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine bietet das Potenzial, die Leistungsdichte der E-Maschine (EM) und die gesamte Effizienz des Fahrzeugs erheblich zu steigern. Bei den heutigen Antriebstopologien elektrifizierter Fahrzeuge sind Drehzahlen bis maximal 15.000 U/min üblich, verwendet werden jedoch meist nur bis zu 10.000 U/min, da die Antriebe mit höheren Drehzahlen im Fahrzeug hinsichtlich Betriebsfestigkeit, Lagerung, Wirkungsgrad und Akustik noch nicht sicher beherrscht werden. So lassen sich durch eine Verdreifachung der Motordrehzahl auf 30.000 U/min gegenüber dem heutigen Standard das Motorvolumen und die Motormasse sowie die Motorkosten um ca. 30% senken und somit die Leistungsdichte, Effizienz und Wirtschaftlichkeit elektrifizierter automobiler Antriebsstränge theoretisch deutlich steigern. Die Projektziele wurden erreicht: Beide Stränge wurden mit 30.000 U/min betrieben und Schaltvorgänge konnten robust und ohne Unterbrechung der Zugkraft durchgeführt werden.

Kontakt: Daniel Schöneberger

Weitere Informationen finden Sie auf der Projekthomepage

Zeitraum: 2010 – 2013 in 2 Abschnitten, z.T. gefördert durch BMWi, begleitet durch die FVA e.V.

Die Entwicklung moderner Fahrzeuge und insbesondere der elektrifizierten Antriebe ist gekennzeichnet durch eine hohe Komplexität und Variantenvielfalt bei steigenden Kundenerwartungen. Im Hinblick auf eine an diese Randbedingungen optimierte Auslegung der Antriebe stehen gesetzliche Anforderungen sowie Lastenheft- und Kundenanforderungen an das Fahrzeug im Vordergrund. Für die Schaffung eines optimalen Fahrzeugkonzepts ist in der Regel nicht die Optimierung der einzelnen Komponenten bezüglich der gestellten Anforderungen zielführend, sondern die ganzheitliche Betrachtung des Fahrzeugsystems erfordert einen komponentenübergreifenden Ansatz.

In diesem Zusammenhang kommt die so genannte EVID-Methode (Electric Vehicle Identification – Identifikation optimaler Antriebsstrangkonfigurationen für Elektrofahrzeuge) zum Einsatz. Das Ziel der EVID-Methode ist es, je eine optimale Antriebsstrangkonfiguration für eine Auswahl von in ihrem Einsatzprofil differierenden Fahrzeugkonzepten (wie z.B. Stadtfahrzeug oder Verteilerfahrzeug im Stadt und Überlandverkehr) zu ermitteln. Bei Variation der Grundparameter (Auslegungsgrößen der Komponenten wie z.B. Ganganzahl, Getriebespreizung, Systemleistung, E-Maschinen-Drehmoment, Batteriekapazität) erfolgt die Identifikation der optimalen Lösung anhand der Kennparameter, welche die Fahrleistungen, die Energiebilanz und die Kosten betreffen und mittels differierender Gewichtungen in einer Bewertungsfunktion berücksichtigt werden. Um eine rechenzeitminimierte Auswertung zu ermöglichen, werden mathematische Modelle (MM) eingesetzt, welche den Wirkzusammenhang aus Grund- und Kennparametern möglichst genau abbilden sollen. Anschließend werden die MM und die Berechnungsmodelle in einem Optimierungsalgorithmus verwendet, um das optimale Konzept, seine Komponenten und die dazugehörigen Grund- und Kennparameterwerte zu identifizieren.

Grafik zur Projektstruktur

Kontakt: Jean-Eric Schleiffer