Die Qual der Antriebstechnik-Wahl: Lösungsansätze für Elektromobilität

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ATE Antriebstechnik und Entwicklungs GmbH & Co. KG

Der Asynchron-Motor wird in der Industrie seit Jahren eingesetzt z.B. in Maschinen, Förderanlagen, Pumpen oder Lüftern und ist dadurch der am meisten verbreitete Drehstrom-Motor. Deshalb ist der Automatisierungsgrad seiner Produktion weit fortgeschritten. Damit einher geht sein wesentlicher Vorteil: Diese Motorart ist sehr preisgünstig. Zudem werden keine Magnete benötigt und hohe Drehzahlen sind möglich. Auch das Problem des Bremsmoments bei Motorkurzschluss besteht nicht. Diese Vorteile werden mit den Nachteilen höheres Leistungsgewicht, geringerer Wirkungsgrad (vor allem im Teillastbereich, also bei kleinen Geschwindigkeiten) und komplexerer Regelung erkauft.

Die richtige Getriebe-Motor-Kombination

Um seinen Kunden die richtige Motor-Bauart anbieten zu können, kooperiert Unitek eng mit verschiedenen deutschen Motoren- und Spezial-Autogetriebe-Herstellern. Insgesamt kann das Unternehmen Regler für alle der fünf genannten Motor-Bauarten anbieten. Darüber hinaus sind die Reglerspezialisten in Forschungsprojekten eng mit Motorherstellern und Universitäten verbunden. „Ich gehe derzeit davon aus, dass sich beim Gros der Elektro-Automobil-Anwendungen Asynchron-Motoren durchsetzen werden, vor allem weil sie dank hohem Automatisierungsgrad in der Produktion sehr kostengünstig herzustellen sind,“ schätzt Körber die zukünftige Situation ein. „Trotzdem unterstützen unsere universellen Motorregler Bamobil und Bamocar bewusst alle Antriebskonzepte mit AC-, EC- oder DC-Motoren.“

Auch bei der richtigen Motor-Getriebe-Kombination muss der Anwender vorab einige Fragen klären. So wird bei direktem Radantrieb (Radnaben-Motor, Doppel-Torquemotor) kein Getriebe eingesetzt, beim mitteldrehenden Motor nur ein Differenzial. Hochdrehende Motoren setzen in der Regel auf ein einstufiges Getriebe mit Differenzial, manchmal sind hier auch zweistufige Schaltgetriebe gefragt. Mit der Wahl einher gehen hier ebenfalls wieder verschiedene Vor- und Nachteile. Getriebelose Motoren beispielsweise verlangen ein hohes Drehmoment bei kleiner Drehzahl und die Motorkosten liegen relativ hoch, dafür entstehen keine Kosten für Getriebe und Differenzial.

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Ein flexibler Motorregler für alle Antriebskonzepte

Ein Motor-Controller setzt die Gleichstrom-Leistung der Batterie in eine Drehstrom-Leistung für den Motor um, dabei übernimmt eine digitale Prozessoreinheit (DSP) die Steuerung. Der Controller überwacht und begrenzt die Regelgrößen auf die zulässigen Motordaten in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen. Dabei kann der Motorregler im einfachsten Fall nur Drehzahl oder Drehmoment steuern. Mit umfangreicherer Software übernimmt er in komplexeren Anwendungen auch weitere Funktionen wie elektrische Rekuperation, Fahrstabilität, Fahrprofile (ECO-Sport), Notlauf-Eigenschaften oder Batterie-Überwachung.

Mit dem Fahrzeug-Bordrechner kommuniziert der Controller dazu über das BUS-System (z.B. CAN). Der mechanische Aufbau und die elektrische Sicherheit müssen den nationalen und internationalen Vorschriften für elektrische Straßenfahrzeuge entsprechen. Betriebsstörungen des Controllers und Motors dürfen zu keinen unkontrollierbaren Zuständen des Fahrzeugs führen.

Unitek beschäftigt sich mit Fahrzeugantrieben seit mehr als 15 Jahren. Für Straßenfahrzeuge werden seit mehreren Jahren Motor-Controller in unterschiedlichen Bauformen angeboten. Zu den Standard-Geräten gehören Bamobil und Bamocar. Bei ihnen reicht der Spannungsbereich bis 700V, der Strombereich bis 400A.

Die Controller sind für den harten Einsatz in hoher Schutzart aufgebaut. Nationale und internationale Vorschriften sind berücksichtigt. Die Motor-Controller eignen sich für Synchron-, Asynchron- und Gleichstrom-Motoren. Leistungsstarke DSP- Prozessoren und umfangreiche Software ermöglichen fortschrittliche Steuerung und Regelung für elektrische Straßenfahrzeuge. Kundenspezifische Sonderbauformen sind auf Anfrage realisierbar.

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Synchron-Motor-Bauformen im Vergleich

Synchron-Standard-Motoren arbeiten in einem Drehzahlbereich bis 8.000 rpm und liefern vom Stillstand bis zur maximalen Drehzahl ein konstantes Drehmoment. Sie finden Verwendung bei direktem getriebelosen Antrieb auf das Differenzial. Synchron-Torque-Motoren haben die gleichen Eigenschaften, arbeiten aber im Drehzahlbereich bis 2.000 rpm und finden besonders bei Radnaben-Antrieben ihren Einsatz sowie bei direkten innen liegenden Radantrieben ohne Getriebe und Differenzial. Der hochdrehende Synchron-Motor erreicht Drehzahlen von bis zu 20.000 rpm. Das Drehmoment ist hier vom Stillstand bis zu einer Drehzahl von 8.000 rpm konstant, die Leistung im Bereich von 8.000 bis 20.000 rpm ebenfalls, allerdings erfordert die Feldschwächenregelung zusätzliche Schutzmaßnahmen gegen generatorische Überspannungen.

Engpass Batterie

Auch bei der Wahl der Batterie spielt der Anwendungsbereich eine wesentliche Rolle. Bei Industrie-Antrieben (z.B. in Flurförderfahrzeugen oder Flugfeldfahrzeugen) werden immer noch Blei-Akkumulatoren eingesetzt. Auch in Elektrobooten, wo das Gewicht keine so große Rolle spielt, finden die schweren, aber preisgünstigen und in Herstellung und Pflege unkomplizierten Blei-Akkus sinnvolle Einsatzbereiche. Ihr Nachteil ist jedoch eine geringe Ladekapazität pro Gewichtseinheit sowie ihre schlechte Umweltverträglichkeit wegen der Verwendung von Blei und Schwefelsäure.

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