Hohe Leistung ohne Sicherheitseinbußen - ist das möglich?

Traktionsantriebe mit hoher Leistung und sicheren Spannungen: Das schließt sich nach heutigem Stand der Technik anscheinend aus. Entgegen diesem Trend zeigt VOLABO aus Ottobrunn bei München mit ihrem Antriebssystem, dass sich hohe Leistung im Elektrofahrzeug durchaus mit sicheren Spannungen realisieren lässt.

Dieser Beitrag ist zuerst im eMobilJournal 02/2019 erschienen.

Stand der Technik

Im 19. Jahrhundert wurde mit verschiedenen Erfindungen im Bereich der Elektromotoren die Grundlage für die heutige Elektromobilität gelegt. Mit dem Fortschritt der Technik durchlaufen die damals entworfenen Konzepte seitdem fortlaufend Optimierungsschleifen. Diese betreffen, je nach Anwendung, zum Beispiel den Wirkungsgrad, Geräuschentwicklungen, Vibrationen, Kosten oder auch die Fertigung der Maschinen. Vor allem Letzteres gestaltet sich bei der herkömmlichen gewickelten Maschine, trotz der Entwicklung verschiedener Spulenwickeltechniken, heute noch immer sehr aufwendig und kostenintensiv.

Durch die Wicklungen entstehen außerdem Wickelköpfe, die das Blechpaket verkürzen und ausschließlich Verluste generieren (siehe Bild 1). Das verwendete Wickelschema bestimmt die Anzahl der magnetischen Pole. Diese bilden sich mit der Stromspeisung über den Umrichter aus.

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Bild 1: Gewickelter Stator mit Wickelköpfen. (Quelle: VOLABO)

Gefahr durch hohe Spannung

Typische Versorgungsspannungen für den Betrieb von Traktionsantrieben in Fahrzeugen liegen bei 400 bzw. 800 Volt Gleichspannung. Für den Benutzer, Werkstattmitarbeiter und Monteure bedeutet das Gefahr durch mögliche Stromschläge.

Um diese Gefahr zu minimieren, müssen seitens der Hersteller umfangreiche Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden. Die Hochspannungsinfrastruktur im Fahrzeug muss mehrfach abgesichert und geprüft, Wartungs- und Servicemitarbeiter müssen für die Systeme speziell geschult, und für die Herstellung der Hochvolt- Fahrzeuge (HV-Fahrzeuge) müssen speziell geschützte Bereiche in den Fertigungshallen eingerichtet werden.

Dadurch steigen nicht nur die Produktionskosten und damit der Kaufpreis eines Elektrofahrzeugs, sondern auch die laufenden Kosten für den Endbenutzer. Trotz der Maßnahmen bleibt ein Sicherheitsrisiko, das vor allem bei möglichen Autounfällen oder Beschädigungen nicht zu vernachlässigen ist.

Schlichtheit in der Maschine

„Von Anfang an waren wir davon überzeugt, dass hohe Leistungen auch bei sicheren Spannungen möglich sein müssen“, beschreibt Florian Bachheibl, Geschäftsführer der VOLABO, die Motivation für die Neuentwicklung.

Dafür geht das Münchener Start-up von Beginn an neue Wege. Die alten Konzepte werden abstrahiert und so die Komplexität aus der Maschine genommen. Die Kupferwicklungen weichen massiven Aluminiumstäben, die einseitig über einen Kurzschlussring abgeschlossen sind und einen Statorkäfig bilden. Die offene Seite der Aluminiumstäbe wird jeweils durch eine Halbbrücke versorgt. So entsteht ein hochphasiges System, dessen ganzes Potenzial durch eine intelligente Ansteuerung ausgeschöpft wird: Der ISCAD Intelligent Stator Cage Drive (siehe Bild 2).

„Durch dieses radikal neue Konzept eines Traktionsantriebs entstehen ganz neue Möglichkeiten in der Ansteuerung“, berichtet der Leiter der Antriebsregelung, Dr. Andreas Baumgardt. Durch die vielen individuell regelbaren Phasen ergeben sich neue Freiheitsgrade. So muss die Anzahl der magnetischen Pole nicht schon in der Produktion festgelegt, sondern kann während des Betriebs über die Ansteuerung frei gewählt werden. Dadurch lässt sich eine virtuelle Gangschaltung abbilden, die es erlaubt, den Antrieb immer im optimalen Betriebspunkt zu halten (siehe Bild 3).

  • Bild 2: ISCAD der 3. Generation mit offenem Statorkäfig. (Quelle: VOLABO)

    Bild 2: ISCAD der 3. Generation mit offenem Statorkäfig. (Quelle: VOLABO)

  • Bild 3: Polumschaltung während des Betriebs im ISCAD. (Quelle: VOLABO)

    Bild 3: Polumschaltung während des Betriebs im ISCAD. (Quelle: VOLABO)

    Spannung zum anfassen

    Das neue Konzept erlaubt den Betrieb bei Spannungen von 48 Volt ohne Leistungseinbußen. Damit liegt der Traktionsantrieb unter der Berührschutzgrenze und kann auch im Betrieb berührt werden. Trotzdem können  Leistungen bis zu 200 kW abgebildet werden. Durch das niedrige Spannungsniveau ist der ISCAD intrinsisch elektrisch sicher und es entfallen alle Sicherheitsmaßnahmen, die bei konventionellen Antrieben heute zwingend notwendig sind. Damit wird der Antrieb bzw. das Fahrzeug, in dem er verbaut ist, aber nicht nur sicherer, sondern auch günstiger in der Produktion und Haltung.

    Außerdem ist es durch das niedrige Spannungsniveau möglich, simple Niedervoltbauteile zu verwenden und so, trotz höherer Komplexität der Leistungselektronik, kostentechnisch mit herkömmlichen Umrichtern vergleichbar zu bleiben.

    ISCAD im Fahrzeug

    Das erste VOLABO-Testfahrzeug fährt seit Mitte 2018 (siehe Bild 4). Der ehemalige Verbrenner dreht nun geräuschlos seine Runden auf einer Teststrecke im Süden von München. Unter der Motorhaube befindet  sich  ein ISCAD-Prototyp der 3. Generation. Doch dort befindet sich nicht nur der 110 kW starke Traktionsantrieb sondern auch die Hälfte der verbauten 48-Volt-Batterie. Die andere Hälfte der Batterie befindet sich an der Stelle des Dieseltanks im Unterboden. Bei aktuellen Elektrofahrzeugen sitzt die Batterie üblicherweise im gesamten Unterboden.

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    Bild 4: Erstes Testfahrzeug mit 110 kW bei 48 V und ISCAD Generation 3. (Quelle: VOLABO)

    Hohe Ströme, die bei den hohen Leistungen durch die niedrige Spannung bedingt sind, haben dann nur einen Weg von ungefähr einem Meter zwischen Batterie und Umrichter. Über den Umrichter werden die Ströme anschließend auf alle Phasen aufgeteilt. Durch diese kurzen Leitungswege können Verluste minimiert werden und bleiben kalkulierbar. Speziell für die Elektromobilität entworfene Karosserien bergen außerdem Potenzial, Leitungswege weiter  zu  verkürzen. Aktuell wird ein zweites Testfahrzeug aufgebaut, das die erste Realisierung übertreffen wird.

    Vielseitige Anwendungsfälle

    Die VOLABO beschränkt sich aber nicht nur auf die Automobilindustrie. Auch für Werkzeuge, Landmaschinen, Industrieanwendungen und viele weitergehende Bereiche wie den Bootsbau ist der neue Ansatz aufgrund der einfachen Fertigung und elektrischen Sicherheit interessant. Im Rahmen von acht Projekten mit verschiedenen Partnern in Europa und China konnte der ISCAD bereits weiterentwickelt und für unterschiedliche Anwendungen optimiert werden.

    Mit der nächsten Generation von Prototypen wird das erste A-Muster angestrebt, um über die Automotive-Qualifikation zur Kleinserie und Serienproduktion zu gelangen. Um diese Ziele zu erreichen, wächst das Team stetig. Adrian Patzak, ebenfalls Geschäftsführer der VOLABO, ist sich jedenfalls sicher: „Mit diesem Team und unserer disruptiven Technologie werden wir die Elektromobilität revolutionieren.“

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