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2022 kann die Marke Opel auf ihr 160-jähriges Bestehen zurückblicken.

1862 gegründet kann die Stellantis-Marke Opel dieses Jahr ihr 160-jähriges Jubiläum feiern.

16:9

Opel feiert 160-jähriges Jubiläum

Die Redaktion der HANSER automotive blickt auf die aus Automotive-Sicht relevanten Ereignisse des Monats April zurück.

Um die Herausforderungen in Hinsicht auf die Megatrends Elektromobilität, Automatisierung und Vernetzung zu erfüllen, sind vermehrt globale Partnerschaften und Übernahmen in der Automobilbranche zu verzeichnen.

Batterien

Energiespeicherung

Simulation

Was im April aus Automotive-Sicht wichtig war

Thomas Reindl und Gerd Winkler von Vitesco Technologies sind für das Co-Development einer neuen Hardware-Generation nach Software-Vorgaben verantwortlich. Sie sagen eine Ära der Supercomputer und der Software-Dominanz im Antrieb voraus.

Zentralisierte Architektur mit Master Controller und Zone Controllern

Ära der Supercomputer und der Software-Dominanz im Fahrzeug-Antrieb | Zukunft der E/E-Architektur | AUTOSAR | Skalierbare Architektur | → Jetzt lesen!

OEM Supplier

hanser-automotive.de

»Die Ära von  Supercomputer  und Software«

Die App-Suite VIRTO öffnet den virtuellen Fahrversuch für Nicht-Simulations-Experten und vereinfacht die Fahrzeugentwicklung.

Kfz-Lenkung

Demokratisierung der Simulation durch VIRTO

Die Redaktion der HANSER automotive blickt auf den Juni 2023 zurück.

Der Juni zeigte sich fast überall meteorologisch von seiner besten Seite ─ wie hier am oberbayrischen Walchensee. Aber auch die automotive-Branche beeindruckte durch Veranstaltungen, Werkseröffnungen und nicht zuletzt mit neuen Technologien für die Mobilität der Zukunft.

Was im Juni aus Automotive-Sicht wichtig war

Volta Trucks ist eine langfristige Kooperation mit ZF als Lieferant von einigen der Kernsysteme und -komponenten des vollelektrischen Volta Zero eingegangen.

Der Volta Zero ist das weltweit erste vollelektrische 16-Tonnen-Nutzfahrzeug, das speziell für den innerstädtischen Warenverkehr entwickelt wurde und die Umweltauswirkungen von Gütertransporten in Stadtzentren reduziert.

ZF stattet Volta Zero aus

Die Schwäbische Werkzeugmaschinen GmbH (SW), Marktführer bei Mehrspindlern, präsentiert auf der EMO 2023 in Hannover, gleich zwei beeindruckende Messeneuheiten.

Mehr Flexibilität, Konnektivität, Modularität und Produktivität – dafür stehen die Bearbeitungszentren von SW.

Wegweisende Innovationen für die Fertigungslösungen von morgen

Auf der Messe IAA Pkw in Frankfurt zeigt ebm-papst vom 12. ¿ 22.9.2019 in Halle 4.1 Stand E13 neue luft- und antriebstechnische Lösungen für Automobilanwendungen. Dazu gehören Pumpen für AdBlue-Additive und Lüfter für die Sitzklimatisierung. 

Orbitalpumpe, die das Additiv AdBlue für die Abgasnachbehandlung in den Katalysator pumpt © ebm-papst 

Elektromechanik 

IAA Pkw 2019: Pumpen und Lüfter von ebm-papst 

Intelligente Motorkomponenten können zukünftig als ¿Frühwarner¿ in Motoren eingesetzt werden, um den Betriebszustand zu überwachen und eine lange Lebensdauer zu gewährleisten. Intelligente Lagerschalen von MAHLE überwachen z.B. Betriebszustände in Echtzeit und die Temperaturzustände im Gleitlager.  

Analyse 

Intelligente Motorkomponenten überwachen Betriebszustände in Echtzeit 

Vom 23. bis zum 25. September findet das vom Fachgebiet Lichttechnik der TU Berlin organisierte ISAL 2019 ¿ das International Symposium on Automotive Lighting 2019 statt, das sich an Ingenieure aus dem Bereich Automobil-Beleuchtung richtet. Dort zeigt Inova Semiconductors erste bereits verfügbare Produkte und Anwendungen auf Basis der ISELED-Technologie.  

Tagung 

Smarte Beleuchtungs-Lösungen für das Automobil 

Sein Sortiment für leichte Nutzfahrzeuge im Bereich der Verschleißteile und Bremshydraulik hat Hella Pagid erweitert. Der Bremssystem-Lieferant für den freien Teilemarkt und Gemeinschaftsunternehmen der Automobilzulieferer TMD Friction und HELLA, bietet mehr als 14.000 Bremsen-Ersatzteile für PKW und leichte Nutzfahrzeuge an.  

Bremssysteme 

Hella Pagid erweitert Sortiment für leichte Nutzfahrzeuge 

Eine neue Generation von Brose Türsteuergeräten soll zukünftig alle Funktionen vom Fensterheber bis zum Kollisionsschutz integrieren. Das All-in-One-Konzept soll Kosten, Bauraum sowie Gewicht sparen und neue Funktionen wie Noise-Cancelling ermöglichen. 

Türelektronik 

All-in-One-Türsteuergeräte  

Mit einer sogenannten ¿Solid State LightingÂŠHigh Definition¿ (SSLÂŠHD) Technologie hat HELLA die Lichtquelle miniaturisiert, sodass nun 15.000 LED-Pixel einzeln ansteuerbar sind. Eine erste Integration der Technologie in einen Hauptscheinwerfer ist bereits erfolgt. Die Lösung soll in den nächsten drei Jahren auf der Straße verfügbar sein.   

Beleuchtung 

Integriertes LED-Lichtsystem 

EDL Rethschulte aus Osnabrück ¿ eine Tochter des Gesamtfahrzeug-Entwicklungsdienstleisters FEV ¿  entwickelt ein Mikro-Linsen-Array für automobile Anwendungen. Damit bietet die FEV Gruppe innovative Lösungen an, die einen direkten Einfluss auf die Wahrnehmung, Sicherheit und Bedienung von Automobilen haben werden.   

Lichtsysteme 

Mikro-Linsen-Array für automobile Licht-Anwendungen 

Skateboard-Architektur mit Radnabenmotoren

Elektrofahrzeuge nutzen in der Regel eine primäre E-Achse, oft in Kombination mit einer sekundären E-Achse, die Motor, Getriebe und Umrichter integriert. Dabei leidet jedoch die Effizienz des Antriebsstrangs bei niedrigen Geschwindigkeiten. Neue Konzepte, wie die Skateboard-Architektur mit Radnabenmotoren, schaffen Abhilfe.

Elektrofahrzeuge nutzen in der Regel eine primäre E-Achse, oft mit einer sekundären E-Achse, die Motor, Getriebe und Umrichter integriert. Dabei leidet jedoch die Effizienz des Antriebsstrangs bei niedrigen Geschwindigkeiten.

Im Zuge der Mobilitätswende werden klassische Autos mit Verbrennungsmotor durch Batterie-Elektrofahrzeuge (BEVs) ersetzt. Für den Antrieb der BEVs kommen derzeit insbesondere integrierte Antriebseinheiten zum Einsatz – auch E-Achsen genannt. Die Einheiten integrieren den Elektromotor, den Umrichter und das Getriebe. Zu den zentralen Systemen in der E-Achse gehört der Traktionsumrichter, da seine spezifischen Eigenschaften die Gesamtleistung und Effizienz des Fahrzeugs stark beeinflussen. Heutzutage ist eine 2-Level B6-Konfiguration gängig, weil weniger Halbleiterschalter erforderlich sind und die Steuerung etabliert ist. Abhängig von den verschiedenen Leistungsklassen und Anforderungen an das Drehmoment der Fahrzeuge kommen Architekturen mit ein oder zwei elektrisch angetriebenen Achsen mit unterschiedlichen Eigenschaften zum Einsatz:

<ul><li>Für die Beschleunigung des Fahrzeugs ist die primäre E-Achse verantwortlich, die den größten Beitrag zum Gesamtwirkungsgrad leistet (Bild 1 A und B), auch dank des Rekuperierens. Aus diesem Grund basiert der Traktionsumrichter in der Regel auf SiC-MOSFETs, da sie im Vergleich zu herkömmlichen IGBTs eine etwa fünf Prozent höhere Reichweite bieten, insbesondere bei Teillast [1].</li><li>Die sekundäre E-Achse trägt dazu bei, die maximalen Drehmoment- und Geschwindigkeitsziele zu erreichen: Ihre Betriebszeit kann auf bis zu 10 Prozent reduziert sein (Bild 1 C). In diesem Fall arbeitet der Umrichter in einem engen Betriebsbereich und basiert hauptsächlich auf IGBTs, weil diese Technologie kostengünstig ist und eine hervorragende Leistung im Volllastbetrieb bietet.</li></ul>

Allerdings erhöht die zweite E-Achse nicht nur die Leistung, sondern auch die Gesamtkosten des Fahrzeugs, weshalb sie nur in höheren Leistungsklassen eingesetzt wird. Zudem ist an der zusätzlichen E-Achse eine mechanische Differenzialkupplung angebracht, die für jedes Rad ein anderes Drehmoment bereitstellt. Aufgrund zusätzlicher Gänge und Getriebeverluste erhöht sich dadurch auch der mechanische Wartungsaufwand und die Verluste.

In den Bildern 1 D bis H sind alternative Antriebsarchitekturen dargestellt: Zusätzlich zu den traditionellen Ein- oder Zweiachsoptionen kann ein dedizierter Umrichter für ein einzelnes Rad vorgesehen werden, wodurch sich die Anzahl der Motoren auf bis zu vier erhöht. Indem jeder einzelne E-Radnabenmotor durch einen eigenen Umrichter angesteuert wird, lässt sich im Vergleich zu einem Differenzialsystem eine höhere Effizienz bei geringerem Wartungsaufwand erzielen.

Bild 1 G zeigt eines der verbreitetsten Konzepte: eine E-Achse für die hinteren Räder und zwei Radnabenmotoren für die beiden Vorderräder. Das Konzept mit vier Radnabenmotoren (In-Wheel Motor; IWM, Bild 1 H) ist ebenfalls geeignet, um eine intrinsische AWD-Konfiguration zu erreichen.

Durch den Einbau eines Elektromotors in die Radnabe kann jedes Rad direkt angetrieben werden, ohne dass ein Getriebe erforderlich ist. Die vier Antriebseinheiten fügen sich als jeweils einzelne „Corners“ in die neue Partitionierung der Fahrzeuge ein. Die Steigerung der Effizienz und die Senkung der Gesamtbetriebskosten des Fahrzeugs sind die Hauptgründe für den Wechsel zu IWM.

Abhängig von den unterschiedlichen IWM-Anforderungen und -Technologien sind drei Konfigurationen möglich:

<ul><li>Inboard-Konfiguration: Motor und Umrichter befinden sich in zentraler Position auf dem Chassis; die direkte Verbindung zum Rad erfolgt über eine Gelenkwelle.</li><li>Radnahe Konfiguration: Motor und Umrichter befinden sich am Fahrgestell; die direkte Verbindung zum Rad erfolgt über eine Gelenkwelle.</li><li>Radnaben-Konfiguration: Die kompakteste Lösung, bei der der Motor in die Radnabe eingebaut ist, wobei der Umrichter auf dem Fahrgestell verbleibt oder sogar mit in der Radnabe integriert wird.</li></ul>

IWM verbessern das Fahrverhalten und die Bodenhaftung, weil für jedes Rad Torque-Vectoring-Algorithmen implementiert werden können, um den Wenderadius auf nahezu Null zu reduzieren. Außerdem vergrößern sie den verfügbaren Raum und sorgen für eine bessere Gewichtsverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse, was für zusätzliche Stabilität und besseres Handling sorgt. Allerdings werden mit der Architektur erhebliche Massen in den ungefederten Bereich verschoben. Dadurch werden Fahrstil und Zuverlässigkeit beeinträchtigt, da Unebenheiten oder Vibrationen, beispielsweise bei Bodenwellen, direkt auf das Antriebssystem übertragen werden. Darum muss die Aufhängung eventuell neu konstruiert werden. Eine Möglichkeit, die ungefederten Massen zu reduzieren, ist es, die mechanischen Bremsen an einer Achse zu minimieren oder sogar zu eliminieren, weil im Normalfall die Bremsleistung durch Rekuperation erreicht werden kann.

Um die mechanische Robustheit der Architektur zu erhöhen, werden manchmal dreiphasige bürstenlose Radialflussmotoren anstelle von Axialflussmaschinen verwendet, die von einem 2-Level-Standardumrichter angetrieben werden. Für die Mikromobilität ist eine klassische 48-V-Lösung ausreichend, um mit Niederspannungs-MOSFETs im Antriebsumrichter etwa 20 kW pro Rad zu liefern. Ein solches System kann jedoch nicht mit Luft gekühlt werden, denn wenn das Fahrzeug nach einem hohen Lastfall anhält, fehlt der Luftstrom, der für die Kühlung des Umrichters besonders wichtig ist. Für höhere Leistungsklassen ist daher eine Flüssigkeitskühlung erforderlich. Doch die Integration des Kühlkreislaufs in die Nabe stellt zusätzliche Anforderungen an das mechanische Design. Die maximale Leistung für Nutzfahrzeuge beträgt mehr als 100 kW pro aktivem Rad. Für Anwendungen mit höherer Leistung liegt die gängigste Batteriespannungsklasse bei rund 400 V, was mit den heutigen Standard-Ladegeräten kompatibel ist. Architekturen mit höheren Batteriespannungen von bis zu 800 V sind für schwere Nutzfahrzeuganwendungen nützlich, bieten aber ansonsten kaum zusätzliche Vorteile. Die Schaltspannungsklasse reicht von 650 bis 750 V – hier werden SiC-MOSFETs den IGBTs vorgezogen, um die Verlustleistung zu minimieren. Dafür ist außerdem ein Leistungsmodul mit geringem Wärmewiderstand und niedriger Induktivität notwendig. Besonders geeignet ist ein doppelseitiges Kühlgehäuse, beispielsweise das HybridPACK DSC von Infineon mit CoolSiC G2 (Bild 2).

IWM sind der Ausgangspunkt für eine Adaption der Wertschöpfungskette und ermöglichen neue Geschäftsmodelle für den gesamten Bereich der Elektromobilität. Die Skateboard-Architektur bietet erweiterte Freiräume der Fahrzeuggestaltung und Nutzung. Normalerweise werden klassische Plattformen von den jeweiligen Automobilherstellern als Baukastensystem den jeweiligen Anforderungen angepasst. Die Verantwortung bei Anwendungen wie Brems- und Antriebssysteme liegt dabei bei den Automobilherstellern. Im Gegensatz dazu ist eine Skateboard-Architektur unabhängig von der Entwicklungsarbeit des jeweiligen Automobilherstellers. Stattdessen liegt der Fokus auf den vom Systemintegrator entwickelten elektrischen Antriebskonzepten, zu denen die Räder und das flache Batteriepack gehören. Modulare Designs von Skateboard-Anbietern bieten ein hohes Maß an Flexibilität, was wichtig ist, um unterschiedliche Anforderungen an das Fahrzeug-Layout zu erfüllen (Bild 3).

Alle wichtigen Bewegungsabläufe des Fahrzeugs wie Federung, Lenkung, Antrieb und Bremsen sind nicht bestimmten Bereichen zugeordnet, sondern werden von den intelligenten Aktuatoren in den „Corners“ übernommen. Der Skateboard-Integrator stellt somit alle Vehicle Motion (VMO)-Merkmale und -Eigenschaften bereit, inklusive Antriebsmotor, Bremse, Dämpfung und Lenkung, bis hin zu einer kompletten, fahrbaren Basisplattform. Die Designs verhalten sich in Bezug auf Sicherheit und Aufprallverhalten anders als Standardplattformen, darum bieten die Skateboard-Hersteller an, dass sie das Batteriepack qualifizieren. Der Automobilhersteller ist anschließend nur noch für die endgültige Kalibration und Anwendung verantwortlich.

Eine weitere Besonderheit von Skateboard-Konzepten ist die By-Wire-Technologie, wie Steer-by-Wire, also die Steuerung von Aktuatoren ohne direkte mechanische Verbindung zum Anwender. Die Technologie ist ausschlaggebend für das autonome Fahren bis Level 5, damit beispielsweise Fehlfunktionen erkannt und vermieden werden können. Außerdem ermöglicht sie, dass Fahrzeug und Insassen sicher am Ziel ankommen.

Funktionale Sicherheit in einer Skateboard-Architektur

Antriebssysteme müssen jederzeit verhindern, dass ein falsches oder unbeabsichtigtes Drehmoment auf ein Rad übertragen wird. Tritt ein zufälliger Fehler an einem einzelnen Umrichter in einer Einzel-E-Achs-Architektur auf, kann dieser innerhalb des Fehlertoleranzzeitintervalls (FTTI) – beispielsweise 100 ms – in den sogenannten sicheren Zustand übergehen. Abhängig von den Bedingungen, unter denen der Fehler aufgetreten ist, und den Strategien des Systemintegrators für die funktionale Sicherheit kann es sich dabei um einen Freilauf (Motorwicklungen „offen“) oder einen aktiven Kurzschluss handeln.

Ein Vorteil der Skateboard-Architektur mit vier IWM ist die inhärente Redundanz, wenn ein einzelner Umrichter defekt ist: Das betroffene System und das System in derselben Achse werden von der Sicherheits-Software im FTTI in denselben sicheren Zustand versetzt. Da die anderen IWMs weiterhin betriebsbereit sind, kann das Fahrzeug auf diese Weise mit reduzierter Leistung nach Hause oder in die nächste Werkstatt fahren.

Infineon kombiniert diverse Produkte für Traktionsumrichter, die ein starkes Sicherheitskonzept ermöglichen und gleichzeitig den Entwicklungsaufwand und Kosten reduzieren. Für die Umsetzung sicherer Skateboard-Architekturen stehen Entwicklern eine Serie von Stromsensoren (TLE947x), eine neue Generation von isolierten Hochspannungstreibern EiceDRIVER 1EDI30xx sowie die Aurix TC3x- und TC4x-Familie mit proprietären PMICs zur Verfügung. Darüber hinaus bietet der Infineon-Chipsatz die wichtigsten Merkmale eines ASIL-konformen Umrichter-Designs. (eck)

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Giovanni Parrino ist System Application Engineer für automotive Traktionsumrichter bei Infineon.

[1] Ajay Poonjal Pai; et al: Efficiency Investigation of Full-SiC versus Si-based Automotive Inverter Power Modules at Equal Commutation Speed. VDE, 2018.

Infineon Technologies AG  

Bild 1: Mögliche Motorkonfigurationen in einem Personenwagen 

Bild 2: Mit dem HybridPACK DSC auf Basis  der CoolSiC G2-Technologie kann eine hohe Leistungsdichte erreicht werden.  

Bild 3: Verschiedene Anwendungsfälle für ein und dieselbe Skateboard- Architektur

Giovanni Parrino ist System  Application Engineer für automotive Traktionsumrichter bei Infineon.   