Speed2E

Innovatives Super-Hochdrehzahl-Mehrgang-Konzept für den elektrifizierten automobilen Antriebsstrang für höchste Effizienz und höchsten Komfort

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, Zyklusfahrten konnten durchgeführt werden.

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Im Rahmen des Projekts Speed2E wurde ein neuartiges Antriebsstrangkonzept aus dem Projekt „Doppel-e-Antrieb“ der BMWi-Ausschreibung "Antriebstechnologien für die Elektromobilität" (ATEM) auf Basis von zwei elektrischen Antriebseinheiten und einem Getriebe mit zwei parallelen Teilgetrieben, wobei eines der beiden Teilgetriebe schaltbar ausgeführt wird, betrachtet.

Bei extrem hoch drehenden Antrieben (30.000 U/min) sind besondere Maßnahmen umzusetzen, um den Gesamtwirkungsgrad und das akustische Verhalten des Antriebsstrangs anforderungsgerecht zu optimieren:

  • Verluste in den Dichtkontakten, in den Halbleitern der Leistungselektronik und der Luftströmung spielen eine zunehmend wesentliche Rolle und müssen durch eine sorgfältige Wahl und Auslegung der mechanischen und elektrischen Systeme minimiert werden.
  • Das Durchfahren von Resonanzen der Zahnradstufen ist praktisch unvermeidbar. Die Schwingungsanregung durch den Zahneingriff im Getriebe zusammen mit potentiell hochfrequenten Anregungen durch die elektromagnetischen Kräfte der E-Maschine bzw. durch die Leistungselektronik können ein nicht zu unterschätzendes Hindernis werden. Mit den vorgesehenen Untersuchungen soll Speed2E genau dazu Antworten liefern.
  • Es ist zu klären, inwieweit Induktionsmotoren aufgrund ihrer bei hohen Drehzahlen guten Eigenschaften eine Alternative zu den sonst üblichen permanenterregten Synchronmotoren sind.
  • Die topologische Besonderheit der Mehrsträngigkeit und die Überlastfähigkeit der elektrischen Traktionsmaschine ermöglichen die Untersuchung zugkraftunterbrechungsfreier Gangwechsel auf Basis formschlüssiger Schaltelemente.
  • Ein innovatives Getriebemanagement mit entsprechenden Regelungsstrategien setzt die Potentiale der Komponenten hinsichtlich Akustik und Wirkungsgrad optimal um.
  • Durch die praktische Erprobung der entwickelten Komponenten sind eine direkte Überprüfung der Ergebnisse und ein Vergleich mit bisherigen Antriebssystemen unmittelbar möglich und vorgesehen.

Die Projektziele wurden erreicht. Der Speed2E-Hochdrehzahl-Antriebsstrang (30.000 U/min) wurde erfolgreich entwickelt, optimiert, aufgebaut und in Betrieb genommen. Im Rahmen umfangreicher Funktionstests wurde die Betriebsfähigkeit der Komponenten sowie des Gesamtsystems hergestellt:

  • Erreichung der Maximaldrehzahl von 30.000 U/min und Peak-Leistung von ca. 2x 60 kW an den Hochdrehzahl-EM
  • Schaltungen und Drehmomentübergaben im Getriebe
  • Stabiler Prüfstandsbetrieb
  • Fahrzyklen wurden am Prüfstand gefahren und die Fahrstrategie wurde anhand von Wirkungsgrad-, Akustik-, Schwingungs- und Strommessungen bewertet und optimiert.

Im Ergebnis konnten die erwarteten Vorteile eines Antriebsstranges im Hochdrehzahlbereich gegenüber aktuellen Antriebssträngen mit niedrigerer Betriebsdrehzahl im Wesentlichen nachgewiesen werden:

  • Die Leistungsdichte der EM konnte signifikant erhöht werden.
  • Reduzierung der Masse der Aktivteile um 33 % bezogen auf eine Referenzauslegung und Einsatz kostenintensiver Materialien (z.B. Kupfer, Magnete, …) in der EM-deutlich reduziert.
  • Die Reichweite elektrisch betriebener Fahrzeuge konnte durch die validierte Gewichtsreduktion und die Erhöhung des Systemwirkungsgrades gesteigert werden.
  • Der akustische Komfort wurde von den sehr hohen Drehzahlen (30.000 U/min) und der elektrisch synchronisierten formschlüssigen Schaltung in geringerem Maße als erwartet beeinträchtigt. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass sich Low-Loss-Verzahnungen nicht nur aufgrund ihres guten Wirkungsgrads für Overdrive-Anwendungen eignen, sondern auch weil bei typisch hohen Zähnezahlen und Fahrzeuggeschwindigkeiten die Anregungsfrequenz so hoch ist, dass die Geräuschanregung durch das menschliche Gehör nicht mehr wahrgenommen wird.
  • Eine deutliche Effizienzsteigerung durch intelligente Betriebsstrategien zur Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs konnte gegenüber einem Betrieb mit nur einem Leistungspfad festgestellt werden.

Aktuelles
01.01.2018
Speed4E
Beginn des vom BMWi geförderten Verbundforschungsvorhabens
04.-07.12.2017
16. Internationaler Kongress und Expo CTI Symposium Fahrzeuggetriebe, HEV- und EV-Antriebe
Holistic Investigations on the Innovative High-Speed Powertrain Speed2E for Electric Vehicles
10.-11.10.2017
VDI-Fachtagung Schwingungen 2017
Messung des Anregungsverhaltens eines mehrstufigen Getriebes
17.-22.09.2017
World Tribology Congress 2017
Efficiency optimization and investigation of the lubricant distribution in a high-speed gearbox as part of the Speed2E project
Kontakt
Image Technische Universität München
Lehrstuhl für Maschinenelemente
Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau
Prof. Dr.-Ing. K. Stahl
Image Leibniz Universität Hannover
Institut fur Maschinenkonstruktion und Tribologie
Prof. Dr.-Ing. G. Poll
Image Leibniz Universität Hannover
Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
Prof. Dr.-Ing. B. Ponick
Prof. Dr.-Ing. A. Mertens
Image Technische Universität Darmstadt
Institut für Mechatronische Systeme im Maschinenbau
Prof. Dr.-Ing. S. Rinderknecht