Zweigang- und variabelwicklende Systeme steigern die Effizienz von Elektrofahrzeugen
Die stetige Suche nach höherer Leistung und Energieeffizienz in batterieelektrischen Fahrzeugen (BEVs) treibt die Innovation in der Antriebsstrangentwicklung voran. Eine aktuelle Studie von Forschern der Chang’an University und des Zhejiang Institute of Communications hat einen umfassenden Vergleich dreier unterschiedlicher BEV-Antriebssysteme durchgeführt und dabei signifikante Leistungsunterschiede aufgedeckt, die die zukünftigen Entwicklungsstrategien für Fahrzeuge beeinflussen könnten. Die Forschung, veröffentlicht im Chinese Journal of Automotive Engineering, bewertet Ein-Gang-, Zwei-Gang-Automatisierte Mechanische Getriebe (AMT) sowie Antriebssysteme mit einem permanentmagnetischen Synchronmotor (PMSM) mit variabler Wicklung unter identischen Fahrzeugparametern und liefert so eine klare Referenz für die Vor- und Nachteile jeder Konfiguration.
Die Studie adressiert eine entscheidende Herausforderung in der BEV-Branche: das oft konkurrierende Verhältnis zwischen dynamischer Leistung und Wirtschaftlichkeit. Während Ein-Gang-Getriebe aufgrund ihrer Einfachheit, niedrigen Kosten und hohen mechanischen Effizienz zum de-facto-Standard geworden sind, erzwingen sie einen Kompromiss. Ein festes Übersetzungsverhältnis kann nicht gleichzeitig die optimale Beschleunigung aus dem Stand und eine effiziente Höchstgeschwindigkeit gewährleisten. Diese Einschränkung resultiert daraus, dass der Elektromotor über einen weiten Bereich von Drehzahlen und Drehmomenten arbeiten muss. Ein festes Übersetzungsverhältnis bedeutet, dass der Motor häufig außerhalb seiner Spitzenwirkungszone betrieben wird, insbesondere bei städtischen Fahrzyklen mit häufigen Stopps und Beschleunigungen. Folglich geht trotz der inhärenten Effizienz elektrischer Motoren ein erheblicher Teil der Batterieenergie durch suboptimale Motorbetriebszustände verloren, was sich direkt auf die Reichweite des Fahrzeugs auswirkt. Dieser grundlegende Kompromiss hat Automobilhersteller veranlasst, komplexere Antriebsstranglösungen zu erforschen, um jeden möglichen Prozentsatz an Effizienz und Leistung zu gewinnen.
Das Forschungsteam, angeführt von Liu Yongtao von der Chang’an University, wählte einen 4,5-Tonnen-reinen elektrischen Leichtlastwagen als Basisfahrzeug für ihre Analyse. Diese Wahl bietet einen relevanten Fall, da Nutzfahrzeuge strenge Anforderungen an die Nutzlastkapazität und die Betriebsreichweite stellen, was die Effizienz entscheidend macht. Die Studie konzentrierte sich auf drei Ein-Motor-Antriebssysteme, um einen fairen Vergleich zu gewährleisten und den Einfluss der Getriebe- und Motorentechnologie zu isolieren. Das erste System ist das konventionelle Ein-Gang-AMT, das ein einzelnes festes Untersetzungsgetriebe verwendet, um den Motor mit den Rädern zu verbinden. Das zweite ist ein Zwei-Gang-AMT, das ein zweigängiges Getriebe integriert, das zwischen einem niedrigeren Verhältnis für hohes Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten und einem höheren Verhältnis für effizientes Cruising bei hohen Geschwindigkeiten wechseln kann. Das dritte System ist ein neuartiger PMSM mit variabler Wicklung, der ein Ein-Gang-Getriebe beibehält, aber über einen Motor mit zwei unterschiedlichen Statorwicklungs-Konfigurationen verfügt, die elektronisch umgeschaltet werden können.
Der Motor mit variabler Wicklung stellt einen anspruchsvollen Ansatz für dasselbe Problem dar. Anstatt das Übersetzungsverhältnis zu ändern, verändert er die fundamentalen elektrischen Eigenschaften des Motors selbst. Im „Vollwicklungs“-Modus ist der Motor für ein hohes Drehmoment bei niedrigen und mittleren Drehzahlen optimiert, ideal für den Start und das Bergauffahren. Im „Halbwicklungs“-Modus wird der Motor neu konfiguriert, um Hochgeschwindigkeitsbetrieb zu ermöglichen, wodurch er eine höhere maximale Drehzahl erreicht und im effizienteren Bereich konstanter Leistung arbeiten kann. Diese Technologie verleiht dem Motor effektiv zwei unterschiedliche Leistungsprofile in einer einzigen physischen Einheit, erweitert seinen Bereich hoher Effizienz und vermeidet dabei die mechanische Komplexität eines mehrstufigen Getriebes. Das Umschalten zwischen den Wicklungen ist so ausgelegt, dass es innerhalb von Millisekunden erfolgt und die Unterbrechung der Leistungsabgabe minimiert.
Um einen strengen und realistischen Vergleich durchzuführen, setzten die Forscher fortschrittliche Optimierungstechniken ein. Sie verwendeten den elitären genetischen Algorithmus und die Theorie der dynamischen Programmierung, um die optimalen Übersetzungsverhältnisse für die Ein-Gang- und Zwei-Gang-AMT-Systeme zu bestimmen. Dieser Prozess beinhaltete die Simulation der Fahrzeugleistung über den China Heavy-Duty Commercial Vehicle Test Cycle (CHTC-LT), einem standardisierten Fahrzyklus, der Stadt-, Vorstadt- und Autobahnabschnitte umfasst. Das primäre Optimierungsziel war die Minimierung des Energieverbrauchs des Fahrzeugs pro 100 Kilometer. Für das Zwei-Gang-System war diese Optimierung besonders komplex, da nicht nur die besten Übersetzungsverhältnisse gefunden werden mussten, sondern auch der optimale Schaltplan – die präzisen Punkte, an denen das Getriebe wechseln sollte, um die höchstmögliche Effizienz aufrechtzuerhalten. Ebenso musste für den Motor mit variabler Wicklung der optimale „Schaltplan“ dafür bestimmt werden, wann zwischen Voll- und Halbwicklungsmodus gewechselt werden soll.
Die Simulationsergebnisse lieferten klare und umsetzbare Erkenntnisse. In Bezug auf die dynamische Leistung, gemessen an der Beschleunigungszeit von 0 auf 50 km/h, erwies sich das Zwei-Gang-AMT-System als klarer Favorit. Es übertraf das Ein-Gang-System um 2,63 %, eine signifikante Verbesserung für ein Nutzfahrzeug. Dieser Vorteil ergibt sich aus der Fähigkeit, ein sehr kurzes Übersetzungsverhältnis im ersten Gang zu verwenden, das die Drehmomentmultiplikation an den Rädern für eine schnelle Beschleunigung maximiert. Die Ein-Gang- und die Motor-mit-variabler-Wicklung-Systeme, die durch ein einzelnes Übersetzungsverhältnis eingeschränkt sind, das auch die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs berücksichtigen muss, können nicht dieselbe Startleistung erzielen. Das System mit variabler Wicklung zeigte eine bescheidene Verbesserung der Beschleunigung um 1,38 % gegenüber dem Baseline-Ein-Gang-System. Dieser Gewinn ist auf die Fähigkeit des Motors zurückzuführen, im Vollwicklungsmodus ein höheres Drehmoment bereitzustellen, was einen leichten Vorteil in der Niedriggeschwindigkeits-Responsivität bietet.
Die Ergebnisse für die Wirtschaftlichkeit malen jedoch ein anderes Bild. Bei der Bewertung des Energieverbrauchs über den CHTC-LT-Zyklus erwies sich das PMSM-System mit variabler Wicklung als das effizienteste und reduzierte den Energieverbrauch um 2,0 % im Vergleich zum Ein-Gang-System. Das Zwei-Gang-AMT-System zeigte ebenfalls eine Verbesserung mit einer Reduzierung des Verbrauchs um 0,6 %. Diese Ergebnisse verdeutlichen einen entscheidenden Unterschied: Das Zwei-Gang-System übertrifft bei der Maximierung der Leistung, während das System mit variabler Wicklung die Effizienz maximiert. Die Fähigkeit des Motors mit variabler Wicklung, den Motor über einen breiteren Geschwindigkeitsbereich in seinen Bereichen hoher Effizienz zu halten, verleiht ihm einen entscheidenden Vorteil bei der Minimierung von Energieverlusten. Das Zwei-Gang-System verbessert die Effizienz, indem es dem Motor ermöglicht, bei einer gegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit im zweiten Gang mit niedrigeren Drehzahlen zu arbeiten, aber dieser Nutzen ist weniger ausgeprägt als der fundamentale Effizienzgewinn, der durch die Technologie mit variabler Wicklung erzielt wird.
Die Studie liefert auch einen direkten Vergleich zwischen den beiden fortschrittlichen Systemen. Während das Zwei-Gang-AMT die beste Beschleunigung bietet, geschieht dies auf Kosten eines höheren Energieverbrauchs. Umgekehrt erreicht das System mit variabler Wicklung den niedrigsten Energieverbrauch, kann aber nicht die dynamische Leistung des Zwei-Gang-Systems erreichen. Das Ein-Gang-System, das als Referenz dient, schnitt in beiden Kategorien am schlechtesten ab und bestätigt so die Einschränkungen eines Antriebsstrangs mit festem Übersetzungsverhältnis. Diese klare Leistungshierarchie bietet wertvolle Anleitung für Fahrzeughersteller. Für Anwendungen, bei denen schnelle Beschleunigung und hohe Leistung an erster Stelle stehen – wie bei hochwertigen Pkw oder leistungsorientierten Nutzfahrzeugen – ist das Zwei-Gang-AMT die optimale Wahl. Der Mehraufwand an Komplexität und Kosten rechtfertigt sich durch den signifikanten Leistungsgewinn. Für Anwendungen, bei denen die Maximierung der Reichweite und die Minimierung der Betriebskosten oberste Priorität haben – wie bei Fernverkehrs-Lieferwagen oder Fuhrparks – bietet das System mit variabler Wicklung den größten Nutzen.
Die Implikationen dieser Forschung gehen über den unmittelbaren Vergleich dieser drei Systeme hinaus. Sie bestätigt die Wirksamkeit des Einsatzes fortschrittlicher Optimierungsalgorithmen wie der dynamischen Programmierung zur Entwicklung von Regelstrategien für komplexe Antriebsstränge. Die Studie zeigt, dass die Leistung eines Systems nicht nur von der Hardware, sondern auch von der Intelligenz ihrer Steuerungssoftware abhängt. Die optimalen Schalt- und Umschaltpläne sind entscheidend, um das volle Potenzial sowohl des Zwei-Gang-Getriebes als auch des Motors mit variabler Wicklung auszuschöpfen. Dies unterstreicht einen wachsenden Trend in der Automobilindustrie, bei dem Software und Steuerungssysteme ebenso wichtig wie der Maschinenbau bei der Definition der Fähigkeiten eines Fahrzeugs werden.
Darüber hinaus trägt die Forschung zur laufenden Debatte über die Zukunft der BEV-Getriebe bei. Während einige Branchenexperten argumentiert haben, dass der große Drehzahlbereich elektrischer Motoren mehrstufige Getriebe überflüssig macht, liefert diese Studie empirische Belege dafür, dass sie greifbare Vorteile bieten können. Die Verbesserung der Beschleunigung um 2,63 % ist ein überzeugendes Argument für ihren Einsatz in Fahrzeugen mit hohen Leistungsanforderungen. Gleichzeitig zeigt der Erfolg des Motors mit variabler Wicklung einen alternativen Weg zu einer verbesserten Effizienz auf, der die hinzugekommene Masse, die Kosten und potenzielle Zuverlässigkeitsbedenken eines mechanischen Getriebes vermeidet. Diese Technologie könnte für Hersteller besonders attraktiv sein, die die Effizienz verbessern möchten, ohne die mechanische Komplexität ihrer Antriebsstränge zu erhöhen.
Die Ergebnisse haben auch wichtige Implikationen für die Kosten-Nutzen-Analyse bei der Fahrzeugentwicklung. Ein Zwei-Gang-AMT-System erhöht die Kosten und Komplexität durch zusätzliche Zahnräder, Synchronisierer und eine anspruchsvollere Steuereinheit. Ein Motor mit variabler Wicklung könnte aufgrund seines komplexeren Statoraufbaus und der Schaltkreise höhere Herstellungskosten haben. Die Ergebnisse der Studie ermöglichen es Herstellern, die Leistungs- und Effizienzgewinne jedes Systems zu quantifizieren und fundierte Entscheidungen basierend auf ihrem Zielmarkt und der Fahrzeuganwendung zu treffen. Beispielsweise könnte die 2,0 %-ige Energieeinsparung des Motors mit variabler Wicklung in eine bedeutende Reichweitensteigerung oder eine Verringerung der Batteriegröße übersetzt werden, was die höheren Komponentenkosten möglicherweise ausgleichen könnte.
Zusammenfassend liefert die Forschung von Liu Yongtao und seinen Kollegen eine robuste und detaillierte Analyse von Antriebssträngen der nächsten Generation für BEVs. Indem sie systematisch ein Ein-Gang-, Zwei-Gang- und ein System mit variabler Wicklung unter identischen Bedingungen vergleichen, haben sie eine klare Leistungsreferenz etabliert. Ihre Arbeit zeigt, dass es keine universelle Lösung für BEV-Antriebsstränge gibt. Die Wahl zwischen einem Zwei-Gang-AMT und einem Motor mit variabler Wicklung hängt vom primären Designziel ab: Maximierung der dynamischen Leistung oder Maximierung der Energieeffizienz. Dieses nuancierte Verständnis ist für Ingenieure und Konstrukteure unerlässlich, während sie die komplexen Abwägungen bei der Entwicklung der nächsten Generation elektrischer Fahrzeuge navigieren, die sowohl leistungsstark als auch effizient sein müssen, um die Anforderungen eines sich schnell entwickelnden Marktes zu erfüllen.
Liu Yongtao, Liu Yongjie, Gao Longxin, Zhou Zijia, Wang Zheng, Chen Yisong, Wang Taiqi, School of Automobile, Chang’an University, Zhejiang Institute of Communications, Chinese Journal of Automotive Engineering, DOI: 10.3969/j.issn.2095-1469.2024.02.10