Neuartige E-Achse für Elektrofahrzeuge der dritten Generation erobert den europäischen Markt
Die EU hat wichtige Zielvorgaben festgelegt, um bis 2030 die CO2-Emissionen von Personenkraftwagen um 55 % und von leichten Nutzfahrzeugen um 50 % zu senken. Um diese Ziele erreichen zu können, muss die Akzeptanz der Elektrofahrzeuge gesteigert werden. Dabei gibt es jedoch einige Schwierigkeiten. Die Entwicklung neuer Komponenten, Systeme und Architekturen für die nächste Elektrofahrzeuggeneration, die den Erwartungen der Endnutzenden in Bezug auf Kosten, Langstreckentauglichkeit und Komfort gerecht wird, stellt eine Herausforderung dar. Deshalb arbeitete das EU-finanzierte Projekt FITGEN an der Entwicklung einer funktional integrierten E-Achse. „Im Einzelnen ging es uns darum, mehrere Schlüsseltechnologien zu konzipieren, als Prototyp zu erstellen und zu erproben, die für die Bereitstellung von Elektrofahrzeugen der nächsten Generation unverzichtbar sind“, erklärt Michele de Gennaro, Koordinator des Projekts. Bei diesen Komponenten handelt es sich um einen neuen Hochgeschwindigkeits-Permanentmagnet-Elektromotor, einen neuen Wechselrichter, ausgestattet mit Siliziumkarbid-Leistungsschaltern der neuesten Generation, um einen hohen Wirkungsgrad zu realisieren, und ein neues, an den Hochgeschwindigkeitsmotor angepasstes Getriebe. „Die Komponenten wurden derart ausgelegt, dass sie physisch und funktional integriert sind, einen gemeinsamen Kühlkreislauf nutzen und in eine neuartige, ausfallsichere 6-Phasen-Stromversorgungsarchitektur eingebettet sind, die einen fahrzeugseitigen Gleichspannungswandler für den flexiblen 400-/800-V-Betrieb nutzt und die superschnelle Aufladung des Fahrzeugs gestattet“, erläutert de Gennaro.
Entwicklung der funktional integrierten E-Achse
Die Ergebnisse von FITGEN lassen die E-Achse zu einem echten Produkt der nächsten Generation werden. Zum einen übertraf sie die ursprünglich angestrebte Motordrehzahl von 18 000 Umdrehungen pro Minute, indem eine maximale Drehzahl von 23 000 Umdrehungen pro Minute erreicht wurde, und sie im Überdrehzahltest bei bis zu 27 600 Umdrehungen pro Minute durchhielt. „Die erreichte Maximaldrehzahl ist 28 % besser als die beste am Markt verfügbare Technologie des Jahres 2022 und lässt es zu, die gravimetrische Leistungsindexmarke von 6 kW/kg zu überschreiten“, betont de Gennaro. Letztere gilt als um ein Drittel besser als der Stand der Technik von 2022. „Diese Leistungen wurden dadurch erreicht, dass nur 1,35 kg NdFeB-Magneten verwendet wurden, d. h. 40 % weniger als im Vergleich zum Stand der Technik, was eine wesentliche Senkung der Nutzung seltener Ressourcen und der Kosten bedeutet“, fügt de Gennaro hinzu. Zudem erreichte der Wechselrichter einen volumetrischen Leistungsindex von 35 kW/l, was einer Verdoppelung gemäß Stand der Technik entspricht, sowie einen Spitzenwirkungsgrad von 99 %. „Abgesehen von diesen komponentenspezifischen Ergebnissen erzielte FITGEN seine beste Leistungen nach dem Einbau. Die E-Achse wurde in einen FIAT 500e integriert und wies einen streckenspezifischen Energieverbrauch von 135 Wh/km im Betrieb mit 400 V und von 123 Wh/km im Betrieb mit 800 V auf und übertraf damit die Referenz in Bezug auf die Energieeffizienz um 10 bis 15 %“, berichtet de Gennaro.
Die FITGEN-Technologien auf den Markt bringen
Das Projektteam geht davon aus, dass die im Rahmen von FITGEN realisierten Technologien zwischen 2025 und 2030 auf den Markt kommen werden. Dabei wird es sich sowohl um eigenständige Teile als auch um Komponenten handeln, die in andere Produkte eingebettet sind oder ein integriertes Produkt darstellen. „Langfristig sehe ich FITGEN als wegbereitend für die gesamte Automobilindustrie“, hebt de Gennaro hervor. In Bezug auf die nächsten Schritte lautet de Gennaros abschließende Einschätzung: „Es gibt jetzt viel zu tun, denn wir sehen FITGEN nur als einen Ausgangspunkt. Aus Sicht des Konsortiums gibt es Anzeichen dafür, dass der FITGEN-E-Motor bald zum Produkt werden könnte, und dass der FITGEN-Demonstrator mit einer 6-Phasen-E-Achse als eine Plattform zur Entwicklung eines ausfallsicheren E-Antriebs-Steuerungsalgorithmus dienen wird, der eine autonome Fahrlogik einschließt.“ Die Projektarbeit und die Ergebnisse erstrecken sich über die Elektrofahrzeugentwicklung und die Auswirkungen auf den Markt hinaus. Eine große Erstausrüstungsfirma der Luftfahrtindustrie hat Interesse am FITGEN-Technologieportfolio für seine Flugzeuglinie für die allgemeine Luftfahrt bekundet.
Schlüsselbegriffe
FITGEN, E-Achse, Elektrofahrzeuge, E-Motor, Wechselrichter, CO2-Emissionen
