Was ist ein Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs?

Ein Elektrofahrzeug (EV) beschreibt ein Fahrzeug, das auf elektrische Energie angewiesen ist, um sich fortzubewegen. Diese Energie wird in der Regel entweder von einer Batterie (BEV) oder einer Brennstoffzelle (FCEV) bereitgestellt. Ein EV-Antriebsstrang bezieht sich auf das System in einem Elektrofahrzeug, das elektrische Energie in mechanische Bewegung umwandelt.

Ein EV-Antriebsstrang besteht aus:

• Energiespeichersystem — eine Batterie oder Brennstoffzelle
• Leistungselektronik - Wechselrichter/Wandler mit zugehörigen Bedienelementen
• Eine elektrische Maschine — Energieumwandlungssystem (Elektromotor)
• Ein mechanisches System – ein Getriebesystem

Zu beachten ist, dass ein EV-Antriebsstrang auch die Antriebswelle und ihre mechanischen Teile umfasst. Darüber hinaus erzeugen EV-Antriebsstränge während des Betriebs keine Emissionen, was zu einer umweltfreundlicheren Transportmethode beiträgt.  

Ein Antriebsstrang besteht aus einer Reihe von Komponenten in einem Fahrzeug, die Energie erzeugen und steuern, um das Fahrzeug in Bewegung zu setzen.

Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs) werden zum Standard für Elektrofahrzeuge. Sie machten 2023 70 % des weltweiten Bestands an Elektroautos und 2022 98 % des Umsatzes an elektrischen leichten Nutzfahrzeugen aus, da sie einfacher konstruiert und die Wartungskosten gesenkt wurden.

Ein BEV-Antriebsstrang enthält einen Akkupack zur Speicherung elektrischer Energie, Wechselrichter zur Leistungsumwandlung zum Antrieb von Elektromotoren, einen Elektromotor, der elektrische Energie in mechanische Bewegung umwandelt, auch als Hauptantriebsmaschine bezeichnet, und ein Getriebe, das die Ausgangsleistung vom Motor zu den Rädern steuert.

Im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor (Internal Combustion Engine, ICE), der einen Motor, Kraftstoffeinspritzsysteme und Auspuffsysteme erfordert, ist ein EV-Antriebsstrang eine andere Architektur, die keine Auspuffemissionen und keine ICE-Geräusche erzeugt. Da weniger bewegliche Teile vorhanden sind, ist der Verschleiß geringer und die Wartungskosten sinken, da wartungsintensive Teile wie Zündkerzen und Ölwechsel nicht mehr erforderlich sind. 

Da die Welt nach einer nachhaltigeren Zukunft strebt, sind die Vorteile von Elektroautos bekannt geworden. Während Batterien wichtige Komponenten in Elektrofahrzeugen sind, gibt es eine Reihe von leistungselektronischen Komponenten und Steuerungen, die den Stromfluss hinter den Kulissen regeln.

Tatsächlich ist die Leistungselektronik ein wichtiger Bestandteil von EV-Antriebstrangsystemen. Sie trägt zu einer optimalen Energieumwandlung sowie zum optimalen Betrieb, zur Sicherheit und zur Leistung von Elektrofahrzeugen bei.

Stromerzeugungssysteme in EV-Antriebssträngen

Stromerzeugungssysteme liefern den Strom, der für die Bewegung des Fahrzeugs erforderlich ist.

Akkupack: Der Akku enthält zahlreiche Zellen (typischerweise Lithium-Ionen-Zellen), die als primärer Energiespeicher dienen. Lithium-Ionen-Zellen haben eine hohe Energiedichte und können eine große Menge Energie pro Volumeneinheit speichern. Brennstoffzellen sind eine weitere Art der Energiespeicherung.

Der Akku verfügt außerdem über ein Batteriemanagementsystem (BMS), das Strategien zur Vermeidung von Überladung oder Entladung bietet, um den sicheren Betrieb der Batterie zu gewährleisten.

Onboard-Ladegerät:Das Onboard-Ladegerät wandelt Wechselstrom (AC) von einer externen Ladequelle (dem Stromnetz) in Gleichstrom (DC) um, der in der Batterie gespeichert wird. Das Onboard-Ladegerät kommuniziert mit dem Fahrzeugsteuergerät und der externen Ladestation, um die Stromversorgung zu regeln. Es kann auch Cybersicherheitsfunktionen enthalten.

Stromverteilungssysteme in EV-Antriebssträngen

Stromverteilungssysteme steuern die Stromversorgung von der Stromquelle. Sie enthalten leistungselektronische Komponenten, einschließlich Wechselrichter, die Gleichstrom von der Batterie in Wechselstrom für die Verwendung durch den Motor umwandeln. Verschiedene Topologien der Leistungselektronik können auch zur Leistungssteigerung beitragen, indem sie verschiedene Wechselrichter-Schaltstrategien anbieten, um beispielsweise den Wirkungsgrad zu erhöhen oder ein maximales Drehmoment zu erreichen. 

DC/AC-Wechselrichter (Fahrumrichter): Der DC/AC-Wechselrichter wandelt Gleichstrom von der Batterie in Wechselstrom um und erzeugt die Wechselspannungen, die zur Steuerung der Drehzahl und Beschleunigung des Motors erforderlich sind. DC/AC-Wechselrichter enthalten Insulated-Gate Bipolar Transistor (IGBT) oder Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (SiC MOSFET), die über ein Array von Leiterplatten und/oder Stromschienen verbunden sind. Diese Leistungshalbleiterbauelemente verhalten sich wie Hochgeschwindigkeitsschalter, die hohe Strom- und Spannungswerte für den Elektromotor ein- und ausschalten und so eine sinusförmige Stromkurve simulieren.

DC/DC Wandler: Der DC/DC-Wandler passt den Hochspannungs-Gleichstromausgang der Batterie so an, dass er den Niederspannungs-Gleichstrom liefert, der für die Versorgung von Hilfssystemen wie Beleuchtung, Unterhaltungssystem oder Klimaanlage benötigt wird. Er integriert Leistungselektronik, einschließlich Leistungshalbleitern, Dioden, Kondensatoren und Magnetik. Ein DC/DC-Wandler kann auch in ein Stromversorgungsmodul (Power Delivery Module, PDM) integriert werden, das ein Ladegerät und einen Verteilerkasten umfasst.

Fahrzeugsteuergerät: Das Fahrzeugsteuergerät ist der zentrale Kommunikationspunkt eines Elektrofahrzeugs, der Daten von verschiedenen Systemen, Sensoren und Steuergeräten sammelt und verarbeitet. Es synchronisiert Aktivitäten zwischen dem Onboard-Ladegerät, der Batterie, dem Motor und anderen Systemen.

Stromverteilereinheit: Die Stromverteilereinheit stellt sicher, dass jedes System im Fahrzeug die richtige Menge an Strom erhält. Sie integriert Leistungselektronik wie Schalter, Sicherungen, Relais und gelegentlich Halbleiterbauelemente, um Systemüberlastungen zu verhindern und einen effizienten Betrieb zu ermöglichen.

Firmware und ECUs: Der effiziente und sichere Betrieb von EV-Antriebsstrangkomponenten wird von einer Reihe elektronischer Steuergeräte (Electronic Control Units, ECUs) gesteuert, die über Firmware betrieben werden und einen effizienten Datenaustausch und eine effiziente Datenverarbeitung gewährleisten.

Wärmemanagementsystem: Das Wärmemanagementsystem schützt Batterie und Motor vor extremen Temperaturen und gewährleistet so effiziente und sichere Prozesse in allen Antriebssystemen und Ökosystemen des Elektrofahrzeugs.

Elektromechanische Energieumwandlung in EV-Antriebssträngen

Fahrmotor: Der Fahrmotor ist die Hauptkomponente, die für die Traktion auf der Straße und den Vortrieb des Fahrzeugs verantwortlich ist. Er besteht in der Regel aus:

• Stator: Der stationäre Teil des Motors, der aus magnetisch durchlässigen Stahllamellen mit Kupferspulen besteht, die in Schlitzen umlaufend um den Stator gewickelt sind. 
• Rotor: Der rotierende Teil des Motors, der typischerweise aus magnetisch durchlässigen Stahllamellen mit Permanentmagneten besteht, die strategisch positioniert sind, um die bestmögliche Interaktion mit der Ständerkonstruktion zu ermöglichen und Drehmoment zu erzeugen. Es gibt andere Motortopologien, für die keine Magnete erforderlich sind, z. B. eine Induktionsmaschine, die zur Erzeugung des Drehmoments eine Kurzschlusskäfigkonfiguration anstelle von Permanentmagneten verwendet. 

Wenn Strom durch die Spulen des Stators fließt, induziert er ein rotierendes Magnetfeld. Dieses Feld interagiert mit den Magneten des Rotors (oder dem Käfig des Asynchronmotors), wodurch sich der Rotor dreht und Bewegung erzeugt. Das Gaspedal des Elektrofahrzeugs steuert die Menge und Frequenz des Stroms, der von der Batterie über die Steuersysteme und die Leistungselektronik zum Motor fließt, und steuert so das vom Motor erzeugte Drehmoment.

Die meisten Elektrofahrzeuge sind mit einem Wechselstrommotor ausgestattet (entweder synchron, wie bei bürstenlosen Permanentmagneten, oder asynchron, wie bei Asynchronmaschinen).

Getriebe: Wie bei einem Verbrennungsmotor wird oft ein mechanisches Getriebe benötigt, um die Leistung des Motors an die Anforderungen an den Rädern anzupassen. Ein EV-Getriebe ist in der Regel viel einfacher als das Getriebe in einem ICE-Fahrzeug, da ein Elektromotor ein Drehmoment über einen viel größeren Drehzahlbereich erzeugen kann als ein Verbrennungsmotor und auch ein Drehmoment bei Nulldrehzahl erzeugen kann. Dies bedeutet, dass die Kupplung und der breite Gangbereich, der normalerweise in einem ICE-Getriebe vorhanden ist, nicht erforderlich sind. Elektromotoren sind jedoch in der Regel so konstruiert, dass sie mit einer höheren Drehzahl als die an den Rädern erforderliche Drehzahl drehen, sodass das Getriebe verwendet wird, um die Drehzahl zu verringern und das verfügbare Drehmoment zu erhöhen.

Die meisten Elektrofahrzeuggetriebe haben eine feste Übersetzung, ohne dass zum Ändern der Übersetzung Bauteile erforderlich sind. Mehrganggetriebe können in Hochleistungs- oder größeren kommerziellen Elektrofahrzeugen nützlich sein, um den verfügbaren Drehmoment- und Drehzahlbereich zu erweitern.

Bei einem HEV-Antriebsstrang spielt das Getriebe eine entscheidende Rolle bei der Zusammenführung der Leistung von einem oder mehreren Motoren, wobei konventionelle oder Planetengetriebe zum Einsatz kommen. Je nach Fahrbedingungen arbeitet dieses Getriebe mit den Motoren und dem Motor zusammen, um die Leistung auf die effizienteste Weise zu liefern. Dazu kann der Betrieb des Fahrzeugs ohne laufenden Verbrennungsmotor sowie das Aufladen der Batterie durch Verwendung des Motors und der Motoren im Generatorbetrieb gehören, wenn die Fahrbedingungen geeignet sind.

Das Differenzial ist in Elektrofahrzeugen normalerweise als Teil des Getriebes integriert oder kann je nach Anordnung des Antriebsstrangs auch eine separate Komponente sein.

Es gibt drei Haupttypen elektrifizierter Antriebsstränge, die unterschiedliche Konfigurationen und Funktionen bieten und den unterschiedlichen Bedürfnissen und Vorlieben gerecht werden.

Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs): BEVs, die auch als reine Elektrofahrzeuge bezeichnet werden, beziehen ihre gesamte Energie aus der Energie, die in ihren wiederaufladbaren Akkupacks gespeichert ist. Sie verwenden keine sekundäre Energiespeicherquelle, wie z. B. einen Kraftstofftank.

BEVs müssen von einer externen Quelle aufgeladen werden, und die Reichweite der heutigen Fahrzeuge variiert zwischen 100 und 400 Meilen (etwa 160 bis 640 km). In einigen Fällen ist diese Reichweite bei High-End-Elektrofahrzeugen höher. Beispiele für BEVs sind Tesla Model 3, Nissan LEAF und BMW i3, wobei viele neue Modelle kürzlich auf dem Markt erschienen sind.

Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs): HEVs kombinieren einen Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Antriebsstrang und erzielen im Vergleich zu einem konventionellen ICE-Fahrzeug eine verbesserte Kraftstoffeffizienz und Leistung.

HEVs werden in unterschiedlichem Maße mit Strom versorgt. Hybrid-Elektroautos verfügen über eine Vielzahl von nützlichen Funktionen, wie z. B.:

• Regeneratives Bremsen, das kinetische Energie zurück in elektrische Energie zur Speicherung in der Batterie umwandelt (auch gemeinsam mit BEVs)
• Start-Stopp-Systeme, die den Motor im Leerlauf abstellen, wodurch die Emissionen reduziert werden
• Ein elektrischer Generator (mit ICE-Antrieb), der die Batterie auflädt oder den Elektromotor mit zusätzlicher Energie versorgt

Die heutigen HEVs haben eine Reichweite zwischen 400 und 600 Meilen (etwa 640 bis 960 km). Mit Ausnahme von PHEVs werden HEV normalerweise nicht von einer externen Quelle aufgeladen. Beispiele für HEVs sind Ford Fusion Hybrid, Toyota Camry Hybrid und Honda Civic Hybrid.

Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs):PHEVs (eine Unterklasse von HEVs) können von einer externen Quelle geladen werden. Sie verfügen heute über eine Reichweite, die zwischen 20 und 50 Meilen (30 bis 80 km) allein mit Strom variiert, was sie ideal für kurze Städtereisen macht. Bei längeren Fahrten können sich PHEVs auf Benzin oder Diesel verlassen. Beispiele für PHEVs sind Toyota Prius Prime, Chevrolet Volt und Honda Clarity.

Das Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug (FCEV) ist ein vierter Typ von Elektrofahrzeugen. Sie erzeugen elektrischen Strom aus Wasserstoff-Brennstoffzellen statt aus Batterien.

Verbrennungsmotoren sind seit über einem Jahrhundert die wichtigste Energiequelle in Fahrzeugen.

Trotz ihres langjährigen Einsatzes stellen die Verbrennungsmotoren mehrere Herausforderungen dar, nicht zuletzt die Umweltverschmutzung, die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht. Folglich haben Regierungen und Einzelpersonen konzertierte Anstrengungen unternommen, um die Einführung von Elektrofahrzeugen zu fördern.

Zum Vergleich: Hier sind die wichtigsten Unterschiede zwischen Verbrennungsmotor und EV-Antriebssträngen:

Vorteile von EV-Antriebssträngen

Die Vorteile von EV-Antrieben variieren je nach individuellen Fahrgewohnheiten und Vorlieben sowie der Nähe zu einer Ladestation. Hier sind die Hauptvorteile der Antriebsstränge von Elektrofahrzeugen:

• Null Emissionen: Im Zusammenhang mit der Verringerung der Umweltverschmutzung und der Treibhausgase ist der vielleicht wichtigste Vorteil der BEV-Antriebsstränge die Abwesenheit von Auspuffemissionen, die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe verursacht werden, und die Verringerung des CO2-Fußabdrucks über die Lebensdauer des BEV.
• Geringere Lärmbelastung: Neben der Abwesenheit von Treibhausgasemissionen erzeugen BEV-Antriebsstränge auch weniger hörbare Geräusche, was zu einer ruhigeren Umgebung beiträgt.
• Energieeffizienz: BEV-Antriebe sind deutlich energieeffizienter als ICE-Antriebe und wandeln über 80 % der gespeicherten Energie in Bewegung um. Außerdem ermöglichen Funktionen wie regeneratives Bremsen das Recycling von Energie.
• Geringere Wartungskosten: Mit weniger beweglichen Teilen werden die Wartungskosten für Elektrofahrzeuge gesenkt, und die Batterielebensdauer unter idealen Bedingungen und bei ordnungsgemäßer Pflege könnte bis zu 12 Jahre sein. Wie jede andere Batterie verliert sie mit der Zeit ihre Kapazität.
• Niedrigere Kraftstoffkosten: Die Stromkosten für die Stromversorgung eines BEV sind in der Regel niedriger als die Kosten für Benzin oder Diesel für ICE. Laut einer Studie der University of Michigan kostet es mehr als doppelt so viel, ein benzinbetriebenes Fahrzeug zu betanken als ein Elektrofahrzeug in den Vereinigten Staaten.
• Niedrigere Gesamtbetriebskosten: Obwohl BEVs in der Regel höhere Anschaffungskosten verursachen, tragen Einsparungen bei Kraftstoff und Wartung zu niedrigeren Gesamtbetriebskosten bei, wodurch sie über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs hinweg kostengünstiger betrieben werden können.

Nachteile von EV-Antriebssträngen

EV-Antriebsstränge weisen auch mehrere Nachteile auf, darunter:

• Kosten: Derzeit erfordern Elektrofahrzeuge aufgrund der höheren Kosten für Komponenten des Antriebsstrangs (vor allem die Batterie) im Voraus höhere Investitionen als ICE-Fahrzeuge.
• Ladezeit: Die Ladezeit der Batterie beträgt je nach Ladekapazität der Ladestation in der Regel zwischen 30 Minuten und mehreren Stunden, im Vergleich zu den wenigen Minuten, die zum Auffüllen des Tanks eines ICE-Fahrzeugs benötigt werden.
• Reichweitenangst der Verbraucher*innen: Derzeit haben BEVs mit einer einzigen Ladung nur eine begrenzte Reichweite. Da die Ladestationen nicht so weit verbreitet sind wie Tankstellen und Batterien länger brauchen, um aufgeladen zu werden, haben Verbraucher*innen Bedenken, lange Reisen mit einem BEV zu unternehmen.

Die Konstruktion des EV-Antriebsstrangs zielt hauptsächlich auf ein effizientes Wärmemanagement und eine größere Reichweite ab. Sie bevorzugen eine höhere Leistungsdichte (Leistung pro Volumeneinheit), wodurch ein empfindliches Gleichgewicht zwischen Stromerzeugung und Wärmeableitung erzielt wird. Fahrleistung, Effizienz und Gesamtleistung von Elektrofahrzeugen können auf Komponenten-, System- und Architekturebene optimiert werden.

Beispielsweise wird die Fahrzeugleistung deutlich verbessert, indem Fahrmodi in die Architektur des Antriebssystems integriert werden, wodurch mehrere Konfigurationen je nach Fahrbedingungen möglich sind.

In die Hardware-Architektur integrierte elektronische Steuergeräte bieten erweiterte Funktionen, z. B. die Umwandlung von Gaspedalbefehlen vom Fahrenden in Anweisungen für Motor und Batterie, die Erfüllung spezifischer Anforderungen wie Beschleunigung von 0 bis 97 km/h und optimaler Energieverbrauch. Diese ECUs werden von Algorithmen wie dynamischer Programmierung oder Strategien zur Verbrauchsminimierung betrieben.

Im Zuge von Elektrifizierung ist der EV-Antriebsstrang eine aufregende Innovation, die mehr Effizienz, Umweltfreundlichkeit und Leistung bietet. Je mehr Verbraucher*innen auf Elektrofahrzeuge umsteigen, desto vielfältiger wird die Vielfalt der auf dem Markt erhältlichen Modelle sein, von SUVs über Luxusfahrzeuge bis hin zu Lkw und mehr.

Ansys steht an der Spitze dieser technologischen Revolution und unterstützt die Weiterentwicklung sauberer Technologielösungen, die die Art und Weise verändern, wie die Welt ihre Energie bestmöglich nutzt.

Ansys ConceptEV®  Software ist eine Design- und Simulationsplattform, die die Leistung des gesamten EV-Antriebsstrangsystems verbessert. Sie ermöglicht funktionsübergreifenden Ingenieurteams, Komponentenmodelle zu verbinden und Anforderungen auf Fahrzeugebene zu bewerten, wodurch eine schnelle und präzise Entscheidungsfindung während des gesamten Entwicklungsprozesses ermöglicht wird und Folgendes integriert wird:

• Multi-Fidelity-Komponentenmodelle
• Integrierte Steuerungsalgorithmen
• Integration mit Tools für das Komponentendesign
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