Die Kombination von E-Motor und Getriebe optimiert Kosten und verbessert den Wirkungsgrad Getriebe haben auch im E-Fahrzeug eine Zukunft - AutomobilKONSTRUKTION

Die Kombination von E-Motor und Getriebe optimiert Kosten und verbessert den Wirkungsgrad

Getriebe haben auch im E-Fahrzeug eine Zukunft

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Als zentrale Faktoren für den Erfolg oder Misserfolg von Elektroautos gelten Leichtbau und Kosten. Daher wäre es günstig, auf schwere und kostspielige Komponenten zu verzichten. Einer von verschiedenen Streichkandidaten ist das Getriebe.

Der Autor Dr. Rolf Langbein ist freier Mitarbeiter der AutomobilKONSTRUKTION

Anders als beim Verbrenner lässt sich bei der E-Maschine ein hohes Drehmoment über ein weites Drehzahlband abrufen. Und zum Rückwärtsfahren muss lediglich die Drehrichtung der E-Maschine geändert werden. Kann also beim E-Fahrzeug auf ein Getriebe verzichtet werden? „Das E-Auto ohne Getriebe mag theoretisch richtig sein. Praktisch aber ist es keine optimale Lösung“, meint Dr. Ulrich Knödel, Bereichsleiter Elektroauto beim Getriebeentwickler Getrag. Prinzipiell könne zwar auf ein Getriebe verzichtet werden, aber der Einsatz einer E-Maschine mit einem Getriebe mache den gesamten Antrieb kostengünstiger.
Auch Dr. Bernd Vahlensieck, Leiter Vorentwicklung Getriebe bei der ZF Friedrichshafen AG in Friedrichshafen, pflichtet bei: „Wenn ich eine kostengünstige Lösung darstellen möchte, dann braucht ein E-Fahrzeug zum Wandeln von Drehzahl und Drehmoment ein Getriebe.“ Bei einer E-Maschine steigt die Masse mit dem Drehmoment. Somit lasse sich die Leistung (Leistung = Drehmoment x Drehzahl) entweder aus einem hohen Drehmoment mit niedrigen Drehzahlen oder aus hohen Drehzahlen mit moderatem Drehmoment darstellen. „Der letztere Ansatz bietet den Vorteil, dass ich in der E-Maschine Gewicht spare“, betont er, „aber dann brauche ich natürlich höhere Übersetzungen und möglicherweise auch mehr Getriebegewicht.“ Das relativiere sich aber stark durch das Einsparen von Gewicht und Bauraum der E-Maschine. Denn unter Kostenaspekten liege der Kilopreis E-Maschine letztlich höher als der Kilopreis Getriebe. „Wir favorisieren daher für reine E-Fahrzeuge, ein Getriebe zur Darstellung einer hohen Übersetzung einzusetzen“, erklärt Dr. Vahlensiek.
Unter den oben genannten Aspekten halten die Getriebe-Spezialisten den Einsatz von Radnabenmotoren für keine Alternative. Dr. Knödel spricht die Nachteile an: „Wird das Drehmoment direkt am Rad ohne Verwendung eines Getriebes erzeugt, dann brauche ich eine vergleichsweise große und somit schwere E-Maschine.“ Bei Einsatz eines Radnabenmotors müsse man aber mindestens zwei, bei größeren erforderlichen Drehmomenten auch vier E-Maschinen einsetzen. Das bedeute aber zwei- oder viermal Leistungselektronik, entsprechende Verkabelung und unter Umständen den zwei- oder vierfachen Aufwand für die Kühlung der E-Maschinen. Vahlensiek sieht speziell für solche Lösungen in der Leistungselektronik den größten Kostentreiber: „Wenn sich diese verdoppelt oder vervierfacht, rechnet sich das nicht mehr.“
Stichwort: Betriebspunkt
Welche Rolle der Einsatz eines Getriebes bei der Effizienz und der Geschwindigkeit des E-Fahrzeugs spielt, erklärt Knödel so: „Im Verbrennungsmotor sprechen wir oft über das Verbrauchskennfeld und darüber, in welchen Betriebspunkten der Verbrennungsmotor läuft. Mit der Getriebeübersetzung können wir den Betriebspunkt, den Lastpunkt eines Verbrennungsmotors, verstellen und optimieren.“ Das sei bei der E-Maschine nicht anders, denn auch sie habe ein Verbrauchskennfeld, nur werde hier kein Benzin, sondern elektrische Energie verbraucht. „Wenn wir mit einem Getriebe den Betriebspunkt der E-Maschine verstellen, können wir deren Wirkungsgrad verbessern“, erklärt er. Bei nur einer Übersetzung sei das nicht möglich. Mit einer zweiten oder dritten Übersetzung könne man Betriebspunktverschiebungen zur Verfügung stellen, die 5 bis 10 % der Energie einsparen. Das hänge natürlich von der Anwendung, vom Fahrzeug, vom Fahrzeuggewicht, der Leistungsklasse und weiteren Faktoren ab. „Stellen Sie sich vor, Sie können fünf Prozent Batterie sparen, was das geldmäßig bedeutet oder Sie haben fünf Prozent mehr Reichweite, das ist doch ein Argument für den Einsatz von Getrieben“, hebt Knödel hervor. Allerdings gebe es Fahrzeuge, speziell kleinere, bei denen eine Übersetzung durchaus ausreiche. „So schlagen wir zum Beispiel beim Elektro Smart kein 2-Gang-Getriebe vor“, betont er. Bei größeren Fahrzeugen machten aber zwei und je nach Anwendungsfall auch drei Gänge durchaus Sinn.
Den Einfluss eines Getriebes hinsichtlich der Effizienz der E-Fahrzeuge sieht Vahlensiek deutlich niedriger als beim Verbrennungsmotor. Das sei ein Grund dafür, dass es beim E-Fahrzeug auch weniger Getriebe geben werde. Untersuchungen verschiedener E-Maschinentypen hätten gezeigt, dass mit einem 2-Gang-Getriebe gegenüber einem 1-Gang-Getriebe bezüglich der Effizienz gerade mal drei bis fünf Prozent Verbesserung zu erreichen seien. Hier lasse sich also nicht viel holen. „Eine viel wichtigere Rolle für die Frage der Mehrgängigkeit spielt hingegen der gefordert Geschwindigkeitsbereich“, sagt er. „Ein 2-Gang- oder auch 3-Gang-Getriebe spielen aus unserer Sicht in erster Linie dann eine Rolle, wenn die Spreizung zwischen maximaler Zugkraft und der sehr hohen Endgeschwindigkeit groß ist.“ Ein auf Kurzstrecke und Stadtverkehr ausgerichtetes E-Fahrzeug sei bezüglich der Zugkräfte und Geschwindigkeiten nicht so extrem ausgelegt. In diesem Falle spiele ein 2-Gang-Getriebe keine Rolle. „Ein sehr interessantes Gebiet für die E-Mobilität sind aus unserer Sicht aber auch kleinere und mittlere Nutzfahrzeuge“, spricht Vahlensiek einen Bereich an, über den weniger geredet wird. Bei diesen Fahrzeugen könne ein zweiter oder auch dritter Gang durchaus sinnvoll sein.
Dass eine Handschaltung im E-Fahrzeug entfällt, darüber sind sich die beiden Getriebespezialisten einig. Denn der Fahrer sei nicht in der Lage zu beurteilen, welcher Betriebspunkt aus energetischer Sicht das Optimum darstelle, meint Knödel.
Mittelfristig werden überwiegend Verbrennungsmotoren die Mobilität sichern
Angst davor, dass mit dem Aufkommen von E-Fahrzeugen die Kompetenz der Getriebehersteller weniger gefragt sei, und Ihnen Marktanteile verloren gehen könnten, haben weder Getrag noch ZF. „Natürlich bereiten wir uns auf das Thema elektrisches Fahren vor“, sagt Knödel, „aber wir sehen auch noch in mehreren Dekaden konventionelle Antriebe, natürlich optimierte, kostengünstige und hoch effiziente Antriebe, aber auf konventioneller Basis.“ Sicher würden Range Extender und Hybridlösungen in den Markt kommen, aber keiner könne sagen, in welchem Zeitraum das geschehe. „Mittelfristig werden weiterhin überwiegend Verbrennungsmotoren die Mobilität sichern“, ist Vahlensiek überzeugt. Aber schon heute existieren vielfältige Antriebskonzepte nebeneinander, dieser Trend werde sich in Zukunft noch verstärken. Grundsätzliches Ziel sei es daher, die konventionellen Antriebe hinsichtlich Verbrauch und Emissionen weiter zu verbessern und gleichzeitig die Einführung von elektrifizierten und rein elektrischen Antrieben weiter voranzubringen. „Verbrennungs- und Elektromotor stehen dabei nicht im Gegensatz zueinander, sondern ergänzen sich und spielen ihre Vorteile jeweils dort aus, wo es Sinn macht“, erläutert Vahlensiek. Neben der stetigen Weiterentwicklung der bereits im Markt befindlichen Parallelhybridantriebe beschäftigt sich ZF daher auch intensiv mit der Antriebstechnik für Elektrofahrzeuge. Für Fahrzeuge bis zur Mittelklasse zeigt ZF mit einem zentral auf der Achse sitzenden elektrischen Antrieb, wie sich ein Elektroauto mit sehr guten Fahrdynamik-Eigenschaften und größerer Reichweite realisieren lässt. „Wir streben an, auch diese elektrische Maschine – wie bereits bei den Hybridantrieben – und die Leistungselektronik in unser Portfolio mit aufzunehmen“, blickt Vahlensiek in die Zukunft, „dann hat das Gesamtsystem E-Fahrzeug am Ende einen ähnlich hohen Wert wie beispielsweise ein 8-Gang-Automatikgetriebe.“
Ob E-Fahrzeuge überhaupt gekauft werden, das ist für Knödel heute eine Kostenfrage: „Mehr Kosten, geringerer Funktionsumfang, wer kauft das? Es gibt keinen Business-Case für den Endkunden.“ Aber das könne sich ändern. Da spielten Schwankungen bei den Rohstoff- und Energiepreisen ebenso eine Rolle wie politische Einflüsse.
Getrag, Tel.: 07131 644-4430, E-Mail: sascha.ondrazek@getrag.com
ZF, Tel.: 07541 77-8238, E-Mail: corina.dreher@zf.com
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