Hoefner Diss Zusa

Zusammenfassung Dissertation Dr.-Ing. Benedikt Höfner:
Integrations- und Systemanalyse elektrischer Radnabenantriebe für zukünftige Pkw-Elektrofahrzeuge


In der vorliegenden Arbeit werden elektrische Radnabenantriebe für zukünftige Pkw-Elektrofahrzeuge einer Integrations- und Systemanalyse unterzogen. Radnabenantriebe schaffen Bauraum im Rohbau eines Fahrzeugs, der für andere Antriebsstrangkomponenten genutzt werden kann, und bieten bei Einsatz an allen vier Rädern Mehrfunktionalitäten wie einen elektrischen Allradantrieb und radselektive Drehmomenten- und Drehzahlkoordination und damit Möglichkeiten des Torque-Vectoring, der aktiven Lenkunterstützung und eines erweiterten elektronischen Stabilitätsprogramms, das einzelne Räder nicht nur gezielt verzögern, sondern auch gezielt beschleunigen kann. Hinzu kommen eine dreifache Antriebsredundanz und ein im Vergleich zu einer zentralen Traktions-E-Maschine unkritischeres Verhalten im Fehlerfall.

Diesen Potentialen stehen folgende Nachteile gegenüber: Der Einsatz von vier Radnabendirektantrieben statt einer zentralen E-Maschine mit angeflanschtem Getriebe hat eine hohe Systemkomplexität zur Folge. Neben vier E-Maschinen müssen zur Steuerung und Regelung auch vier Leistungselektroniken zum Einsatz kommen. Dies und der Umstand, dass durch den verteilten Einsatz im Rad der Leitungs- und Kontaktierungsaufwand stark ansteigen, führt zu deutlich höheren Systemkosten, was den ohnehin schon sehr hohen Kostenanspannungsgrad bei Elektrofahrzeugen weiter verschärft. Hinzu kommt, dass Radnabenantriebe durch den Wegfall eines Getriebes in ihrer elektromagnetischen Auslegung prinzipbedingt Nachteile gegenüber einer E-Maschine mit angeflanschtem Getriebe besitzen und in der Folge einen geringeren Systemwirkungsgrad aufweisen, was sich wiederum negativ auf die Fahrzeugreichweite auswirkt. Um dies zu kompensieren, müsste eine größere HV-Batterie im Fahrzeug installiert werden, die den Bauraumvorteil durch Radnabenantriebe reduziert und weitere Kosten verursacht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es zielführende Konzepte gibt, Radnabenantriebe bei Erfüllung aller gestellten Anforderungen, wie ausreichende Performance und geringer Wartungsaufwand, zusammen mit einem mechanischen Bremssystem ins Rad zu integrieren. Ebenso wird gezeigt, dass Radnabenantriebe attraktive Mehrfunktionalitäten besitzen, die ein Antriebsstrang mit zentraler E-Maschine an einer Fahrzeugachse so nicht bieten kann. Ebenso lässt sich feststellen, dass die Auswirkungen von erhöhten ungefederten Radmassen bei einem Einsatz von Radnabenantrieben durch entsprechende Anpassung der Fahrwerks-Dämpfungssysteme kompensiert werden können. Auf der anderen Seite hat der Einsatz von Radnabenantrieben einen starken Anstieg der Antriebsstrangkosten zur Folge. Dieser Umstand und die Tatsache, dass Radnabenantriebe einen geringeren Systemwirkungsgrad bieten und weniger Bauraum im Fahrzeugrohbau schaffen als zunächst angenommen, führt zu der Schlussfolgerung, dass der Einsatz von vier Radnabenantrieben aus heutiger Sicht nicht empfehlenswert ist. Erst eine starke Senkung der Systemkosten kann die Potentiale von Radnabenantrieben wieder in den Fokus bringen und so einen Einsatz dieser Technologie begünstigen.