Integrierte elektrische Antriebseinheiten

Eine integrierte elektrische Antriebseinheit vereint mehrere Antriebsfunktionen in einer Baugruppe. Mindestens kombiniert sie einen Traktionsmotor und ein Untersetzungsgetriebe; eine hochintegrierte E-Achse kann außerdem Wechselrichter, Differenzial, Parksperre, Schmierung, Pumpen, Kühlkanäle, Sensoren und Steuerelektronik umfassen.

Was Integration bedeutet

Die Begriffe E-Achse, elektrische Antriebseinheit, elektrisches Antriebsmodul und integrierte Antriebseinheit bezeichnen keine standardisierten Produktgrenzen. Ein Anbieter kann eine Motor-Getriebe-Baugruppe als E-Achse bezeichnen, während ein anderer den gleichen Begriff nur verwendet, wenn Wechselrichter und Differenzial enthalten sind.

Die Funktionskette bleibt gleich:

Hochspannungs-Gleichstrom erreicht den Wechselrichter;
geregelter Phasenstrom erzeugt Motordrehmoment;
Untersetzungsgetriebe wandeln Motordrehzahl in Abtriebsdrehmoment um;
ein Differenzial oder getrennte Getriebepfade verteilen das Drehmoment auf die Räder;
Lager, Schmierung, Kühlung, Sensoren und Software halten die Baugruppe innerhalb ihrer Betriebsgrenzen.

Die Integration verändert, wo diese Grenzen räumlich liegen. Sie beseitigt die zugrunde liegenden Funktionen nicht.

Vorteile bei Bauraum und Elektrik

Die Montage des Wechselrichters nahe am Motor verkürzt die hochstromführenden Wechselstromverbindungen. Kurze Stromschienen oder interne Leiter können Kabelmasse, Widerstand, Induktivität, elektromagnetische Emissionen, Steckverbindungen und Montageschritte verringern. Gemeinsame Gehäuse und tragende Wände können das Bauvolumen reduzieren und doppelte Halterungen überflüssig machen.

Der Antrieb der fünften Generation von BMW vereint Motor, Leistungselektronik und Getriebe in einem Gehäuse. Bosch beschreibt eine eAxle, die dieselben drei Hauptfunktionen kombiniert, während die modulare Plattform von ZF auch Software und, falls erforderlich, einen Wandler als Bausteine auf Systemebene behandelt.

Eine kompakte Anordnung kann Raum für Batteriezellen, Fahrwerksgeometrie, Crashstruktur, Innenraum oder Gepäck schaffen. Koaxiale Bauformen richten Motorwelle, Zahnräder, Differenzial und Halbwellen auf einer Achse aus, während Bauformen mit Parallelachsen den Motor versetzen, um ihn an Achshöhe und verfügbaren Raum anzupassen. Keine der beiden ist grundsätzlich effizienter; Zahneingriffe, Lagerlasten, Übersetzung, Kühlung und Bauraumbeschränkungen bestimmen das Ergebnis.

Gemeinsame Kühlung und Schmierung

Durch Integration lassen sich die Wärmewege für das Gesamtsystem auslegen. Ein Wasser-Glykol-Kreislauf kann Wechselrichter und Statorgehäuse kühlen, während Öl Zahnräder und Lager schmiert und Wicklungen oder Rotor direkt kühlt. Wärme kann zwischen Öl, Kühlmittel, Kältemittel und dem übergeordneten Thermosystem des Fahrzeugs ausgetauscht werden.

Eine gemeinsame Flüssigkeit kann Bauteile einsparen, stellt jedoch Anforderungen an die Verträglichkeit. Der Schmierstoff muss Zahnkontakt, Lagerlebensdauer, Pumpenbetrieb, elektrische Isolation, Verträglichkeit mit Kupfer und Polymeren, Belüftungskontrolle und ein berechenbares Viskositätsverhalten über den Temperaturbereich unterstützen. Metallische Verschleißpartikel dürfen empfindliche elektrische Isolationsabstände nicht erreichen.

Trockensumpfkonzepte nutzen eine Pumpe, um Öl abzusaugen und gezielt bereitzustellen, statt rotierende Zahnräder tief im Öl laufen zu lassen. Dies kann Planschverluste verringern und die Kühlungsregelung verbessern, doch Pumpenleistung, Filterung, Ventile und Fehlerbehandlung werden damit Teil der Effizienz und Haltbarkeit der Antriebseinheit.

Lager, Wellen und elektrische Ströme

Motorlager tragen die hohe Rotordrehzahl und halten einen engen Luftspalt, während Getriebe- und Differenziallager die Trennkräfte der Verzahnung und Radlasten aufnehmen. Die Architektur bestimmt, welche Lasten sich eine Welle oder ein Gehäuse teilen. Wärmeausdehnung, Gehäusesteifigkeit, Vorspannung, Schmierung und Fertigungsausrichtung beeinflussen Reibung, Geräusch und Lebensdauer.

Das Schalten des Wechselrichters kann zwischen Rotor und Stator eine Gleichtaktspannung erzeugen. Entlädt sich die Wellenspannung über ein Lager, können wiederholte elektrische Lichtbögen Laufbahnen und Schmierstoff beschädigen. Ingenieure begrenzen dieses Risiko mit Erdungsbürsten, leitfähigen Pfaden, isolierten oder hybriden Lagern, Gleichtaktfilterung, Wicklungsauslegung und Wechselrichterregelung.

Dichtungen müssen den Schmierstoff im Inneren und Verunreinigungen außerhalb halten, ohne übermäßige Reibung zu erzeugen. Eine Dichtung, die bei niedriger Drehzahl gut arbeitet, kann bei hoher Motordrehzahl Wärme erzeugen; Druckänderungen und belüftetes Öl erschweren die Aufgabe zusätzlich.

NVH wird auf Systemebene ausgelegt

Elektromagnetische Motorkräfte, Wechselrichterschaltung, Zahneingriffsanregung, Lagerfrequenzen, Ölpumpen und Gehäuseresonanzen liegen in unterschiedlichen, aber miteinander wechselwirkenden Teilen des hörbaren Spektrums. Ein leiserer Motor kann zuvor überdecktes Getriebeheulen hörbar machen.

Schrägverzahnungen können einen abrupten Zahneingriff verringern, erzeugen jedoch Axiallast. Zahnmikrogeometrie, Oberflächengüte, Lagerabstützung, Rotorsegmentierung, Schaltstrategie, Gehäuserippen, Lagerungen und Schmierstoff beeinflussen gemeinsam den Schall, der den Innenraum erreicht.

Integration kann das NVH-Verhalten verbessern, weil Ingenieure die gesamte Struktur beherrschen. Sie kann Quellen über ein gemeinsames Gehäuse aber auch stärker koppeln. Simulationen und Prüfstandsversuche benötigen daher elektromagnetische, strukturelle, akustische und regelungstechnische Modelle statt isolierter Komponentenziele.

Effizienz und die Gefahr der Komponentenoptimierung

Der effizienteste Motor ist nicht automatisch Bestandteil der effizientesten Antriebseinheit. Eine Motorgeometrie, die eine höhere Übersetzung erfordert, kann Getriebe- oder Lagerverluste erhöhen. Eine Schaltfrequenz, die Motorharmonische reduziert, kann die Wechselrichterverluste steigern. Dickflüssigeres Öl kann Zahnräder unter Last schützen und zugleich die kalten Planschverluste erhöhen.

Die Systemoptimierung bewertet die Verluste von der Batterie bis zum Rad über den erwarteten Fahrzyklus. Zu den relevanten Verlusten gehören:

Leitung und Schalten im Wechselrichter;
elektromagnetische Verluste in Stator und Rotor;
Zahnräder, Lager, Dichtungen und Ölverwirbelung;
Öl- und Kühlmittelpumpen;
Steuerelektronik und Aktuatoren;
Achstrennungen oder Parksperren, wenn sie eingerückt sind oder mitdrehen.

Deshalb bieten Zulieferer Motor, Wechselrichter, Getriebe, Kühlung und Software zunehmend als ein abgestimmtes Produkt an.

Haltbarkeit, Sicherheit und Service

Eine integrierte Einheit muss Drehmomentumkehrungen, über Wellen übertragene Bordsteinaufpralle, Straßenverunreinigungen, Kontakt mit Kühlmittel und Öl, Vibrationen, Temperaturwechsel, Überdrehzahl und Hochspannungsfehler aushalten. Parksperren und Trennkupplungen bringen eigene Lastfälle hinzu.

Weniger externe Verbindungen können die Zuverlässigkeit verbessern. Ein gemeinsames Gehäuse kann einen örtlichen Fehler jedoch teurer in der Reparatur machen, wenn die Servicestrategie den Austausch der gesamten Baugruppe vorsieht. Modularer innerer Aufbau, Diagnoseabdeckung, Möglichkeiten zum Flüssigkeitsservice, austauschbare Leistungselektronik und Wiederaufarbeitungspläne bestimmen, ob aus physischer Integration auch Serviceintegration wird.

Die Crashsicherheit muss Gehäusebruch, Flüssigkeitsaustritt, freiliegende Hochspannung und unkontrolliertes Drehmoment verhindern. Der sichere Zustand des Wechselrichters und die von einem Permanentmagnetmotor bei Drehzahl erzeugte Spannung bleiben auch nach dem Abschalten des Drehmoments relevant.

Was technische Daten offenlegen sollten

Eine aussagekräftige Spezifikation der Antriebseinheit nennt die enthaltenen Komponenten und die Messgrenze. Sie sollte Motortyp, Wechselrichtertechnologie, Gleichspannung, Übersetzung, Motor- und Abtriebsdrehmoment, Spitzen- und Dauerleistung, maximale Motordrehzahl, Kühlmethode, Schmierstrategie, Gesamtmasse und die Einbeziehung von Wechselrichter und Getriebe in den Wirkungsgrad angeben.

Ohne diese Messgrenze lassen sich Leistungsdichte- und Wirkungsgradangaben verschiedener Anbieter nicht fair vergleichen.

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