48V – Basis für die flexible Mobilität der Zukunft

Inhaltsangabe

Zukünftige Generationen von Automobilen stehen vor großen Herausforderungen: Weltweit sind Fahrverbote in Innenstädten für klassische Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor realer denn je, da gesetzliche Grenzwerte für Luftschadstoffe regelmäßig überschritten werden. Zusätzlich müssen Fahrzeuge hinsichtlich CO2-Emissionen einem neuartigen Prüfverfahren (WLTP1) unterzogen werden, welches zukünftig kontinuierlich sinkende Grenzwerte einfordern wird. Für diese gesetzlichen Rahmenbedingungen müssen Lösungen gefunden werden, die Fahrspaß und -komfort nicht beschneiden und dabei ein optimales Kosten/Nutzen Verhältnis gewährleisten. Diese Lösungen werden sich am tatsächlichen Mobilitätsbedarf des Kunden orientieren, wobei zwei Ausprägungen überwiegen werden:

Auf der einen Seite wird der Bedarf an individueller urbaner Mobilität stark zunehmen. Diese ist z.B. durch häufige Kurzstrecken und maximal 2 beförderte Personen gekennzeichnet, was neuartige Fahrzeug- und Antriebskonzepte verlangt. Mit dem Fahrzeugkonzept MeeT stellt MAHLE eine konkrete Umsetzung vor. Das dafür entwickelte rein elektrische 48V Antriebssystem, bestehend aus Elektromotor, MOSFET basierter Leistungselektronik und Getriebe mit einer Spitzenleistung von 30kW ist dabei maßgeschneidert auf das erforderliche Leistungsspektrum. Alternativ kann ein duales Antriebssystem mit bis zu 2x30kW realisiert werden, wo innovative technische Lösungen, wie beispielsweise „Torque-Vectoring“ zum Einsatz kommen.

Auf der anderen Seite wird es weiterhin eine hohe Nachfrage nach Fahrzeugen geben, welche die seit Jahrzehnten gewohnten Anforderungen an Reichweite, Ladevolumen, etc. erfüllen. Da diese ebenfalls die diskutierten gesetzlichen Rahmenbedingungen erfüllen müssen, ist in diesem Fall die Hybridisierung bisher konventioneller Fahrzeuge mit einer elektrischen Hinterachse in P4-Konfiguration auf der Basis von 48V eine ideale Lösung: Die bedarfsgerechte Dimensionierung des Antriebs auf bis zu 60kW Spitzenleistung ermöglicht damit sowohl ein rein elektrisches Fahren im innerstädtischen Verkehr als auch eine rein elektrische Bewältigung des WLTP über alle Fahrzeugklassen hinweg. Besonders innovative Lösungen sind hier bei der Auslegung von Motor, Leistungselektronik und Verbindungselementen gefragt, da Ströme bis zu 1600A verarbeitet werden müssen.

Eine Bewertung der beiden Konzepte auf Basis von mehreren individuellen realen
Fahrprofilen zeigt auf, dass zu jeder Zeit ausreichend Leistung zur Verfügung steht und das
Fahrverhalten in keiner Weise eingeschränkt wird. Das Kosten/Nutzen Verhältnis ist für die
vorgestellten Systeme optimal, da zum einen die Hybridisierung mittels P4-Architektur nur
einen minimalen Eingriff in den Fahrzeugaufbau bedeutet, zum anderen bietet die
Elektrifizierung auf einer Spannungsebene von 48V deutliche Kostenvorteile im Vergleich zu
Hochvoltsystemen, je nach Leistungsklasse bis zu 30%.


1 Worldwide harmonized Light-duty Test Procedure, gültig seit 09/2017

Innovationsgrad:
Elektrische Fahrzeugantriebe mit Spitzenleistungen über 20kW sind in Serie bisher nur als
Hochvoltsysteme realisiert. Die Herausforderung bei der Entwicklung der vorgestellten
Antriebskonzepte liegt in der Kombination der Betriebsspannung von 48V mit den hohen
dargestellten Leistungen. Dadurch müssen sehr hohe Ströme - bei 60kW sind dies
beispielsweise 1600A - verarbeitet werden, was innovative Lösungen für Leistungselektronik
sowie Verbindungselemente erfordert.

Thematischer Schwerpunkt:
E-Mobilität von 48 bis 900 Volt: Systeme und Komponenten / Antriebstopologien

Vorveröffentlichungen zum Thema:

  •  MTZ - Motortechnische Zeitschrift, Ausgabe 1/2018 „Herausforderungen eines 48 V-Fahrantriebs mit 20 kW mechanischer Dauerleistung“
  •  ELIV 2017 – 18. International Congress“Challenges of a 48 V Drive System with 20 kW continuous mechanical power”
  •  26th Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology 2017Designed by Power Demand: An Electric Drive System for Urban Mobility

Vortragende / Co-Autoren

Holger Oechslen / Tobias Binder, Markus Cramme, Michael Foisel

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