Range-Extender-Modul (SP3)

Auch mittelfristig wird die Leistungsfähigkeit elektrischer Speicher in Bezug auf Kapazität und Ladeverhalten nicht ausreichen, um die von klassischen Verbrennungsmotoren gewohnte und geschätzte Flexibilität und Reichweite bereitzustellen. Zusätzlich sind die bekannten Materialien, die in entsprechenden Speichern benötigt werden (insbesondere Lithium), weltweit verhältnismäßig knapp. Daher wird es auf absehbare Zeit erforderlich sein, den rein elektrischen Antrieb durch ein verbrennungsmotorisches Modul zu unterstützen.
Hierbei sind insbesondere zwei Wege denkbar: Entweder wird die mechanische Leistung des Verbrennungsmotors direkt in den Antriebsstrang eingekoppelt, oder es wird zunächst mit zu minimierenden Wandlungsverlusten ein Generator angetrieben, dessen elektrische Leistung in ein ausschließlich elektromotorisches Antriebskonzept eingekoppelt wird. Beide Konzepte müssen detailliert auf ihre energieökonomische Sinnhaftigkeit untersucht und bewertet werden.

Verbrennungsmotoren (SP 3.1)

Verbrennungsmotoren als chemisch-mechanische Energiewandler können die in Kraftstoffen mit hoher Energiedichte gespeicherte chemische Energie mit Wirkungsgraden von über 50% in mechanische Arbeit umsetzen. Stark veränderte Lastkollektive, insbesondere die reduzierte Dynamik, erlauben eine neue Betrachtung von Ansätzen wie verbesserte Verbrennungsführung und -regelung (z.B. homogenisierte Selbstzündung), „Downsizing“ mittels Hochaufladung, Variabilitäten im Triebwerk und Ventiltrieb und Nutzung der Restenergie aus Abgas und Kühlung (Prof. Abel, Prof. Kneer, Prof. Pischinger). Durch die Entkoppelung der Leistungsanforderung des Fahrzeugs von der Leistungsanforderung an das Range-Extender-Modul ergeben sich auch neue Anforderungen an das akustische Verhalten. Die Forschung konzentriert sich dabei nicht nur auf die Geräuschanregung durch die Verbrennung selbst sondern insbesondere auf neue Ansätze zur Luft- und Abgasführung. Die im Vergleich zu konventionellen Antrieben deutlich ungünstigeren geometrischen Randbedingungen für die Integration verschärfen die Ladungswechselgeräuschproblematik bei kleinen Range-Extender-Motoren. Dreidimensionale und eindimensionale Simulationen der Verbrennung und des Ladungswechsels sollen die Bestimmung des Anregungsspektrums bereits im Rahmen der Grundlagenuntersuchungen ermöglichen. Gekoppelt mit einer drehzahl- und lastabhängigen Geräuschberechnung des Generators (Prof. Hameyer, Prof. Eckstein) können durch die Kooperation der Forscher auch im Hinblick auf das akustische Verhalten die Grundlagen für ein optimales Range-Extender-Modul erforscht werden.

Elektrische Maschinen (SP 3.2)

Trotz des beträchtlichen Entwicklungsstandes der heute in Fahrzeuganwendungen überwiegend eingesetzten Synchronmaschinen sind Forschungsanstrengungen zur Steigerung der Wirkungsgrade und Verringerung von Bauraum, Kosten und Gewicht erforderlich. Mittels Simulation der komplexen Magnetkreise unter Einbeziehung transienter Effekte können Maschinengestaltungen und Architekturen mit verringerten Eisen- und Kupferverlusten identifiziert, sowie der Einsatz kupferbasierter Materialien minimiert werden (Prof. Hameyer). Hochdrehzahl-Generatoren (z.B. bis 20.000min-1) können den DC/DC-Boost-Wandler obsolet machen und erlauben eine Reduzierung der Maschinengröße. Dieser Ansatz erfordert den Einsatz von entsprechenden Getrieben und bedarf der integrierten Betrachtung der Motor/Getriebe-Kombination. Die Kopplung des Hochdrehzahlgenerators mit einem Getriebe führt zu einem schwingungsfähigen Antriebsstrang, bei dem bereits minimales Spiel sowohl seitens des Generators als auch im Getriebe zu großen Drehmomentstößen führt und damit sowohl Lebensdauer als auch Komfort stark beeinträchtigt. Gekoppelte Forschungsarbeiten im Bereich des Getriebes und des Generators haben die Minimierung des mechanischen Spiels und die aktive geregelte Dämpfung von Schwingungen beispielsweise mit einer Zustandsregelung zum Ziel. Neben der Lebensdauer kann durch eine gezielte Auslegung der E-Maschine/Getriebe-Einheit für die Anwendung in Range-Extender-Modulen auch die Leistungsdichte erhöht und damit die energetische Effizienz des Gesamtfahrzeugs gesteigert werden.