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21.03.2017

48 Volt Traktion als sichere und effiziente Alternative für unsere zukünftige Mobilität

Elektroautos werden häufig noch als Nischenprodukt betrachtet. Tendenzen in den global relevanten Märkten lassen jedoch erkennen, dass der Durchbruch kurz bevor steht. Konventionelle Elektroautos benötigen elektrische Antriebssysteme mit Batteriespannungen bis zu 400 V, um in Beschleunigung und Komfort den Verbrennern in nichts nachzustehen. Teile der Automobilindustrie sehen sogar 800 V als künftiges Spannungslevel im Fahrzeug. Die volabo GmbH stellt mit ISCAD – Abkürzung für Intelligent Stator Cage Drive – diesen Stand der Technik in Frage und setzt ein weltweit einzigartiges Statement: extreme Performance (> 300 kW) ist bei sicheren Batteriespannungen kleiner 60 V nicht nur möglich, sondern für mobile Anwendungen die deutlich bessere Lösung.


Antriebe von volabo sind energieeffizienter, sicherer und besser geeignet für eine Fertigung in höchsten Stückzahlen als der Standard. Gegenüber vergleichbaren Antrieben auf Basis der Asynchronmaschine können mit ISCAD die Verluste in den gängigen Fahrzyklen um mehr als 50 % gesenkt werden. Das System arbeitet bei einer Batteriespannung von 48 V und stellt somit grundsätzlich keine Gefahr für Verkehrsteilnehmer dar – auch nicht bei schweren Unfällen. Eine hohe Redundanz und gute Skalierbarkeit runden das Konzept ab und machen ISCAD interessant für viele weitere Anwendungsgebiete wie z.B. elektrisches Fliegen oder Seefahrt.
Kern der innovativen Technologie ist der neuartige Stator des E-Motors: anstelle kompliziert zu fertigender Spulen wird bei volabo ein massiver Statorkäfig verbaut. Durch diesen Aufbau wird nicht nur eine perfekte Ausnutzung des Maschinenvolumens sowohl in der Nut als auch in der axialen Ausdehnung erreicht, die Fertigung in sehr hohen Stückzahlen ist einfacher möglich als bei allen gewickelten E-Motoren. Bei Verwendung eines Asynchronrotors bestehen die aktiven Teile ausschließlich aus Elektroblech und Aluminium. Der ideale Ansatz für Elektromobilität. Zudem ist eine thermisch deutlich bessere Anbindung der Stäbe an das Statorblech – und damit den Kühlmantel – erreichbar, weshalb das Dauerlastverhalten des Motors verbessert und die Leistungsdichte erhöht wird.


Jeder Stab des Statorkäfigs wird über eine dedizierte Elektronikeinheit mit Strom versorgt. Aufgrund der geringen induzierten Spannung des E-Motors können bei ISCAD günstige MOSFETs anstelle teurer HV-IGBTs verwendet werden. Die für hohe Leistungen notwendigen hohen Ströme werden über viele Phasen verteilt, um die Belastung der Halbleiter gering zu halten. ISCAD eliminiert die Komplexität in der Motorenfertigung und schafft Intelligenz durch einen Fokus auf Elektronik und Logik. Moore's law findet dank ISCAD nun auch Anwendung auf elektrische Antriebe.


Die zusätzlich gewonnenen Freiheitsgrade eröffnen völlig neue Möglichkeiten in der Ansteuerung. So lässt sich unter anderem das Magnetfeld im Elektromotor beliebig formen, was bei gewickelten Pendants nicht möglich ist. Die Polpaarzahl kann dadurch sanft umgeschaltet werden, was betrachtet werden kann wie die Integration eines elektromagnetischen Getriebes. Der Punkt maximalen Wirkungsgrades des E-Motors kann somit über große Teile des Drehzahl-Drehmoment-Kennfeldes gestreckt werden und der passende "Gang" je nach Fahrsituation gewählt werden. Das macht ISCAD extrem effizient – speziell in kundenrelevanten Fahrzyklen.


Das Hochstrombordnetz muss je nach Antriebsleistung auf wenige Kiloamperes ausgelegt sein. Entgegen erster Intuition ist es in kompakten System wie dem Elektroauto jedoch ausreichend, weniger als 5 kg Leitermaterial zu verbauen, wenn auf ein Aluminium-Bordnetz zurückgegriffen wird – die Kosten bleiben gering. An einem flexiblen, koaxialen Aufbau von Hin- und Rückleiter konnte bereits in Messungen gezeigt werden, dass sich die Emission von elektromagnetischen Feldern weit unterhalb der definierten Grenzwerte befindet.


Auch in der Batterie wird bei ISCAD konsequent eine hohe Parallelisierung forciert. Für hohe Ströme bei geringen Spannungen wird im Gegensatz zu HV-Batterien lediglich die Verschaltung der Zellen geändert. So werden je nach Zellchemie lediglich z.B. 13 Zellen in Serie geschaltet – der Aufwand im Balancing ist dadurch stark reduziert. Einzelne Zellausfälle können aufgrund der hohen Anzahl paralleler Zweige – und damit extremer Redundanz – über die gesamte Batterielebensdauer toleriert werden.


Die konsequente Umsetzung von ISCAD im Kleinspannungsbereich macht das System elektrisch betrachtet inhärent sicher. Plus- und Minuspole der Batterie können prinzipbedingt bedenkenlos berührt werden, ohne dass eine Gefahr für das leibliche Wohl besteht. Selbst bei schweren Fahrzeugunfällen ist ein elektrischer Schlag so ausgeschlossen – ein deutliches Plus in puncto Sicherheit. Der Betrieb bei 48 V bringt auch aus der Normung heraus Vorteile mit sich: teure Maßnahmen zur Hochvolt-Sicherheit müssen nicht getroffen werden, was Kosten in Entwicklung, Produktion und im Produkt selbst senkt. Die Wartung eines Fahrzeugs mit ISCAD kann auch von Personal ohne Hochvolt-Schulung durchgeführt werden. Der Aufwand für künftige Betreiber von E-Auto-Flotten ist somit deutlich reduziert. Eine gesonderte Sensibilisierung von Kunden ist nicht mehr nötig.


ISCAD zeigt im Wirkungsgrad einen enormen Vorsprung gegenüber dem Stand der Technik. Folgerichtig kann entweder die Batterie deutlich verkleinert oder die Reichweite des Elektroautos signifikant gesteigert werden. ISCAD verbessert also die Kenngröße Reichweite pro Fahrzeugkosten entscheidend und ist damit der Schlüssel für eine erfolgreiche Wende in unserer individuellen Mobilität. Weitere Vorteile zeigt ISCAD im Überlastbereich: der von konventionell gewickelten E-Motoren bekannte Eckpunkt ist nicht vorhanden, da stets eine Spannungsreserve freigehalten wird. So lässt sich maximales Drehmoment auch bei hohen Drehzahlen noch abrufen.


ISCAD funktioniert mit Batterien, Brennstoffzellen oder anderen elektrischen Energiequellen, bietet viele weitere Vorteile gegenüber konventionellen Systemen und ist der ideale Antrieb für Ihre elektrifizierte Anwendung – egal ob auf Land, zur See oder in der Luft.
Weiteres Informationsmaterial erhalten Sie bei Interesse über www.volabo.com/info.

 

Autor: Adrian Patzak

Kontakt: volabo GmbH
             info@volabo.com
             Marschall 49
             83607 Holzkirchen


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