Einstieg in die Elektromobilität - Wacker Chemie AG


Einstieg in die Elektromobilität

Vehement treiben Autokonzerne auf der ganzen Welt derzeit die Elektrifizierung des Antriebsstrangs voran. Einen ersten Schritt auf dem Weg zur emissionsfreien Mobilität bildet der Hybridantrieb, bei dem eine kompakte, leistungsstarke elektrische Maschine den Verbrennungsmotor unterstützt. Unverzichtbar in diesen Elektromotoren: Siliconprodukte von WACKER.

Foto: Audi AG

Zu hohe Kohlendioxid-Emissionen

Mobil war die Menschheit schon immer, aber seit Beginn der Massenmotorisierung im 20. Jahrhundert wächst ihr Aktionsradius dramatisch. Mehr als eine Milliarde Autos sind mittlerweile auf dem Erdball unterwegs, und ein Ende des Booms ist nicht abzusehen. Doch so positiv die Bilanz des Automobils für die individuelle Mobilität seines Besitzers ausfällt, so kritisch wird mittlerweile seine Ökobilanz gesehen: In Europa stammt rund ein Viertel der gesamten Kohlendioxid-Emissionen aus dem Verkehr, die Hälfte davon verursacht der Pkw. In besonders stark unter dem Individualverkehr leidenden Metropolen – wie London – reagieren die Behörden mit Zulassungsbeschränkungen, etwa einer Citymaut. Und im ebenfalls stau- und smoggeplagten Peking kamen zuletzt so viele neue Wagen auf die Straßen, dass die Stadtverwaltung sogar eine Zulassungsbeschränkung auf höchstens 240.000 Fahrzeuge pro Jahr beschloss.

Kraftstoffpreise steigen

Angesichts des wachsenden Verkehrsaufkommens, vor allem in Asien, müssen Autofahrer sich weltweit darauf einstellen, für Kraftstoff tiefer in die Brieftasche zu greifen. Nach dem jüngsten Bericht der Internationalen Energieagentur (IEA) geht die weltweite Ölförderung seit 2006 zurück – das Fördermaximum, jener berühmte „Peak Oil“, wäre demnach bereits überschritten. In Verbindung mit der wachsenden Nachfrage erklärt dies die steigenden Preise. Und selbst wenn teuer zu erschließende und ökologisch problematische Quellen wie Ölsande und Ölschiefer in diese Prognose eingerechnet werden, dürfte Peak Oil nach Ansicht der IEA bis 2035 erreicht sein.

Suche nach neuen Antriebstechniken

Damit das Automobil angesichts der endlichen Erdölvorkommen nicht zum Opfer seines eigenen Erfolgs wird, treiben die Autokonzerne in aller Welt derzeit vehement die Suche nach alternativen Antriebstechniken voran. Denn heutige Verbrennungsmotoren, die noch auf Antriebstechniken aus dem späten 19. Jahrhundert aufbauen, dem Otto- und Dieselmotor, arbeiten wenig effizient – etwa zwei Drittel der im Kraftstoff steckenden Energie bleiben ungenutzt.

Hybridmodul von ZF Sachs, bestehend aus elektrischer Maschine, Kupplung und Aktuator.

Verzicht auf Kohlendioxid-Emissionen: Elektromotor

Ein Elektromotor dagegen erreicht Wirkungsgrade von über 90 Prozent, arbeitet emissionsfrei und läuft geräuschlos. Wird er mit elektrischer Energie betrieben, die nicht aus fossilen Brennstoffen, sondern vollständig aus erneuerbaren Quellen wie Windkraft, Wasserkraft oder Photovoltaik stammt, verursacht das Fahren eines rein elektrisch angetriebenen Autos auch keine Kohlendioxid-Emissionen. Vorteilhaft ist außerdem, dass eine elektrische Maschine nicht nur als Motor, sondern auch als Generator betrieben werden kann und sich somit zur Stromerzeugung nutzen lässt.

Acht-Gang-Hybridgetriebe: Parallelschaltung von verbrennungsmotorischen und der elektrischen Antrieb. Einzeln oder gemeinsam nutzbar.

Elektrischen und konventionellen Motor parallel schalten

Emissions- und Verbrauchsvorteile ergeben sich selbst dann, wenn der Antrieb nicht rein elektrisch ist. So stoßen Hybridfahrzeuge, in deren Antrieb eine oder mehrere elektrische Maschinen einen konventionellen Verbrennungsmotor unterstützen, etwa 5 bis 30 Prozent weniger Kohlendioxid aus als vergleichbare herkömmliche Fahrzeugmodelle, vor allem im Stadtverkehr

Politiker und Verkehrswissenschaftler, aber auch zunehmend die Manager der Autoindustrie betrachten daher die Elektrifizierung des Antriebs von Straßenfahrzeugen als Schlüssel zu einer zukünftigen, umweltgerechten Mobilität. Mit der Hybridtechnologie beginnt der Übergang in das Zeitalter der Elektromobilität.

Hybridleistungsklassen: Der Antrieb eines Vollhybridfahrzeugs ist stärker elektrifiziert als der eines Mildhybridfahrzeugs. Ein Plug-in-Hybridfahrzeug ist mit einer vergleichsweise großen Batterie ausgestattet, die über das Stromnetz aufgeladen werden kann. Dadurch kann es größere Strecken rein elektrisch fahren als ein Vollhybridfahrzeug.

Zwei Antriebsquellen vorteilhaft kombiniert

Unter den verschiedenen Hybridantriebskonzepten lässt sich das Konzept des Parallelhybrids besonders flexibel realisieren. In einem Parallelhybrid wirken sowohl der Verbrennungsmotor als auch die elektrische Maschine auf die Getriebeantriebswelle. Dadurch können die beiden Maschinen eines Parallelhybrids einzeln oder auch zusammen für den Vortrieb sorgen.

ELEKTRISCHER START­STOPP­BETRIEB

Die Start-Stopp-Funktion eines Hybridantriebs schaltet den Verbrennungsmotor automatisch ab, sobald der Fahrer, etwa vor einer auf Rot stehenden Ampel, vom Gas geht; in dem Augenblick, wo er das Gaspedal wieder betätigt, springt der Verbrennungsmotor von selbst wieder an. Dabei bringt der Elektromotor den Verbrennungsmotor innerhalb von höchstens 0,2 Sekunden auf die zum Starten notwendige Drehzahl. Für den Fahrer geschieht dies nahezu unmerklich, ohne Ruckeln und ohne das bekannte Anlassergeräusch. Die Start-Stopp-Funktion bringt Kraftstoffersparnis und zusätzlichen Komfort.

Das Parallelhybridkonzept

Das Parallelhybridkonzept erschließt das gesamte Spektrum der Hybridfunktionen, die in der Praxis in unterschiedlichem Ausmaß realisiert werden: Die noch relativ niedrig elektrifizierten Mildhybride verfügen über eine automatische Start-Stopp-Funktion sowie eine Boost-Funktion und können Bremsenergie wiedergewinnen (siehe Tabelle). Mit diesen Funktionen kann der Kraftstoffverbrauch um bis zu 15 Prozent sinken. Vollhybride sind zusätzlich noch in der Lage, kürzere Wegstrecken (bis zu fünf Kilometer) rein elektrisch zu fahren, wodurch sie im Stadtverkehr bis zu 30 Prozent Kraftstoff einsparen.

Die meisten der gegenwärtig in Serie gebauten Hybridfahrzeuge basieren auf dem Parallelhybridkonzept. Auch die in Schweinfurt ansässige ZF Sachs AG, ein führender Hersteller von Antriebs- und Fahrwerkskomponenten, konzentriert sich darauf.

Integration in bestehende Fahrzeugkonstruktionen

„Der Parallelhybridantrieb ist vergleichsweise kostengünstig und lässt sich am leichtesten realisieren, wenn ein Automobilhersteller von seinen herkömmlich motorisierten Modellen ausgehen will. Dabei ist es wichtig, den Hybridantrieb möglichst einfach in das bestehende Fahrzeugkonzept integrieren zu können“, sagt Diplom-Ingenieur Frank Kewes, der bei der ZF Sachs AG für den Aufbau und den Betrieb der Hybridmodul-Fertigungsanlage zuständig ist.

BOOSTEN

Beim Beschleunigen – etwa während des Anfahrens oder während eines Überholvorgangs – wird die elektrische Maschine als Motor betrieben und zugeschaltet, sodass sie den Verbrennungsmotor unterstützt (Englisch „boost“: nachhelfen, nachverstärken, in die Höhe treiben). Im Parallelhybrid ergänzen sich die positiven Eigenschaften beider Maschinen vorteilhaft, da beide auf die gleiche Welle wirken und somit beide zum gesamten Drehmoment beitragen. Im Unterschied zum Verbrennungsmotor hat ein Elektromotor bei niedrigen Drehzahlen ein besonders hohes Drehmoment. Bei höheren Drehzahlen kommt das Drehmoment des Verbrennungsmotors zum Tragen, während der Elektromotor weniger zum gesamten Drehmoment beiträgt. Durch das Boosten lässt sich ein Fahrzeug mit Parallelhybridantrieb sehr dynamisch fahren – schon bei etwa 1000 Umdrehungen pro Minute steht das aus beiden Antriebszweigen resultierende volle Drehmoment zur Verfügung. Der Automobilhersteller kann das Boosten aber auch zum Downsizing nutzen: Er kann den Verbrennungsmotor kleiner auslegen, was den Kraftstoffverbrauch vermindert.

„Wir haben daher ein modulares Konzept – vom Starter-Generator bis hin zu einem vollständigen Hybridmodul – entwickelt, das nicht nur hinsichtlich der elektrischen Leistung flexibel ist, sondern sich auch bauraumneutral realisieren lässt“, betont Frank Kewes. Weil im Abtriebsstrang kaum Platz für zusätzliche Komponenten vorhanden sei, müssten die eingesetzten elektrischen Maschinen hohe Leistungen bei minimalem Platzbedarf erreichen. „Unsere elektrischen Maschinen, die zum Typ der Permanentmagnet-Synchronmaschinen zählen, zeichnen sich durch hohe Leistungsdichten aus“, hebt Kewes hervor. „Auf diese Weise kann der Automobilhersteller den Antrieb einer bestehenden Modellreihe bedarfsgerecht elektrifizieren, ohne dass er die Fahrzeugkonstruktion verändern muss – lediglich am Antriebsstrang sind Modifizierungen notwendig.“

Das für Vollhybride vorgesehene Hybridmodul wird auf der Kurbelwelle zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe montiert. Das kompakt gebaute Modul umfasst neben der elektrischen Maschine noch eine Trennkupplung und einen Torsionsdämpfer. Letzterer fängt die Schwingungen ab, die stets im Antriebsstrang entstehen, sobald der Verbrennungsmotor läuft. Die Kupplung dient dazu, den Verbrennungsmotor von der elektrischen Maschine zu trennen; sie erlaubt ein rein elektrisches Fahren. Für Mildhybride hat das unterfränkische Unternehmen Starter-Generatoren entwickelt. Diese scheibenförmig aussehenden elektrischen Maschinen sind mit einer Bautiefe von gut fünf Zentimetern noch schmaler als das Hybridmodul.

Hohe Temperaturen: für Silicone kein Problem

Die hohe Leistungsdichte der elektrischen Maschinen erreicht ZF Sachs durch eine optimale Auslegung der Maschine sowie durch eine besondere Konstruktion des Rotors, des sich drehenden Teils der Maschine, und des Stators, des feststehenden Teils. So setzt das Unternehmen im Rotor sehr starke Permanentmagnete aus einem Neodym-Eisen-Bor-Sinterwerkstoff ein. Diese werden auf Blechpakete geklebt, die zuvor in den metallischen Rotorträger eingepresst wurden. Besonderheit des Stators ist die gleichmäßige und dichte Wicklung der Kupferspulen. Alles zusammen führt zu den gewünschten hohen elektrischen Leistungen bei kompakter Bauweise.

„Wir haben uns für Produkte von WACKER entschieden. Ausschlaggebend für die Entscheidung waren das umfangreiche Sortiment, die gute technische Betreuung und die gleichbleibend hohe Produktqualität.“

Frank Kewes ZF Sachs

Weil die Leistungsdichten hoch sind, entstehen im Innern der elektrischen Maschine hohe Temperaturen. Besonders in der Umgebung der stromdurchflossenen Statorspulen kann die Temperatur auf 200 Grad Celsius steigen. „Die hohen Temperaturen machen den Einsatz von Siliconprodukten erforderlich“, erklärt Frank Kewes.

SEMICOSIL® gewährleistet flexible Klebeschicht

ZF Sachs produziert Rotor und Stator getrennt voneinander in zwei weitgehend automatisierten Prozessen. In beiden Teilprozessen werden Siliconprodukte appliziert und thermisch ausgehärtet. Bei der Rotorfertigung werden die Permanentmagnete mit dem Siliconklebstoff SEMICOSIL® 988 eingeklebt. Ergebnis ist eine flexible Klebschicht, die den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der verklebten Teile folgen kann, ohne zu reißen.

ELASTOSIL® und SILRES® halten Feuchtigkeit fern

Bei der Statorfertigung vergießt ZF Sachs den ringförmigen Bereich, in welchem die elektrischen Kontaktierungen der Spulen liegen, mit dem Siliconkautschuk ELASTOIL® RT 705 und imprägniert die Rotorspulen mit dem Siliconharz SILRES® H62C. Als Haupteffekt beider Maßnahmen erhält die Maschine einen perfekten Feuchtigkeits- und Wasserschutz, was eine dauerhaft sichere und zuverlässige Funktion garantiert: „Die Maschine funktioniert selbst dann ohne Kurzschluss, wenn sie in Salzwasser getaucht wird“, betont Frank Kewes.

Roboter in der Fertigung bei ZF Sachs.

Siliconprodukte ermöglichen Perfektion

Die notwendige Perfektion in der Fertigung erreicht ZF Sachs im Zusammenspiel zwischen exzellentem Prozess-Know-how und geeigneten Materialien. „Für kompakte leistungsstarke Elektromotoren sind Silicone die Materialien der Wahl, wenn es ums Kleben, Abdichten, Schwingungsdämpfen und um elektrisches Isolieren geht“, sagt Maria Kainzmaier von WACKER SILICONES, zu deren wichtigen Kunden ZF Sachs zählt. „Anders als vergleichbare organische Materialien behalten vernetzte Siliconprodukte ihr Eigenschaftsprofil dauerhaft in einem sehr breiten Temperaturbereich.“

Stark wachsender Markt

Die Automobilbranche geht von einem stark wachsenden Markt für Hybridfahrzeuge aus. Auch ZF Sachs spürt, dass die Nachfrage nach seinen Komponenten für den Hybridantrieb kräftig steigt. Mit dem Starter-Generator von ZF Sachs gingen beispielsweise zwei deutsche Oberklassenmodelle, der Daimler S 400 hybrid und der BMW ActiveHybrid 7, in Serie. Auch die ersten mit dem Hybridmodul ausgestatteten Vollhybrid-Serienautos werden bald auf den Straßen unterwegs sein – etwa der SUV Q5 hybrid quattro, den Audi in diesem Jahr auf den Markt bringen will.

Auf dem Weg in die zukünftige reine Elektromobilität stellt die Hybridtechnik eine wichtige Brückentechnologie dar. Sie gibt sowohl der Automobilindustrie als auch den Autofahrern Gelegenheit, praktische Erfahrungen mit der noch ungewohnten elektrischen Antriebstechnik zu sammeln. Mit ihr können die Abgasemissionen gesenkt, im rein elektrischen Betrieb sogar lokal völlig vermieden werden, ohne dass dabei der Fahrspaß verloren geht. Ob in Zukunft mit einem reinen Elektroantrieb global weniger Kohlendioxid produziert wird, hängt aber von der Stromerzeugung ab: Wirklich emissionsfrei wird das elektrische Fahren erst dann, wenn die benötigte elektrische Antriebsenergie ausschließlich aus regenerativen Quellen stammt.