Eine Methode zur Auswahl von Standgetrieben für Antriebsstränge von Elektrofahrzeugen mit Zentralantrieb = A method for choosing fixed-axis gears for powertrains of electric vehicles with central drive

Die Entwicklung neuer Fahrzeugmodelle beschränkte sich in den letzten Jahrzehnten
überwiegend auf Fahrzeuge mit einem verbrennungsmotorischen Antriebsstrang.
Dabei wurde häufig das Grundprinzip des Antriebsstrangs, bestehend aus
Verbrennungsmotor, Kupplung und Getriebe beibehalten und lediglich die
Karosserieform und die Fahrzeugausstattung erweitert oder angepasst. Aufgrund
von neuen Gesetzgebungen, die den Ausstoß von CO2 begrenzen oder gar komplett
verbieten, ist eine gleichbleibende Entwicklung basierend auf dem
Verbrennungsmotor weiterhin nicht mehr möglich. ... mehrDie Elektromobilität bietet die
Möglichkeit lokal emissionsfrei zu fahren und somit die Gesetzgebungen und
Grenzwerte zu erfüllen. Das bedeutet jedoch für die Entwicklung neuer Fahrzeuge,
dass der Übernahmeanteil der Vorgängergeneration deutlich kleiner wird. Der
Antriebsstrang aus Verbrennungsmotor, Kupplung und dem bis zu achtgängigen
Getriebe wird durch einen Antriebsstrang bestehend aus Leistungselektronik,
Elektromotor und Getriebe ersetzt. Dabei steht der Produktentwickler vor der Frage,
wie ein elektrischer Antriebsstrang für ein Fahrzeug effizient und für die
entsprechenden Fahrzeuganforderungen entwickelt werden kann?
Der elektrische Antriebsstrang sollte eine größtmögliche Effizienz bei einer möglichst
hohen Leistungsdichte aufweisen. Bisher werden hierfür in den meisten Fällen
Hightorque-Elektromotoren mit einem eingängigen Getriebe eingesetzt. Ein Ansatz
zur Verbesserung der Effizienz und Leistungsdichte ist die Erhöhung der maximalen
Drehzahl des Elektromotors. Das Anheben der maximalen Drehzahl führt zu einer
Verkleinerung des maximalen Drehmoments aufgrund des begrenzten
Rotordurchmessers bei hohen Drehzahlen und dem begrenzten Strom der
Leistungselektronik. Um die Leistungsanforderungen des Fahrzeugs zu erfüllen, ist
daher ein mehrgängiges Getriebe erforderlich. Dieses bietet die Möglichkeit, die
Effizienz des gesamten Antriebsstrangs zu verbessern, indem durch eine
Verschiebung der Betriebspunkte in Bereiche mit einem besseren Wirkungsgrad die
Verluste reduziert werden.
Die zentrale Fragestellung bei der Entwicklung von elektrischen Antriebssträngen für
Fahrzeuge ist, wie geeignete Kombinationen aus Leistungselektronik, Elektromotor
und Getriebe unter Berücksichtigung der verschiedenen Fahrzeuganforderungen und
Klassen, sowie den Wechselwirkungen der einzelnen Komponenten des
Antriebsstrangs, identifiziert werden können. In der vorliegenden Arbeit wird eine
Methode erarbeitet, mit der aus unterschiedlichen Elektromotoren und Getrieben ein
wirkungsgrad- und bauraumoptimaler Antriebsstrang entwickelt werden kann. Hierfür
werden unter Berücksichtigung der Fahrzeugklasse und den
Antriebsstrangkomponenten die Ganganzahl und die Übersetzungen der einzelnen
Gänge definiert. Mitberücksichtigt werden dabei die Performanceanforderungen, die
Energieeffizienz sowie die Schaltstrategie. Auf Basis der Definition der Ganganzahl
und der Übersetzungen erfolgt eine Getriebedimensionierung zur Ermittlung des
Bauraums und der Masse der unterschiedlichen Antriebsstränge. Eine
Effizienzbewertung der unterschiedlichen Antriebsstränge vervollständigt die
Methode zur Entwicklung von wirkungsgrad- und bauraumoptimalen
Antriebssträngen.

In recent decades, the development of new vehicle models has been limited primarily
to vehicles with an internal combustion engine drive train. The basic principle of the
powertrain, consisting of combustion engine, clutch and transmission, was often
retained and only the body shape and vehicle equipment were extended or adapted.
Due to new legislation that limits or even completely prohibits the emission of CO2, a
constant development based on the combustion engine is no longer possible.
Electromobility offers the possibility of local emission-free driving and thus of
... mehr
complying with legislation and limit values. However, for the development of new
vehicles this means that the carryover share of the previous generation will be
significantly smaller. The drive train consisting of combustion engine, clutch and up to
eight-speed transmission will be replaced by a drive train consisting of power
electronics, electric motor and transmission. The product developer is faced with the
question of how an electric drive train for a vehicle can be developed efficiently and
for the corresponding vehicle requirements?
The electric drive train should be as efficient as possible with the highest possible
power density. Up to now, high torque electric motors with a single-speed
transmission have been used in most cases. One approach to improve efficiency and
power density is to increase the maximum speed of the electric motor. Increasing the
maximum speed leads to a reduction of the maximum torque due to the limited rotor
diameter at high speeds and the limited current of the power electronics. To meet the
power requirements of the vehicle, a multi-speed gearbox is therefore required. This
offers the possibility of improving the efficiency of the entire powertrain by reducing
losses by shifting the operating points to areas with better efficiency.
The central question in the development of electric powertrains for vehicles is how to
identify suitable combinations of power electronics, electric motor and transmission,
taking into account the different vehicle requirements and classes, as well as the
interactions of the individual components of the powertrain. In the present work, a
method is developed with which a drive train with optimum efficiency and installation
space can be developed from different electric motors and transmissions. For this
purpose, the number of gears and the ratios of the individual gears are defined taking
into account the vehicle class and the powertrain components. The performance
requirements, energy efficiency and shift strategy are also taken into account. On the
basis of the definition of the number of gears and the ratios, the transmission is
dimensioned to determine the installation space and the mass of the various drive
trains. An efficiency evaluation of the different drive trains completes the method for
developing drive trains with optimum efficiency and installation space.