Doppel-E-Antrieb mit Range-Extender (DE-REX)

Im Vorhaben „Doppel-E-Antrieb mit Range-Extender (DE-REX)“, gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), wurde ein innovatives seriellparalleles
Hybrid-Antriebskonzept für Mittelklasse-Pkws aufgebaut und erprobt.

Das Konzept
Der Doppel-E-Antrieb ist ein innovatives, modulares Antriebsstrang-Konzept für den Einsatz in rein elektrischen oder hybriden Fahrzeugen. Das Layout des Doppel-E-Antriebs mit Range-Extender (DE-REX) ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei baugleiche elektrische Maschinen (EM1 und EM2) jeweils an einem automatisierten 2-Gang-Teilgetriebe (TG) angebunden sind. Zusätzlich kann die leistungsmäßig relativ kleine Verbrennungskraftmaschine (VKM, Pmax_VKM = 65 kW) über eine Trennkupplung (T) an eines der Teilgetriebe angebunden werden, sodass sowohl parallele als auch serielle Hybrid-Betriebsmodi
ermöglicht werden. Das Doppel-E-Antrieb-Konzept wird im Projekt auf einem Hardware-in-the-Loop-
Prüfstand und in einem Fahrzeug (B-Klasse, Daimler AG) erprobt.

Betriebsmöglichkeiten
Das DE-REX-Konzept ermöglicht 16 verschiedene Betriebsmöglichkeiten, je nach aktivem Aggregat
und Schaltgabelstellung im Getriebe. Mit dem DEREX-Konzept kann sowohl rein elektrisch als auch
im parallelen oder seriellen Hybrid-Betrieb gefahren werden. Der Einsatz dieser Betriebsmodi wird von
der Betriebsstrategie des Fahrzeugs energieoptimal ausgewählt. Die Betriebsweisen wurden auf dem
Hardware-in-the-Loop-Prüfstand und im Fahrzeug erfolgreich getestet.

Getriebe
Das automatisierte Getriebe setzt die Aufteilung der Radleistungsanforderung über zwei Teilgetriebe
mit jeweils zwei Gängen auf die zwei kleinen E-Maschinen und die Verbrennungskraftmaschine um.
Die zwei mehrgängig angebundenen E-Maschinen bieten im Vergleich zu einer mit konstanter Übersetzung angebundenen doppelt so großen E-Maschine eine erhöhte Effizienz durch verringerte Teillastverluste, da Teillastpunkte im Fahrspiel häufiger auftreten als der Volllastpunkt. Durch die Anbindung an das TG 2 wird die E-Maschine 2 auch als Starter-Motor der Verbrennungskraftmaschine verwendet. Im Vorhaben wurden auch die durch den Aufbau des Systems möglichen  zugkraftunterbrechungsfreien Schaltvorgänge erfolgreich getestet. Hierbei wird die  Drehzahlsynchronisierung bei Gangwechseln über die Regelung der elektrischen Maschinen eingesetzt.
Weiter ist eine integrierte Parksperrenfunktion durch die E-Antriebe und das Getriebe realisiert.
Die 240 Schaltvorgangsmöglichkeiten des Systems wurden durch sowohl objektive als auch subjektive
Wahrnehmungsbewertung untersucht.

E-Motoren
Zwei 6-polige Innenläufer-Permanentmagnet-Synchronmaschinen mit vergrabenen NdFeBDauer-
magneten in V-Anordnung im Läufer und mit Stator-Flüssigkeitsmantelkühlung werden jeweils
von einem eigenen Umrichter (BRUSA DMC 524) gespeist. Die Dauernennleistung eines Motors Pn
beträgt 24 kW bei einer Drehzahl n = 4167 min-1 bei einer erforderlichen relativ kurzen Motorgehäuselänge von 252 mm und einem Motorgehäusedurchmesser von 186 mm. Für Beschleunigungsvorgänge steht für maximal 30 Sekunden eine Leistung von bis zu 48 kW bei bis zu 110 Nm an der Motorwelle zur Verfügung. Bei einer maximalen Motordrehzahl von n = 10 000 min-1 wird die geforderte maximale, rein elektrisch erreichte Fahrgeschwindigkeit von 140 km/h im 2. Gang erreicht. Für eine Steigerung der Leistungsdichte (Drehmoment pro Volumen) der E-Motoren ist nicht nur deren Auslegungsprozess wesentlich, sondern eine intelligente Betriebsstrategie führt durch die zusätzlichen Freiheitsgrade der Betriebsmöglichkeiten des Gesamtsystems auch im rein elektrischen Betrieb zu geringeren Temperaturen in den Maschinen, was wiederum eine Verkleinerung der E-Maschinen ermöglicht.

Prof. Dr.-Ing. S. Rinderknecht (IMS),
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder (EW)
TU Darmstadt – Institut für Mechatronische Systeme (IMS) und

Institut für Elektrische Energiewandlung (EW)
IMS: Otto Bernd-Str. 2, EW: Landgraf-Georg-Str. 4
64283 Darmstadt
rinderknecht@ims.tu-darmstadt.de,
abinder@ew.tu-darmstadt.de
www.de-rex.de

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