Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität II

Seit Beginn des Jahres 2013 arbeiten 16 Fraunhofer-Institute in der »Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität II – FSEM II« zu innovativen Forschungsthemen der Elektromobilität eng zusammen. Damit sollen die u.a. im Rahmen der FSEM I aufgebauten Kompetenzen und Netzwerke der Fraunhofer-Institute auf dem Gebiet der Elektromobilität weiter ausgebaut werden.

Ein weiteres Ziel liegt in der Entwicklung innovativer Technologien und Komponenten für Hybrid- und Elektrofahrzeuge. Diese sollen dann gemeinsam mit Forschungspartnern aus der Industrie in die Anwendung überführt werden. Gleichzeitig soll damit ein Beitrag zur Fortführung und weiteren inhaltlichen Ausgestaltung des Systemforschungsgedankens durch Kooperation der Fraunhofer-Institute untereinander in drei Clustern geleistet werden.

Innerhalb des Clusters »Antriebsstrang / Fahrwerk« arbeiten drei Fraunhofer-Institute an einer vollelektrischen Rad-Antriebseinheit. Dieses besteht aus einem luftgekühlten Radnabenmotor, einem ebenfalls luftgekühltem Antriebsumrichter, einem Multi-Level-DCDC-Wandler sowie einem adaptiven Fahrwerk mit kühlluftoptimiertem Rad. Eine Innovation besteht in der erstmals in einer elektrischen Maschine umgesetzten Wicklung mit gegossenen Aluminium-Spulen. Die mittels eines Feingussverfahrens hergestellten Spulen zeichnen sich durch einen hohen Nutfüllgrad von über 80% aus und ermöglichen durch eine gute Anbindung an die Statorzähne trotz Luftkühlung hohe Stromdichten im Betrieb. Die Optimierung der Felgengestaltung im Hinblick auf eine Verbesserung der Kühlluftzuführung bringt zusätzliche Freiheitsgrade im Bezug auf die Wärmeabfuhr aus dem Radhaus. Gleichzeitig wird die Felge unter Berücksichtigung der Anforderungen zur Betriebsfestigkeit ausgelegt. Die 3H-Topologie des Antriebsumrichters bietet deutliche Vorteile in Bezug auf die Funktionale Sicherheit und Ausfallsicherheit. Das elektrische Bordnetz arbeitet mit einer Nennspannung von 48V, welche durch den Multi-Level-DCDC-Wandler bedarfsgerecht auf der Maschinenseite unterhalb der Grenze für Kleinspannung auf max. 120V erhöht werden kann, um einen wirkungsgradoptimalen Betrieb der Radnabenmotoren zu ermöglichen. Dadurch entfallen gegenüber bisherigen Bordnetzen mit Nennspannungen von 400V aufwändige Lösungen zur Isolationsüberwachung.

Das Cluster »Batterie / Range Extender« fokussiert sich auf den Aufbau eines Batteriesystems sowie auf die Realisierung eines Range Extender-Moduls. Acht Fraunhofer- Institute arbeiten in diesem Rahmen an neun Teilprojekten. Im Vordergrund der Arbeiten zum Batteriesystem steht die Weiterentwicklung einzelner Komponenten und Fertigungstechniken in Richtung Leichtbau und Effizienz. Beispiele hierfür sind die Entwicklung eines leichten, aber dennoch crashsicheren Batteriegehäuses, die Kühlung der Batterie mittels PCM oder ein serienfähiges Kontaktierungsverfahren für Batteriepole mittels Laserschweißen. Ein weiteres Modul bildet der »Li-Booster«, eine kompakte Hochleistungsbatterie, die kurzzeitige hohe Leistungsbedarfe im Bordnetz sowohl bei Antrieb als auch bei Rekuperation decken kann. Dies ermöglicht ein zweiteiliges Hybrid-Batteriesystem mit deutlich verbesserter Lebensdauer, welches aus je einem für den jeweiligen Einsatzzweck optimiertem Leistungs- und Energiespeicherteil besteht.

Für die Komponente »Range Extender« werden verschiedene Lösungsansätze verfolgt. Ein kompaktes Brennstoffzellenmodul ergänzt das »Leichtbau-Energiepack« um ein auf den Einsatz im Elektrofahrzeug hin optimiertes System zur lokal emissionsfreien Energiewandlung. Ein weiteres Range Extender-Modul wird für den Einsatz in einem leichten Nutz- bzw. Kommunalfahrzeug hin entwickelt und optimiert. Dieses wird von einem emissionsarmen und zuverlässigen Verbrennungsmotor angetrieben, um sowohl elektrische Energie als auch die in diesem Einsatzfall notwendige hydraulische Energie bereitstellen zu können.

Im Cluster »Bauweisen / Infrastruktur« bearbeiten sechs Fraunhofer-Institute u.a. Forschungsthemen zum effizienten Leichtbau von Karosseriestrukturen, zum bidirektionalen induktiven Laden von Elektrofahrzeugen oder zum autonomen Fahren. Im Vordergrund der sieben Teilprojekte steht dabei insbesondere die möglichst weitgehende Funktionsintegration in die einzelnen Komponenten. Ein Beispiel hierfür ist die Integration eines Systems zum Thermomanagement für das Batteriesystem und den Fahrzeuginnenraum in die Bodengruppe eines Fahrzeugs unter Berücksichtigung der Anforderungen hinsichtlich Leichtbau und Crashsicherheit. Ein weiterer Leitgedanke der Arbeiten ist die direkte Integration der Fertigungs- und Produktionsprozesse in die Technologieentwicklung, um zukünftige entkoppelte, voll flexible und hochintegrierte Produktionssysteme zu realisieren.

Mit der »Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität II« baut die Fraunhofer-Gesellschaft ihre erfolgreichen Arbeiten auf dem Gebiet der Elektromobilität weiter aus. Dabei konzentrieren sich die beteiligten Institute nicht nur auf die Beiträge zur Lösung der wichtigsten technologischen Herausforderungen zur Elektromobilität, sondern versuchen durch direkte Einbeziehung von industriell relevanten Fragestellungen in die Entwicklungen auch bei der Industrialisierung dieser Technologien mitzuwirken. Gerade der verstärkte Fokus auf die Produktion von Komponenten für Elektrofahrzeuge innerhalb des Projekts trägt dem Rechnung. Eine wichtige Rolle nimmt dabei auch das Forum Elektromobilität e.V. ein, das nicht nur als Vernetzungsplattform für seine Mitglieder wirkt, sondern darüber hinaus auch zunehmend als Drehscheibe für neue Technologien und Ansätze dient.