Radnabenmotoren bringen den Elektroantrieb dahin, wo das Drehmoment gebraucht wird: ins Rad. Dort können sie auch als vollwertige Bremse genutzt werden. Zusammen mit einer neuen Systemarchitektur erhöhen sie Effizienz und Sicherheit und ermöglichen das individualisierte Auto – Forscher bei Siemens Corporate Technology haben ein erstes Testfahrzeug entwickelt.
Elektrobremse: Siemens-Forscher Dr. Gunter Freitag inspiziert die Radnabenantriebe, die gleichzeitig auch als elektrische Bremse genutzt werden können.
Rasante Prüfung: Auf ihrem Fahrzeug-Teststand können die Siemens-Experten jede Art von Fahrsituation simulieren, indem sie die Drehung der Reifen beeinflussen.
Visionen unter der Lupe: Radnabenmotoren ermöglichen bereits heute extrem präzise Kurvenfahrten und künftig auch das Drehen des Autos auf der Stelle.
Elektroflitzer: der Roding Roadster Electric mit Siemens-Radnabenmotoren leistet 325 PS, sein Lithium-Ionen-Akku erlaubt eine Reichweite von rund 120 Kilometern.
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Der Fahrzeugteststand von Siemens Corporate Technology (CT) in München sieht so gar nicht nach Werkstatt aus – keine Ölpfütze, kein Abgasruß, keine Gerüche. Das ist auch nicht verwunderlich, denn hier werden saubere Elektrofahrzeuge getestet. Ein schnittiger weiß-grüner Sportwagen schwebt mit offenem Verdeck auf der Hebebühne in Kopfhöhe, als wolle er sein gutes Verhältnis zur Luft betonen. Siemens hat ihn mit Unterstützung des Bundesumweltministeriums zusammen mit Roding Automobile, TRW Automotive und anderen kleineren Firmen entwickelt. An den Achsen ist der Flitzer im Teststand mit vier riesigen luftgekühlten Elektromotoren verbunden, die im Vergleich zu ihm klobig wirken. Das ist die eigentliche Testanordnung, mit der jede Art von Fahrsituation simuliert werden kann, indem man die Drehung jedes einzelnen Reifens beeinflusst.
Das Besondere an dem Elektrofahrzeug sind zwei Radnabenmotoren, so klein, dass sie in die Felge des Wagens passen. Schon vor 112 Jahren gab es erste Elektroautos, die mit Radnabenmotoren fuhren – etwa der Lohner-Porsche, der im Jahr 1900 auf der Weltausstellung in Paris gezeigt wurde. Ein Radnabenmotor ist die optimale Form des Antriebs, weil er genau dort eingebaut werden kann, wo das Drehmoment gebraucht wird: im Rad. Das technische Problem dabei ist weniger die Größe, sondern den Motor trotz der frei drehbaren Teile so dicht zu bekommen, dass er nicht durch Schmutz und Feuchtigkeit beschädigt wird. Lange gab es auch Bedenken, dass die hohe Masse im Rad das Fahrverhalten beeinträchtigen und der ungefederte Motor bei Schlägen aufgrund von Bodenunebenheiten Schaden nehmen könnte. In Praxistests erwies sich dies jedoch als unbegründet. Künftig könnte sogar die Federung direkt ins Rad integriert werden.
Der Radnabenmotor beansprucht im Fahrzeuginneren so gut wie keinen Bauraum. Den Fahrzeugdesignern bieten sich so ganz neue Perspektiven. „Während bei einem konventionellen Fahrzeug das Auto um den Antriebsstrang herum gebaut werden muss, können wir jetzt ganz neue Wege gehen. Wir konzeptionieren das Auto so, wie es für Ergonomie und Fahrdynamik optimal ist, über die Position der Motoren müssen wir uns keine Gedanken mehr machen“, schwärmt Prof. Dr.-Ing. Gernot Spiegelberg, Leiter Konzeptentwicklung Elektromobilität bei Siemens Corporate Technology.
Das Beste daran ist, dass man auf schwere und energiefressende Wellen, Getriebe oder ein Differenzial verzichten kann. Kupplungen und Übersetzungen sind bei den meisten Elektromotoren ohnehin nicht mehr nötig; die Radnabenmotoren des Roadsters bringen von Null an die für das Anfahren notwendige Leistung und könnten das Fahrzeug mit einem Gesamtdrehmoment von 1000 Nm (kurzfristig sogar 2500 Nm) bis auf 160 km/h beschleunigen, ohne dass sein Fahrer schalten muss. Er wandelt dabei in 70 Prozent aller Bremsvorgänge fast die vollständige potenzielle und kinetische Energie zurück.
„Aber eine hohe Geschwindigkeit war nicht unser Ziel. Daher haben wir die Geschwindigkeit elektronisch auf 120 km/h begrenzt“, erklärt Dr. Gunter Freitag, der bei CT das Entwicklungsteam des Motors geleitet hat. „Viel wichtiger ist ein sehr guter Wirkungsgrad im Teillastbereich. Wir führen die Technik zwar in einem flotten Sportauto vor, doch Ziel unserer Entwicklungen ist ein Stadtauto, und das fährt die meiste Zeit in einem mittleren Leistungsbereich.“
Den Begriff Motor hört Freitag in Verbindung mit seinem Radnabenantrieb eigentlich gar nicht so gerne, richtiger wäre „Maschine“, denn er dient nicht nur dem Antrieb, sondern auch als Bremse. Die hohe Leistung der beiden Motoren von je 63 kW im Dauerbetrieb und je 120 kW maximal – bei zwei Motoren also insgesamt 325 PS – ist dabei sehr wichtig, denn sie steht auch zur Verfügung, wenn der Motor als Bremse fungiert und dabei wie ein Generator Strom gewinnt, der in die Batterie rückgespeist werden kann. Diese sogenannte elektromotorische Bremse ist damit stark genug, um bei einem eventuellen Ausfall des mechanischen Bremssystems die gesetzlich vorgeschriebenen 30 Prozent der Gesamtbremskraft zu erzeugen, um das Fahrzeug noch zum Stehen zu bringen.
Die Rückgewinnung von Energie ist bei Elektrofahrzeugen inzwischen Standard, doch die Siemens-Ingenieure gehen mit ihrer Radnabenmaschine einen großen Schritt über die heutige Technik hinaus. Bisher wurde von den Entwicklern von Elektroautos ein konstantes Schleppmoment eingestellt, das den Wagen abbremst, wenn der Fahrer vom Gas geht. Sobald er aktiv bremst, greifen auch die Reibungsbremsen und verwandeln dadurch einen nicht unerheblichen Teil der kinetischen Energie in nutzlose Wärme.
Beim Siemens-Konzept wird zuerst rein elektrisch gebremst, und erst, wenn mehr als 30 Prozent der maximalen Bremswirkung gefordert sind, werden die konventionellen Reibungsbremsen zugeschaltet. „Das ist aber erfahrungsgemäß bei mehr als 70 Prozent aller Bremsvorgänge gar nicht notwendig“, betont Freitag. „In diesen Fällen können wir daher bis zu vier Fünftel der kinetischen Energie des Autos beim Bremsen zurückgewinnen.“ Der Fahrer, so der Siemens-Ingenieur, spüre von diesem „Brake Blending“ gar nichts. Mit dieser Technik und der 19,4-kWh-Lithium-Ionen-Batterie kommt der Roding-Roadster etwa 120 Kilometer weit.
Systemdenken im Auto. Die Technik funktioniert natürlich nur dann, wenn jeder Motor ausschließlich elektronisch gesteuert wird. Gernot Spiegelberg ist überzeugt, dass die Umstellung auf den elektrischen Antrieb ein vollständiges Umdenken vom Komponenten- hin zum Systemdenken erforderlich macht: „Wir haben jetzt bei der Umstellung von Verbrennungsmotoren auf Elektroantrieb die Möglichkeit, das gesamte Nervensystem des Autos vollkommen neu zu erfinden.“ Damit können Sicherheit und Komfort einen großen Schritt weiter gebracht werden, etwa weil alle Steuerungssysteme verknüpft und ohne Einfluss des Fahrers aktiv werden können.
Dies gilt vor allem dann, wenn künftig jedes Rad mit einem eigenen Motor ausgerüstet und einzeln ansteuerbar sein wird. Während beispielsweise das klassische Antiblockiersystem heute nur passiv auf blockierende Räder reagiert, indem es die Bremse wieder öffnet, kann dann exakt so gebremst werden, dass keines der Räder blockiert. Auch schnelle Kurvenfahrten können so wesentlich präziser durchgeführt werden.
„Wenn in jedem Rad ein Antrieb steckt, kann man ein Fahrzeug individuell so auslegen, dass es im Stadtverkehr übersteuernd flink um die Ecke flitzt, weil einzelne Motoren passend automatisch beschleunigen, auf der Autobahn aber untersteuernd reagiert wie eine lange stabile Luxuslimousine, und das alles auf Knopfdruck“, schwärmt Freitag. Torque Vectoring nennen das die Experten.
In nicht allzu ferner Zukunft könnte man nicht nur Antrieb, Bremse und Dämpfung, sondern auch die Lenkung in jedes einzelne Rad integrieren. Was passiert, wenn man die beiden Vorderräder nach innen und die beiden Hinterräder nach außen einschlägt? Das macht keinen Sinn – im konventionellen Auto. Doch wenn die linken Räder nach vorne fahren und die rechten Räder nach hinten, dreht sich das Auto auf der Stelle. Ein Traum, nicht nur für jeden Fahranfänger, der heute Wenden in drei Zügen üben muss. Natürlich könnte man auch alle vier Räder im rechten Winkel nach rechts einschlagen und so in jede enge Parklücke kommen – vielleicht noch unterstützt durch einen Einparkassistenten.
Drive-by-Wire. All diese Konzepte führen unweigerlich weiter zur Frage: Wer steuert künftig eigentlich das Auto? Der Mensch oder die Maschine – wird unser fahrbarer Untersatz zum Roboter auf Rädern? „Ein neues Steuerkonzept ermöglicht das sichere und einfache Ausführen zukünftiger fahrzeugübergreifender, also beispielsweise auf Bremse, Lenkung, Antrieb wirkender, Fahrerassistenzsysteme“, erklärt Dr. Michael Armbruster von CT, der am Institut für Luftfahrzeugsysteme der Universität Stuttgart promoviert hat. Vor seinem Engagement bei Siemens hat Armbruster geholfen, Fly-by-Wire-Steuerkonzepte moderner Verkehrsflugzeuge in zukünftige elektronisch gesteuerte, ausfallsichere Fahrzeuge zu überführen.
Es sind also neue Steuerungs- und Kommunikationskonzepte im Fahrzeug notwendig. Mit Drive-by-Wire würden die Räder nicht mehr mechanisch gesteuert, sondern über elektrische Signale. Dann können auch alle möglichen elektronischen Assistenzsysteme so richtig zum Zuge kommen. Das Fahrzeug kann selbsttätig einparken, in Gefahrensituationen selbständig bremsen, aber auch beschleunigen oder in Baustellensituationen hochautomatisiert den Fahrer unterstützen. Die Vielzahl an Unterstützungsmöglichkeiten eines Fahrers durch innovative Fahrerassistenzsysteme gewinnt an Bedeutung, etwa wenn künftig immer mehr ältere Leute mobil bleiben wollen.
Vielleicht werden damit Fahrzeuge sogar irgendwann ganz autonom fahren. Drive-by-Wire ist natürlich auch bei Autos mit Verbrennungsmotor möglich, aber dabei werden vorhandene Komponenten Stück für Stück ersetzt oder verknüpft. Der Generationenwechsel hin zum Elektroantrieb bietet die Chance für einen vollkommenen Neustart in der Systemtechnik. Deren Effizienz kann besonders dann genutzt werden, wenn Antrieb, Bremse, Dämpfung und Lenkung in jedes einzelne Rad zusammen integriert und gemeinsam konsistent und sicher angesteuert werden können.
Damit dies Wirklichkeit werden kann, muss die elektronische Steuerung absolut zuverlässig funktionieren. Die Hardware muss redundant vorhanden sein. Hardware und Funktion werden im Konzept der Siemens-Forscher getrennt. Die Steuerung muss gar nicht wissen, durch welche Hardware-Teile sie ausgeführt wird. Durch die Trennung von Hardware und Funktion kann die Software auch so skalierbar ausgelegt werden, dass jederzeit via Plug-and-Play neue Funktionalitäten dazukommen können.
Derzeit arbeiten die Siemens-Wissenschaftler zusammen mit mehreren Partnern aus Forschung und Industrie an der Realisierung dieser Vision – im sogenannten RACE-Projekt soll bis Ende 2014 mit Unterstützung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie eine völlig neue Systemarchitektur für Elektroautos entstehen und an verschiedenen Prototypen getestet werden. Wie bei einem Computer soll der Nutzer damit sein Fahrzeug mit neuen Assistenz- oder Sicherheitssystemen aufrüsten können – denn niemand weiß, ob man sich nicht, wenn man älter wird, vielleicht doch einen Einparkassistenten wünscht... und dann lässt er sich einfach per Software-Update aufspielen.