Doppelkupplungslos mit eDCT
Obwohl heute die meisten Elektroautos mit einer festen Übersetzung unterwegs sind, setzt sich die Erkenntnis durch, dass Schaltgetriebe auch für die Elektromobilität Vorteile bringen. Einen Effizienzgewinn von bis zu 15 Prozent verspricht ein neues Getriebe aus der Schweiz
München, 13. Februar 2013 – Ja, es stimmt, dass Elektroautos keine Kupplung zum Anfahren brauchen und dabei wird es wohl auch bleiben. Obwohl heute die meisten von ihnen, wie etwa Nissan Leaf, Mitsubishi i-MiEV und smart electric drive mit einer festen Übersetzung unterwegs sind, setzt sich jedoch die Erkenntnis durch, dass ein Schaltgetriebe mit mehreren Gängen auch für die Elektromobilität Vorteile bringt. Damit ist nicht der gesteigerte Fahrspaß gemeint, zu dem das manuelle Fünfgang-Schaltgetriebe des sportlichen Roadster Morgan Plus E verhelfen soll. Schon das Kraftpaket Tesla Roadster war zunächst mit einem Zweiganggetriebe ausgestattet. Allerdings hat Tesla mangels Standfestigkeit der Schaltbox zurückgerüstet auf eine feste Übersetzung – jedenfalls vorübergehend. Denn ganz im Gegensatz zu einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor ist es zwar möglich, auf schaltbare Gänge zu verzichten, allerdings zum Preis verringerter Reichweite, eingeschränkter Leistung oder teurerer und schwererer Motoren.
Anriss und Anfahrelement
Einen „Wow-Effekt“ bei Neulingen löst regelmäßig das erste Anfahren mit einem E-Auto aus. „Was für ein Anriss – hat der wirklich nur 68 PS?!“ Was die Menschen so erstaunt (in diesem Fall verstärkt durch die wenig aussagekräftige Leistungsangabe), ist das hohe Motordrehmoment aus dem Stillstand. Es ist so hoch, dass beim E-Auto eine Kupplung fürs Anfahren wegfallen kann. Ein solches sogenanntes „Anfahrelement“ muss beim Anfahren eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor die Drehzahldifferenz zwischen dem laufenden Motor und dem stehenden Antriebsstrang überbrücken, da ein Verbrennungsmotor im Stillstand keine Kraft abgeben kann. Neben der Reibkupplung an einem manuellen Schaltgetriebe kann dazu auch der vom Automatgetriebe bekannte Drehmomentwandler eingesetzt werden, in beiden Fällen wird während des Anfahrens Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt. Und da der Elektromotor seine Drehkraft netterweise dann auch noch über einen vergleichsweise äußerst breiten Drehzahlbereich bereit stellt, kann man auch auf schaltbare Übersetzungsstufen verzichten. Wohlgemerkt: Man kann.
Doppelkupplungslos mit eDCT (9 Bilder)
(Bild: Oerlikon Graziano)
Breites Band
Ein Auto mit Verbrennungsmotor benötigt neben einer Anfahrkupplung die verschiedenen Gangstufen, weil der Motor ein nutzbares Drehmoment nur in einem äußerst schmalen Drehzahlbereich abgibt. Um es beim Anfahren oder Bergauffahren in möglichst hohe Antriebskraft an den Rädern umwandeln oder den Motor auch bei hoher Fahrgeschwindigkeit im Bereich seiner größten Kraft arbeiten lassen zu können, sind mehrere Übersetzungsstufen unumgänglich. Vier oder fünf reichen aus, um vernünftige Fahrleistungen zu erreichen. Dass heute die Zahl der Gänge bis auf das Doppelte steigt, hat vor allem mit der Effizienz zu tun: Man kann so den Motor noch öfter und länger im Bereich seines niedrigsten Verbrauchs betreiben – mit dem gerne genommenen Nebeneffekt eines höheren Komforts durch die kleineren Drehzahlsprünge. Mit der Hand schalten will so viele Gänge natürlich fast niemand mehr – die Getriebe mit mehr als sechs Gängen sind daher fast immer Automatikgetriebe.
Beim Elektromotor ist das zwar bei Weitem nicht so dramatisch, doch auch bei ihm sinkt bei niedriger und hoher Drehzahl die Effizienz der Energieumwandlung von über 90 auf nur mehr 60 bis 70 Prozent. Bei den meisten Elektrofahrzeugen werden Motor und Übersetzung auf einen problemlosen Start an einer steilen Steigung mit vollbeladenem Wagen – vielleicht sogar noch mit Anhänger – ausgelegt. Die Übersetzung wird also kurz genug gewählt für einen Fall, der so gut wie nie eintritt, mit der Folge, dass der Motor fast immer unnötig hoch dreht. Könnte man solche verschwenderische Drehzahlen im normalen Fahrbetrieb vermeiden, stiege die Reichweite um den rechnerischen Differenzwert von zwischen 30 und 20 Prozent.
Ein Schaltgetriebe macht diesen Wert zwar zu Theorie, denn so ein Räderwerk verwandelt ein paar Prozent des Batteriestroms in Abwärme und zudem fährt man ja nicht ständig mit dem schlechtesten Wirkungsgrad herum. Aber die Getriebeentwickler gehen davon aus, noch genügend Wirkungsgrad retten zu können, dass sich so ein Getriebe lohnen kann. Die Ingenieure von Oerlikon Graziano beispielsweise rechnen 15, die Konstrukteure von Getrag immerhin noch 10 Prozent Reichweitenverlängerung aus. Der Effizienzgewinn wird größer, je schwerer ein Fahrzeug oder je größer die Differenz zwischen beladenem und unbeladenem Fahrzeug ist. Letzteres ist ja die Regel bei den meisten leichtgewichtigen E-Autos mit mehreren Sitzplätzen. Noch größer wird der Vorteil, wenn darüber hinaus noch gute Steigfähigkeit und hohe Endgeschwindigkeit gefragt sind.
Selbst, wenn man unterstellt, dass die genannten Getriebeproduzenten ihre Schaltboxen nicht ohne Eigennutz mit einer möglichst großen Reichweitenverlängerung bewerben, sind Verbesserungen um die 10 Prozent ein Traumwert angesichts der paar Zehntel oder ganzen Prozente, die man aus allen möglichen Bereichen von der Aerodynamik bis zum Fahrzeuggewicht mühsam zusammenzukratzen muss. Man denke nur an extrem aufwendige und teure Technologien mit Materialien wie Karbon oder Magnesium, deren schiere Erzeugung, Verarbeitung und finales Recycling bereits mehr Energie kosten als der ganze Leichtbau in mehreren Jahren einsparen kann. So entstehen teure Autos, wie der BMW i3, der demnächst auf den Markt kommt. Nicht zu vergessen den steinigen Weg zu ein paar Prozent mehr Batteriekapazität, zur Zeit wegen der extrem hohen Kosten sicher der größte Knackpunkt an jedem Elektrofahrzeug.
Doppelkupplungsloses Getriebe
Graziano Oerlikon ist sich jedenfalls sicher, eine Lösung anbieten zu können. In ihrem Vierganggetriebe sollen zwei elektrische Antriebsmotoren in sieben Gangstufen zusammenarbeiten. Als Versionen bietet der Hersteller zweimal 25 kW/64 Nm oder zweimal 35 kW/75 Nm an, die resultierenden Gesamtleistungen von 50 kW/128 Nm oder 70 kW/150 Nm wären für die meisten Pkw-Typen des A- und B-Segments locker ausreichend. Der Name eDCT ist Programm und setzt sich zusammen aus „electric Dual Clutchless Transmission“, also „elektrisches doppelt kupplungsloses Getriebe“, was natürlich komisch klingt in Ohren, die nur „Doppelkupplungsgetriebe“ kennen. Sein mechanischer Aufbau soll eine für den Fahrer unmerkliche, automatische Schaltung ermöglichen. Dazu sind die beiden Motoren fest mit zwei Eingangswellen verbunden. Auf beiden Wellen können je zwei Übersetzungen mit der Vorgelegewelle verschaltet werden. Damit stehen pro Motor zwei schaltbare Gänge zur Verfügung.
Vier feste Gänge also. Aber wie kommt Oerlikon auf sieben Gangstufen? Die Kombinationen entstehen aus den vier mechanisch schaltbaren Gängen und durch eine Kombination der beiden Motoren. Sie können in unterschiedlichen Drehzahlen gleichzeitig im ersten und zweiten oder zweiten und dritten beziehungsweise dritten und vierten Gang Kraft einspeisen. Aufgebaut wie ein Doppelkupplungsgetriebe ermöglicht das eDCT Schaltungen zwischen den Übersetzungen ohne Drehmomentunterbrechung, denn anstelle von Kupplungen und Synchronisierungen werden die beiden Motoren eingesetzt. Der eine Motor treibt den ersten und dritten Gang an (die „ungerade“ Welle), der andere die für den zweiten und vierten Gang (die „gerade“ Welle). Dies gestattet die Vorwahl eines Gangs, bevor der gerade eingelegte gelöst wird. Dazu werden beide Motoren so gesteuert, dass sie die Wellendrehzahlen den Schaltvorgängen entsprechend anpassen. Synchronisatoren werden also nicht gebraucht, dafür aber eine ausgeklügelte Steuerung. Der automatisierte Schaltmechanismus verwendet eine elektromechanisch betätigte Schaltwalze für die Bewegung der Schaltgabeln.
Zwei Antriebsmotoren im ständigen Wechsel
Die elektronische Steuerung wurde von Vocis Driveline Controls entwickelt, einer Firma im Teilbesitz von Oerlikon Graziano. Sie verwendet Strategie, Schaltsequenzen, Gangbetätigung und Sicherheitsfunktionen einer bereits vorhandenen DKG-Steuerung in abgewandelter Form. Interessantes Detail: Während der eine Motor eine Eingangswelle zur Synchronisierung abbremst, wird die freiwerdende Energie rekuperiert, indem sie „einfach“ dem anderen Motor zur Verfügung gestellt wird. Testfahrer berichten jedenfalls, sie würden einige der Gangwechsel gar nicht mehr wahrnehmen können. Oerlikon Graziano hat den Prototypen aus Zeitdruck mit bereits existierenden Teilen für Doppelkupplungsgetrieben entwickelt. Dadurch war es zunächst mit einer Synchronisierung und einer hydraulischen Schaltbetätigung ausgestattet. In späteren Versionen verzichtete man auf die Synchronringe und ersetzte die hydraulische gegen eine mechanische Schaltgabelbetätigung per Schaltwalze mit Nuten für die Finger der Schaltgabeln.
Unmerkliche Schaltvorgänge
Aus dem Stand beschleunigt das Fahrzeug im ersten und zweiten Gang, also mit beiden Motoren in verschiedener Drehzahl. Während der Beschleunigung wird das Drehmoment des ersten Motors zurückgeregelt und das des zweiten steigt so lange, bis er das gesamte Antriebsdrehmoment bereitstellt. Nun wird der erste Gang herausgenommen, die ungerade Welle schaltet in den Leerlauf und die Geschwindigkeit des ersten Motors wird an die Geschwindigkeit des dritten Gangs angepasst, während das Fahrzeug im zweiten Gang allein mit dem Drehmoment von Motor 2 beschleunigt. Sobald die Drehzahl von Motor 1 zur Drehzahl des dritten Gangs passt, wird auf der ungeraden Welle vom Leerlauf in den dritten Gang geschaltet. Im dritten Gang wird die Leistung von Motor 1 erhöht, während die von Motor 2 zurückgeregelt wird, bis das Drehmoment von Motor 1 und 2 gemeinsam übertragen wird. Das Fahrzeug fährt nun im zweiten und dritten Gang und ist bereit für den nächsten Schaltvorgang vom dritten in den vierten Gang. (Und so weiter). Laut Hersteller ist der Grund für ausgerechnet vier Gänge vor allem der höhere Fahrkomfort durch die kleineren Drehzahlsprünge. Effizient genug wären bereits zwei Gangstufen.
Darüber hinaus sollen verschiedene Schaltstrategien wahlweise entweder ein besonders effizientes oder leistungsorientiertes Fortkommen ermöglichen, wie ein Ingenieur von Oerlikon Graziano dem Technologie-Portal DCTFacts erklärte:
- „Effizient“: Die Kraft wird abwechselnd von den Motoren eingespeist, beispielsweise beim Anfahren mit Motor 1 im ersten Gang. Gleichzeitig wird der zweite Gang vorgewählt durch die Drehzahlsysnchronisierung des zweiten Motors und dann die Drehmomentübergabe von Motor 1 auf Motor 2.
- „Höhere Leistung“: Wie oben, aber ohne Drehmomentübergabe, also mit einer Krafteinspeisung über beide Motoren.
- „Umschalten von hoher Leistung auf Effizienz“: Beide Motoren speisen Kraft über zwei Gänge ein. Durch Drehmomentübergabe auf Motor 2 wird Motor 1 entlastet. Nun kann der erste Gang herausgenommen werden.
- „Hohe Leistung“, Gangwechsel unter Last bei zwei aktiven Motoren. Beispielsweise wird die Kraft gleichzeitig über den ersten und den zweiten Gang eingespeist. Um nun auf die beiden gleichzeitig aktiven Gänge „zwei“ und „drei“ umzuschalten, wird vom Ersten auf den Dritten umgeschaltet, während über den zweiten Gang weiterhin laufend Kraft eingespeist wird. Im Detail: Zunächst wird die Drehmomentabgabe des ersten Motors (erster Gang) vollständig heruntergefahren, bis Motor zwei das gesamte Drehmoment abgibt. Dann kann der erste Gang herausgenommen werden, weil über ihn ja keine Kraft mehr läuft. Motor eins kann nun auf die Drehzahl für den dritten Gang gebracht und der Dritte eingelegt werden. Nun können wieder beide Motoren parallel zur weiteren Beschleunigung eingesetzt werden.
Getriebe nehmen Fahrt auf
Die Entwicklung bei E-Auto-Getrieben scheint Fahrt aufzunehmen: auf der IAA 2011 präsentierte der große Getriebebauer Getrag zunächst ein echtes Doppelkupplungsgetriebe in Vorgelegebauweise für E-Autos. Der Aufbau des zweigängigen 2eDCT600 erlaubt zugkraftunterbrechungsfreie Schaltungen unter Last, verkraftet 500 Nm Eingangs- und 6000 Nm Ausgangsdrehmoment. Das ist stabil, erscheint im Vergleich zur Neuentwicklung aus der Schweiz aber weniger intelligent. Sein laut Herstellerangabe rund fünf Prozent geringerer Wirkungsgrad erklärt sich wohl zu einem Teil aus dem Energieverlust in den Reibkupplungen und einer deutlich einfacheren Schaltstrategie aufgrund geringerer konstruktiver Freiheitsgrade.
Angesichts solcher Entwicklungen scheint sich ganz nebenher auch der seit dem Lohner-Porsche von 1899 immer wieder einmal populäre Radnabenmotor überlebt zu haben. Es sei denn, man bekäme irgendeine radweise Schaltung mit Planetengetrieben in den Griff. Dagegen sprechen allerdings vehement die bereits jetzt schon (zu) hohen ungefederten Massen der Nabenmotoren und der Aufwand durch eine Verzwei- oder – bei Allradantrieb – gar eine Vervierfachung des Getriebes. Das Beispiel zeigt: Einige der neuen, alten Ideen kehren mit einem Abstand von über 100 Jahren wieder zurück. Radnabenmotoren beispielsweise haben mittlerweile die meisten Zulieferer präsentiert. Sie kommen direkt aus einer fast vergessenen, dynamischen Pionierzeit, die damals durch den Siegeszug der Benzinkutschen gewissermaßen eingefroren worden ist. Das Beispiel eDCT dagegen ist eine ganz neue Entwicklung, die ohne das für den Verbrennungsmotor entwickelte Doppelkupplungsgetriebe gar nicht möglich gewesen wäre. Es steht für die neuen Möglichkeiten, die dank der Entwicklungen im konventionellen Auto nun für die E-Mobilität nutzbar gemacht werden können. Zur Zeit sind es neben den Ideen aus der Pionierzeit die neuen technischen Möglichkeiten, welche die Entwicklung der E-Mobilität so spannend machen. (fpi)