Das Konzept ist einfach: Anstatt den Strom durch drei Phasen in den Motor zu schicken, wird die Anzahl der Phasen einfach erhöht, sodass sich die Strombelastung auf die vielen Phasen aufteilt und so die Stromtragfähigkeit pro Phase nicht überschreitet. Die Fortschritte in der Leistungselektronik haben das schon vor Jahren möglich gemacht. “Die eigentliche Hürde bestand für uns aber in etwas anderem. Über Jahrzehnte hat sich selbst unter Experten aufgrund der Erfahrungen aus dem Bereich der Überlandnetze die feste Überzeugung gebildet: Hohe Leistungen können nur bei hoher Spannung effektiv übertragen werden. Das ist aber ein Trugschluss, wenn die Leistung über kurze Distanzen – wie in einem Auto – übertragen werden soll”, sagte Prof. Dieter Gerling im Interview mit Markt&Technik.

Aus seinem Lehrstuhl an der Universität der Bundeswehr in Neubiberg ist Volabo hervorgegangen, die zwei seiner ehemaligen Mitarbeiter – Florian Bachheibl und Adrian Patzak – 2016 gegründet haben. Prof. Gerling konnte schon 2014/15 an einem ersten Prototypen zeigen, dass sein Konzept prinzipiell funktioniert. Dann ging es Schlag auf Schlag – 2016 erreichte der zweite Prototyp bereits eine Leistung von 150 kW. Hier war die Leistungselektronik allerdings noch extern verbaut. 2017 folgte der dritte Prototyp, in dem die Leistungselektronik erstmals im Motor selber integriert werden konnte, und im Frühjahr 2019 ist es Volabo gelungen, die Baugröße der Leistungselektronik noch einmal um über die Hälfte zu senken. Ergebnis ist ein Motor, der 110 kW erreicht, und das mit einer Länge von nur 33 cm inklusive der zugehörigen Elektronik, also dem Umrichter mit Steuereinheit. “Wir konnten ihn problemlos in die Vorderachse eines Touran integrieren”, freut sich Adrian Patzak. Zudem fährt bereits ein zweites mit einem Partner gebautes Auto mit dem Antrieb von Volabo.

“Wir können also live demonstrieren, dass das alte Mantra ‘Hohe Leistung geht nur mit hoher Spannung’ nicht stimmt«, so Prof. Gerling. Denn von der Batterie bis zum Motor im Auto sind nur kurze Strecken zu überwinden, da können ohne weiteres Ströme von 1000 A, 4000 A und darüber hinaus ohne hohe Leitungsverluste übertragen werden.

Das Gleiche dachten sich auch Pasi Pennanen und Vesa Lehtinnen, Gründer der finnischen Firma Toroidion. Ihnen schwebte nichts Geringeres vor, als einen elektrischen Rennwagen zu entwickeln, der das 24-Stunden-Rennen von Le Mans gewinnen könnte. Sie statteten den ersten Prototypen mit vier Motoren – einen für jedes Rad – aus, die insgesamt auf eine Leistung von 1 MW kommen – bei einer Spannungsversorgung von ebenfalls 48 V. Auch sie teilen den Motor in viele Phasen auf, durch die dann relativ kleine Ströme fließen. Toroidion hat dazu auch gleich die passende Power-Management-Elektronik und die passenden Batterien (nur die Zellen werden zugeliefert) für ihren Antrieb entwickelt. Die Reichweite des Sportwagens erreicht laut Pennanen mit einer 65-kWh-Batterie 650 km.

Die niedrige Spannungsversorgung von 48 V, die sich als Standard für künftige Autogenerationen etablieren wird, bietet zahlreiche Vorteile. Alle aufwändigen Schutzmaßnahmen, die bei den heute üblichen Motor-Spannungen in E-Autos zwischen 400 und 800 V erforderlich sind, können wegfallen. Weder beim Bau noch bei der Wartung und Reparatur der 48-V-Autos sind besonders geschulte Mitarbeiter und besondere Sicherheitsvorkehrungen erforderlich.

Sicherheit bei E-Autos

Prof. Dieter Gerling, Voalbo: “Wir können live zeigen, dass das alte Mantra „hohe Leistung geht nur mit hoher Spannung“ im Auto nicht stimmt.”

© Thomas Benz/just imagine

Am Wichtigsten: Auch Rettungsmannschaften haben bei einem Unfall gefahrlos Zugang zum Auto und können Verletzte bergen. “Ich wäre nicht überrascht, wenn sich eine dem Dieselgate-Skandal ähnelnde Diskussion rund um die mangelnde Sicherheit für E-Autos entwickeln wird, die der E-Mobilität insgesamt schwer schaden könnte”, erklärte Pasi Pennanen gegenüber Markt&Technik.

Ein weiterer großer Vorteil: Bei der niedrigen Versorgungsspannung können relativ günstige Leistungshalbleiter Einsatz finden, Schutzschaltungen fallen weg.
Das hat auch Continental überzeugt. Das Unternehmen hat seinen neuen, sechsphasigen 48-V-Motor auf Basis „gesteckter Wicklungen (Hairpin)“ aufgebaut. Konkret handelt es sich dabei um feste Drähte, die in Nuten des Stators eingelegt und anschließend verschweißt werden. Der 6-Phasen-Motor erreicht Spitzenleistungen bis 30 kW und kann in verschiedenen Topologien (P2, P3, P4) eines Hybridfahrzeugs integriert werden. Im Demofahrzeug von Continental sitzt der Motor zwischen Verbrenner und Getriebe – also in einer sogenannten P2-Topologie. Damit wird rein elektrisches Fahren mit bis zu 90 km/h, vor allem in innerstädtischen Bereichen, möglich. Der Wirkungsgrad des elektrischen Antriebs steigert sich gegenüber herkömmlichen 48-V-Systemen um 10 %. Beim Rekuperationsvorgang werden so die Verluste im Elektroantrieb halbiert. Insgesamt ergibt sich eine Treibstoffersparnis von 20 % gegenüber dem entsprechenden Verbrenner.

Ein großer zusätzliche Vorteil: Die Spulen herzustellen ist sehr aufwändig, sie durch gesteckte Wicklungen zu ersetzen spart Kosten drastisch ein. “Zusammen mit der Batterie und der Leistungselektronik haben wir damit ein System geschaffen, dass ein Hochvolt-Vollhybrid-System wirtschaftlich sinnvoll ersetzen kann”, erklärte Stefan Lauer, Projektleiter bei Powertrain Technology and Innovation von Continental, gegenüber Markt&Technik. Im Moment sei mit der Vorentwicklung der erste Schritt abgeschlossen, Vorserienprojekte sind geplant. Wenn das Interesse besteht, könnte in etwa vier Jahren bereits die Serienproduktion aufgenommen werden. An Interesse mangele es nach seinen Worten nicht: “Praktisch alle OEMs schauen sich derzeit die 48-V-Technik sehr genau an. Unser Motor passt auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten sehr gut in Hybridfahrzeuge.” Derzeit untersucht Continental, ob sich die 48-V-Motoren auch für den Einsatz in Plug-in-Hybriden eignen würden.

Auf die Spitze getrieben hat das spulenlose Prinzip Volabo. Der „Intelligent Stator Cage Drive“ – kurz ISCAD – besteht nur noch aus Aluminiumstäben, die die Phasen bilden. Weil die Phasen und die zugehörige Leistungselektronik die Grundmodule bilden, aus denen sich verschiedene Motortypen für unterschiedliche Leitungsklassen aufbauen lassen, können diese Module in hohen Stückzahlen kosteneffektiv produziert werden.

“Doch wir ersetzen die Spulen nicht nur, was allein schon die Produktionskosten deutlich senkt, wir schaffen neue Funktionalitäten”, erklärt Dieter Gerling. Denn die Phasen lassen sich beliebig ein- und ausschalten. Beim Beschleunigen können alle Phasen eingeschaltet werden; rollt das Auto auf ebener Strecke vor sich hin, so werden nur wenige Phasen benötigt und die Übrigen können abgeschaltet werden. Das erhöht nochmals den Wirkungsgrad.

Verzicht auf Permanentmagnete

Vesa Lehtinnen und Pasi Pennanen gründeten Toroidion und haben bereits einen 1-MW-Sportwagen auf Basis von vier 48-V-Motoren demonstriert.

© Toroidion

Aufgrund dieses Effekts und der ebenfalls effizienten Leistungselektronik kann Volabo auf Permanentmagnete verzichten, die den Motoren bisher den für den Einsatz im Auto erforderlichen hohen Wirkungsgrad verliehen haben und deshalb in der Regel unerlässlich waren. Permanentmagnete aber sind teuer, und inwieweit die dafür erforderlichen Seltenen Erden (Neodym und Disprosium) verfügbar sein werden, lässt sich heute noch gar nicht absehen, denn die bei Weitem größten Vorkommen finden sich in China. “Unsere Motoren dagegen bestehen lediglich aus Eisen und Aluminium, beides kostengünstig und hochverfügbar”, so Patzak.

Außerdem fallen in den spulenlosen Motoren die großen Wickelköpfe weg, wie Gerling erläutert: “Das ist ein wesentlicher Grund dafür, dass wir die Leitungselektronik integrieren konnten und der Motor inklusive der gesamten Elektronik damit nicht größer ist als die Motoren anderer Hersteller ohne Elektronik.” Gleichzeitig reduzieren sich die Verluste im Motor und es kann Material eingespart werden.

Inzwischen hat sich offenbar herumgesprochen, dass hohe Motorleistungen auch bei niedrigen Spannungen im Auto zu erreichen sind. Volabo jedenfalls konnte sich in den ersten drei Jahren des Bestehens rein über Projektgeschäfte rund um ISCAD finanzieren. Das allein zeigt schon, wie begehrt die Technik ist – “für ein Start-up eher ungewöhnlich”, so Gerling.

“Als nächster Schritt steht jetzt die Industrialisierung an, wir müssen Produktionspartner und Investoren finden.” Auch das sei kein Problem, “die erste Finanzierungsrunde haben wir mithilfe des Projektgeschäftes praktisch übersprungen und fangen gleich bei der zweiten an.” Jetzt käme es darauf an, so schnell wie möglich die entsprechenden Zertifizierungen und Qualifikationen zu bekommen. Eine erste Serienproduktion könnte bereits in eineinhalb bis zwei Jahren starten.
Die 48-V-Batterie zu laden stelle an dreiphasigen Systemen bis 12 kW kein Problem dar. Für das Laden an Schnellladestationen müsste in den Autos ein DC/DC-Wandler integriert werden. Das bedeute zwar laut Gerling etwas mehr Aufwand und Kosten für dieses Gerät, im Gesamtsystem rechnet sich dies aber aufgrund der vielfältigen sonstigen Vorteile dennoch. Aber auch hier hat er eine Idee: induktives Hochleistungsladen. Weil dabei über das Magnetfeld geladen wird, ist die Übertragung spannungsunabhängig. Allerdings wäre das Laden über größere Distanzen von 10 bis 20 cm uneffektiv.

Doch wenn die Bodenstation beweglich angebracht und automatisch auf einen Abstand von ca. 1 mm zum Auto gefahren würde, dann ließen sich alle Batterien sehr effektiv laden – ob 48 V, 400 V oder 800 V. “Dann wäre nur eine Ladeinfrastruktur für alle unterschiedlichen Fahrzeuge erforderlich. Weil das Ladenetz noch im Aufbau begriffen ist, liegen wir jetzt zeitlich genau richtig”, ist Gerling überzeugt. Damit könne sich Volabo sogar ein zweites Standbein aufbauen. Optimistisch haben die Gründer dem Startup den lateinischen Namen Volabo verpasst (ich werde fliegen). Gerling jedenfalls ist überzeugt, dass das Unternehmen kurz vor dem Abheben steht.