Fachwissen zum elektrischen Löwen: der Antriebsstrang

Ein Diesel-Lkw nutzt einen Verbrennungsmotor, der Diesel als Kraftstoff verbrennt. Ein batteriebetriebener Lkw dagegen verwendet einen Elektromotor, der von Batterien gespeist wird. Was der MAN eTruck mit den Diesel-Modellen von MAN gemeinsam hat, sind die Fahrerhäuser, die Rahmengeometrie und die Hinterachse. Abgesehen davon wurde der eTruck komplett neu entwickelt.

Beim batteriebetriebenen Lkw ist vieles verschwunden, was wir vom Verbrenner kennen: Verbrennungsmotor, Dieseltank, komplexes Getriebe, Abgasanlage, Lärm und Abgasemissionen.

Der batteriebetriebene Lkw bringt Komponenten ins Spiel, die es beim Diesel-Truck nicht gibt. Diese sind: Elektromotor, Batteriepacks, Ladeanschlüsse, Rekuperationssystem zur Energiegewinnung, Batteriemanagementsystem, komplexes Thermomanagement, hochvoltbetriebene Komponenten wie Klimakompressor und Luftpresser.

Im MAN eTGX und MAN eTGS ist ein großer Elektromotor zentral im Fahrzeug verbaut. Dieser Motor wandelt die elektrische Energie aus den Batterien in mechanische Energie um. Die Kraft des Elektromotors wird über ein zwei- oder vierstufiges Getriebe an die Antriebswelle weitergeleitet. Das Getriebe sorgt für die nötige Übersetzung, um das Drehmoment des Motors an die jeweiligen Fahranforderungen anzupassen. Die Antriebswelle überträgt die Kraft vom Getriebe zu den Hinterachsen. Ähnlich wie beim Diesel-Lkw verteilen die konventionellen Hinterachsen die Kraft dann gleichmäßig auf die Räder und ermöglichen so den Antrieb des Fahrzeugs. Mit diesem Antriebskonzept kann MAN die bewährte Technik und die Gewichtsreserven der konventionellen Hinterachsen nutzen und diese mit den Vorteilen des elektrischen Antriebs kombinieren – etwa seine höhere Effizienz und geringere Emissionen. Gleichzeitig wird mit dem Zentralantrieb der Anteil ungefederter Massen im Fahrzeug minimiert, was sich positiv auf die Fahreigenschaften auswirkt.

Die zentrale Antriebseinheit (unter anderem mit Elektromotor, Getriebe, Inverter) ist in kompakter Bauweise ausgeführt und gegenüber dem Dieselantriebsstrang deutlich nach hinten in die Fahrzeugmitte verschoben. Durch diese Platzierung wird der Bauraum unter dem Fahrzeug für andere elektrische Komponenten frei. Eine relativ kurze Kardanwelle überträgt das Antriebsmoment auf die bewährte und hocheffiziente Hypoid-Hinterachse.

Elektromotor und Inverter sind kompakt innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet. So wird die elektromagnetische Verträglichkeit des Fahrzeugs optimiert. Weitere Vorteile dieser Bauweise sind: elektrische Robustheit mit hoher Fehlertoleranz und Fahrzeugverfügbarkeit, geringe elektrische Verluste durch kurze Verbindungen zwischen Inverter und Elektromotor.

Der Synchronmotor mit permanentmagnetischem Rotor wird durch das rotierende Magnetfeld in den Statorwicklungen angetrieben. Dazu muss eine Wechselspannung am Motor anliegen. Synchronmotoren mit permanentmagnetischem Rotor haben im Vergleich zu anderen Motortypen wie Asynchronmotoren eine höhere Leistungsdichte (Leistung im Verhältnis zur Eigenmasse), eine höhere Effizienz und eine höhere Genauigkeit. Elektromotor und Getriebe sind in einem gemeinsamen Ölkreislauf eingebunden. Dies dient zum einen der Kühlung der aktiven E-Maschinenkomponenten sowie der Schmierung der Zahnräder, Wälzlager und Schaltelemente und zum anderen der Kühlung der Getriebeteile. Durch die Kühlung im Rahmen des Thermomanagements des Fahrzeugs wird eine hohe Dauerleistung und Lebensdauer erreicht.

Für den Fahrer macht sich der Elektromotor vor allem durch kraftvolle Fahrleistungen mit hohem Anfahrdrehmoment bemerkbar. Gegenüber dem D26-Dieselmotor ist beim Elektromotor des neuen MAN eTrucks das maximale Drehmoment zwar um ca. 50 Prozent geringer, aber es ist über einen wesentlich größeren Drehzahlbereich verfügbar: vom Stillstand bis zu sehr hohen Drehzahlen. Dadurch kann die Zahl der Gangstufen auf zwei beziehungsweise vier reduziert werden – ohne Einbußen der Fahrleistung. Aufgrund des höheren Drehzahlniveaus erzielt der MAN-Elektromotor ein vergleichbares Leistungsniveau wie der D26-Dieselmotor.

Der anzustrebende Drehzahlbereich zur wirtschaftlichen Auslegung des E-Antriebsstrangs ist wesentlich breiter als bei einem Dieselmotor. Deshalb sind beim E-Antrieb nur vier Gänge notwendig. Die Schaltvorgänge sind beim Fahren kaum wahrnehmbar. Die Zugkraft bleibt über den gesamten Geschwindigkeitsbereich nahezu unterbrechungsfrei. Eine Kupplung zum Trennen des Antriebsstrangs beim Gangwechsel ist nicht erforderlich, da die Synchronisierung der Drehzahl beim Schalten sicher mittels Inverter dargestellt werden kann. Auch zum Anfahren ist keine Kupplung erforderlich. Der Elektromotor ist fest mit dem Getriebe verbunden. Zum Rückwärtsfahren wechselt der Elektromotor einfach die Drehrichtung. Ein zusätzliches Rückwärtsgang-Zahnrad ist dazu nicht notwendig.

Der Inverter (auch Wechselrichter genannt) ist eine wichtige Komponente im Antriebssystem eines Elektrofahrzeugs. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die von der Batterie bereitgestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln, die den Elektromotor antreiben kann. Der Inverter ist also eine Art Übersetzer, der die von der Batterie bereitgestellte Energie in eine Form umwandelt, die vom Elektromotor genutzt werden kann. Zusätzlich zur Umwandlung der Gleichspannung in Wechselspannung ist der Inverter auch für die Steuerung des Motors zuständig. Er passt die Frequenz und Amplitude des Stroms an den Motor an, um die gewünschte Leistung und Geschwindigkeit zu erreichen. Der Inverter kann auch die Stromrichtung ändern, um die Rekuperation zu ermöglichen, also die Rückgewinnung von Energie beim Bremsen oder Verzögern.

Wird die Bewegungsenergie beim Bremsen zur Aufladung der Batteriepacks verwendet, spricht man von Rekuperation. Vorteil: Die Energiekosten werden gesenkt bei gleichzeitiger Erhöhung der Reichweite. Das zahlt sich auch im städtischen Verkehr mit häufigen Stop-and-go-Situationen aus. Zudem wird die Betriebsbremsanlage durch die Rekuperation entlastet. Das System funktioniert so: Üblicherweise setzt der Elektromotor die elektrische Energie in Antriebsleistung für das Fahrzeug um. Bei Bergabfahrten oder zur Reduzierung der Geschwindigkeit kann die Funktion umgekehrt werden. Der Motor arbeitet als Generator und wandelt die Bewegungsenergie des Fahrzeugs zurück in elektrische Energie. Die Batterien laden sich somit auf. Der Vorgang der Energierückgewinnung wird dem Fahrer am Hauptinstrument dargestellt. Das Powermeter zeigt an, wie stark der Fahrer verzögern kann, ohne die Betriebsbremse zu benutzen. Auf diese Weise kann er per Bremspedaldruck die Rekuperation so steuern, dass ein möglichst großer Reichweitengewinn erzielt wird.

Durch die Rekuperation lassen sich die vom Dieselmotor bekannten Dauerbremssysteme, wie die Motorbremse EVBec, vergleichbar ersetzen. Eine zusätzliche verschleißfreie Dauerbremse ist nicht notwendig.