AUTOREN

DR. MERTEN JUNGist Projektleiter Antrieb des ActiveE

bei der BMW Group in München.

DR.-ING. JÖRG MERWERTH ist verantwortlich für die elektrische

Auslegung des Motors des ActiveE bei der BMW Peugeot Citroën

Electrification in München.

HENDRIK UEBERLEist verantwortlich für die Entwicklung

des Hochvoltspeichers des ActiveE bei der BMW Group in München.

FRANK VOGEList Abteilungsleiter Motorelektrik

bei der BMW Group in München.

ENTWICKLUNG AlTERNATivE ANTRiEBE

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HINTERGRUND

Aufgrund der zunehmenden Bedeutung der Elektromobilität für die Automobil­industrie hat die BMW Group strategisch entschieden, die Komponenten des elek­trischen Antriebsstrangs komplett selbst zu entwickeln. Nach dem Flottenversuch mit dem Mini E auf Basis eines zuge­kauften Antriebsstrangs wird der voll­ständig neu entwickelte Antriebsstrang mit dem BMW ActiveE in Kundenhand erprobt. Die Erfahrungen aus beiden Flottenversuchen fließen dann in den BMW i3 als erstes BMW­Großserien­Elektrofahrzeug ein, 1.

Im Gegensatz zu dem ab 2013 erhält­lichen „purpose­built“ BMW i3, der auf einer für den Elektroantrieb gewichtsop­timierten sogenannten Life­Drive­Archi­tektur mit CFK­Fahrgastzelle basiert, handelt es sich bei dem ActiveE aller­dings noch um ein „Conversion“­Fahr­zeug; in diesem Fall um den Umbau des für konventionelle Antriebe optimierten BMW 1er Coupés.

ENTWICKLUNGSZIELE

Aus den Erfahrungen von mehr als 15 Millionen gefahrenen Kilometern des Mini­E­Flottenversuchs [1] wurden

folgende Entwicklungsziele für den BMW ActiveE abgeleitet: : Erhalt der Viersitzigkeit und eines

Kofferraumvolumens von 200 l : Reichweite von 205 km

nach NEFZ und von 160 km im Kundenbetrieb

: Verbrauch von 0,16 kWh/km nach NEFZ (inklusive Laden)

: optimiertes Temperatur manage­ment des Hochvoltspeichers (HV)

: Beschleunigung von 0 auf 100 km/h in 9 s

: Höchstgeschwindigkeit von 145 km/h.Diese Ziele mussten auf die Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs herunter­

DER ELEKTRISCHE ANTRIEB DES BMW ACTIVE EDie BMW Group zeigt nach dem Mini E mit dem BMW ActiveE ein

weiteres Fahrzeug mit elektrischem Antriebsstrang. Seinen Elektromotor

mit 125 kW leistung und 250 Nm Drehmoment, die Hochvolt-Batterie

mit 28 kWh Nettoenergieinhalt und die Antriebselektronik hat BMW

konsequent selbst entwickelt. Dank einer speziellen permanenterregten

Synchronmaschine entwickelt der ActiveE trotz eines eingängigen

Getriebes eine sehr gute Antriebsdynamik.

1 Der Weg der BMW Group zum Großserien-Elektrofahrzeug

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gebrochen werden und resultieren im Wesentlichen in folgenden Anforderungen: : Wirkungsgrad des Antriebsstrangs

von mindestens 85 % : Nettoenergieinhalt des Hochvolt­

speichers von mindestens 28 kWh : Flüssigkeitskühlung des

Hochvoltspeichers : elektrische Antriebsleistung von

125 kW und 250 Nm Drehmoment : Maximaldrehzahl der E­Maschine

von 12.000/min.Um ein BMW typisches dynamisches Fahrverhalten zu realisieren, waren zusätzlich eine ausgeglichene Gewichts­verteilung und Heckantrieb gefordert.

DER ELEKTROANTRIEB MIT SEINEN KOMPONENTEN

Neben der Realisierung der funktiona­len Ziele bestand die große Herausfor­derung in der geometrischen Integration des Antriebsstrangs in das Basisfahr­zeug, da das BMW 1er Coupé rein für konventionelle Antriebe konzipiert ist. Um die Viersitzigkeit zu erhalten, wurde der Hochvoltspeicher in drei Einzelspei­cher aufgeteilt und die E­Maschine mit angeflanschter Antriebselektronik und Getriebe in die Hinterachse integriert, 2. Dafür waren insbesondere stärkere Ein­griffe in die Bodengruppe und in die Hin­terachse notwendig. Im Fokus dieses Bei­trags liegen aber die Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs, die im Fol­genden detailliert beschrieben werden.

Details zur Fahrzeugintegration und zum Fahrverhalten finden sich in [2].

LITHIUM-IONEN-HOCHVOLTSPEICHER

Das Hochvolt­Batterie­System stellt die Energie für den elektrischen Antrieb bereit. Der durch den Wegfall des ver­brennungsmotorischen Antriebs im 1er Coupé vorgegebene Bauraum (Tank­, Tunnel­ und Stirnwandbereich) erfor­derte drei Speichereinheiten unterschied­licher Größe und Ausformung, um die geforderten 28 kWh Nettoenergieinhalt in das Fahrzeug zu integrieren.

Die für den ActiveE als „Conversion“­Fahrzeug erforderliche Dreiteilung des Speichers ist aus Gewichtssicht kontra­produktiv, da jeder einzelne Teilspeicher über eine eigene Elektrik/Elektronik und über ein eigenes Gehäuse verfügen muss. Die Gewichtsverteilung der Hochvolt­ Batterieeinheiten auf beide Achsen und die Senkung des Fahrzeugschwerpunkts durch die Integration einer Hochvolt­ Batterieeinheit im Getriebetunnel beein­flussen hingegen die fahrdynamischen Eigenschaften positiv. 3 zeigt die drei Hochvolt­Batterieeinheiten und ihre Lage im Fahrzeug.

Um die hohen Anforderungen an Energiedichte und Zyklenfestigkeit zu gewährleisten, wurden für den ActiveE­Hochvoltspeicher Lithium­Ionen­Zellen von SB Limotive ausgewählt. Der Hoch­voltspeicher umfasst insgesamt 192 Zellen

à 40 Ah, wobei jeweils zwei parallel ver­schaltet sind (Zellpaar) und 96 Zellpaare in Reihe.

Die Zellen sind in insgesamt 25 kom­pakten Modulen integriert, deren Kon­struktion und Fertigung durch BMW selbst erfolgt. Diese Zellmodule bestehen zur bestmöglichen Ausnutzung des Bau­raums jeweils aus sechs, acht beziehungs­weise zehn einzelnen Zellen. Die Verbin­dung der Zellen untereinander wird durch ein komplexes Kontaktierungssystem sichergestellt. Die Anbindung der Zell­module zum Gesamtfahrzeug erforderte zusätzlich die Neuentwicklung folgender elektrischer/elektro nischer Bauteile: : Steuergerät Speichermanagement­

Elektronik, SME : Schaltbox (S­Box) mit Schaltrelais,

Sensoren und Überstromsicherung : Zellüberwachungselektroniken

(Cell Supervision Circuits, CSC).Die drei SME­Steuergeräte arbeiten in ei­nem Master­Slave­Modus, wobei die SME im Tunnelspeicher das Mastersteuergerät ist. Das auf diesen Steuergeräten imple­mentierte Batteriemanagement umfasst neben einer Ablaufsteuerung (zum Bei­spiel Wake­up, Schaltung der Relais) Sicherheitsfunktionen, Algorithmen zur Zustandserkennung des HV­Speichers (Ladezustand, Alterungsgrad, aktuelle Leistungsfähigkeit) sowie Diagnosefunk­tionen und sorgt im Zusammenspiel mit Funktionen im Fahrzeug für einen siche­ren Betrieb. Bei Störeinflüssen wird über ein Degradationskonzept der Betrieb so­

2 Die Integration des elektrischen Antriebsstrangs

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weit wie möglich aufrecht gehalten. Bei sicherheitsrelevanten Zuständen erfolgt ein Abtrennen des HV­Speichers vom HV­Bordnetz. Außerdem regelt das Batterie­management die Kühlung des HV­Spei­chers. Die in der Schaltbox inte grierten Relais trennen im Ruhezustand den Zell­strang vom Fahrzeugbordnetz ab. Für den Kurzschlussfall ist zusätzlich eine HV­ Sicherung in jeder Schaltbox vorgesehen.

Die Cell Supervision Circuits (CSC) überwachen die einzelnen Zellpaarspan­nungen sowie die Temperatur. Eine wei­tere Aufgabe der CSC ist die Symmetrie­rung der Zellen auf einen gleichen Lade­zustand. Die CSC und die SME sind innerhalb des Hochvolt­Batteriesystems über einen Local­CAN­Bus verbunden.

Abgeleitet aus den Anforderungen der Fahrpraxis wurde der Hochvoltspei­cher mit einer Wasser­Glykol­Kühlung ausgestattet. Die Temperatur des Batte­riesystems erhöht sich sowohl durch die Verlustleistung im Betrieb als auch

3 Die drei Hochvoltspeicher-Einheiten im ActiveE

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durch einen äußeren Wärmeeintrag in­folge von hohen Außentemperaturen. Das Kühlsystem ist über einen Wärmetauscher (Chiller) mit dem Kühlmittelkreislauf des Fahrzeugs verbunden und über ein Um­schaltventil mit dem Heizkreislauf. Somit ist nicht nur die Kühlung, sondern auch die Heizung des Speichers möglich, sodass auch bei winterlichen Verhältnissen die volle Leistung und Energie bereitgestellt werden kann. Die Konditionierung des Speichers (und auch des Innenraums) kann sowohl über eine Timerfunktion im Fahrzeug vorab eingestellt als auch über eine Smartphone­Applikation fern­gesteuert werden.

ELEKTROMASCHINE

Für die Auswahl des Motorenkonzepts war neben dem Wirkungsgrad vor allem das Verhalten der Maschine im Feld­

schwächbereich entscheidend. Da der BMW ActiveE ein eingängiges Getriebe mit fester Übersetzung hat, muss die E­Maschine eine möglichst konstante Leistung über einen weiten Drehzahl­bereich liefern.

Durch diese Anforderung ist weder die Verwendung einer Asynchronmaschine (ASM) noch die einer permanenterregten Synchronmaschine mit oberflächenmon­tierten Magneten (PSM) sinnvoll. Ein sehr gutes Verhalten im Feldschwächbereich würde eine elektrisch erregte Maschine zeigen, jedoch weist dieser Maschinentyp ein sehr hohes spezifisches Gewicht auf.

Um alle Anforderungen zu erfüllen, fiel die Wahl auf eine spezielle perma­nenterregte Synchronmaschine mit ver­grabenen Magneten, 4. Das aus mehre­ren Magnetlagen aufgebaute Rotordesign bedingt einen möglichst großen Reluk­tanzunterschied zwischen der d­ und

q­Achse. Für diesen Maschinentyp ist auch die Bezeichnung „Hybrid­Synchron­maschine“ üblich. Hierdurch wird aus­gedrückt, dass das Drehmoment sich sowohl aus der Wechselwirkung des Rotorfeldes mit dem Statorstrom, als auch aus dem entstehenden Reluktanz­moment zusammensetzt.

Da bei dieser Bauform die d­Induktivi­tät immer kleiner als die q­Induktivität ist (Ld < Lq), führt ein negativer d­Strom immer zu einem positiven Reluktanzmo­ment. Der notwendige Feldschwächstrom hebt daher das Drehmoment im Feld­schwächbereich an. Dadurch kann ein großer Drehzahlbereich mit nur modera­tem Leistungsabfall realisiert werden.

Gleichzeitig ermöglicht diese Geometrie den Einsatz einer großen Polpaarzahl (in diesem Fall sechs Polpaare), wodurch Sta­tor und Rotorjoch schmal gehalten wer­den können und Gewicht gespart wird; somit wurde die Leistung von 125 kW mit nur circa 50 kg Masse erreicht. Die Dreh­moment­ und Leistungscharakteristik, die im Zusammenspiel mit der im nächsten Abschnitt beschriebenen Antriebselektro­nik erreicht wird, ist in 5 schematisch dargestellt.

ANTRIEBSELEKTRONIK

Das Schlüsselelement für das optimale elektrische Energiemanagement in Fahr­zeugen mit Elektroantrieb ist die Antriebs­elektronik. Sie dient sowohl als Inverter bei der Versorgung der E­Maschine mit Strom als auch als Spannungswandler im Wechselspiel zwischen dem Hochvolt­speicher und dem 12­V­Bordnetz. Bei allen Aufgaben muss die Antriebselektro­

4 Hybrid-Synchron-maschine mit Schnittbild Rotor (prinzipiell)

5 Gemessener Wirkungsgrad und Drehmoment-/Leistungs-charakteristik (schematische Darstellung)

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nik in Kombination mit einer leistungsfä­higen Software die erforderlichen Strom­flüsse sowohl beim Antrieb des Fahr­zeugs als auch in Schubphasen variabel, effizient und situationsgerecht regeln.

Der Inverter des BMW ActiveE wurde besonders unter dem Aspekt entwickelt, durch die Eignung für Schaltfrequenzen von mindestens 20 kHz zukünftige viel­polige E­Maschinen ansteuern zu können. Eine der Herausforderungen der Antriebs­elektronik ist dabei die bei steigender Schaltfrequenz zunehmende Verlustleis­tung bei gleichzeitiger Umsetzung großer Energiemengen auf kleinem Bauraum (Gesamtvolumen circa 15 l, 6). Die hohe Energiedichte erfordert ein innovatives Kühlkonzept der Leistungshalbleiter und des Zwischenkreiskondensators. Hier muss neben der hohen Wärmeabfuhr eine über die Temperaturzyklen und die Lebensdauer absolut dichte Anbindung der mit Flüssigkeit zu kühlenden Bauteile gewährleistet werden.

Durch die Optimierung des Inverter­Wirkungsgrads auf >95 % war es mög­lich, bei gleichzeitiger Erhöhung der elektri­schen Reichweite des Fahrzeugs, den Küh­lungsaufwand nochmals deutlich zu redu­zieren. Darüber hinaus bildet ein intelli­gentes Degradationskonzept den Schlüssel zur optimalen Aus lastung des verwende­ten IGBT­Moduls bei gleichzeitiger Errei­chung der geforderten Lebensdauer.

Moderne E­Maschinenregelungen er­fordern im Inverter den Einsatz hochge­nauer Phasenstromsensoren mit großer Auflösung und Genauigkeit bei gleichzei­

tig weitem Messbereich von bis zu 800 A. Mit den höheren Schaltfrequenzen zur Ansteuerung der E­Maschine steigt auch die Anforderung an die Rechenleistung der eingesetzten 32­Bit­Mikrocontroller (Infineon TriCore 1797). Durch den Ein­satz spezialisierter integrierter Regler­bausteine und damit verbundener Ent­lastung der Hauptprozessoren wurde ein leistungsfähiges und auch für die Anfor­derungen zukünftiger E­Maschinen ge­eignetes Rechnersystem geschaffen.

Eine weitere Herausforderung ergibt sich durch die Bauraumvorgaben in Ver­bindung mit den hohen Spannungen und Strömen. Hier sind geeignete Bus­Bars innerhalb der Antriebselektronik im Ein­satz, welche die Zuführung der elektri­schen Energie vom und zum HV­Speicher, die dreiphasige Anbindung der E­Maschine sowie die Versorgung der HV­Verbraucher sicherstellen. Zudem sind durch geeignete Abstände eventuell mögliche Überschläge sicher zu vermeiden. Der notwendige Ein­satz schneller und eng tolerierter Abschalt­funktionen für den Bauteilschutz des Inverters bei Überströmen und Überspan­nungen erhöhte die Integrations anforde­run gen ins Umrichter­ beziehungsweise IGBT­Modul, um die Reaktionszeiten zu optimieren.

In die Antriebselektronik wurde ein DC­DC­Wandler mit einer maximalen

Leistung von 2,8 kW zur Versorgung des 12­V­Bordnetzes integriert. Wie im Inverter konnte der Wirkungsgrad signi­fikant optimiert werden. Erreicht wurde dieses Ziel im DC­DC­Wandler durch den Einsatz einer resonanten Schalttopo­logie und einer aktiven Gleichrichtung.

ZUSAMMENFASSUNG

Die konsequente Eigenentwicklung der elektrischen Antriebskomponenten des BMW ActiveE mit dem einhergehenden tiefgreifenden Verständnis bis zur unters­ten Detailebene war der ausschlaggebende Erfolgsfaktor für die Zielerreichung des Gesamtsystems.

LITERATURHINWEISE[1] Schmidt, G.: Elektromobilität bei der BMW Group – Erste Erfahrungen mit der Zukunft bereits heute. 2. Deutscher Elektromobil Kongress, Bonn, 2010[2] Jung, M.; Kessler, F.; Müller, P.; Wahl, S.: Fahrzeugintegration und Fahrverhalten des BMW ActiveE. Eingeplant in: ATZ 114 (2012), Nr. 10

6 Aufbau der Antriebselektronik (inklusive integrierter Ladeeinheit für Folgeprojekte)

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DANKE

Die Industrialisierung von Li+-Hochvoltspei-

chern wurde gefördert vom Bundesministerium

für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines

Beschlusses des Deutschen Bundestags.

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