Ziele

Gesamtziel des Vorhabens

Der Einsatz von mechanischen Reibungsbremssystemen an allen vier Rädern ist in Kraft­fahr­zeu­gen bisher unverzichtbar. Elektrofahrzeuge mit Einzelradantrieb bieten die erstmalige Chance, ohne Reibungsbremssysteme auszukommen. Dies liegt darin begründet, dass zulassungsrelevante Fahrdynamikregelsysteme wie ESP eine radindividuelle Ansteuerung erfordern: ohne Reibungsbremssystem muss die Ansteuerung der einzelnen Räder durch das elektrische Antriebssystem übernommen werden – was nur bei Einzelradantrieb möglich ist.
Der Verzicht auf das konventionelle Reibungsbremssystem bietet im Einzelnen folgende Vorteile:

• Durch die Eliminierung der Komponenten des Bremssystems sowie den Wegfall aller mechanischen Verschleißteile im Antriebsstrang können sowohl Kosten reduziert als auch Wartungsaufwände minimiert werden.
• Der Verzicht auf den Einsatz einer Reibungsbremse verringert die Emission von Feinstaub durch Bremsenabrieb und die Entstehung von bisher nicht nutzbarer Verlustwärme im Radnabenantrieb.
• Es wird eine deutliche Einsparung von Gewicht und Bauraum im Rad realisiert, was auch zu einer Verringerung der reifengefederten Massen führt.
• Die Verwendung eines Bremswiderstands als Energiesenke erlaubt die direkte Nutzung der beim Bremsen anfallenden Energie für das Thermomanagement des Ge­samt­fahr­zeugs und leistet damit einen Beitrag zur Erhöhung der Reichweite.

Die Herausforderung beim Verzicht auf das mechanische Bremssystem liegt darin, die ge­for­der­te Bremsleistung im Einklang mit den gesetzlichen Zulassungsbestimmungen und den strengen Anforderungen der Fahrzeughersteller sicherzustellen. Ein rein elektrisches Bremssystem an der Hinterachse darf keinesfalls zu einer Verlängerung der Bremswege oder einer Reduzierung der Verfügbarkeit durch den Auftritt von Fehlern bzw. kritische Randbedingungen (bspw. Bremsungen bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten oder langen Bergabfahrten) führen. Dies macht sowohl ein ausfallsicheres Antriebssystem als auch eine alternative Energiesenke erforderlich, die eine Aufnahme elektrischer Energie neben der Batterie sicherstellt. Aus Systemsicht ist für den Ersatz der mechanischen Bremse insbesondere das intelligente und zuverlässige Zusammenwirken von übergeordneter Fahrzeugsteuerung mit Antriebsregelung, Bremswiderstand und Batteriesystem entscheidend.

Das Projektziel von RABBIT war daher die Entwicklung eines fehlertoleranten und funktional sicheren elektrischen Antriebsstranges inkl. alternativer Energiesenke, der allen Anforderungen genügt, die sich durch den Verzicht auf die mechanische Bremse an der Hinterachse ergeben und der gleichzeitig eine vollständige elektrische und thermische Nutzung der beim Bremsen anfallenden Energie ermöglicht. Das Projekt RABBIT baute auf den Ergebnissen der öffentlich geförderten Projekte MEHREN (FKZ 01MY12005), FuSy (FKZ 01MY12007) und EFA 2014/2 (FKZ 16N11943) auf. Aus Gesamtfahrzeugsicht wurden Fragestellungen zur zuverlässigen Bereitstellung einer Energiesenke und der Einbindung des Radnabenantriebs in das Bremssystem betrachtet. Hierbei konnte auf Systemkompetenz zurückgegriffen werden, die in MEHREN aufgebaut wurde. Als alternative Energiesenke wurde ein Bremswiderstand verwendet, der aufbauend auf den Projektergebnissen aus EFA 2014/2 in das thermische Management des Ge­samt­fahr­zeugs integriert wurde. Die Funktionsfähigkeit des entwickelten Gesamtsystems wurde durch die Integration in ein Demonstratorfahrzeug gezeigt.

Das Gesamtvorhaben RABBIT lässt sich in die folgenden Teilvorhaben der Projektpartner gliedern:

• Teilvorhaben „Gesamtkonzept und Demonstratorfahrzeug“ (Ford)
• Teilvorhaben „Bremswiderstand als elektrothermische Energiesenke“ (Vitesco)
• Teilvorhaben „Leistungselektronik und Fehlerdiagnose“ (IAL)

Bezug zu förderpolitischen Zielen

Die Projektergebnisse ermöglichen die Umsetzung der in der BMWi-Förderbekanntmachung "ATEM" vom 13.10.2011 genannten Zielsetzungen mit dem Schwerpunkt der Entwicklung von hochintegrierten Antriebssystemen mit verbesserter Fahrdynamik sowie deutlich reduzierter Masse.

Die Realisierung eines Radnabenantriebs ohne mechanisches Bremssystem unter Be­rück­sich­ti­gung aller fahrzeugrelevanten Anforderungen stellt eine innovative Antriebskonfiguration dar, die im Projekt so erstmalig untersucht wurde.

Der Wegfall der Bremskomponenten und das Downsizing des übrigen Bremssystems er­mög­li­chen eine merkliche Senkung der Kosten.

Vor allem durch die zusätzliche Möglichkeit der thermischen Nutzung von zurückgespeister Bremsenergie wird eine Erhöhung der Reichweite erzielt. Durch die Einbindung des Brems­wi­der­stands in das thermische Management des Fahrzeugs wird der Energiebedarf für die Innenraumheizung reduziert und der Systemwirkungsgrad beim Rekuperieren verbessert. Unterstützend hierzu wird eine Steigerung der Energieeffizienz durch den verminderten Wärmeeintrag der Reibungsbremse und die verbesserte Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums in der elektromagnetischen Auslegung des Radnabenantriebs erreicht.

Durch die allgemeine Steigerung der Funktionssicherheit und der Fehlertoleranz des Rad­na­ben­an­triebs wird die Einbindung von Einzelradantrieben in sicherheitskritische Fahrzeugfunktionen wie Fahrdynamik- und Stabilitätsregelsysteme (ESP, ABS) verbessert, wodurch Si­cher­heits­stei­ge­run­gen erzielt werden können.

Weiterhin wird durch die Vermeidung von Bremsenabrieb eine Senkung der Umweltbelastung durch Feinstaubemissionen ermöglicht.

Der Verzicht auf ein mechanisches Bremssystem kann in Bezug auf den Systemaufbau des Antriebsstrangs die modulare Bauweise vereinfachen, da die Fahrzeugintegration des Antriebs und die Adaption an verschiedene Achssysteme vereinfacht werden.

Die bei Radnabenantrieben ohnehin gegebene kompakte Bauweise und das geringe Systemgewicht wird durch Wegfall der Bremse und der dazugehörigen Infrastruktur sowie die Substitution des PTC-Zuheizers im Fahrzeug durch den Bremswiderstand weiter optimiert.

Wissenschaftliche und/oder technische Arbeitsziele

Die wissenschaftlich-technischen Arbeitsziele des Konsortiums lagen einerseits in der Wei­ter­ent­wick­lung von Radnabenantrieben hinsichtlich Funktionssicherheit, Fehlertoleranz und Zuverlässigkeit und andererseits in der Entwicklung eines Bremswiderstandes als alternative Energiesenke, mit dem die Abführung der Bremsenergie zu jedem Zeitpunkt gewährleistet wurde.

Aus Systemsicht sollte das Zusammenspiel der Komponenten und die spezifischen An­for­de­run­gen hinsichtlich Kommunikation der Komponenten untereinander untersucht werden, um die sicherheitskritische Funktionalität des Bremsens jederzeit sicherstellen zu können und dabei Vorteile in Bezug auf den Energiebedarf des Gesamtfahrzeugs zu gewinnen, indem die anfallende Bremsleistung zum Heizen des Fahrzeuginnenraums verwendet wird. Ein we­sent­li­ches technisches Arbeitsziel lag zudem in der Erprobung der Einzelkomponenten und des Gesamtsystems sowohl in geeigneten Prüfumgebungen als auch im Ge­samt­fahr­zeug­zu­sam­men­hang.

Ergebnisse

Als Ergebnis des Projektes liegt ein in einem Demonstratorfahrzeug integriertes und erprobtes Antriebssystem, bestehend aus fehlertolerantem Radnabenantrieb und alternativer Ener­gie­sen­ke vor, mit dem alle an der Hinterachse auftretenden Betriebsbremsungen geleistet werden können. Das zugrunde liegende Sicherheitskonzept gewährleistet hierbei eine hohe Zu­ver­läs­sig­keit des Bremssystems und ermöglicht die Erfüllung aller zulassungs- und her­stel­ler­re­le­van­ten Anforderungen. Die Anwendung des entwickelten Konzeptes ist hierbei nicht auf das gewählte Demonstratorfahrzeug beschränkt, sondern kann prinzipiell in allen Fahrzeugen mit Einzelradantrieben an der Hinterachse eingesetzt werden.