Saga E-TECH, Folge 4: Von LOCODISCOBOX zu E-TECH
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Die Ursprünge von Renault E-TECH
Auf der Grundlage seines Fachwissens im Bereich Elektrofahrzeuge, seiner Erfahrung in der Formel 1 und gestützt auf begeisterte und leidenschaftliche Teams in den Bereichen Technik, Entwicklung und Qualitätssicherung hat Renault seinen innovativen E-TECH-Hybridantrieb entwickelt. Er ist als „Vollhybrid“ im Clio und als „Plug-in-Hybrid“ im neuen Captur und im neuen Mégane erhältlich und wurde auf eine ebenso ungewöhnliche wie inspirierende Weise konzipiert und entwickelt. Diese vierte und letzte Folge befasst sich mit den jüngsten technischen Entscheidungen, insbesondere hinsichtlich der Elektromotoren.
Die innovative LocoDiscoBox, die die geforderten Spezifikationen erfüllt und sich bereits mit dem Prototyp EOLAB bewährt hat, muss nun erfolgreich in die Serienproduktion überführt werden, um unter der Motorhaube der Serienmodelle der Renault Group zum Einsatz zu kommen. Ursprünglich wurde sie im Rahmen des „Entry“-Programms konzipiert, das auf der M0-Plattform basiert und von Gérard Detourbet geleitet wurde – jenem Mann, der „Ja“ sagte, als ihm das LEGO-Modell vorgestellt wurde.
Kaum hatten die ersten Präsentationen des Plug-in-Hybridantriebs „Z.E. on demand“ vor den Produktverantwortlichen und Führungskräften von Renault begonnen, da ahnten die Ingenieurteams bereits, dass sie noch lange nicht am Ziel waren. Sehr schnell geht es nicht mehr um „Entry“ und „M0“, sondern um „M1“, also die vielseitigen und kompakten Modelle, darunter der Mégane. An einem Mégane werden übrigens die Kalibrierungsreferenzwerte für den zukünftigen E-TECH-Antrieb ermittelt. Daher musste die LocoDiscoBox weiterentwickelt werden, um sie mit diesem Modell und den von ihr erwarteten Leistungen kompatibel zu machen. Zwei Maßnahmen wurden für zwei verschiedene Anwendungsbereiche ergriffen: der Einbau eines zweiten Elektromotors für niedrige Geschwindigkeiten und die Einführung eines vierten Gangs im Verbrennungsgetriebe für hohe Geschwindigkeiten.
„Es gab dieses Problem mit dem Drehmomentabbruch zwischen den Gängen 1 und 2, also bei niedriger Drehzahl. Die Lösung bestand unserer Meinung nach darin, einen kleinen Elektromotor einzubauen, der die Synchronisatoren eines herkömmlichen Getriebes ersetzt, um das Einrasten der Klauen zu erleichtern und die Beschleunigung dank seines sofortigen Drehmomentbeitrags zu glätten. Ein weiterer kritischer Punkt: die Funktionskontrolle der Klauen. Das war nicht ganz einfach, da wir flache Klauen verwendeten, wie sie in der Formel 1 zum Einsatz kommen, und keine „Dach“-Klauen. Diese flachen Klauen funktionieren auf Dauer besser und sind a priori zuverlässiger. Sie haben jedoch auch den Nachteil, dass sie möglicherweise weniger gut ineinandergreifen. Daher musste diese Idee von Spezialisten für Steuerungstechnik validiert werden.“
VON LOCODISCOBOXZU E-TECH
#1 HSG: DIE KLUGE WAHL
An dieser Stelle kommt Ahmed Ketfi-Cherif ins Spiel, der bereits die Entwicklung der ersten Version der LocoDiscoBox betreut hatte. Er befürwortet nicht nur die Idee eines zusätzlichen kleinen Elektromotors zur Verbesserung der Funktion des Klauengetriebes, sondern sieht darin auch weitere Vorteile.
„Der von uns gewählte Motor vom Typ HSG (High-voltage Starter Generator, also Hochspannungs-Startergenerator) ermöglichte es dem System beispielsweise, bei niedrigen Drehzahlen im ‚Serienhybrid‘-Modus zu fahren, was für mehr Komfort und Laufruhe sorgte. Da nur wenig gespeicherte Energie benötigt wurde, konnten die Batteriekapazität reduziert und der Ladeanschluss entfallen. Der zukünftige E-TECH-Antrieb, der ursprünglich als Plug-in-Hybrid konzipiert war, wurde nun auch als „einfacher“ Hybrid angeboten. Damit vervielfachten sich die Einsatzmöglichkeiten innerhalb der Modellreihe!“
#2 NISSAN STEIGT EIN
Tatsächlich bot die Idee, einen zweiten Elektromotor vom Typ HSG einzusetzen, die Lösung für eine ganze Reihe von Problemen. So verbesserte er beispielsweise die Regelung der Batterieladung, schützte die Batterie vor dem Leerlaufen und ermöglichte ein optimiertes Energiemanagement sowie einen Gesamtbetrieb des Systems, der diesen Antrieb einem herkömmlichen Automatikgetriebe näherbrachte.
Das kam Nissan, einem Mitglied der Allianz mit Renault, durchaus gelegen, denn das Unternehmen hatte bei der Entwicklung und Produktanpassung dieses zukünftigen E-TECH-Antriebs ein Wörtchen mitzureden, da dieser voraussichtlich in seinen Modellen und auf seinen Märkten zum Einsatz kommen würde. Die Japaner legten besonderen Wert auf den Fahrkomfort, und obwohl sie die Vorteile des zweiten Elektromotors schätzten, musste man noch einen Schritt weiter gehen. So entstand die Idee, das Klauengetriebe um einen vierten Gang zu erweitern, um das Fahrgefühl bei hohen Geschwindigkeiten zu verbessern.
„Ursprünglich verfügte das Getriebe der LocoDiscoBox über drei Gänge für drei klar definierte Fahrsituationen: Stadt, Landstraße und Autobahn. Durch den Einbau des HSG-Motors konnten das Fahrgefühl verbessert und der Verbrauch im „Stadt“-Gang gesenkt werden. Das Gleiche galt auch für den obersten Gang, und so kamen wir auf die Idee, einen vierten Gang hinzuzufügen. Dieser ermöglicht die vollständige Abschaltung des Haupt-Elektromotors, wenn er nicht benötigt wird – typischerweise auf der Autobahn. Dadurch wird man von dessen Widerstand „befreit“ und spart etwa 1 kW ein, was 3 bis 4 % des Verbrauchs entspricht. Die Idee war, nur die für den Antrieb notwendigen Komponenten mit dem Rad verbunden zu lassen und nicht mit einem großen Elektromotor zu tun, was man auch mit einem kleinen Motor erreichen konnte. So übernahm der kleine HSG die Stromerzeugung für die Komponenten und nicht der große Haupt-Elektromotor.“
Die jüngste Verbesserung betraf die kleinen Antriebsmotoren des Getriebes, die das Einrasten der Klauen beim Schalten ermöglichen. Dank flacher Klauen und eines einfachen Federunterstützungssystems, das die Synchronisatoren ersetzte, konnten die Ingenieure kleine Motoren mit weniger als 100 Watt einsetzen – im Gegensatz zu den üblicherweise doppelt oder dreimal so starken Motoren. Dies trug ebenfalls zur Verringerung des Platzbedarfs dieses Getriebes bei.
Diesmal war die Architektur des künftigen E-TECH-Antriebs klar definiert. Doch hinsichtlich der Komponenten standen noch zwei Entscheidungen an: der Hauptelektromotor und der Verbrennungsmotor.
#3 Renault-Technologie,Komponenten der Allianz
Bislang kam beim Prototyp-Antrieb „LocoDiscoBox“ ein scheibenförmiger Elektromotor zum Einsatz – daher auch der Name. Für Antoine Vignon war dieser jedoch aufgrund bestimmter Komponenten aus Verbundwerkstoffen nicht auf eine Großserienfertigung übertragbar. Zudem musste eine Entscheidung zwischen einem Motor mit gewickeltem Rotor (wie er im ZOE verwendet wird) und einem Permanentmagnetmotor getroffen werden. Zwar hatte ersterer den Vorteil, dass er sich an alle Situationen anpassen ließ, erfüllte jedoch nicht die Kriterien der Kompaktheit, die bei der Definition des E-TECH-Antriebs von entscheidender Bedeutung waren. Es galt also, einen Synchronmotor mit Permanentmagneten zu finden … was schließlich bei Nissan gelang. Für den Verbrennungsmotor wurde die Allianz hinzugezogen.
„Um die Entwicklungs- und Produktionsressourcen innerhalb der Allianz optimal zu verteilen, haben wir uns dafür entschieden, bereits bei Nissan vorhandene Komponenten zu nutzen, anstatt diese neu zu beschaffen. Dies war ausschlaggebend für die Wahl des Haupt-Elektromotors, aber auch und vor allem des Verbrennungsmotors. Der zu Beginn des Projekts verwendete H4BT-Motor war bereits etwas veraltet und wies einen zu hohen Kraftstoffverbrauch auf. Außerdem war es unser Ziel, die künftigen Abgasnormen Euro 6d-FULL einzuhalten. Der einzige Kandidat war der HR15Gen3-Motor (ein 4-Zylinder-Saugbenzinmotor, den Nissan insbesondere für den chinesischen und koreanischen Markt einsetzt), dessen Hubraum von 1,5 Litern genau den definierten Anforderungen entsprach. Kompakt, mit ordentlicher Leistung und zufriedenstellendem Wirkungsgrad war er der beste Kandidat aus der Motorenbank der Allianz. Er wurde 2015 ausgewählt!“
Um über die bloße Einhaltung der Abgasnormen hinauszugehen und die Möglichkeit zu haben, einen Partikelfilter am Verbrennungsmotor anzubringen, wurde 2016 beschlossen, den HR15-Motor gegen einen anderen 4-Zylinder-Saugmotor aus der Bauteilbank der Allianz, den HR16, auszutauschen. Dies erforderte einen hohen Anpassungsaufwand (Motorsteuerung, Modifikation bestimmter Bauteile wie Kolben, Pleuel und Kurbelwelle an den Testfahrzeugen), doch die Ergebnisse erwiesen sich schnell als zufriedenstellend.
Auch wenn er nicht perfekt ist, stellt dieser HR16-Motor einen guten Kompromiss dar und ermöglicht es dem innovativen Klauengetriebe, sein volles Potenzial zu entfalten. Es handelt sich um einen Saugmotor, doch die Unterstützung durch die Elektromotoren gleicht das Fehlen eines Turboladers im unteren Drehzahlbereich aus, während er überwiegend bei seiner optimalen Drehzahl betrieben wird, insbesondere wenn er als Generator zum Aufladen der Batterie dient. Er entspricht zudem dem Bestreben nach Kostenoptimierung für einen E-TECH-Antrieb, der für Fahrzeuge der Mittelklasse bestimmt ist. Mit ihm fügten sich alle Teile des Puzzles zusammen – der E-TECH-Antrieb, wie wir ihn heute kennen, war geboren!
FAZIT
Nach fast 10 Jahren Entwicklungszeit ist der E-TECH-Hybridantrieb nun in der Renault-Modellpalette erhältlich. Er ist das Ergebnis eines fast schon unwirklichen Abenteuers, das aus einem LEGO-Modell sowie dem Einfallsreichtum und der Beharrlichkeit eines Teams von Enthusiasten entstand, das sich auch angesichts von Schwierigkeiten nie unterkriegen ließ. Ein Team, das es verstanden hat, andere um sich zu scharen und einen Wettstreit zu entfachen, der nach und nach das gesamte Unternehmen erfasste. Das war auch notwendig, um dieses riskante und ehrgeizige Vorhaben zum Erfolg zu führen.
„Zu Beginn des Projekts hatten uns viele gesagt: ‚Das wird niemals funktionieren!‘ Es stimmt, dass es ein sehr riskantes Unterfangen war, insbesondere weil wir die Getriebesteuerung durch einen Elektromotor ersetzen wollten. Aber nach und nach hat sich das gesamte Unternehmen das Projekt zu eigen gemacht: von den Produkt- und Fahrzeugprojektteams bis hin zur Geschäftsleitung! Viele Mitarbeiter aus dem Ingenieurwesen und anderen Bereichen haben sich für dieses Projekt begeistert, was zu einer sehr starken Eigenmotivation geführt hat. Auch das macht den Wert eines Unternehmens aus. Der E-TECH-Antrieb ist ein fast schon verrückter Erfolg, auf den wir alle stolz sein können.“
