Audi A2 e-tron: So machen Inverter, Elektromotor und Getriebe ihn effizienter

Der neue Audi A2 e-tron verbraucht in der sparsamsten Version nur 12,8 kWh/100 km im WLTP-Zyklus. Damit gehört er zu den sparsamsten Elektroautos überhaupt. Dass dabei Siliciumcarbid-Inverter eine Rolle spielen, war schon bekannt. Nun erläutert der Hersteller weitere Feinheiten.

Der rekordniedrige Verbrauch wird beim Audi A2 e-tron mit 140-kW-Heckantrieb und dem optionalen Effizienzpaket für 2.410 Euro erreicht. Dazu gehören eine Tieferlegung durch ein Sportfahrwerk und rollwiderstandsoptimierte Reifen. Aber auch der neue Antrieb spielt eine Rolle. Die Verbesserungen betreffen den Inverter, den Elektromotor APP350 (Axial Parallel Position mit rund 350 Nm Drehmoment) und das Ein-Gang-Getriebe.

Die Hinterachse des Audi A2 e-tron mit dem Inverter, dem APP350 und dem Einganggetriebe

Bild von: Audi

Inverter

Der Inverter wandelt den Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom für den Motor um. Dabei muss aus einer Gleichspannung von rund 400 Volt eine sinusförmige Spannung gemacht werden. Dazu verwendet man die Pulsweitenmodulation: Dabei wird ständig umgepolt, also zum Beispiel von +400 Volt auf -400 Volt und zurück. Wählt man die Breite dieser Spannungspulse unterschiedlich, dann entsteht (nach einer Glättung durch die Induktivität der Kupferwicklungen) eine Sinuskurve.

Das Schalten übernehmen Transistoren; dabei entstehen unweigerlich sogenannte Schaltverluste, aber mit Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) auf Basis von Siliciumcarbid statt Silicium kann man diese verringern. Durch die niedrigeren Schaltverluste können laut Audi Wirkungsgrade von mehr als 97 Prozent erreicht werden.

Neu ist, dass Audi zudem eine spezielle Software einsetzt, mit der die Schaltfrequenz an den jeweiligen Betriebspunkt angepasst wird. Die Schaltfrequenz wird dabei so niedrig gewählt wie möglich, denn weniger Schaltvorgänge bedeuten weniger Verluste. Besonders im Stadtverkehr und bei Überlandfahrten bei mittlerer Drehzahl und Last soll dies Effizienzvorteile bringen, so Audi. Durch die verbesserte Nutzung der Energie kann die Leistungselektronik zudem auch bei niedrigem Ladestand noch die volle Leistung bereitstellen.

Eine weitere Funktion des Inverters soll für mehr Geräuschkomfort im Innenraum sorgen, so Audi. Dabei werden dem Motorstrom gezielt "hochfrequente harmonische Anteile" überlagert. Störende Geräusche werden so betriebspunktabhängig kompensiert.

Der neue Elektromotor APP350 mit Inverter (oben) und Getriebe (rechts)

Bild von: Audi

Elektromotor APP350

Die Effizienz der neuen Permanentmagnet-Synchronmaschine APP350 wurde durch geringere Eisenverluste erhöht. Diese entstehen durch Ummagnetisierung des Materials in zeitlich veränderlichen magnetischen Feldern: Da sich das Magnetfeld in einem Elektromotor ständig ändert, müssen sich die kleinen magnetischen Bereiche (die Weißschen Bezirke) im Elektroblech ständig neu ausrichten. Dieser Vorgang benötigt Energie, die letztlich in Wärme umgewandelt wird. Um diese Verluste zu reduzieren, wurde die Dicke der Rotorbleche verringert, und zwar gegenüber dem Vorgängermotor APP310 von 0,3 auf 0,2 Millimeter.

"Die konstruktiven Maßnahmen an Rotor und Stator betreffen die Blechdicke und die Anordnung der Rotorsegmente sowie die Verschaltung der Stator-Wicklungen." (Audi)

Um das Geräuschniveau zu verbessern, wurden zudem die Permanentmagnete im Rotor anders angeordnet. Wenn die Magnete in einer geraden, durchgehenden Linie von vorne nach hinten angeordnet sind, treffen sie bei der Drehung schlagartig auf die Nuten des Stators. Das erzeugt bei jedem Vorbeilauf einen magnetischen Schlag (ein Rastmoment). Im APP350 werden die Magnete stattdessen leicht versetzt eingebaut (Rotor-Skewing oder Staffelung). So treffen sie nicht mehr alle gleichzeitig, sondern zeitlich versetzt auf das Magnetfeld des Stators, was die Akustik verbessert.

Zudem wird beim Stator von Stern- auf Dreieckschaltung gewechselt. Darüber hinaus wurden die parallelen Zweige pro Phase verringert. Das erhöht zwar die Kupferverluste bei hohen Drehzahlen, verringert aber die sogenannten Kreisströme bei Teillast. Das soll die Effizienz bei Alltagsfahrten im Stadtverkehr oder auf der Landstraße erhöhen.

Getriebe

Leichter zu verstehen als die Änderungen beim Motor sind die Verbesserungen am Getriebe. Hier werden je nach Leistungsstufe zwei Übersetzungen verwendet: 10,21 bei 125 kW und 140 kW sowie 11,53 bei 170 kW. Das heißt, bei den schwächeren Versionen wird eine längere Übersetzung gewählt, was die nötigen Motordrehzahlen senkt – der Motor dreht sich 10,21-mal für eine Radumdrehung statt 11,53-mal bei der starken Motorisierung. Laut Audi sorgen die unterschiedlichen Übersetzungen für eine Verschiebung der Motordrehzahlen in optimale Bereiche.

Zur Topversion des A2 e-tron mit 240 kW macht Audi keine Angaben zur Übersetzung, aber dort kommt auch nicht der APP350, sondern der APP550 zum Einsatz.

Zudem kommt ein Getriebeöl mit sehr niedriger Viskosität zum Einsatz, was sogenannte Planschverluste reduziert. Dazu kommt ein spezielles Verfahren zur Feinstbearbeitung der Laufverzahnungen zum Einsatz, mit dem sich besonders glatte Oberflächen erzielen lassen. Das vermindert die Reibung und erhöht die Effizienz.

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Unter dem Strich

Puh, die neue Pressemeldung von Audi zum Antrieb des A2 e-tron ist starker Tobak. Wir haben sicher nicht alles völlig richtig verstanden; dazu muss man wohl ein Ingenieursstudium haben. Wir hoffen auf Fachleute, die uns das Ganze bei der anstehenden Fahrveranstaltung noch ein wenig besser erklären.