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Prof. Dr.-Ing. Martin Doppelbauer
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Prof. Dr.-Ing. Martin Doppelbauer is a Professor and Program Director at HECTOR School of Engineering & Management and works in the Electrotechnical Institute (ETI).

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Smaller. Lighter. Faster.

Research Projects Enhance the Potential and Applications of Electric Motors

Article within the current edition of the KIT magazine lookKIT on information at the Karlsruhe Institute of Technology, Edition 3/2018. The text was written in German, an excerpt is available in English at the end of the text.

„Im Vergleich zum Verbrenner ist der Elektromotor ein Methusalem“, sagt Professor Martin Doppelbauer vom Elektrotechnischen Institut des KIT (ETI). Das erste leistungsfähige Aggregat konstruierte der Bauingenieur Moritz Hermann Jacobi bereits 1834 im ostpreußischen Königsberg, während der Viertaktmotor erst rund 30 Jahre später seinen Siegeszug antrat. Der verlief im Übrigen keineswegs geradlinig: In den USA gab es 1912 schon knapp 34.000 elektrisch getriebene Fahrzeuge – so viele wie Anfang 2017 in ganz Deutschland. Angesichts des Klimawandels, der zu einem Gutteil von CO2 aus dem mit fossilen Brennstoffen getriebenen Individualverkehr befeuert werde, sei es unumgänglich, diesen Trend umzukehren, meint der Professor für Hybridelektrische Fahrzeuge. Elektroautos sparten gegenüber Verbrennern der gleichen Fahrzeugklasse schon heute bis zu einem guten Drittel Treibhausgas ein. Weitere Potenziale sieht Doppelbauer auch im elektrischen Fliegen und bei E-Bikes.

 

„Der technische Fortschritt der letzten 20 Jahre war enorm“, sagt Doppelbauer. Die Motoren seien immer leistungsfähiger geworden – bei abnehmendem Gewicht. Serienantriebe für Elektroautos bringen pro Kilowatt Leistung deutlich weniger als ein Kilogramm auf die Waage. Die neuesten Motoren, die am Elektrotechnischen Institut entwickelt und beispielsweise im Rennsport eingesetzt werden, schaffen nahezu 10 Kilowatt Leistung pro Kilogramm. Damit übertreffen sie selbst Formel-1-Motoren. Doppelbauer will diese Leistungsdichte in naher Zukunft weiter nach oben treiben. „Auch wenn die Batterie derzeit die größte technische Hürde ist, die einer weiten Verbreitung von Elektroautos noch im Wege steht, helfen kleinere und leichtere Elektromotoren, den Preis des Antriebs zu senken und den Energieverbrauch des Fahrzeugs zu reduzieren“, erklärt er.

 

Ein grundsätzlicher Unterschied des Elektromotors gegenüber seinem kraftstoffverbrennen den Kollegen besteht laut Doppelbauer in der Art und Weise, wie dessen Leistung entsteht. Bei Verbrennungskraftmaschinen wird diese primär über das Drehmoment erzeugt, also der Kraft der Explosion des Gasgemisches, beim E-Motor vor allem über die Drehzahl. Während eine Leistungssteigerung beim Diesel oder Benziner im Grunde also nur durch höheren Kraftstoffverbrauch erkauft werden kann, ist beim Elektromotor die Leitungsfähigkeit seiner magnetisch wirkenden Elemente entscheidend. Hier haben neuartige Materialien wie Kobalt-Eisen enorme Fortschritte gebracht, so Doppelbauer. „Im Labor des Elektrotechnischen Instituts laufen bereits Motoren bis 30.000 Umdrehungen pro Minute mit Leistungen weit über 100 Kilowatt.“ Mehr als das Doppelte der Spitzendrehzahlen gegenwärtiger Serienmotoren in Elektroautos. Um ihre Kraft auf die Straße zu bringen, brauchen Elektromotoren nur ein rudimentäres Getriebe mit lediglich einer festen Übersetzung. Zudem entfällt die Kupplung, was wiederum Gewicht, Energie und Kosten spart.

Eine technische Herausforderung sei die Steuerung dieser leistungsstarken hochdrehenden Motoren, räumt Doppelbauer ein. Denn die Gleichspannung der Batterie muss mittels Schaltern zerhackt werden, um die Wechselspannung für den Motorenbetrieb zu erzeugen. Und da hohe Drehzahlen hohe Frequenzen bedingen, können dies selbst die schnellsten Mikroprozessoren nicht mehr leisten. Deshalb werden am ETI entsprechende Computersysteme, sogenannte programmierbare Logikgatter (FPGA), und die entsprechenden Regelverfahren entwickelt.

 

Noch schwieriger gestaltet sich die Kühlung. Auch wenn Elektromotoren einen sehr guten Wirkungsgrad haben, der über 95 Prozent liegen kann, müssen alle Verluste in Form von Wärme abtransportiert werden. Bei Industriemotoren geschieht das über einen Luftstrom, der von einem Lüfter über die Motoroberfläche geblasen wird. „Nicht besonders effektiv, aber sehr einfach, preiswert und robust“, sagt Doppelbauer. Für die E-Mobilität ist diese Methode aber ungeeignet. Die meisten Automotoren sind daher heute wassergekühlt. Dies geschieht durch ein doppelwandiges Gehäuse, das einen Wassermantel um das Motorinnere legt. Das ETI arbeitet derweil gemeinsam mit dem Institut für Fahrzeugsystemtechnik (FAST) und dem Fraunhofer ICT an einem direktgekühlten Elektromotor: „Dabei wird Kühlwasser an den Kupferleitern vorbeigeführt, also in unmittelbarer Nähe zur Wärmequelle.“

Besser noch als eine optimale Kühlung sei es indes, übermäßige Wärme gar nicht erst entstehen zu lassen, gibt Doppelbauer zu bedenken. „Dazu kann man beispielsweise die Querschnittsfläche der Leiter vergrößern und auf diese Weise den elektrischen Widerstand verringern.“ Die neueste Entwicklung seien hier rechteckige Leiter – im Gegensatz zum traditionell verwendeten runden Kupferdraht. Allerdings seien solche Wicklungen viel schwieriger zu fertigen. Doppelbauer verweist auf die aus einem Promotionsprojekt des ETI hervorgegangene Ausgründung SciMo (Science for Motion). „Hier werden Hochleistungsantriebe entwickelt, die auf Rechteckleitern basieren. Neben der speziellen Wickeltechnik werden auch hochleistungsfähige Elektronik und geeignete Getriebe integriert“, sagt Doppelbauer. „Die größte Herausforderung ist für uns im Moment, die Infrastruktur aufzubauen und alle Prozesse voranzutreiben, um aus einer universitären Technologieidee ein marktfähiges Produkt zu machen, welches die harten Einsatzanforderungen in der Praxis erfüllt. Gleichzeitig müssen wir unseren technologischen Vorsprung im Bereich der Wickeltechnik weiter ausbauen“, sagt Markus Schiefer, Mitbegründer von SciMo. So lieferte die Firma etwa die Motoren, mit denen das Team der TU München seinen viel beachteten Sieg beim Hyperloop-Wettbewerb 2017 erringen konnte, sowie die Antriebe, die das KARaceIng Team 2016 zum Weltmeistertitel führten. Weiter entwickelt das Unternehmen ganz spezielle Antriebseinheiten, die der elektrischen Maschine immer neue Anwendungsfelder erschließt. „Etwa das elektrische Fliegen“, sagt Schiefer.

 

An besonders zuverlässigen Elektromotoren forscht das ETI für die Luftfahrt. Was heute noch abgehoben klingt, könnte in naher Zukunft Realität werden: „Der Flugzeughersteller Airbus will bis 2020 ein 100-sitziges Regionalflugzeug mit einem hybridelektrischen Antrieb ausstatten“, sagt Doppelbauer. Das Funktionsprinzip dabei sei einer dieselelektrischen Lokomotive nicht unähnlich. „Im Inneren des Flugzeugs erzeugt eine Turbine den Strom für die Elektromotoren. Beim Start kann eine Batterie oder eine Brennstoffzelle die zusätzlich benötigte Energie liefern.“ So hoffe man, auch in der Luftfahrt den klimaschädlichen Verbrauch fossiler Kraftstoffe massiv zu reduzieren.

 

Deutlich bodenständiger nimmt sich dagegen die Forschung an besseren Antrieben für Elektrofahrräder aus, wie sie am ETI ebenfalls betrieben wird. Die immer beliebter werdenden E-Bikes ließen die Vorteile des Elektroantriebs für jedermann deutlich werden, freut sich Doppelbauer. Allerdings hätten die heute marktüblichen Antriebe für Pedelecs einen eher mäßigen Wirkungsgrad, schränkt er ein. Hier gebe es weiten Raum für Verbesserungen, die unmittelbar in einer deutlich größeren Reichweite mündeten. „Außerdem sind Pedelecs heute noch sehr schwer“, konstatiert der Experte. Um diesen Missständen auf den Grund zu gehen und abzuhelfen, haben die Wissenschaftler am ETI einen Prüfstand für Elektrofahrräder aufgebaut. „Damit wollen wir die heutigen Produkte vergleichen und neue, mechatronisch hochintegrierte Lösungen für die Zukunft entwickeln. Dabei sollen die drei Baugruppen, also der Elek Alles in allem seien die Möglichkeiten des Elektromotors noch lange nicht ausgeschöpft, meint Doppelbauer. Im Dienste des Weltklimas seien weitere Anstrengungen dringend geboten: „Alle Effizienzgewinne der vergangenen Jahre bei Benzin- und Dieselmotoren wurden von der Gewichtszunahme der Fahrzeuge und schlechteren Luftwiderstandswerten besonders bei den SUVs aufgefressen. Auch vermeintlich saubere Dieselmotoren pusten genauso viel CO2 in die Luft wie ihre ungefilterten Kollegen, denn die CO2 -Emissionen hängen nur vom Spritverbrauch ab und der steigt unaufhaltsam.“

 

Kontakt: martin doppelbauerCyi3∂kit edu

 

Exerpt in English

Research Projects Enhance the Potential and Applications of Electric Motors

Translation: Ralf Friese

 

“Compared to internal combustion engines, electric motors are Methuselahs,” says Martin Doppelbauer of the KIT Institute of Electrical Engineering (ETI). The first working system was designed by a civil engineer, Moritz Hermann Jacobi, back in 1834, while the four-cycle engine began its triumphant progress some thirty years later. Its course was by no means straight: In the US, nearly 34,000 electrically driven vehicles were on the road as early as 1912 – as many as in all of Germany in early 2017. In the light of climate change, it is imperative to reverse this trend, the professor of hybrid electric vehicles believes.

 

The most recent motors developed at the Electrical Engineering Institute and used in racing, for instance, manage nearly 10 kilowatts of power per kilogram. This even surpasses formula-1 engines. Doppelbauer intends to increase this power density even further in the near future. One technical challenge to be met is control of these powerful high-speed motors, acknowledges Doppelbauer. For this reason, ETI is developing appropriate computer systems, so-called field-programmable gate arrays (FPGA), and corresponding control processes.

 

An even more difficult area is cooling. Although electric motors have excellent efficiency, all losses need to be removed as heat. ETI together with the Institute of Vehicle System Technology (FAST) and Fraunhofer ICT are working on an electric motor with direct cooling: “In this design, cooling water is passed by the copper conductors, i.e. in the immediate vicinity of the heat source.” Doppelbauer also draws attention to SciMo (Science for Motion), a spin-off of a doctoral project of ETI. “This is where high-power drives are being developed on the basis of rectangular conductors. Besides the special winding technique, an electronic system able to manage high power levels and suitable gearboxes are integrated.” ETI is conducting research into particularly reliable electric motors for aerospace applications. “The Airbus aircraft manufacturer intends to equip a 100-seat regional aircraft with a hybrid electrical drive by 2020,” says Doppelbauer. Much more down to earth, by comparison, is research for better drives for electric bicycles, which is also conducted at ETI. The efficiency of today’s commercial pedelec drives is relatively moderate, says Doppelbauer. There is much room for improvement, which would immediately result in a longer range.

 

Contact: martin doppelbauerEue9∂kit edu