Mehrmotorarchitekturen für Elektrofahrzeuge
Zusätzliche Motoren verschaffen einem Elektrofahrzeug mehr unabhängig regelbare Drehmomentquellen, erhöhen aber auch Masse, Umfang der Leistungselektronik, Kühlbedarf und die Zahl rotierender Bauteile. Der Nutzen einer Mehrmotorarchitektur hängt davon ab, wie wirksam das Fahrzeug diese Motoren beim Beschleunigen, in Kurven, bei gleichmäßiger Fahrt, bei der Rekuperation und im Fehlerfall einsetzt.
Einmotorige Architekturen
Ein einzelner Motor treibt normalerweise über ein Untersetzungsgetriebe und ein Differenzial zwei Räder an. Beim Frontantrieb sitzt die Antriebseinheit in der Nähe der Lenkachse; dies kann den Aufbau von Plattformen vereinfachen, die von Fahrzeugen mit Frontantrieb abgeleitet sind. Beim Hinterradantrieb sind Antrieb und Lenkung voneinander getrennt. Da sich die Last beim Beschleunigen nach hinten verlagert, kann dies die Traktion verbessern.
Auch ein einzelner Motor kann präzise Traktionsregelung, regeneratives Bremsen und einen bremseingestützten Eingriff in die Gierbewegung ermöglichen. Ein mechanisches Differenzial erlaubt dem linken und rechten Rad unterschiedliche Drehzahlen, während eine elektronisch geregelte Sperrfunktion oder die Reibungsbremsen das nutzbare Raddrehmoment neu verteilen können.
Die Vorteile sind eine geringe Zahl an Bauteilen, wenig Masse, niedrige Kosten und geringe parasitäre Verluste. Die wichtigste Einschränkung besteht darin, dass eine Achse den gesamten Antrieb und die gesamte Rekuperation übernehmen muss.
Zwei Motoren und elektrischer Allradantrieb
Die häufigste Mehrmotoranordnung verwendet je einen Motor pro Achse. Eine mechanische Kardanwelle zwischen den Achsen gibt es nicht. Das Fahrzeugsteuergerät kann die Drehmomentverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse schnell verändern; Grenzen setzen Reifenhaftung, Motoren und Wechselrichter, Achslasten und Batterieleistung.
Die beiden Motoren müssen nicht identisch sein. Ein Hersteller kann für die Hauptachse einen besonders effizienten Permanentmagnetmotor und zur zeitweiligen Unterstützung einen Induktionsmotor wählen. Audi setzt im Q6 e-tron quattro hinten einen permanenterregten Synchronmotor und vorn einen Asynchronmotor ein, während Tesla für die entsprechenden Versionen des Model 3 AWD hinten einen Permanentmagnetmotor und vorn einen Induktionsmotor dokumentiert.
Bei geringer Last kann das Steuergerät hauptsächlich die effizientere Achse nutzen, den anderen Motor zum Beschleunigen oder für zusätzliche Traktion zuschalten und einen oder beide Motoren zur Rekuperation verwenden. Diese Strategie hängt vom Wirkungsgradkennfeld jeder Antriebseinheit ab und nicht von einer festen Regel, wonach eine Achse immer besser wäre.
Stromlosschalten und Abkoppeln einer Achse
Auch ein stromloser Motor kann Verluste verursachen. Permanentmagnete induzieren bei jeder Drehung des Rotors eine Spannung, während Zahnräder, Lager, Dichtungen und Öl weiterbewegt werden. Induktionsmaschinen und elektrisch erregte Maschinen können den Rotorfluss reduzieren, wenn sie kein Drehmoment erzeugen, ihre mechanischen Verluste bleiben jedoch bestehen.
Eine Trennkupplung verhindert, dass sich ein Teil des Sekundärantriebs mit den Rädern dreht. Das kann insbesondere bei einem Permanentmagnetmotor die Verluste während gleichmäßiger Fahrt reduzieren, doch Kupplung und Aktuator erhöhen Masse und Kosten, erfordern geregelte Übergänge und schaffen eine weitere Ausfallmöglichkeit. Beim erneuten Einkuppeln müssen die rotierenden Teile synchronisiert und das Drehmoment ohne spürbare Störung wiederhergestellt werden.
Ob eine Trennung Energie spart, hängt vom Lastprofil ab. Wird die zweite Achse häufig benötigt, kann der Nutzen gering sein; bei gleichmäßiger Autobahnfahrt kann dieselbe Technik dagegen wertvoll sein.
Systeme mit drei Motoren
Ein Elektrofahrzeug mit drei Motoren besitzt üblicherweise einen Motor an einer Achse und zwei unabhängig geregelte Motoren an der anderen. Hat jeder der beiden Motoren einen eigenen Getriebeweg zu jeweils einem Rad, kann die Achse Antriebs- und Rekuperationsmoment ohne herkömmliches Differenzial zwischen links und rechts verteilen.
Diese Anordnung ermöglicht eine direkte Regelung des Giermoments: Ein höheres Antriebsmoment am kurvenäußeren Rad kann das Einlenken unterstützen, während unterschiedliche Rekuperationsmomente beim Verzögern beitragen können. Das verfügbare Torque Vectoring bleibt durch die kombinierte Längs- und Seitenhaftung jedes Reifens begrenzt.
Drei Motoren bedeuten nicht immer ein radindividuelles Drehmoment. In anderen Architekturen können drei Maschinen über gemeinsame Getriebe oder Kupplungen miteinander verbunden sein. Bevor aus der Motorzahl auf die Fähigkeiten geschlossen wird, muss der mechanische Kraftfluss bekannt sein.
Vier Motoren
Eine Architektur mit vier Motoren kann jedem Rad einen eigenen Motor zuordnen, ein Fahrzeug kann aber auch zwei Motoren in jeder Achsantriebseinheit unterbringen. Das Steuergerät kann dann Antrieb und Rekuperation an allen vier Rädern anpassen.
Das Quad-Motor-System der zweiten Generation von Rivian verwendet einzeln geregelte Motoren und eine automatische Trennung der Hinterachse. Mercedes-Benz dokumentiert für das AMG GT 4-Türer Coupé von 2026 drei Axialflussmotoren — nicht vier. Das zeigt, warum die Achsanordnung wichtiger ist als einfache Marketingkategorien.
Unabhängige Radmotoren können schnell reagieren und die Kompromisse eines mechanischen Differenzials vermeiden. Sie vervielfachen jedoch auch Wechselrichter oder Wechselrichterkanäle, Sensoren, Lager, Zahnräder, Kühlpfade und den Koordinationsaufwand der Software. Der Nachteil höherer ungefederter Massen von echten Radnabenmotoren gilt nicht automatisch für an der Karosserie befestigte Motoren, die die Räder über Halbwellen antreiben.
Torque Vectoring ist eine Systemeigenschaft
Torque Vectoring bedeutet, gezielt unterschiedliche nutzbare Antriebs- oder Rekuperationsmomente zwischen Achsen oder Rädern zu erzeugen. Der Begriff legt nicht fest, wie dies erreicht wird. Systeme können Folgendes nutzen:
- unabhängige Motoren;
- ein aktives Differenzial oder ein Kupplungspaket;
- Bremseingriffe;
- unterschiedliche Vorgaben für Vorder- und Hinterachsmotor;
- eine Kombination dieser Methoden.
Das Steuergerät schätzt das Haftungsvermögen der Reifen anhand von Raddrehzahlen, Lenkwinkel, Beschleunigung, Gierrate und Fahrzeugmodellen. Es muss den angeforderten Antrieb mit Stabilitätsregelung und Reibungsbremsen koordinieren. Bei hoher Querbeschleunigung kann dem Reifen nur wenig Längshaftung für zusätzliches Vectoring-Drehmoment verbleiben.
Motordrehmoment ist außerdem nicht gleich Raddrehmoment. Übersetzungsverhältnis und Wirkungsgrad des Antriebsstrangs vervielfachen das Wellendrehmoment, während der Reifenradius das Raddrehmoment in Längskraft umwandelt. Systeme allein anhand des angegebenen Motordrehmoments ohne diese Größen zu vergleichen, ist irreführend.
Wirkungsgrad, Leistung und thermische Grenzen
Eine höhere installierte Motorleistung kann die Beschleunigung verbessern, ohne eine einzelne Maschine bis an ihre Grenze zu zwingen. Sie kann außerdem die regenerative Bremsung verteilen und bei wiederholt hoher Last thermische Reserven schaffen.
Bei normaler Fahrt verursachen zusätzliche Antriebseinheiten jedoch elektrischen und mechanischen Mehraufwand. Eine effiziente Regelung wählt die Kombination, deren Gesamtverluste von der Batterie bis zum Rad am geforderten Betriebspunkt am geringsten sind. Dies kann eine Achse, beide Achsen mit geringerer Last oder eine abgekoppelte Achse bedeuten.
Die Spitzenleistungen mehrerer Motoren lassen sich nicht immer addieren. Batterieentladeleistung, Strom im DC-Zwischenkreis, Kapazität der Wechselrichter, Achshaftung und thermische Grenzen können die Systemleistung unterhalb der arithmetischen Summe begrenzen. Gleiches gilt für die Rekuperation, wenn die Ladeaufnahmefähigkeit der Batterie die wirksame Grenze bildet.
Redundanz und eingeschränkter Betrieb
Mehrere Motoren schaffen die Möglichkeit, nach dem Abschalten einer Antriebseinheit weiterzufahren, doch Redundanz entsteht nicht automatisch. Gemeinsam genutzte Batterieschütze, Kühlkreisläufe, Steuergeräte, Kommunikationswege oder Hochspannungsbusse können gemeinsame Ausfallpunkte bleiben.
Ein sicherer eingeschränkter Betriebsmodus muss auch die Gierbewegung beherrschen. Ein plötzlicher Drehmomentverlust auf einer Seite einer Achse mit unabhängig angetriebenen Rädern kann ein Lenkmoment erzeugen. Die Steuergeräte benötigen Fehlererkennung, eine koordinierte Drehmomentreduzierung und ausreichend verbleibende Brems- und Stabilisierungsmöglichkeiten.
Weiter durch die Motorenserie
Zur vollständigen Artikelreihe über Motoren und Antriebseinheiten gelangen Sie zurück über Electric Motors and Drive Units.