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PPE: Auf dieser Plattform basiert Audis Zukunft

Premium Platform Electric (PPE) bei Audi
Auf dieser Plattform basiert Audis Zukunft

Die E-Auto-Architektur für die Zukunft von Audis Markenkern hat auch Porsche-Gene. Der Q6 E-Tron ist Audis erstes Serienauto auf Basis der PPE. Wir erklären die Technik dahinter.

Audi Premium Platform Electric PPE
Foto: 10123

Die PPE hat Audi zusammen mit Porsche entwickelt, wo die Architektur dem Schwestermodell e-Macan als Basis dient. Der Q6 E-Tron ist Audis erstes Serienauto auf dieser reinen E-Auto-Architektur. Das sind die Charakteristika der neuen Basis, auf der weitere Audi-Modelle wie etwa der A6 E-tron (Debüt noch in diesem Jahr) und dessen Kombi-Variante aufbauen.

Das grundsätzliche Layout der PPE ist eine Skateboard-Architektur, wie die Hersteller sie bei den meisten Großserien-Elektroautos einsetzen. Die zwischen den Antriebsachsen sitzende Batterie und die auf den Achsen sitzenden Motoren haben sich als Grund-Konstruktionsprinzip bewährt – auch im Hinblick auf Innenraumgröße des jeweiligen Fahrzeugs und der damit verbundenen Beinfreiheit für die Insassen. Jenseits dieses Layouts beginnen die technischen Finessen.

Der große E-Ratgeber

Umstellung auf 800-Volt-Technik

Im Zuge der PPE stellt Audi seine elektrischen Antriebssysteme auf 800 Volt um – wie es schon beim Porsche Taycan sowie bei Hyundai und Kia üblich ist. Weil sich die elektrische Leistung als Produkt aus Spannung und Stromstärke berechnet, steigt die übertragbare (Lade-)Leistung auch bei weniger Stromstärke, was dünnere Kabel ermöglicht. Das wiederum spart Gewicht. Niedrigere Stromstärken erzeugen außerdem weniger Abwärme, was weniger Kühlung erfordert – Hitze beeinträchtigt die Performance von Elektromotoren und anderen Hochvolt-Komponenten.

Audi setzt bei der PPE einen Elektromotor an der Hinterachse ein, die performanteren Modellen bekommen einen zusätzlichen Motor an der Vorderachse. Hinten arbeitet immer ein Permanent-Magnet-Synchronmotor (PSM), vorn ein Asynchron-Motor (ASM). Der PSM ist wegen der in ihm verbauten Magneten teurer, die Preise für Magnete sind zudem volatil. Aber die PSM liefert mehr Kraft und arbeitet als Hauptantrieb effizienter. Der ASM hat vor allem bei Volllast einen ähnlich guten Wirkungsgrad und eignet sich daher hervorragend als Boost-Motor, da es bei ihm zu keinen Ummagnetisierungs-Verlusten kommt. Trotzdem lässt er sich mit einem kostengünstigen Aluminium-Kurzschlusskäfig produzieren. Die Statoren und die Komplexität beider E-Maschinen sind identisch. Für mehr Performance gibt es beide Motoren mit jeweils längeren Rotoren, bei der Sportauslegung der PSM wandert der Rotor von vorn ans hintere Ende der Motor-Getriebe-Kombination.

Audi Premium Platform Electric PPE
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Im Zuge der Einführung der PPE stellt Audi die Systeme seiner Elektroantriebe auf 800 Volt um.

Ölkühlung für Motoren und Getriebe

Die meisten Energieverluste im Motor passieren in der Statorwicklung, hinzu kommen kleinere Verluste im Rotor und im sogenannten Blechpaket. Damit sind gestapelte und fest miteinander verbundene Bleche gemeint, die als Rotor- oder Statorkern dienen – sie sind auch unter dem Namen Magnetkern bekannt. Für eine Minimierung der Verluste hat Audi bei der PPE eine effiziente Kühlung entwickelt.

Bei der PPE sind beide Motoren ölgekühlt – weil die an den Motoren montierten Getriebe ohnehin Öl brauchen. Das Öl kühlt sowohl die Rotoren und Statoren als auch die Außen- und Innenseite der Wickelköpfe – so heißen die Bereiche am oberen und unteren Ende eines Elektromotors, wo sich die Wicklungen überlappen. Bei der Permanent-Synchron-Maschine beugt die Kühlung der Entmagnetisierungs-Neigung der Magnete vor, da sich die heißesten Stellen in Rotor und Stator auf maximal 130 Grad Celsius erhitzen – im realen Fahrbetrieb sind es 60 bis 70 Grad. Dies bedeutet wiederum, dass die Magnete weniger seltene Erden enthalten können, was die Kosten senkt. Und wie oben erwähnt, fließt das kühlende Öl auch durch das an jeden Motor gekoppelte Untersetzungsgetriebe.

Audi Premium Platform Electric PPE
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Darstellung des Ölflusses durch das Getriebe.

Trockensumpf-Schmierung

Bei den Getrieben haben sich die Ingenieure für eine Trockensumpf-Schmierung entschieden. Diese Art von Schmierung ist seit Jahren aus hochwertigen Getrieben für Verbrennungsmotor-Fahrzeuge sowie aus sportlichen Motoren bekannt. Zusätzlich zu einer Druckpumpe saugt hier eine Zusatz-Pumpe das Öl wieder aus dem Getriebe. Dabei ist immer nur so viel Öl im Getriebe wie nötig, was die Effizienz erhöht. Die Technik ist zwar aufwendig, aber sie zahlt sich aus: Beim Q6 E-Tron sorgt sie bei einer vollgeladenen Batterie für fünf Kilometer mehr Reichweite. Die Kühlung des Öls übernimmt ein Wasser-Öl-Wärmetauscher, das Wasser kühlt zusätzlich die Leistungs-Elektronik. Die Kühlung des Wassers erfolgt wiederum über einen schräg im Vorderwagen eingebauten Kühler. Schräg deshalb, damit da vorn ein möglichst großer Zusatzkofferraum Platz hat.

Beim Wechselrichter oder Inverter, also bei dem Bauteil, das Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt, setzt Audi auf Siliziumkarbid-Halbleiter. Gegenüber herkömmlichen Silizium-Halbleitern spart der Einsatz von Siliziumkarbid bis zu 60 Prozent Energie, außerdem sind höhere Schaltfrequenzen möglich.

Audi Premium Platform Electric PPE
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Die schräge Einbaulage des Kühlers ermöglicht einen maximal großen Front-Kofferraum.

Maximale Energie-Rückgewinnung

Die Motoren sind mit angegossenen Motorstützen versehen. Dies hilft enorm bei der Reduktion von Geräuschemissionen: Beim Fahrtstart ist die PPE um 30 Dezibel leiser als ihre besten Vorgänger und ab 50 km/h sind ohnehin die Reifen- und Luftgeräusche lauter als Motor und Getriebe.

Zu den großen Vorteilen eines elektrischen Antriebs gehört die technische Fähigkeit, Energie zurückzugewinnen. Diese Rückgewinnung bezeichnen Fachleute als Rekuperation, was sich vom lateinischen recuperare für "wiedergewinnen" ableitet. Die Rekuperation erfolgt im Schubbetrieb oder beim Verzögern. Energie, die mechanische Bremsen sonst zu Wärme zerreiben, gelangt so wieder zurück in die Batterie – weil die Elektromotoren hierbei als Generatoren arbeiten. Beim Q6-E-Tron rekuperiert das System mit bis zu 220 Kilowatt – 95 Prozent aller Bremsungen funktionieren ausschließlich per Rekuperation. Selbst während einer ABS-Regelung gewinnt die Technik Energie zurück.

Audi Premium Platform Electric PPE
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95 Prozent der Bremsvorgänge funktionieren bei PPE-Fahrzeugen per Rekuperation - das System gewinnt also die Bremsenergie in Form von elektrischem Strom zurück.

Die Audi-Ingenieure haben für die PPE eine vorausschauende Rekuperation entwickelt. Per Sensordaten berechnet ein Computer den Bremswunsch des Fahrers und stellt die entsprechenden Systeme darauf ein. Das Bremsen erfolgt dann per sequenziellem Blending: Ein Rechner berechnet die optimale Verteilung des Bremsvorgangs zwischen Rekuperation und mechanischem Bremsen sowie der Bremswirkung zwischen Vorder- und Hinterachse. Der Übergang vom Rekuperieren zum mechanischem Bremsen verläuft für den Fahrer dank eines zwischengeschalteten Federspeichers unmerklich.

Trotz seltener Nutzung bleibt die Reibbremse immer einsatzbereit – die Bremsbacken legen sich ab und zu und für die Insassen unmerklich an die Scheiben, um Feuchtigkeit und Rost wegzureiben. Sollte die Rekuperation aufgrund eines technischen Schadens nicht möglich sein, dient die hydraulisch betriebene Reibbremse als Rückfallebene. Und zum Halten des Fahrzeug-Stillstands ist ausschließlich die Reibbremse da, da ein über die Elektromotoren geregelter Stillstand zu viel Energie kostet.

Audi Premium Platform Electric PPE
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Oben schützt eine Feuerschutz-Platte die Batterie, gegen Beschädigungen von unten hilft eine Platte aus einem Glasfaser-Verbundwerkstoff.

Akku mit Kühlplatte und Flammschutz

Die 800-Volt-Lithiumionen-Batterie ist in ihrer 100-kWh-Ausführung aus zwölf Modulen aufgebaut, in jedem Modul sitzen 15 prismatische Zellen. Unter der Batterie ist eine Platte montiert, die, je nach Bedarf, als Wärmeübertrager oder Kühler wirkt. Jede Batteriezelle ist spannungsüberwacht und gleichmäßig verteilte Temperaturfühler helfen beim Erzeugen einer Echtzeit-Temperatur-Karte des Akkus. Dank der Kühlplatte wirkt die Kühlung an allen Stellen der Batterie gleichmäßig. Akkus, deren Kühlung hingegen mit einem Wasserdurchfluss erfolgt, sind an der Eintritts-Stelle des Wassers am kältesten und an der Austrittsstelle am wärmsten. Unter der Kühlplatte sitzt noch ein Unterfahrschutz aus einem Glasfaser-Verbundmaterial, auf der Oberseite ist ein Flammenschutzschild montiert. In einer sogenannten Battery Junction Box sind die Modulverbinder untergebracht – und eine Pyrosicherung, die im Notfall die Batterie vom restlichen System trennt.

Die Batteriezellen arbeiten mit einer Nickel-Mangan-Kobalt-Chemie. Sie sind größer als ihre Vorgänger, enthalten weniger Kobalt, haben einen niedrigeren elektrischen Widerstand und sind besser aufladbar. Ihr Energiegehalt ist um 150 Prozent und ihre Energiedichte um 15 Prozent höher als bei den Vorgänger-Zellen. Die Zellmodule sind wegen der größeren Zellen ebenfalls gewachsen. Sie haben einen um 215 Prozent höheren Energiegehalt und eine um 23 Prozent höhere Energiedichte als ihre Vorgänger. Die gesamte Batterie ist vorkonditionierbar und die Ingenieure haben das Batteriemanagement optimiert. Am Ende kommen für den Akku fünf Prozent mehr Energiegehalt, eine um 30 Prozent höhere Energiedichte, ein um 15 Prozent reduziertes Gewicht und eine um 30 Prozent gesunkene Ladezeit heraus.

Audi Premium Platform Electric PPE
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In der Lithiumionen-Batterie des PPE setzt Audi prismatische Zellen ein, die mit einer Nickel-Mangan-Kobalt-Chemie arbeiten.

Cleveres Laden mit 800 oder 400 Volt

Zum Aufladen der Batterie gibt es auf der linken Fahrzeugseite einen Gleich- und einen Wechselstromanschluss (Ladeleistung bis zu 22 Kilowatt), auf der rechten Seite sitzt ein weiterer Gleichstrom-Anschluss. Dadurch ist das Mitführen eines kürzeren Gleichstrom-Kabels möglich, was wiederum Gewicht spart. Das Aufladen erfolgt bei 800 Volt mit einer Leistung von bis zu 270 Kilowatt. Dafür sind die beiden Modulbänke in der Batterie in Serie geschaltet. An einem 400-Volt-Ladeanschluss sind 135 Kilowatt Ladeleistung möglich – dafür sind dann die beiden Modulbänke parallel geschaltet. Die aktuell in der PPE eingesetzten Batterien sind innerhalb von 21 Minuten von zehn auf 80 Prozent aufladbar – erst danach bricht die Ladeleistung signifikant ein.

Audi Premium Platform Electric PPE
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Clever: Bei der Aufladung an einer 800-Volt-Ladestation sind die Batteriemodule in Serie geschaltet, bei einer 400-Volt-Ladestation schaltet das System die Module automatisch parallel.

Ein weiterer integraler Bestandteil der PPE ist die Wärmepumpe. Diese hilft beim Kühlen und Vorwärmen der Batterie und beim Aufheizen des Innenraums mit der Abwärme der elektrischen Komponenten. Außerdem nutzt sie die Umgebungs-Wärme zum Aufheizen des Innenraums, hilft beim Vorheizen der Fahrgastzelle, verteilt die Wärme bedarfsgerecht und unterstützt die Klimaanlage. Die E-Motoren und die elektrischen Komponenten geben beispielsweise durchschnittlich 20 Grad Wärme ab. Durch das Hinzuführen von Außenwärme erhöht die Wärmepumpe diese Temperatur auf 70 Grad – das Heizsystem eines Autos benötigt heiße Luft, um den Innenraum aufzuheizen. Bei Außentemperaturen von minus zehn bis plus 20 Grad soll die Wärmepunkte bis zu 30 Kilometer mehr Reichweite bringen.

Umfrage
Werden E-Autos mittelfristig genauso praktikabel sein wie Autos mit Verbennungsmotor?
610 Mal abgestimmt
Ja, die werden Verbrenner sogar übertreffen.Nein, da gibt es von der Chemie vorgegebene Grenzen.

Fazit

Mit der Premium Platform Electric (PPE) haben die Ingenieure eine zukunftssichere Elektroauto-Plattform geschaffen. Die Motoren, die Getriebe, die Kühlung, die Wärmepumpe und die Batterie – bei allen Komponenten haben die Ingolstädter signifikante Fortschritte zu ihren bisherigen E-Modellen erzielt. Insbesondere die jetzt leichtere und schneller aufladbare Batterie mit trotzdem höherer Kapazität dürfte Audi in Kombination mit der deutlich verbesserten Effizienz des Antriebs künftig beim E-Auto-Wettbewerb ganz vorn mitspielen lassen. Der Einsatz in zahlreichen Modellen wie dem A6 E-Tron und dem Porsche e-Macan sorgt zudem für eine gute Skalierung und verteilt die Kosten der Entwicklung auf größere Stückzahlen.