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.
© 10123
Mit der Premium Platform Electro (PPE) fährt Audi in die Elektro-Zukunft (im Bild die Plattformvariante für den Q6 E-Tron, den Audi ab Sommer 2024 ausliefert).
© 10123
Im Grundlayout ist Audis PPE eine Skateboard-Plattform.
© 10123
Die performanteren Ausführungen der PPE bekommen seinen zusätzlichen Motor für die Vorderachse.
© 10123
An der Vorderachse setzt Audi beim PPE einen Asynchron-Motor (ASM) ein.
© 10123
Der Frontmotor ist an ein mit einer festen Untersetzung arbeitendes Getriebe gekoppelt.
© 10123
Querschnitt durch Rotor und Stator des Asynchron-Motors der PPE.
© 10123
Der Heckmotor sitzt zentral über der Hinterachse.
© 10123
Am Heck setzt Audi immer eine Permanent erregte Synchronmaschine (PSM) ein.
© 10123
Auch die PSM-Maschine am Heck ist an ein Getriebe mit einer festen Untersetzung gekoppelt.
© 10123
Stator und Rotor des PSM im Schnittbild.
© 10123
Der Rotor des PSM ist ölgekühlt.
© 10123
Auch der Stator und die Wickelköpfe des Permanent erregten Synchronmotors sind ölgekühlt.
© 10123
Je nach Performance-Anforderung gibt es beim PPE verschiedene Rotor-Größen für die ASM und die PSM. Bei der PSM am Heck variiert auch die Einbauposition der Stator-Rotor-Kombination.
© 10123
Die Kühlung des PSM senkt die Entmagnetisierungs-Neigung der Magnete, was wiederum den Einsatz von weniger seltenen Erden möglich macht.
© 10123
Dank einer Trockensumpf-Schmierung arbeiten die Getriebe mit weniger Reibungsverlusten, was bis zu fünf Kilometer mehr Reichweite ermöglichen soll.
© 10123
Darstellung des Ölflusses durch das Getriebe.
© 10123
Strukturelle Verstärkungen sorgen bei den Elektromotoren für ein im Vergleich zu den Vorgängern abgesenktes Geräuschniveau.
© 10123
Darstellung des Ölkreislaufs am Heck der PPE.
© 10123
Das Powermodul der Leistungselektronik ist wassergekühlt.
© 10123
Im Zuge der Einführung der PPE stellt Audi die Systeme seiner Elektroantriebe auf 800 Volt um.
© 10123
Beim PPE gibt es auf der linken Fahrzeugseite einen Gleich- und einen Wechselstrom-Ladeanschluss, ein weiterer Gleichstromanschluss sitzt auf der rechten Seite.
© 10123
In der Battery junction box gibt es eine Pyrosicherung, die im Ernstfall die Batterie vom restlichen Fahrzeug-Stromnetz trennt.
© 10123
Der in der Power-Box integrierte Wechselstrom-Onboad-Lader lädt mit einer Leistung von bis zu elf Kilowatt – beim Q6 E-tron sind gegen Aufpreis bis zu 22 Kilowatt möglich.
© 10123
Die 100-kWh-Batterie (brutto) des Q6 E-Tron ist in 21 Minuten von 10 auf 80 Prozent ihrer Speicherkapazität aufladbar.
Teil der PPE ist ein ausgeklügeltes Thermo-Management. Ein Kühler kühlt das Wasser, das wiederum die Leistungselektronik kühlt. Über einen Wärmetauscher nimmt das Wasser auch die von der Ölkühlung abgeführte Wärme auf. Da die Getriebe sowieso Öl brauchen, kühlt Audi die Antriebskomponenten eben auch gleich mit Öl.
© 10123
Die 100-kWh-Batterie speichert netto 94,9 kWh. Das komplexe Bauteil enthält zwölf Module mit jeweils 15 Zellen.
© 10123
Oben schützt eine Feuerschutz-Platte die Batterie, gegen Beschädigungen von unten hilft eine Platte aus einem Glasfaser-Verbundwerkstoff.
© 10123
Die 83-kWh-Batterie (Bild/brutto) hat die gleichen Abmessungen wie der 100-kWh-Akku – aber ihr fehlen zwei Speichermodule in der Mitte. Wegen der trotz verschiedener Speicherkapazitäten gleichen Einbaumaße lassen sich die Antriebs-Akkus unkompliziert auf demselben Band montieren.
© 10123
In einem Zellmodul sitzen immer 15 Zellen.
© 10123
In der Lithiumionen-Batterie des PPE setzt Audi prismatische Zellen ein, die mit einer Nickel-Mangan-Kobalt-Chemie arbeiten.
© 10123
Im Vergleich zu den Vorgänger-Akkus haben die Ingenieure bei den neuen Audi-Antriebsbatterien in allen wesentlichen Punkten deutliche Verbesserungen erzielt.
© 10123
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.
© 10123
Da beim PPE auf beiden Seiten des Fahrzeugs eine Ladedose angebracht ist, kann das Gleichstrom-Ladekabel kürzer sein, was wiederum Gewicht spart.
© 10123
Eine Kühlplatte kühlt alle Batteriezellen mit der gleichen Kühlwirkung.
© 10123
95 Prozent der Bremsvorgänge funktionieren bei PPE-Fahrzeugen per Rekuperation – das System gewinnt also die Bremsenergie in Form von elektrischem Strom zurück.
© 10123
Der Fahrer kann die Stärke der Schub-Rekuperation einstellen.
© 10123
© 10123
Der Fahrzeug-Innenraum sitzt direkt über der Batterie.
© 10123
Audi proklamiert für seine neue PPE eine um 33 Prozent höhere System-Performance als bei den Vorgänger-Plattformen.
© 10123
Den Außensound erzeugen bei der PPE Lautsprecher.
© 10123
Die schräge Einbaulage des Kühlers ermöglicht einen maximal großen Front-Kofferraum.
© 10123
Die PPE ist aktuell die modernste Elektro-Plattform im VW-Konzern.
Den Q6 E-Tron auf PPE-Basis baut Audi in Ingolstadt.
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. Was sind die Charakteristika der neuen Basis, auf der weitere Audi-Modelle wie etwa der A6 E-tron (Debüt noch dieses 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. Jenseits dieses Layouts beginnen die technischen Finessen.
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 beim 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
