Im Gespräch: Jim Edwards

Die Anpassung der Motordimensionen

Jim Edwards, leitender Ingenieur bei Helix, setzt Motorsporttechnologie ein, um die für die Elektrifizierung erforderliche Größe und das Gewicht zu verringern. Will Gray geht dieser Frage weiter nach.

In der Welt der Elektrifizierung wird die Batterietechnologie oft als Bereich mit den größten Entwicklungschancen angesehen. Die Verbesserungen in den letzten Jahrzehnten sind deutlich zu erkennen, da die Reichweite von Elektrofahrzeugen von Jahr zu Jahr zunimmt – doch Jim Edwards ist der Ansicht, dass die Motortechnologie eine ebenso wichtige Rolle spielt, insbesondere in den Bereichen Hochleistung und Schwerlast. Nach einer Karriere, die sich allmählich auf die Elektrifizierung ausgerichtet hat, könnten nun einige seiner größten Erfolge bevorstehen.

Zur Zeit, als Edwards seine Karriere begann, war die Elektrifizierung noch lange nicht alltäglich, doch er hatte von Anfang an ein Umweltbewusstsein. Im Jahr 1994, als er seinen ersten Job bei Ford annahm, analysierte er Fahrzyklen, um die Emissionen der Turbo-Dieselmotoren in den Modellen Escort und Mondeo im realen Einsatz zu minimieren. Später, als er zum Testgelände Milbrook wechselte, arbeitete er daran, eine Reihe von 20 Fahrzeugen mit Bimotor-Technologie aus LPG und CNG für Vauxhall zu optimieren, bevor er bei der Entwicklung des ersten Hybridbusses für London (UK) mitwirkte und so seine ersten Schritte in den Bereich der Elektrofahrzeuge unternahm.

Das Projekt begann im Jahr 2003, als sich der Fokus der Stadt von der Reduzierung von NOx-Emissionen auf die Reduzierung von CO2-Emissionen verlagerte. Der Kunde hatte ursprünglich einen Bus mit Gasturbinenantrieb entwickelt – dieser war hervorragend darin, die ersten Emissionen zu senken, aber weniger effektiv bei der Reduzierung der zweiten. Um auf die geänderte Priorität zu reagieren, wandten sie sich an Edwards und seine Kollegen mit einem bereits fertigen Entwurf für einen batterieelektrischen Fahrzeugtyp mit Reichweitenverlängerung und beauftragten sie damit, dessen Funktionsweise zu optimieren.

„Ich war an der Kalibrierung des Hybridsystems beteiligt, habe mir die Busarchitektur sowie den Fahrzyklus angeschaut und herausgefunden, wo wir seine Funktionsweise verbessern konnten, um in einer realen Anwendung das Beste daraus zu holen“, erklärt er. „Wir erstellten ein Modell des Busfahrzyklus im Londoner Nahverkehr und konnten mithilfe der Fahrzeuginertie und des Widerstands die Leistungsanforderungen des Motors vorhersagen sowie prüfen, wie am besten Motor und Batteriesystem betrieben werden sollten – indem Energie regeneriert wird, die Akkus nicht vollständig aufgeladen werden, damit man bergab fahren kann, und indem der Motor so oft wie möglich abgeschaltet wird, um Leerlaufemissionen zu minimieren. Es handelte sich um ein ‚einzigartiges‘ System, und wir erreichten 30 Prozent weniger CO2-Emissionen pro Passagier im Vergleich zu einem herkömmlichen Bus.“

Entwicklung von Wasserstoff

Edwards’ nächstes Projekt bei Millbrook betraf wieder einen Bus, diesmal jedoch mit Wasserstoff-Brennstoffzellen. Seine Aufgabe bestand darin, die Infrastruktur für das Betanken mit Wasserstoff zu installieren und den Bus in der Kammer zur Messung von Emissionen bei variablen Temperaturen (VTEC) zu testen. Edwards erinnert sich: „Die Kammer verfügte über eine rollende Straße sowie ein großes System zur Luftzirkulation und konnte bis zu drei Doppeldeckerbusse aufnehmen, die dort bei Temperaturen zwischen minus 40 und plus 50 Grad betrieben werden konnten. Der Bus hatte mehrere drei Meter lange Wasserstofftanks auf dem Dach, und wir wussten, dass ein Ausleiten des Drucks in einem geschlossenen Raum wie der VTEC sehr gefährlich sein könnte. Deshalb installierten wir zahlreiche Wasserstoffsensoren und stellten sicher, dass alles in das Entlüftungssystem geleitet wurde. Die Wahrscheinlichkeit war gering, aber man kann dieses Risiko nicht in Kauf nehmen.“

Diese Erfahrung mit Wasserstoff führte Edwards zu Intelligent Energy, das damals in einer Vielzahl von Entwicklungen im Bereich der Brennstoffzellen tätig war – von der Installation luftgekühlter Brennstoffzellen in Scootern von Suzuki bis zur Herstellung eines winzigen, 5-Watt-starken Mobiltelefon-Ladegeräts an Wasserstoff. „Dieses Ladegerät war ein wirklich gutes Gerät“, erinnert sich Edwards. „Leider hat es sich jedoch nicht durchgesetzt.“ Aufgrund seiner Erfahrungen im Automobilbereich konzentrierte sich Edwards auf die Entwicklung von Brennstoffzellsystemen für Personenkraftwagen.

„Wir verfügten über 100 kW und zwei Brennstoffzellenstapel, die mithilfe einer proprietären Technologie durch Verdunstung gekühlt wurden“, erklärt er. „Das System brachte flüssiges Wasser in Form eines feinen Nebels ein, der verdunstete, die Wärme aufnahm und den Abgasstrom als Gas abgab. Dadurch entstand ein erheblicher Vorteil hinsichtlich der Leistungsdichte, und wir setzten dieses System in einem Fahrzeug eines renommierten europäischen Automobilherstellers ein. Ungefähr zur gleichen Zeit betrieben wir auch eine Flotte von fünf Wasserstofftaxis für die Olympischen Spiele 2012 in London, um VIPs ins Olympische Dorf zu bringen.“

Seitdem hat das Unternehmen Erfolge mit luftgekühlten Systemen für Drohnen erzielt, und Edwards sieht weiterhin großes Potenzial dafür, dass Wasserstoff in das Energiemix der Automobilindustrie integriert werden kann. „Derzeit gibt es nicht genug überschüssigen Brennstoff, um ihn wirklich günstig zu machen, und die Brennstoffzellen benötigen Edelmetalle, wodurch sie in der Regel teuer sind. Doch an Orten mit viel erneuerbarer Energieerzeugung, die irgendwie gespeichert werden muss, ist Wasserstoff eine sehr gute Lösung“, sagt er. „Ich denke also, dass er in Nischen eingesetzt werden wird, in denen er gut funktioniert – bei firmeneigenen Fuhrparks, Sattelzügen, Zügen; überall dort, wo ein definierter Fahrzyklus vorliegt und die Infrastruktur entsprechend angepasst werden kann. In diesen Fällen ist er eine sehr gute kohlenstofffreie Lösung.“

Zum Elektroantrieb

Edwards’ beruflicher Weg führte anschließend in den Bereich der batterieelektrischen Fahrzeuge, als er 2015 zu seinem aktuellen Arbeitgeber Helix wechselte. Er übernahm die umfassende Rolle des leitenden Ingenieurs, die viele Aufgaben umfasste – darunter die Zusammenarbeit mit Kunden, technische Koordination, Analyse der Antriebszyklen sowie die Leitung eines interdisziplinären Teams aus Elektronik-, Elektro- und Maschinenbauern, Wissenschaftlern sowie Werkstatttechnikern. „Es war eine Rolle für Generalisten“, sagt er und erklärt, wie er trotz geringer Erfahrung in Batterieelektrik auf dieser Ebene tätig werden konnte.

Ihre erste Führungsrolle beinhaltete die Entwicklung eines kleinen e-Boosters – eines elektrischen Superchargers. „Dabei handelt es sich traditionell um einen Elektromotor, der an einen Turbolader angebracht ist und auf etwa 100.000 Umdrehungen pro Minute ausgelegt ist“, erklärt er. „Die Schwierigkeit besteht darin, dass man in einem Pkw bis zu 10 kW benötigt.“

Damit zu fahren, entstehen zwei Probleme – der Motor überhitzt, da es schwierig ist, die Verluste aus ihm herauszubekommen, und falls er nicht überhitzt, entlädt sich die Batterie, weil sie nicht ausreicht, um diesen Bedarf länger als 5 oder 10 Minuten zu decken.

„Um das zu überwinden, haben wir etwas sehr Kluges getan. Wir entwickelten einen Anlasser-Generator, sodass man den Motor antreiben und gleichzeitig Strom erzeugen konnte. Anschließend konstruierten wir den Motor, der das Kompressorrad antrieb, bauten ein Epizyklengear hinein und verbanden das andere Element mit der Flaschenzughülse am Anlasser-Generator. Dadurch musste der Motor nur einen Teil der Arbeit leisten, da die restliche Energie direkt vom Anlasser-Generator bereitgestellt wurde. Infolgedessen verrichtet der Motor weniger Arbeit.

„Ein weiterer Vorteil ist, dass man dank des Generators vor Ort Strom erzeugen kann und diesen direkt zum Antrieb auf der anderen Seite leiten kann, sodass man ihn nicht in eine Batteriepackung umleiten muss. Man kann den Strom in Echtzeit erzeugen, und man kann den Kompressor durch Änderung der Drehzahl ausschalten, da er Teil eines epizyklischen Getriebes ist. Es war eine hervorragende Lösung, und wir arbeiteten mit Magna Power zusammen, um sie in großem Maßstab einzuführen – doch sie wurde erst realisierbar, als die Automobilindustrie beschloss, keine Verbrennungsmotoren mehr verwenden zu wollen!“

Durch das Scheitern des e-booster-Projekts wurde Edwards unweigerlich auf rein batterieelektrische Projekte gelenkt, wobei das erste darin bestand, Motoren für eine elektrische Rennserie zu liefern – auch wenn er bis heute nicht verraten kann, um welche es sich handelte. Mit einem bereits vorhandenen Design, das den Entwurfsprozess hinter sich hatte, wurde Edwards mit der Verantwortung für den Bau und die Lieferung betraut. Nach Abschluss dieser Arbeiten wandte er sich einem seiner wohl bekanntesten Produkte zu: dem Aston Martin Valkyrie. Entworfen von Adrian Newey, als dieser noch bei Red Bull tätig war, wurde dieses Hyperauto mit einem 1000 PS starken V12-Motor entwickelt, um die Leistung eines F1-Autos so genau wie möglich nachzuahmen – doch ohne Edwards wäre es buchstäblich nie ins Leben getreten.

„Ich habe den Motor entwickelt, der zwischen Kupplung und Getriebe angeordnet ist und den Motor startet“, erklärt er. „Er ermöglicht außerdem das Überholen per Knopfdruck; es handelt sich dabei um einen Generator, genauer gesagt einen Wechselrichter. Zudem sorgt er für die Rückwärtsgangfunktion – schließlich verfügt das Hauptgetriebe des Motors nicht über einen Rückwärtsgang – und da es sich um ein reines Getriebe handelt, gewährleistet er eine Geschwindigkeitsanpassung bei den Schaltvorgängen. Er ermöglicht es außerdem dem Auto, ausschließlich mit Elektroantrieb bei niedriger Geschwindigkeit – bis zu etwa 12 km/h – zu fahren.“

Der Motor wog nur 20 Kilogramm, hatte aber eine Leistung von 120 kW und blieb sein ganzes Leben lang problemlos am Ende eines V12-Motors montiert. Für einen Hypercar war das eine hervorragende Lösung!“

Der Automobilsektor war zu dieser Zeit ein wichtiger Bestandteil der Arbeit von Helix, doch im Laufe der Zeit hat sich die Klientel vom ursprünglichen Fokus auf Motorsport und Formel 1 auf ein weitaus breiteres Spektrum entwickelt, das alles von Verteidigungsanwendungen bis hin zu maritimen Anwendungen umfasst. Tatsächlich ist der Automobilbereich seit dem Valkyrie-Projekt an Bedeutung verloren gegangen, da immer mehr OEMs die Entwicklung von Elektrofahrzeugen eigenständig vorantreiben, doch Helix ist wie eh und je stark beschäftigt und wendet diese fortschrittliche, aus dem Motorsport stammende Denkweise auf viele verschiedene Branchen an. Edwards ist zum Chefingenieur aufgestiegen und wird von der durch die Unternehmensgeschichte ermöglichten Technologieentwicklung inspiriert.

„Da wir im Herzen des Motorsport- und F1-Dreiecks liegen, haben wir Zugang zu all diesen Herstellern mit außergewöhnlichen Fertigungsmöglichkeiten sowie der Fähigkeit, Dinge auszuprobieren, wohin sich sonst niemand wagen würde“, erklärt er. „Außerdem haben wir in unserem Unternehmen viele Mitarbeiter mit Motorsport-Erfahrung – es besteht ein starker Austausch zwischen uns und den F1-Teams – daher liegt unser Kern in der Hochleistungsbranche, und das ist meiner Ansicht nach unser entscheidender Wettbewerbsvorteil.“

„Es gab tatsächlich einen Antrieb, die Technologie durch den Motorsport zu beschleunigen und sie anschließend auf herkömmlichere Motoren zu übertragen. Der erste Motor, den wir für die Rennserie entwickelt haben, als ich gerade angefangen hatte, leistete beispielsweise etwa 100 kW Dauerleistung. Doch innerhalb von zwei Jahren konnten wir durch die Integration einiger Motorsport-Technologien einen Motor schaffen, der bei derselben Größe 200 kW Dauerleistung erbrachte. Heute erreichen wir in diesem Format bereits 400 kW Dauerleistung. Somit hat sich diese Technologie in einem von vielen als statisch angesehenen Markt enorm weiterentwickelt.“

Klein und leicht

Edwards’ zentrale Leistungsziele sind in jedem Projekt genau die gleichen: Größe und Gewicht verringern – die beiden Schwerpunkte, denen im Motorsport höchste Priorität eingeräumt wird. „Unsere Erfahrung stammt aus projekten, in denen Raum und Masse entscheidend sind, daher ist diese Philosophie bereits in unseren Motoren verankert“, fährt er fort. „Beim Übergang zu Anwendungen wie Zügen geht es lediglich darum, die gewünschten Spitzentemperaturen zu senken, um der Isoliermaterialien eine längere Lebensdauer zu geben – plötzlich hat man einen Motor, der ein Zehntel oder ein Zwanzigstel so groß ist wie ein herkömmlicher Zugmotor.“

Die wahrhaft „blauen Himmel“-Projekte, die bei Helix durchgeführt werden, fallen unter das Dach der experimentellen „X Division“. Edwards beschreibt die Arbeit dieser Abteilung als „die Suche nach der Kunst des Möglichen“. Dies fließt wiederum in die Kerntechnologien für den Marine-, Überlandfahrzeug-, Verteidigungs- und Luftfahrtsektor ein – wodurch Motoren entstehen, die kleiner und leistungsstärker sind als ihre Vorgänger. Infolgedessen streben Edwards und seine Kollegen danach, die Entwicklung von Motoren in eine Vorzeigeposition zu bringen – in einer Branche, die allzu oft ausschließlich auf neue Batterietechnologien als einzige echte Quelle für Fortschritt setzt.

„Wenn man es aus Sicht der Effizienz betrachtet, geht es ausschließlich um Größe und Masse“, schließt er. „Wenn man Platz für Motoren verwendet, kann man ihn nicht für Batterien oder Nutzlast nutzen – und das gilt für jeden Sektor. Überall, wo Größe und Gewicht begrenzt sind, können wir eine bessere Lösung anbieten.“

„Das trifft insbesondere auf maritime Projekte zu, die etwas ungewöhnlich sind. In Autos herrscht ein hohes Verhältnis von Leistung zu Gewicht, und wenn die Fahrer aufs Gas treten, möchten sie beschleunigen. Im Seeverkehr hingegen ist die Beschleunigung relativ gering, da aufgrund der Wasserviskosität ein enormer Widerstand entsteht. Während man in einem Straßenfahrzeug das Gas 10 Sekunden lang durchdrücken und anschließend auf vielleicht 10 Prozent Drehzahl reduzieren könnte, wird im Seeverkehr die volle Drehzahl verwendet, und man kann dort stundenlang bleiben.“

„Das ist ein völlig anderer Antriebszyklus, der eine leicht andere Konfiguration erfordert, wodurch es in diesem Bereich viele Optimierungsmöglichkeiten gibt. Wir haben an E1 Racing sowie Magic Carpet E gearbeitet – einem hervorragenden Rennboot aus Kohlenstofffaser, das wir vollständig elektrifiziert haben, um den Einsatz eines Generators während der Rennen zu vermeiden. Wir liefern an Hersteller von Außenbordmotoren, Heckantrieben, Katamaranen sowie an mindestens drei Verteidigungsanwendungen für maritime Einsätze.“

„Gleiches gilt für eine Reihe weiterer Anwendungen, bei denen es sich um herkömmliche Systeme handelt und die Entwickler entweder eine bessere Leistung oder einen leiseren Betrieb wünschen. Das eignet sich hervorragend für die Elektrifizierung, doch oft fehlt der Platz für zusätzliches Zubehör. Deshalb bieten wir solche Lösungen Kunden an, die diese Funktionalität benötigen – und das ist derzeit von entscheidender Bedeutung.“

„Wir haben bereits zahlreiche Prototypteile für Bergbaufahrzeuge entwickelt, bei denen die Elektrifizierung indirekte Vorteile mit sich bringt, an die man oft nicht denkt – wie beispielsweise eine Verringerung der Energie, die normalerweise zum Ansaugen von Luft in den Bergbau benötigt wird, sowie die Vermeidung flüchtiger Brennstoffe, die explosive Atmosphären verursachen können. Im Baugewerbe hingegen benötigen viele Fahrzeuge gute Sichtverhältnisse, und alles, was dem Fahrer die Sicht auf das, was sich um seine Räder und den Korb herum befindet, verdeckt, ist für den Bediener äußerst problematisch – daher können wir durch den Einsatz eines sehr kleinen Motors Vorteile bieten, wenn die Motoren größer werden und immer mehr Nachbehandlungen erforderlich sind.“

„Dann gibt es noch die Luft- und Raumfahrtbranche, in der ein großes Interesse an Raketen zum Start in den Weltraum besteht, weil dort starke Massenbeschränkungen bestehen. Es geht dabei vor allem um Effizienz und das Reduzieren der Masse, da diese ja die Nutzlast darstellt. Man kann buchstäblich einen Preis pro Kilogramm für Satelliten festlegen, weshalb die Anbieter hier sehr klar denken, da sie pro Kilogramm abgerechnet werden. Wir arbeiten außerdem mit Herstellern von Strahltriebwerken zusammen, um die Effizienz von Gasturbinen zu verbessern, indem in bestimmten Betriebsbereichen elektrische Unterstützung eingesetzt wird – so sind sie nicht in einem Bereich eingeschränkt, während der größte Teil des Fluges in einem anderen Bereich stattfindet. Auch hier geht es wiederum darum, die Masse für diese Anwendungen zu minimieren, was perfekt zu unseren Kernstärken passt.“

Daher ist klar, dass es in allen Branchen viel Raum für die Entwicklung von Elektromotoren gibt – doch jüngste Änderungen bei den Lizenzen für Magnete in China drohen diese Entwicklung zu beeinträchtigen. Für Edwards stellt dies jedoch eine Gelegenheit dar, die Annahmen bezüglich der Motordesigns neu zu überdenken. „Es wird die Strukturen bis zu einem gewissen Grad verändern, wodurch es in Zukunft darum gehen wird, das Beste aus geringem oder keinem Magnetgehalt sowie verschiedenen Magnetmaterialien herauszuholen“, schließt er. „Das wird wahrscheinlich die nächste Auswirkung auf Motoren sein.“

„Viele Automobilhersteller verwenden überhaupt keine Magnete, doch das führt in der Regel zu größeren Motoren. Sie können damit umgehen, weil die Kosten sinken und genügend Platz vorhanden ist. Hochleistungsfahrzeuge sowie die anderen Branchen, die ich erwähnt habe, haben dieses Privileg nicht. Ich glaube daher, dass dies sicherlich Auswirkungen auf diese Premium-Motoren haben wird. Was die Lösung angeht, werden wir letztendlich auf unterschiedliche Weise dieselbe Effizienz erreichen und die Leistung steigern – daran habe ich keinen Zweifel!“

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