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Jun 02, 2023

ZF stellt kompaktes Antriebssystem mit hohem Drehmoment für Elektroautos vor

ZF arbeitet intensiv an der Entwicklung neuer Produkte, die es Elektroautos dank höherer Effizienz ermöglichen, mit jeder Ladung weiter zu fahren. Von Veröffentlicht Hinter den schicken Typenschildern auf den Autos, die wir kaufen –

ZF arbeitet intensiv an der Entwicklung neuer Produkte, die es Elektroautos dank höherer Effizienz ermöglichen, mit jeder Ladung weiter zu fahren.

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Hinter den schicken Typenschildern auf den Autos, die wir kaufen – Mercedes, BMW, Audi und mehr – verbirgt sich eine ganze Industrie, die die Teile und Komponenten liefert, die diese Autos zu dem machen, was sie sind. Von Sitzen und Radios bis hin zu Touchscreens, Windschutzscheiben und Reifen bringen Zulieferer die für die Herstellung von Automobilen benötigten Komponenten direkt an die Laderampen von Fahrzeugfabriken auf der ganzen Welt. Die besten von ihnen werden zusammenfassend als Tier-1-Zulieferer bezeichnet, und innerhalb dieser Gruppe gehört das deutsche Unternehmen ZF neben anderen namhaften Unternehmen wie Bosch, Magna International und Siemens zu den Besten der Besten.

ZF beschäftigt weltweit 165.000 Mitarbeiter und betreibt 168 Produktionsstandorte in 32 Ländern. Im Geschäftsjahr 2022 meldete ZF einen Umsatz von 43,8 Milliarden Euro. Auf seiner Homepage beschreibt es sich selbst als globales Technologieunternehmen, das Systeme für Pkw, Nutzfahrzeuge und Industrietechnik liefert und die nächste Generation der Mobilität ermöglicht.

ZF lässt Fahrzeuge sehen, denken und handeln. In den vier Technologiedomänen Vehicle Motion Control, Integrierte Sicherheit, Automatisiertes Fahren und Elektromobilität bietet ZF umfassende Produkt- und Softwarelösungen für etablierte Fahrzeughersteller. Das Unternehmen nutzt einen Porsche Taycan namens EVbeat als Testumgebung für eine Reihe neuer Produkte für Elektroautos.

Im Hinblick auf die Weiterentwicklung der Elektromobilität kündigte ZR am 29. Juni eine neue integrierte Antriebseinheit für Elektroautos an, die weniger wiegt und ein höheres Drehmoment als alle Mitbewerber aufweist. „Nachhaltige Mobilität steht im Mittelpunkt unserer Unternehmensstrategie“, erklärte Stephan von Schuckmann, im ZF-Vorstand verantwortlich für elektrifizierte Antriebssysteme. „Anhand eines äußerst effizienten Serienfahrzeugs zeigen wir, welches Potenzial zukünftige elektrische Antriebskomponenten bieten, wenn wir sie zu einem noch effizienteren Gesamtsystem kombinieren.“

Das Unternehmen gibt an, dass sein EVSys800 eine modulare 800-Volt-Antriebseinheit ist, die Siliziumkarbid-Leistungselektronik mit dem Elektromotor und einem Untersetzungsgetriebe vereint. Im Vergleich zu seiner aktuellen 800-Volt-Antriebseinheit ist der EVSys800 40 Kilogramm (88 lb) leichter, was zu einem deutlich leichteren Antriebsstrang führen kann. Weniger Gewicht unter der Haube bedeutet mehr Platz für Personen und Dinge im Inneren.

Das Gerät hat eine Dauerleistung von 206 kW mit einer Spitzenleistung von 275 kW. Das maximale Drehmoment soll 70 Newtonmeter pro Kilogramm Gewicht betragen. Bei 74 Kilogramm bedeutet das, dass der EVSys800 über 5000 Newtonmeter Drehmoment an der Antriebsachse zur Verfügung stellt. Das neue Paket ist dank eines kompakteren Untersetzungsgetriebes und der von ZF patentierten „Braided Winding“-Technologie zur Herstellung des Elektromotors 50 mm schmaler als die aktuelle Einheit.

Eine solche Hochleistungsantriebseinheit ist in der Lage, bei Volllastbetrieb viel Wärme zu erzeugen. Um diesem Problem entgegenzuwirken, leitet ZF das Kühlöl so, dass es direkt um die Kupferstäbe im Motor strömt, wo die meiste Wärme entsteht. Das hocheffiziente Kühlsystem steigert die Leistung deutlich, ohne die Größe oder das Gewicht der Antriebseinheit zu erhöhen.

Die neue Einheit macht außerdem den Einsatz seltener Erdmaterialien überflüssig, sodass der Elektromotor nachhaltiger hergestellt werden kann. Die von ZF entwickelte und patentierte „Braided Winding“-Technologie ist eine Weiterentwicklung der sogenannten Wellenwicklung und ermöglicht eine Reduzierung des Platzbedarfs im Motorgehäuse um 10 %. Außerdem wird die benötigte Kupfermenge um etwa 10 % reduziert. Der Wechselrichter des Elektroantriebs wurde ebenso wie alle anderen wesentlichen Komponenten komplett neu konzipiert.

Ein neues koaxiales Untersetzungsgetriebe überträgt die Antriebskräfte des Elektromotors über zwei Planetenradsätze. Sie erzeugen nicht nur die gewünschte Achsübersetzung, sondern übernehmen auch die vollintegrierte Differenzialfunktion. Im Vergleich zu herkömmlichen Offset-Konzepten, bei denen An- und Abtriebswelle nicht auf der gleichen Achse liegen, reduziert die koaxiale Lösung Gewicht und Bauraumbedarf, ohne Kompromisse bei Effizienz, Geräuschentwicklung und Vibration einzugehen. In Kombination mit der Braided Winding-Technologie kann dieser Antrieb deutlich kürzer gebaut werden und ermöglicht so den Einbau in nahezu jeden Fahrzeugbauraum.

„Unser Ziel war es, diesen Antrieb so kompakt und leicht wie möglich zu machen und gleichzeitig eine hohe Fahrdynamik beizubehalten und die Effizienz im realen Betrieb zu steigern“, sagte Dr. Otmar Scharrer, Leiter Entwicklung elektrische Antriebssysteme bei ZF. „Bei der Drehmomentdichte liegen wir ganz oben auf dem Treppchen, wenn wir uns mit derzeit am Markt erhältlichen E-Antrieben für Pkw vergleichen. Gleichzeitig haben wir bei der Entwicklung großen Wert auf den Nachhaltigkeitsaspekt gelegt. Mit diesem System können wir die Hauptanforderungen unserer Kunden – nämlich Effizienz, Leistung und Kosten – perfekt erfüllen.“ Die ersten Serieneinheiten des neuen ZF-Antriebsstrangs werden ab 2026 verfügbar sein.

Heizen und Kühlen kann den Batterien von Elektroautos viel Strom entziehen. Der Fahrgastraum muss nicht nur auf einer angenehmen Temperatur gehalten werden, auch der Akku muss beim Laden mit hoher Leistung gekühlt oder bei kaltem Wetter beheizt werden.

Zusätzlich zu seinem neuen EVSys800-Aggregat hat ZF auch ein digital gesteuertes integriertes Heiz- und Kühlsystem namens TherMaS entwickelt, das leicht und kompakt genug ist, um in die meisten heutigen Fahrzeuge zu passen. Herzstück der Anlage ist eine 800-Volt-Wärmepumpe, die Propan als Kältemittel nutzt.

Es mag kontraintuitiv klingen, einen fossilen Brennstoff in einem Elektroauto zu verwenden, aber Propan-Wärmepumpen gehören heute zu den effizientesten. Effizienz steht bei Elektrofahrzeugen an erster Stelle, um lange Strecken ohne Nachladen zurücklegen zu können. Laut ZF kann das TherMaS-System die Reichweite eines Elektrofahrzeugs bei kaltem Wetter um bis zu ein Drittel erhöhen.

Das TherMaS-Konzept verfügt über drei ausgewiesene Kreisläufe. Im Zentrum steht der sehr kleine Kältemittelkreislauf, der vorbefüllt und hermetisch verschlossen ist und somit wartungsfrei ist. Darüber hinaus weist das Konzept keine Schnittstellen zu anderen Fahrzeugbereichen, wie beispielsweise dem Innenraum, auf. ZF verwendet das fluorfreie natürliche Kältemittel Propan. Das neue System verbraucht nur halb so viel Kältemittel wie eine herkömmliche Wärmepumpe und liefert dennoch doppelt so viel Kühlleistung. Das System ist darauf ausgelegt, sowohl den vergleichsweise hohen Temperaturen des Elektromotors gerecht zu werden als auch die Temperatur der Leistungs- und Ladeelektronik zu regulieren. Die Steuerungssoftware regelt die Kühlleistung.

ZF hat eine eigene Antriebssoftware entwickelt, die alle Fahrzeugsysteme miteinander vernetzt und die Verbindung zur ZF-Cloud herstellt. Das Unternehmen gibt an, dass sein neues Softwarepaket die optimalen Betriebstemperaturen für jedes Elektroauto basierend auf den Fahrprofilen oder einzelnen Fahrern vorhersagen und das System entsprechend vorbereiten kann. Beispielsweise werden die Klimatisierung und die Systemkühlung reduziert, wenn kurze Entfernungen erkannt werden.

Das elektronische Assistenzsystem kann dem Fahrer zudem direkt Hinweise zum effizienten Einsatz des Elektrofahrzeugs geben. So werden beispielsweise effiziente Beschleunigungen und Verzögerungen sowie eine optimierte Höchstgeschwindigkeit angezeigt, was besonders wertvoll ist, wenn es darum geht, vor Fahrtantritt eine genaue und praxisgerechte Reichweitenberechnung durchzuführen.

ZF baut keine Autos, sondern stellt die Komponenten her, die es den Autoherstellern ermöglichen, bessere Autos – und Wohnwagen – zu produzieren. Heutzutage ziehen es viele Unternehmen vor, ihre Lieferketten intern zu verlegen. Tesla beispielsweise kauft Sitze nicht von einem Zulieferer. Es stellt sie selbst nach seinen eigenen Spezifikationen her. Und doch kann ein externer Zulieferer wie ZF möglicherweise Skaleneffekte nutzen, um Komponenten zu geringeren Kosten verfügbar zu machen, als es ein Hersteller durch den Eigenbau erreichen könnte.

Es ist ein heikler Tanz, aber ZF hat sich durch die pünktliche und budgetgerechte Lieferung von Qualitätsprodukten zum Spitzenlieferanten entwickelt. Wenn das Unternehmen eine bessere Antriebseinheit, ein besseres Kühlsystem oder ein besseres Cloud-basiertes Paket entwickeln kann, wird sein Ruf dafür sorgen, dass es immer viele Kunden hat. Und nicht jedes Unternehmen möchte den Weg der vertikalen Integration gehen. Forschung und Entwicklung sind teuer, und wenn ein vertrauenswürdiger Partner bereit ist, die schwere Arbeit zu übernehmen, kann der Hersteller ein besseres Produkt zu einem relativ günstigen Preis erhalten.

Steve schreibt über die Schnittstelle zwischen Technologie und Nachhaltigkeit von seinem Zuhause in Florida oder wo auch immer die Macht ihn hinführen könnte. Er ist stolz darauf, „aufgewacht“ zu sein, und es ist ihm völlig egal, warum das Glas zerbrochen ist. Er glaubt leidenschaftlich an das, was Sokrates vor 3000 Jahren sagte: „Das Geheimnis des Wandels besteht darin, seine ganze Energie nicht auf den Kampf gegen das Alte, sondern auf den Aufbau des Neuen zu konzentrieren.“

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