E-Mobilität ZF stellt kompaktesten E-Antrieb für Pkw vor

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Einen nur 74 kg schweren, ultrakompakten Antrieb für Elektroautos mit einer Drehmomentdichte von 70 Nm pro kg Antriebsgewicht stellt ZF in seinem Konzeptfahrzeug „EVbeat“ vor. In diesem Stromer sind optimierte Komponenten zu einem ganzheitlichen, auf maximale Effizienz auch bei niedrigen Temperaturen ausgelegten Antriebsstrang zusammengefasst.

Neben dem modular aufgebauten 800-V-Antrieb „EVSys800“ selbst sind ein ausgeklügeltes Thermomanagement und Cloud-vernetzte Antriebssoftware wesentlich für eine maximale Effizienz des Konzeptfahrzeugs im Realbetrieb. So soll bei niedrigen Temperaturen um den Gefrierpunkt die Reichweite im Vergleich zu heute gängiger Technik um bis zu einem Drittel steigen.

Das Konzeptfahrzeug „EVbeat“ baut auf einem Porsche Taycan auf und nimmt Serientechnologie von ZF und anderen Marktteilnehmern als Maßstab. „Auf der Grundlage eines heute schon effizienten Serienfahrzeugs zeigen wir, welche Potenziale künftige E-Antriebskomponenten bieten, wenn wir sie zu einem noch effizienteren Gesamtsystem kombinieren“, sagt Stephan von Schuckmann, Vorstandsmitglied von ZF.

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Rekordverdächtiges Drehmoment: 5.200 Nm

Trotz seiner äußerst kompakten Bauform und des leichten Gewichts geizt der Antrieb „EVSys800“, bestehend aus einer Siliziumkarbid-Leistungselektronik, dem E-Motor und einem Reduziergetriebe, nicht mit Performance: An der Hinterachse steht dem Konzeptfahrzeug ein maximales Drehmoment von 5.200 Newtonmetern zur Verfügung – und das mit einer einzigartig hohen Drehmomentdichte für Pkw mit Straßenzulassung von 70 Newtonmetern pro Kilogramm Antriebsgewicht. Die Dauer- und Spitzenleistung des E-Motors liegen bei 206 bzw. 275 Kilowatt.

Der E-Motor kommt ohne schwere Seltene Erden und das Thermomanagementsystem ohne fluorhaltiges Kältemittel aus. Die geringere Anzahl von Bauteilen und das um rund ein Drittel reduzierte Systemgewicht bei E-Antrieb und Thermomanagement tragen gleich doppelt zu mehr Nachhaltigkeit bei – bei der Herstellung wie auch im Betrieb.

Mit einem Gesamtgewicht von 74 Kilogramm ist „EVSys800“, normiert auf die gleiche Leistung wie der neueste ZF-800-Volt-Serienantrieb, rund 40 Kilogramm oder ein Drittel leichter und trägt damit deutlich zu den Gewichtseinsparungen des Konzeptfahrzeugs bei.

E-Motor mit neuem Kühlkonzept und neuer Wicklungstechnik

Wesentlich dafür ist der E-Motor mit einem neuen Kühlkonzept und einer neuen Wicklungstechnologie. Zur Kühlung lässt ZF Öl direkt die Kupferstäbe umfließen – genau an der Stelle, an der die meiste Wärme während des Betriebs entsteht. Eine solch effiziente Kühlung erhöht die Performance bei gleichem Gewicht und Einbauraum deutlich. So kann außerdem auf den Einsatz schwerer Seltener Erden verzichtet und der E-Motor somit nachhaltiger produziert werden.

Die von ZF entwickelte und patentierte „Braided-Winding“-Wicklungstechnologie, eine Weiterentwicklung der sogenannten Wellenwicklung, ermöglicht einen insgesamt zehn Prozent geringeren Bauraum. Allein der Wickelkopf wird dabei bis zu 50 Prozent kleiner als bei herkömmlichen Ansätzen. Damit werden rund zehn Prozent Kupfer gespart.

Optimierter SiC-Wechselrichter

Auch der Wechselrichter des E-Antriebs wurde grundlegend neugestaltet. Dabei wurden alle wesentlichen Baugruppen grundlegend überarbeitet. Bei der elektromagnetischen Verträglichkeit, den Leistungsmodulen und den Kondensatoren wurde jeweils eine deutliche Verbesserung in Bezug auf Bauraum, Gewicht und Nachhaltigkeit erzielt.

Ein neues, koaxiales Reduziergetriebe überträgt die Antriebskräfte der E-Maschine über zwei Planetensätze. Sie erzeugen nicht nur die gewünschte Achsübersetzung, sondern übernehmen auch die voll integrierte Differenzialfunktion. Im Vergleich zu gängigen Offset-Konzepten, bei denen sich Antrieb- und Abtriebswelle nicht in der gleichen Achse befinden, sinken bei der koaxialen Lösung Gewicht und Bauraumbedarf. In Kombination mit der „Braided-Winding“-Technologie kann dieser Antrieb deutlich kürzer gebaut werden, was die Installation in fast alle Fahrzeugbauräume ermöglicht.

Zentrales Thermomanagement sorgt für richtige Temperaturen

In das „EVbeat“-Konzeptfahrzeug ist das erste von ZF entwickelte zentrale Thermomanagementsystem (Thermas) für E-Fahrzeuge integriert. Thermas steuert mit einer zentralen Einheit und intelligenter Software alle thermischen Vorgänge für Antrieb, Batterie und Fahrgastraum. Das neue Design senkt Platzbedarf und Gewicht deutlich gegenüber bisherigen Ansätzen für Kühlung und Heizung von E-Pkw. Aufgrund einer propanbasierten 800-Volt-Wärmepumpe benötigt man zudem deutlich weniger Energie. Weil es kompakt und einfach aufgebaut ist, lässt es sich leicht in Fahrzeuge integrieren. Dank dieses gesamthaften Thermomanagements steigt die Reichweite des „EVbeat“ im anspruchsvollen Winterbetrieb um bis zu einem Drittel. Zudem macht die bessere Kühlperformance die hohe Dauerleistung der E-Maschine möglich.

Für die optimale Steuerung der verschiedenen Hardwaresysteme hat ZF eine Antriebssoftware entwickelt, die alle relevanten Fahrzeugsysteme untereinander vernetzt und die Verbindung in die ZF-Cloud herstellt. Weil die Effizienz eines E-Motors von seinen thermischen Betriebspunkten abhängt, ist es wichtig, diese stets im optimalen Bereich zu halten. Die Antriebssoftware von ZF kann aus den individuellen Fahrprofilen vorausschauend die optimalen Betriebspunkte ableiten und das System entsprechend darauf vorbereiten. Sie „lernt“ das Verhalten der Fahrerinnen und Fahrer und kann durch einen KI-basierten Cloudservice die Wahrscheinlichkeit für individuelle Fahrprofile vorwegnehmen. So werden zum Beispiel bei erkannter Kurzstrecke die Klimatisierung und Systemkühlung reduziert.

Dieser Beitrag erschien zuerst bei unserem Partnerportal Elektronik Praxis

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