Das erste elektrische Antriebssystem, welches auf einem neuen modularen Ansatz von ZF basiert, wird 2018 bei einem europäischen Automobilhersteller in Serie gehen. Kern des Antriebs für verschiedene Fahrzeug- und Leistungsklassen ist ein mittig auf der Achse positioniertes Antriebssystem, dessen elektrische Maschine als Asynchronmaschine (ASM) ausgelegt ist. Mit bis zu 150 kW setzt das Aggregat neue Maßstäbe bei der Leistungsdichte. Die elektrische Maschine, ein zweistufiges Ein-Gang-Getriebe samt Differenzial sowie die Leistungselektronik bilden eine hochintegrierte, sehr kompakte Einheit. Das System eignet sich als rein elektrischer Antrieb für batteriebetriebene, Brennstoffzellen- oder Hybridfahrzeuge. Das Konzept sieht eine Anwendung des Antriebs sowohl für die Vorder- als auch für die Hinterachse vor. Die Produktion wird in Schweinfurt erfolgen. Dort ist auch der Sitz der neuen ZF Division E-Mobility. Der Startschuss zur Errichtung der notwendigen Produktionsanlagen ist bereits erfolgt.
„ZF treibt den Wandel zur Elektromobilität weiter aktiv voran. Mit einem möglichst modularen Ansatz für elektrische Antriebe bieten wir unseren Kunden eine individuelle Lösung und stellen gleichzeitig einen hohen Anteil in der Verwendung von Standardelementen sicher“, erläutert Jörg Grotendorst, Leiter der neuen Division E-Mobility. „Das effiziente und kompakte Antriebssystem von ZF zeigt, dass die Systemintegration von Getriebe, E-Maschine und Leistungselektronik eine Schlüsselkompetenz darstellt, die wir unseren Kunden aus einer Hand bieten können.“ ZF produziert heute bereits elektrische Maschinen, Achsgetriebe und elektronische Steuerungen einzeln in Großserie. „Der erste Serienauftrag ab 2018 bestätigt uns darin und wir werden diesen systemischen Ansatz auf Lösungen vom Mildhybrid bis zum elektrischen Vollantrieb konsequent weiter ausbauen“, so Grotendorst.
Modularer Ansatz
Der neue modulare Ansatz für elektrische Achsantriebe von ZF deckt mit verschiedenen Leistungsklassen und Baulängen die Anforderungen unterschiedlicher Kunden und Modelle ab – von Kompaktwagen bis hin zu leichten Nutzfahrzeugen. Der Einsatz der Antriebssysteme ist in Hybrid-, Brennstoffzellen- sowie batteriebetriebenen Fahrzeugen möglich.
Hochintegriertes Antriebssystem
In einem achsparallelen elektrischen Antriebsmodul integriert ZF eine elektrische ASM, ein zweistufiges Ein-Gang-Getriebe, Differenzial, Gehäuse und Kühler sowie die Leistungselektronik samt Software. Motor und Getriebe teilen sich ein Gehäuse, was zu Vereinfachungen in der Produktion und für die Endmontage beiträgt. Das System leistet bis zu 150 kW und das eindrucksvolle maximale Motormoment von 380 Nm wird zu einem Achsmoment von 3.500 Nm übersetzt. Trotz der integrierten ASM fällt das gesamte Antriebssystem mit 113 kg relativ leicht und kompakt aus. Die komplette Einheit ist axial nur rund 450 mm lang, 380 mm breit und 510 mm hoch. Zugleich bedeutet das kompakte Design natürlich weniger Materialeinsatz und benötigt weniger Bauraum. Dies erleichtert den Automobilherstellern die Integration des Systems in unterschiedliche Fahrzeugarchitekturen.
Anders als die sogenannte permanent erregte Synchronmaschine (PSM) benötigt die ASM keine Magnetmaterialien und kommt daher ohne Seltene Erden wie Neodym und Dysprosium aus. Die Verfügbarkeit und die entsprechende Preisentwicklung dieser Rohstoffe auf dem Weltmarkt schwanken stark – was für Automobilhersteller und Zulieferer ein schwer kalkulierbares Kostenrisiko bedeuten kann. Nicht zuletzt benötigt die ASM lediglich ein einfaches Konzept zur Drehzahl-Sensierung, bietet darüber hinaus Vorteile bei der Sicherheit und trägt zur Reduzierung der elektrischen Schleppverluste bei. Außerdem erlaubt die ASM eine weite Spreizung zwischen Dauer- und Spitzenleistung und bietet sich daher insbesondere bei kurzzeitigen hohen Leistungsanforderungen an.
Drehzahlen von rund 13.000 Umdrehungen pro Minute stellen in puncto Geräuschentwicklung besondere Anforderungen an das Getriebe. ZF setzt hier auf eine achsparallele Ein-Gang-Übersetzung im Verhältnis 9,6:1, die das Drehzahlniveau in zwei aufeinanderfolgenden Stirnradstufen absenkt. Die Optimierung der Verzahnung sowie eine verlustarme Lagerung der drehenden Teile führen nicht nur zu einer Geräuschsenkung sondern auch zu einem sehr hohen Wirkungsgrad über weite Betriebsbereiche hinweg. Ein integrales Gesamtkühlkonzept, das sowohl die Leistungselektronik als auch die elektrische Maschine einschließt und den Rotor der elektrischen Maschine versorgt, rundet das innovative Design ab. Daraus ergeben sich sehr gute akustische und dynamische Eigenschaften des elektrischen Antriebs im Fahrzeug.
Verlustarme Umwandlung
Mit der Integration der Leistungselektronik in den elektrischen Antrieb löst ZF ein Problem, das in vielen rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen beim Zusammenspiel zwischen elektrischer Maschine und Leistungselektronik auftritt. Letztere wandelt den Batterie-Gleichstrom in den für die E-Maschine benötigten dreiphasigen Wechselstrom um. Genau dabei kommt es in bestimmten Fahrzyklen zu merklichen Verlusten. Diese werden beim elektrischen Achsantriebssystem von ZF vermindert: Durch das Anheben der Ansteuerspannung mit Hilfe spezieller Modulationsverfahren kann der Motorstrom bei unveränderter Leistung abgesenkt werden. Unter Berücksichtigung üblicher Fahrzyklen trägt dieses Verfahren deutlich zur Erhöhung der Reichweite bei.
Neue Division E-Mobility
Die Elektrifizierung des Antriebs ist für ZF ein wesentlicher Hebel, um zur Senkung der CO₂-Emissionen im Straßenverkehr beizutragen. Der Technologiekonzern bietet Hybridmodule, Plug-in-Hybridgetriebe sowie elektrische Antriebe für Elektrofahrzeuge inklusive Leistungselektronik und Systemintegration.
Seit Jahresbeginn 2016 bündelt ZF seine Aktivitäten in der Elektromobilität in einer neuen Division E-Mobility. Sitz der Division ist Schweinfurt. Dort wurde auch das Systemhaus E-Mobility initiiert, in dem Kundenanfragen zu unterschiedlichen Elektromobilitäts-Themen bearbeitet und die Kompetenzen des Konzerns gebündelt werden. Insgesamt arbeiten über 5.300 Mitarbeiter an verschiedenen Standorten weltweit für ZF am Thema Elektromobilität.
Kunden, die elektrische Antriebssysteme von ZF beziehen, profitieren von der Gesamtkompetenz des Konzerns. Denn ZF verfügt über wertvolles System-Know-how für den kompletten Antriebsstrang, dazu zählen die funktionale und bauliche Integration ins Gesamtfahrzeug.
Ebenso wertvoll für ZF-Kunden ist die mechanische Kompetenz des Konzerns aus dessen angestammter Produktwelt in der Antriebs- und Fahrwerktechnik. Sie umfasst so komplexe Themen wie die Torsionsschwingungsdämpfung oder effiziente Drehmomentübertragung.