Champion des Drehmoments
Im elektrischen Konzeptfahrzeug „EVbeat“ kombiniert ZF neu entwickelte Komponenten zu einem hocheffizienten und kompakten Gesamtsystem. Gleichzeitig erfüllt die E-Antriebstechnik der nächsten Generation den Nachhaltigkeitsanspruch des Konzerns.
Geiz ist nun wirklich kein erstrebenswerter menschlicher Wesenszug, doch in der Elektromobilität ist maximale Sparsamkeit hochwillkommen. Beide Daumen hoch heißt es deshalb für das neue elektrische Konzeptfahrzeug „EVbeat“ von ZF. Bei der Leistungsausbeute deklassiert es die heute erhältlichen E-Antriebslösungen. Am deutlichsten zeigt sich das beim Reichweitengewinn im winterlichen Realbetrieb um bis zu einem Drittel. Doch das genügte den Entwicklern von ZF nicht. EVbeat, das Demofahrzeug mit dem ultrakompakten elektrischen Antrieb der nächsten Generation sollte auch beim Materialeinsatz ein Vorbild an Nachhaltigkeit sein. Verantwortlich für die geringe Größe des Antriebs sind technische Innovationen.
Bei den Einzelheiten gerät Dr. Otmar Scharrer ins Schwärmen: „Unser Technologieträger benötigt beispielsweise keine schweren Seltenen Erden beim E-Motor“, sagt der Entwicklungsleiter für elektrische Antriebstechnologien bei ZF und ergänzt: „Die verringerte Anzahl von Bauteilen sowie das reduzierte Systemgewicht beim E-Antrieb tragen gleich doppelt zu mehr Nachhaltigkeit bei – bei der Herstellung und im Betrieb.“
Antriebsstrang neu gedacht
Klingt gut? Werfen wir einen Blick auf die Details. Wie bereits erwähnt, haben die Entwickler an vielen Stellschrauben gedreht. Ihr Vorgehen: innovative E-Antriebskomponenten zu einem Gesamtsystem verbinden. Starten wir mit dem Herzstück des Fahrzeugs, dem elektrischen Antriebsstrang. Dieser 800-Volt-Antrieb nennt sich „EVSys800“. Er ist ein kompaktes, modular aufgebautes Antriebssystem, bestehend aus E-Motor, Reduziergetriebe und aus einer Leistungselektronik auf Basis von Siliziumkarbid.
Sehr kompakter, modular aufgebauter elektrischer Antriebsstrang: der EVSys800.
Im EVbeat arbeitet ein EVSys800 an der Hinterachse mit einem maximalen Drehmoment von 5200 Newtonmetern und einem kontinuierlichen Moment von 2850 Newtonmetern. Die Spitzen- und Dauerleistung des E-Antriebssystems liegen bei 275 beziehungsweise 206 Kilowatt. Mit einem Gesamtgewicht von 74 Kilogramm ist EVSys800 etwa 40 Kilogramm leichter als der neueste 800-Volt-Serienantrieb von ZF. Auch liefert er mit 70 Nm/kg einen neuen Benchmark-Wert bei der Drehmomentdichte. Im Jahr 2026 wird ZF die ersten Module dieses neuen Antriebs auf den Markt bringen.
Sehr cool: ungewöhnliches Konzept für Kühlung und Wicklung
Beim Motor im EVSys800 setzt ZF auf ein neues Kühlkonzept und auf eine selbst entwickelte Wicklungstechnik. Zur Kühlung umfließt Öl die Kupferstäbe in der E-Maschine; es nimmt also die Wärme direkt dort auf, wo die meiste davon während des Betriebs entsteht. Diese hocheffiziente Kühlung ermöglicht eine höhere Leistung – und das bei gleichem Gewicht und Einbauraum. Die effizientere Kühltechnik macht den Einsatz schwerer Seltener Erden in der E-Motorenproduktion überflüssig. Ebenfalls mehr Effizienz und Nachhaltigkeit bringt die im Konzern entwickelte „Braided-Winding-Wicklungstechnik“. Sie ist eine Weiterentwicklung der sogenannten Wellenwicklung. „Unsere Braided-Winding-Technik spart insgesamt zehn Prozent an Bauraum und Kupfer ein. Im Vergleich mit herkömmlichen Ansätzen verkleinert sich allein der Wickelkopf dabei um rund 50 Prozent“, erklärt Entwicklungschef Scharrer.
Andere Wege bei Leistungselektronik und Getriebetechnik
Den Inverter des E-Drives hat ZF neu gestaltet. Dabei wurden alle wesentlichen Baugruppen überarbeitet. Bei der elektromagnetischen Verträglichkeit, den Leistungsmodulen und Kondensatoren wurde jeweils eine deutliche Verbesserung bei Bauraum, Gewicht und Nachhaltigkeit erzielt. Auf der Mechanik-Seite sorgt ein neues Reduziergetriebe im koaxialen Design dafür, dass Gewicht und Bauraumbedarf sinken, ohne dass dies zu Lasten von Effizienz, Geräusch- und Vibrationsentwicklung geht. Das Koaxial-Reduziergetriebe überträgt die Antriebskräfte der E-Maschine über zwei ineinander integrierte Planetengetriebe. Sie erzeugen nicht nur die gewünschte Achsübersetzung, sondern übernehmen auch die voll integrierte Differenzialfunktion.
Kleiner, leichter und sehr effizient: das koaxiale Reduziergetriebe des EVSys800.
Antrieb und Cloud vernetzen
So wichtig die Eigenschaften der Hardwaresysteme für den nachhaltigen Betrieb des Fahrzeugs sind, deren optimale Orchestrierung erfolgt über eine Antriebssoftware. Für diesen Zweck hat ZF die „Software for Powertrain“ (SW4PT) entwickelt. Sie vernetzt nicht nur alle für den Antrieb relevanten Fahrzeugsysteme untereinander, sondern schafft auch die Verbindung zur Cloud für weitere Zusatzdienste. „Allein über Software for Powertrainʻ können wir die Effizienz des Antriebs um weitere sechs Prozent steigern“, erklärt Scharrer.
Wie das funktioniert? Da die Effizienz eines E-Motors von dessen thermischen Betriebspunkten abhängt, ist es wichtig, diese stets im optimalen Bereich zu halten. Bei niedrigen Geschwindigkeiten und hohem Drehmomentbedarf liegt der optimale thermische Betriebspunkt sehr niedrig. Dagegen sind hohe Temperaturen problemlos bei hohen Geschwindigkeiten mit niedrigem Drehmomentbedarf.
Software for Powertrain kann aus den individuellen Fahrprofilen vorausschauend die optimalen Betriebspunkte ableiten und das System entsprechend darauf vorbereiten. SW4PT „lernt“ das Verhalten der Fahrerinnen und Fahrer; via Cloud kann sie die Wahrscheinlichkeit für individuelle Fahrprofile vorwegnehmen. Beispielsweise werden bei erkannter Kurzstrecke die Klimatisierung und Systemkühlung reduziert. Auf dieser Grundlage kann das Assistenzsystem der Fahrerin oder dem Fahrer auch direkte Hinweise fürs effiziente Nutzen des E-Antriebs geben; etwa, lange vor einer Geschwindigkeitsbeschränkung bereits den Fuß vom Gaspedal zu nehmen, um durch die dann einsetzende Rekuperation langsamer zu werden.
