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Elektrischer Achsantrieb geht 2018 in Serie

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Das erste elektrische Antriebssystem, welches auf einem neuen modularen Ansatz von ZF basiert, wird 2018 bei einem europäischen Automobilhersteller in Serie gehen. Produziert wird in Schweinfurt, wo auch die neue ZF Division E-Mobility sitzt.

ZF: System für batteriebetriebene, Brennstoffzellen- oder Hybridfahrzeuge

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.
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.
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 maximale Motormoment von 380 Nm wird zu einem Achsmoment von 3500 Nm übersetzt. Trotz der integrierten ASM fällt das gesamte Antriebssystem mit 113 kg relativ leicht und kompakt aus. Die komplette Einheit ist axial rund 450 mm lang, 380 mm breit und 510 mm hoch.
Rohstoffe im Blick
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 soll dieses Verfahren zur Erhöhung der Reichweite beitragen.
Neue Division E-Mobility
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 5300 Mitarbeiter an verschiedenen Standorten weltweit für ZF am Thema Elektromobilität.
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