KLEINER, LEICHTER, LEISTUNGSFÄHIGER

ZFs neueste Generation von Elektroantrieben will durch hohe Leistungsdichte und Energieeffizienz im Gesamtsystem aus E-Motor, Leistungselektronik, Getriebe und Software Massstäbe setzen – und bietet mit ihrem optimierten modularen Konzept maximale Flexibilität. Text: Stefan Gfeller | Bilder: ZF

Der Technologiekonzern ZF

Friedrichshafen AG hat eine neue Generation elektrischer Antriebe präsentiert, die auf einem modularen Gesamtkonzept mit Elektromotor, Inverter, Getriebe und Software aufbaut. So stelle das Unternehmen vollintegrierte elektrische Antriebssysteme bereit, bei denen die ZF­Applikationsingenieure mit ihrer hohen Schnittstellenkompetenz und dem einzigartigen Know­how für Fahrstrategien jede Kundenanforderung optimal erfüllen könnten.

«Die neue, extrem kompakte Bauform erlaubt dank ausgefeilter interner Schnittstellen, System­ oder Komponentenanpassungen mit geringem Aufwand vorzunehmen», erklärt Dr. Otmar Scharrer, Entwicklungsleiter für elektrische Antriebs­ technologien. Der Konzern wird die Komponenten, auf denen die Systemlösung basiert, auch einzeln anbieten. Das Gesamtsystem soll ab 2025 am Markt verfügbar sein, während ZF einzelne Komponenten bereits früher in Serie bringen will.

Elektromotor und Reduziergetriebe Beim neuen, hochintegrierten Elektromotor konnte ZF die Leistungsdichte gegenüber aktuell im Markt verfügbarer Technik noch einmal erhöhen, wobei ein neues Kühlkonzept und eine neue Wicklungstechnologie die entscheidende Rolle spielen. Öl umfliesst nun direkt die Kupferstäbe – genau an der Stelle, an der die meiste Wärme während des Betriebs entsteht. Eine solch hocheffiziente Kühlung erhöhe gemäss ZF die Performance bei gleichem Gewicht und Einbauraum deutlich – und die Dauerleistung des E­Motors konnte dadurch auf 85 % der Spitzenleistung gebracht werden. Ausserdem kann so weitgehend auf den Einsatz schwerer seltener Erden verzichtet und der Motor somit nachhaltiger produziert werden. Die von ZF entwickelte Braided­Winding­Wicklungstechnologie stellt eine Weiterentwicklung der sogenannten Hairpin­Stabwicklung dar und ermöglicht einen insgesamt 10 % geringeren Bauraum. Allein der Wickelkopf wird dabei rund 50 % kleiner als bei herkömmlichen Ansätzen, und es wird rund 10 % weniger Rohmaterial verarbeitet.

Sein weltweit führendes Knowhow bei Planetengetrieben – das Unternehmen hiess schliesslich bis in die 1990er Jahre «Zahnradfabrik Friedrichshafen AG» – spielt ZF mit einem neuen koaxialen Reduziergetriebe aus. Hier erzeugen zwei ineinander integrierte Planetengetriebe nicht nur die gewünschte Achsübersetzung, sondern beinhalten auch die voll integrierte Diffe­ rentialfunktion. Gemäss ZF sinken bei der neuen Lösung im Vergleich zu gängigen Offset­Konzepten Gewicht und Bauraumbedarf, ohne dass bei Effizienz, Geräusch­ und Vibrationsentwicklung Kompromisse gemacht werden müssen.

Leistungselektronik und HV-Konverter

Die Leistungselektronik bietet dank der sogenannten Discrete­PackageTechnologie einen hohen Grad an Bauteilgleichheit bei gleichzeitig hoher Anpassungsfähigkeit, wobei die Individualisierung auf Chip­Ebene erfolgt: Ein diskret aufgebauter ZFInverter ist mit einzelnen Leistungshalbleiterschaltern aufgebaut. Diese Modularität bietet eine bessere Skalierbarkeit der Leistung, als dies durch komplex zusammengefasste Powermodule möglich wäre. Zudem werden bei der Discrete­PackageTechnologie von ZF weniger unterschiedliche Arten von Bauteilen benötigt als bei der Nutzung herkömmlicher Leistungsmodule.

Bei brennstoffzellenbetriebenen elektrischen Antrieben schliesslich spielen Hochvolt­Konverter (DC­DC Converter) eine zentrale Rolle, denn sie gleichen die niedrige Ausgangsspannung und den starken Spannungseinbruch bei Hochbelastung der Brennstoffzellen aus. ZFs neuer Hochvolt­Konverter für PW und Nutzfahrzeuge erreicht einen sehr hohen Wirkungsgrad von 99.6 %.

Der Stator des Elektromotors mit der von ZF entwickelten sogenannten Braided-Winding-Wicklungstechnologie.

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