Bis zu ein Drittel mehr Reichweite im winterlichen Realbetrieb: ZF hat das ultrakompakte E-Antriebspaket EVSys800 mit Thermomanagement und Software im Konzeptfahrzeug EVbeat auf Effizienz getrimmt. (Bild: ZF)
ZF stellt auf dem Global Technology Day in Friedrichshafen das elektrische Konzeptfahrzeug EVbeat vor, das auf Kompaktheit, geringes Gewicht und Effizienz im Realbetrieb ausgelegt ist. In diesem ZF-Stromer sind die Komponenten eines E-Antriebstrangs zu einem ganzheitlichen System zusammengefasst. Dazu zählen der 74 Kilogramm leichte und mit 70 Nm/kg Drehmomentdichte ultrakompakte Antrieb, ein ganzheitliches Thermomanagement sowie Cloud-vernetzte Antriebssoftware. Bei kalten Temperaturen steigt die Reichweite im Realbetrieb um bis zu einem Drittel im Vergleich zu heute gängiger Technik.
Das Fahrzeug baut auf einem Porsche Taycan auf und nimmt Serientechnologie von ZF und anderen Marktteilnehmern als Maßstab. 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 zu mehr Nachhaltigkeit bei der Herstellung wie auch im Betrieb bei. Ab 2026 werden die ersten Technologien des neuen ZF-Antriebs am Markt verfügbar sein.
ZF Global Technology Day Pressekonferenz
Ultrakompakter und leichter 800-Volt-Antrieb
Der EVSys800 ist ein modular aufgebauter 800-Volt-Antrieb und besteht aus einer Siliziumkarbid-Leistungselektronik, dem E-Motor und einem Reduziergetriebe. Dem Konzeptfahrzeug steht an der Hinterachse ein maximales Drehmoment von 5.200 Newtonmetern zur Verfügung – und das mit einer Drehmomentdichte von 70 Newtonmetern pro Kilogramm Antriebsgewicht. Die Dauer- und Spitzenleistung des E-Motors liegen bei 206 bzw. 275 Kilowatt, der Antrieb erzielt also Dauerleistungen von rund 75 Prozent der Spitzenleistung.
Bei den Abmessungen spart der Antrieb durch das kompakte Reduziergetriebe und die von ZF patentierte Braided-Winding-Wicklungstechnologie des E-Motors. 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.
Kühlung kommt ohne Seltene Erden aus
Zur Kühlung umfließt Öl direkt die Kupferstäbe – genau an der Stelle, an der die meiste Wärme während des Betriebs entsteht. Dieses neue Kühlkonzept erhöht die Performance bei gleichem Gewicht und Einbauraum deutlich. So kann außerdem auf den Einsatz schwerer Seltener Erden verzichtet werden. Die Wicklungstechnologie, eine Weiterentwicklung der Wellenwicklung, ermöglicht einen insgesamt zehn Prozent geringeren Bauraum. Allein der Wickelkopf wird dabei bis zu 50 Prozent kleiner als bei herkömmlichen Ansätzen. Damit lassen sich rund zehn Prozent Kupfer sparen.
Der Wechselrichter des E-Antriebs ist grundlegend neugestaltet und alle wesentlichen Baugruppen sind 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. Die 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 lässt sich dieser Antrieb deutlich kürzer bauen, was die Installation in fast alle Fahrzeugbauräume ermöglicht.
Antrieb und Gesamtfahrzeug temperieren
In das 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. Aufgrund einer propanbasierenden 800-Volt-Wärmepumpe benötigt man zudem deutlich weniger Energie.
Das Thermas-Konzept verfügt erstmals über drei ausgewiesene Kreisläufe: Im Zentrum befindet sich der sehr kleine Kältemittelkreislauf. Dieser ist vorbefüllt und hermetisch geschlossen und deshalb wartungsfrei. Zudem besitzt das Konzept keine Schnittstellen zu anderen Fahrzeugbereichen wie dem Innenraum. ZF nutzt das fluorfreie, natürliche Kältemittel Propan. Obwohl nur die Hälfte des bisherigen Kältemittelvolumens zum EInsatz kommt, steigt die Kühlleistung um den Faktor 2 im Vergleich zu heute gängigen Kältemitteln. Der zentrale Kältemittelkreislauf bedient bei Bedarf zwei separat steuerbare Kühlkreisläufe, in denen wie üblich frostgeschütztes Wasser fließt: Der erste ist auf die vergleichsweise hohen Temperaturen der E-Maschine ausgelegt, der zweite temperiert die Leistungs- und Ladeelektronik. Die Steuerungssoftware regelt die bedarfsgerechte Kühlleistung.
Dank dieses gesamthaften Thermomanagements steigt die Reichweite des EVbeat im Winterbetrieb um bis zu einem Drittel. Die deutlich bessere Kühlperformance macht auch die höhere Dauerleistung der E-Maschine möglich.
Fahrzeugantrieb und Cloud vernetzen
ZF hat eine Antriebssoftware entwickelt, die alle relevanten Fahrzeugsysteme untereinander vernetzt und die Verbindung in die ZF-Cloud herstellt.
Im Interesse der Effizienz ist es wichtig, einen E-Motor stets im optimalen Temperaturbereich zu halten: Bei niedrigen Geschwindigkeiten und hohem Drehmomentbedarf liegt der optimale thermische Betriebspunkt sehr niedrig, während bei hohen Geschwindigkeiten mit niedrigem Drehmomentbedarf hohe Temperaturen kein Problem darstellen. Die thermischen Verhältnisse lassen sich allerdings nicht kurzfristig herstellen. Die Antriebssoftware kann aus den individuellen Fahrprofilen vorausschauend die optimalen Betriebspunkte ableiten und das System entsprechend darauf vorbereiten. Sie lernt das Verhalten der Fahrer und kann durch einen KI-basierenden Cloudservice die Wahrscheinlichkeit für individuelle Fahrprofile vorwegnehmen. So reduzieren sich zum Beispiel bei erkannter Kurzstrecke die Klimatisierung und Systemkühlung.
Auf dieser Grundlage kann das Assistenzsystem den Fahrern auch direkte Hinweise für eine effiziente Nutzung des Elektrofahrzeugs geben. Angezeigt werden beispielsweise effizientes Beschleunigen und Verzögern sowie eine optimierte Maximalgeschwindigkeit. Das ist insbesondere wertvoll, um vor der Fahrt eine ebenso genaue wie praxisnahe Reichweite zu errechnen.