E-Antriebe gehen in Serie: von Hybrid bis E-Fahrzeug

ZF bietet jetzt serienreife Systemlösungen für E-Fahrzeuge aller Kategorien und Klassen an: vom Hybrid bis zum reinen Elektrofahrzeug, vom Fahrrad über den Gabelstapler und das Elektroauto bis hin zum 40-Tonner. Dieses breite Spektrum entwickelte sich im Laufe der Jahre. So fertigte ZF im Jahr 2008 nach eigenen Angaben als erstes Unternehmen in Europa Hybridmodule in Serie – eine Technologie, die Stand 2018 den CO₂-Ausstoß gegenüber Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor als Antrieb um bis zu 70 Prozent senkt. Das 8-Gang Plug-in-Hybridgetriebe (8P) für Pkw mit Längsantrieb verbauen mittlerweile mehrere Hersteller in unterschiedlichen Fahrzeugmodellen. Ein im Automatgetriebe integriertes Hybridmodul steuert hier 90 kW und 250 Nm Drehmoment bei. Damit beschleunigen Hybridfahrzeuge rein elektrisch auf bis zu 120 km/h Höchstgeschwindigkeit und fahren – je nach Batteriekapazität – gut 50 km weit. Zur Steigerung des Wirkungsgrads trägt die schleppmoment-reduzierte Trennkupplung bei, die den Verbrennungsmotor im E-Modus vollständig abkoppelt. Mit Hilfe seines modifizierten Drehschwingungsdämpfers passt das 8P auch zu Downsizing-Dreizylinder-Turbomotoren.

Als optionales Plug-in-Hybridsystem, insbesondere für Sportfahrzeuge mit Längs-oder Allradantrieb, entwickelte ZF in Zusammenarbeit mit Porsche zudem das 8-Gang-Doppelkupplungsgetriebe (8DT), das rein elektrisch 100 kW und 400 Nm bereitstellt und damit Geschwindigkeiten bis 140 km/h ermöglicht.

Hybrid für Kompakt- und Nutzfahrzeuge

Das elektrische Achsantriebssystem von ZF hingegen wirkt nicht im Getriebe, weil es direkt mittig auf der Achse positioniert ist. Gemäß dem „Plug-and-Drive“-Prinzip fasst es entscheidende Systemkomponenten in einem kompakten Modul zusammen – konkret eine elektrische Maschine, ein zweistufiges Ein-Gang-Stirnradgetriebe samt Differenzial, eine Parksperre, das Gehäuse, den Kühler sowie die Leistungselektronik inklusive Steuerungssoftware. Die Systemintegration von Getriebe, E-Maschine und Leistungselektronik bietet ZF aus einer Hand an. Dabei bringt der elektrische Achsantrieb bis zu 150 kW und 3.500 Nm Achsdrehmoment mit. Verbaut im Fahrzeugheck, beispielsweise im modularen ZF-Hinterachssystem mSTARS (modular-Semi-Trailing-Arm-Rear-Suspension), verwandelt er verbrennungsmotorische Pkw mit Frontantrieb in Achs-Hybride und E-Allradler. Im ZF-Konzept eAMT (electrified-Automated-Manual-Transmission) kompensiert es außerdem jene Vortriebspausen, die bei Gangwechseln mit automatisiertem Schaltgetriebe auftreten. Das Ergebnis ist eine ruckfreie, druckvolle Beschleunigung, die es nach Angaben von ZF bislang nur bei komplexeren Hybridkonfigurationen gab.

Auch im Bereich der Elektrifizierung von Nutzfahrzeugen bietet ZF entsprechende Lösungen. Das automatische Getriebesystem „TraXon Hybrid“ beispielsweise macht 40-Tonnen-Lkw und Reisebusse ZF zufolge „um bis zu sieben Prozent sparsamer“: Eine elektrische Maschine samt integrierter Übersetzungsstufe – positioniert zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe – unterstützt mit maximal 130 kW und 1.200 Nm Abtriebsmoment. Während Traxon Hybrid auf der Fernstrecke parallel zum Dieselantrieb arbeitet, kann es in der Innenstadt sowie beim Rangieren auf Betriebshöfen auch als alleiniger, lokal emissionsfreier und leiser Antrieb dienen. Im Generatorbetrieb lässt sich das Hybridmodul in die Stromversorgung weiterer Aggregate einbinden – etwa bei Kühltransporten. ZF wird Traxon Hybrid ab 2019 an DAF ausliefern. Die hier beschriebenen Hybridsysteme eint nicht nur der rein elektrische Betriebsmodus: Sie alle ermöglichen auch weitere wesentliche Hybridfunktionen wie Rekuperieren, Boosten und Start-Stopp.

Alles über die rein elektrischen Antriebe von ZF finden Sie auf der nächsten Seite.

Rein elektrischer Antrieb

Neben den Hybriden deckt ZF auch mehrere rein elektrische Antriebe ab, im Joint-Venture Sachs Micro Mobility GmbH zusätzlich auch Kleinstfahrzeuge: Der kompakte Motor Sachs-RS für Pedelecs und E-Bikes lässt sich beispielsweise in verschiedene Rahmenformen integrieren – mit bis zu 700 W und 110 Nm. Das volle Drehmoment stellt der Sachs-RS bereits bei einer Trittfrequenz von 60 Umdrehungen pro Minute bereit – und das dauerhaft dank entsprechender Kühlung. Bleibt der E-Motor ungenutzt, sorgen zwei Freilaufkupplungen dafür, dass er keinen Widerstand erzeugt.

Der folgende Video-Clip zeigt die ganze Bandbreite an Fahrzeugen, deren Antriebe ZF breits elektrifiziert hat. Mindestens ebenso interessant ist der begleitende „Making-Of“ Videoclip, zu dem dieser Beitrag weiter unten verlinkt.

E-Antrieb im Heck

Das zuvor beschriebene elektrische Achsantriebsmodul mit seinen maximal 150 kW und 3.500 Nm Achsdrehmoment geht ab 2019 bei einem europäischen Automobilhersteller in Serie. Das System eignet sich als rein elektrischer Antrieb für Batterie-, Brennstoffzellen- oder Hybridfahrzeuge. Der Antrieb kann sowohl an der Vorder- als auch an der Hinterachse zum Einsatz kommen.

Anhand des Advanced-Urban-Vehicle zeigt ZF einen weiteren vollelektrischen Antrieb für Kleinwagen: Vortrieb liefert hier die Electric-Twist-Beam (ETB), eine Verbundlenker-Hinterachse, an deren linkem und rechtem Rad eine kompakte Antriebseinheit mit je 40 kW integriert ist. An der Umsetzung spitzer Vorderachs-Einschlagwinkel bis zu 75 Grad hat eTB beim Advanced-Urban-Vehicle einen entscheidenden Anteil: Der Antrieb unterstützt hier die Lenkbewegung und ermöglicht das Anfahren mittels individueller Kraftverteilung auf die beiden Hinterräder (Torque-Vectoring).

Saubere Optionen für urbanen Transport

Auf das Konzept des integrierten radnahen Antriebs setzt ZF auch bei der Elektroportalachse AxTrax-AVE für Niederflur-Stadtbusse. Die beiden flüssigkeitsgekühlten Asynchronmotoren liefern bei 2 x 125 kW ein Drehmoment von 2 x 11.000 Nm, womit sich anspruchsvolle urbane Topologien meistern lassen. Für gesteigerte Effizienz und hohe Elektro-Reichweiten bietet ZF die Axtrax-AVE im Systemverbund mit Wechselrichtern und Fahrsteuerung aus einer Hand an. Die Elektroportalachse deckt serielle Hybride ebenso ab wie rein elektrische Antriebe – unabhängig davon, ob die elektrische Energie aus einer Batterie, einer Brennstoffzelle oder aus der Oberleitung kommt.

Zusätzlich bietet ZF sowohl für Niederflur- als auch für Hochbodenbusse den elektrischen Zentralantrieb CeTrax an. Mit bis zu 300 kW und 4.400 Nm ist Cetrax auf fordernde Anwendungen ausgelegt. Dank des Plug-and-Drive-Ansatzes lässt sich Cetrax nach Angaben von ZF in bestehende Fahrzeugplattformen integrieren, ohne dafür größere Änderungen an Fahrwerk, Achsen, Statik oder Differenzial vornehmen zu müssen. Strombetriebene Versionen von ursprünglich verbrennungsmotorischen Busplattformen lassen sich so relativ einfach verwirklichen. Fahrsteuerung und Wechselrichter sind ebenfalls Teil des Lieferumfangs, so dass OEMs „ein in sich abgestimmtes Gesamtsystem in puncto Leitungsfähigkeit, Effizienz und Lebensdauer erhalten“.

Hier ermöglicht ZF einen Blick hinter die Kulissen und präsentiert das „Making-Of“ zum obigen Videoclip.

Cetrax-lite ist die kompaktere Systemvariante für Vans und leichte Nutzfahrzeuge bis 7,5 t. Bei 150 kW und 380 Nm bringt dieser Zentralantrieb lediglich 120 kg auf die Waage – inklusive Ein-Gang-Übersetzung. Für Nutzfahrzeuge bis 19 t ist Cetrax-mid bestimmt: Hier stellen zwei elektrische Asynchronmaschinen in Parallelbauweise 300 kW und 760 Nm bereit, die ein zweistufiges Lastschaltgetriebe überträgt.

E-Traktion aus dem Anhänger

In Off-Highway-Anwendungen wie Land- und Baumaschinen bietet ZF den elektrischen Radkopf eTRAC an. Dieses System setzt sich zusammen aus einem flüssigkeitsgekühlten Dreiphasen- Asynchronmotor, einem nachfolgenden zweistufigen Getriebe sowie einer integrierten Bremse; elektrisch angetriebene Achssysteme für Anhänger oder elektrisch angetriebene Stützräder für diverse Anbaugeräte sind Beispiele für mögliche Einsatzzwecke. Die Aufteilung der Antriebsleistung auf zusätzliche Räder bietet in der Praxis diverse Vorteile: So kann eine geregelte Traktionsunterstützung etwa das Arbeiten unter erschwerten Bedingungen erleichtern, und es steht ein größeres Zeitfenster für die Bewirtschaftung zur Verfügung – auch bei widrigen Witterungsverhältnissen oder aufgeweichten Böden. Der elektrische Traktionsantrieb erfordert außerdem einen geringeren Zugkraftbedarf auf Seiten des Traktors.

Aus dem Baukastensystem lassen sich auch weitere Fahrzeuge bedienen, beispielsweise Gabelstapler. Darüber hinaus bietet ZF auch Hybrid- oder reine Elektrolösungen im Bereich der Schifffahrt, dem Schienenverkehr und weiteren Bereichen der Industrieanwendungen an.

(aok)