Mit E-Mobilität in die Zukunft. ZF-Produkte für Hybrid-

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1 Mit E-Mobilität in die Zukunft ZF-Produkte für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

2 Inhalt Elektrische Mobilität Seite 4 Megatrend mit Potenzial Vielfalt der Effizienz: Seite 6 Elektrifizierung des Antriebsstrangs Neue Features dank E-Mobilität Seite 8 Seite 10 Hybridmodul Seite 11 Hybridgetriebe Seite 12 48V-Hybridsystem Seite 13 Leistungselektronik Seite 14 Elektrischer Achsantrieb Seite 15 Elektrisch angetriebene Seite 16 Verbundlenkerachse Modulares elektrisches Seite 17 Hinterachskonzept INNOVATIV UND ZUKUNFTSFÄHIG. Mit Pkw-Antriebstechnik von ZF fahren Millionen Menschen auf der ganzen Welt heute und in Zukunft. Die Produkte sind auf Effizienz ausgerichtet und setzen zugleich Maßstäbe bei Komfort und Fahrdynamik. Fahrzeugen mit ZF-Technik an Bord gelingt so der anspruchsvolle Spagat zwischen den Zielen, die Individualmobilität zu gestalten und Umwelt & Ressourcen möglichst zu schonen. ZF-Antriebstechnik ist auch aus den Automobilen der Zukunft nicht wegzudenken, denn ZF stellt mit seinen modernen und zuverlässigen ebenso die Weichen für viele Trends etwa die Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Diese Innovationskultur wie auch die Fähigkeit, in höchster Qualität zu produzieren, macht ZF zu einem wertvollen Partner für die internationale Automobilindustrie. Der ZF-Konzern Seite 18 Forschung und Entwicklung Seite 19 für die Sicherung ihrer Mobilität 2 3

3 Elektrische Mobilität Megatrend mit Potenzial Elektrische Antriebe sind ein wichtiges Element, um nachhaltige Mobilitätskonzepte zu ermöglichen. ZF steuert hierzu innovative Systeme und bei. Schon vor mehr als 100 Jahren experimentierten Ingenieure mit elektrischen Antrieben für die frühen Automobile. Dass sich dann bis heute ein Antriebskonzept durchgesetzt hat, das auf Flüssigkraftstoff, gewonnen aus fossilen Energieträgern, basiert, könnte sich schon bald nur als eine Phase der Automobilgeschichte erweisen. Denn die vergangenen Jahrzehnte haben die Grenzen der fossilen Energieträger aufgezeigt: Die weltweiten Ölreserven sind nicht unendlich verfügbar, verkehrsbedingte Emissionen schaden Klima und Umwelt. Vor diesem Hintergrund ist die noch immer rasant steigende Nachfrage nach Individualmobilität, insbesondere in aufstrebenden Industrienationen, den Emerging Markets, auf der Basis der verbrennungsmotorischen Antriebskonzepte kaum erfüllbar. Immer stärker bringen sich auch die Gesetzgeber ein: Weltweit ist die Automobilindustrie gefordert, zunehmend strengere Flottenverbrauchs- und Emissionsgrenzwerte einzuhalten. Aus all diesen Gründen sind alternative Antriebskonzepte für Pkw jetzt und in Zukunft gefragt und bei vielen von ihnen spielt Elektrizität als Kraftquelle eine wichtige Rolle: Hybridfahrzeuge kombinieren die Vorzüge von elektrischem und verbrennungsmotorischem Antrieb. Reine Elektrofahrzeuge sind bereits lokal emissionsfrei unterwegs und sobald ihre Batterien mit Ökostrom aufgeladen werden, verbessert sich auch ihre CO 2 -Gesamtbilanz erheblich. Brennstoffzellenfahrzeuge fahren ebenfalls ausschließlich elektrisch. Reichweitenvorteile ergeben sich hierbei durch die unterwegs aus in Tanks gespeichertem Wasserstoff oder Methanol erzeugte notwendige Energie. ZF: Lösungen aus einer Hand Bei diesem Megatrend der Elektrifizierung können sich die Automobilhersteller auf den Technologiekonzern ZF verlassen. Denn ZF entwickelt bereits seit über 25 Jahren elektrische Antriebe für Fahrzeuge eröffnete das Unternehmen die erste industrielle Fertigung von elektrischen Maschinen für Hybridfahrzeuge in Europa. Heute bieten elektrische Antriebskomponenten von ZF Lösungen für nahezu jedes Konzept der Pkw-Hersteller: Das beginnt mit der Entwicklung und Produktion elek- trischer Maschinen mit unterschiedlichen Leistungswerten für den Einsatz in Parallelhybridkonzepten. Die Spannweite reicht dabei von integrierten 48V-Lösungen mit 15 kw, die in einem Mildhybridsystem eingesetzt werden können und bereits über zahlreiche Vorzüge elektrischer Antriebe verfügen, bis hin zu leistungskräftigen elektrischen Maschinen mit bis zu 120 kw für Plug-in- Hybridgetriebe. Sehr attraktiv für Automobilhersteller ist dabei die Kompetenz von ZF, komplette Hybridmodule anzubieten, in denen auf engstem Raum die elektrische Maschine, eine Trennkupplung sowie zum Ausgleich von Drehungleichförmigkeiten des Verbrennungsmotors integriert sind. In seinen eigenen Systemen, etwa dem Plug-in-Hybridgetriebe auf Basis des 8-Gang-Automatgetriebes, setzt ZF diese Hybridmodule selbst ein. Für reine Elektrofahrzeuge liefert ZF gewichtssparende und bauraumfreundliche elektrische Achsantriebe. Diese umfassen die elektrische Maschine, ein zweistufiges Stirnradgetriebe sowie die Leistungselektronik in einem Paket. Ein Hochdrehzahlkonzept macht das System besonders effizient. Kunden, die elektrische Antriebssysteme von ZF beziehen, profitieren von der Gesamtkompetenz des Konzerns. Denn ZF verfügt über wertvolles System-Know-how für den kompletten Antriebsstrang, dazu zählt die funktionale und bauliche Integration ins Automobil. Ebenso wertvoll für ZF-Kunden ist die mechanische Kompetenz des Konzerns aus dessen angestammter Produktwelt in der Antriebstechnik. Sie umfasst so komplexe Themen wie die Torsionsschwingungsdämpfung oder effiziente Drehmomentübertragung. 4 5

4 Die elektrifizierten Antriebskonfigurationen im Überblick HEV Hybrid Electric Vehicles EV Electric Vehicles E-Mobilität umfasst mittlerweile ein sehr breites Spektrum an Antriebsformen, für die ZF heute und in Zukunft optimal aufgestellt ist. Höhere Wirtschaftlichkeit und geringere oder gar keine Emissionen: So lautet das Ziel, das sich mit nahezu allen elektrifizierten Pkw-Antrieben verknüpft. Es lässt sich auf unterschiedlichen Wegen erreichen. Doppelt stark Bei Hybridfahrzeugen (Hybrid Electric Vehicles HEV) erhält der konventionelle Verbrennungsmotor Unterstützung von mindestens einer elektrischen Maschine. Deren jeweiliges Leistungsvermögen erlaubt eine erste Einteilung: So kann ein Mikrohybrid den Verbrennungsmotor im Stand abschalten () sowie begrenzt Bremsenergie rekuperieren, übernimmt aber keine Antriebsaufgaben. Das gelingt ab dem Mildhybrid, bei dem eine elektrische Maschine den Benziner oder Diesel beispielsweise durch Boosten ergänzt; sie kann das Auto aber nicht alleine antreiben. Letzteres ermöglicht der Vollhybrid, der sich als Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV) zudem an jeder Steckdose aufladen lässt. Viele Alltagsanforderungen bewältigt er bereits rein elektrisch: So erreicht ein mit dem Plug-in-Hybridgetriebe von ZF ausgestattetes PHEV lokal emissionsfrei sogar Tempo 120 km/h und bis zu 50 Kilometer Reichweite. Alternativ lassen sich HEVs nach der Art des Zusammenspiels zwischen konventionellem Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine kategorisieren: Können beide zeitgleich und direkt auf denselben Strang wirken, wie im Mildhybrid oder PHEV, spricht man von Parallelhybriden. Genau auf diese hat ZF für Pkw seinen Schwerpunkt gelegt. Im Gegensatz dazu sind bei seriellen Hybridantrieben die elektrischen Maschinen anders geschaltet: meist so, dass der Verbrennungsmotor einen Generator antreibt, der die Energie für eine oder mehrere elektrische Maschinen liefert, die dem Achs- oder Radantrieb dienen. Einfach gut Bei reinen Elektrofahrzeugen (Electric Vehicles EV) ist schließlich kein Verbrenner mehr an Bord. Die Energie für die elektrische Maschine bzw. Maschinen stammt entweder aus einer Batterie, wie das beim Batterie-Elektrofahrzeug (Battery Electric Vehicle BEV) der Fall ist. Oder eine Brennstoffzelle an Bord erzeugt die elektrische Energie aus einer chemischen Reaktion, so beim Brennstoffzellenfahrzeug (Fuel Cell (Electric) Vehicle FCV oder FCEV). ZF treibt Elektrofahrzeug-Innovationen intensiv voran, insbesondere mit seinen kompletten elektrischen Achsantriebssystemen. Wirtschaftlich mit 48V Ein leistungsfähigeres Bordnetz im Pkw davon war in der Automobilindustrie bereits vor der Einführung der Hybridfahrzeuge die Rede: Denn Elektrik und Elektronik sorgen für immer mehr Verbraucher im Pkw, die das klassische 12-Volt-Netz an seine Grenzen bringen. Ein zusätzliches 48-Volt-Bordnetz ist zugleich ein kostengünstiger Einstieg in die Hybridisierung. Denn ein Mildhybridsystem auf 48-Volt-Basis erlaubt bereits eine Vielzahl von Hybridfunktionen Segeln, Boosten, Rekuperieren, elektrisches Anfahren und Kriechen sowie. Dank Niedervoltsystem lassen sich allerdings die elektronischen kostengünstig im Fahrzeug integrieren. Damit ergibt sich eine Kraftstoffeinsparung von 10 bis 15 Prozent. Heckantrieb Vollhybrid mit elektrischer Maschine Elektrischer Allrad Mildhybrid, parallel Heckantrieb 48V oder Hochvolt Mildhybrid, parallel 48V oder Hochvolt Übersicht der Hybrid-Klassen Serieller Hybrid oder Range Extender Batterie-Elektrofahrzeug Fuel Cell Vielfalt der Effizienz: Elektrifizierung des Antriebsstrangs Brennstoffzellenfahrzeug Hybrid-Klasse Mikro Mild 48V Voll/Full (HEV) Plug-in (PHEV) Mögliche Funktionen (Boosten) (Rekuperieren) Boosten Rekuperieren (Elektrisch Rangieren) Boosten Rekuperieren Begrenzt Elektrisch Fahren Segeln Boosten Rekuperieren Elektrisch Fahren Segeln Max. Leistungsniveau 3-5 kw kw kw kw 6 7

5 Neue Features dank E-Mobilität Funktionen des Hybridsystems Der elektrische Antrieb startet den Verbrennungsmotor und legt ihn bei Bedarf komfortabel ab. Rekuperieren Bremsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt. Hybrid- oder reine Elektroantriebe verfügen über eine Reihe von Funktionen, mit denen sie das Fahren effizienter gestalten. Boosten Beim Anfahren oder Beschleunigen wird das Drehmoment des Verbrennungsmotors durch das zusätzliche Drehmoment der elektrischen Maschine erhöht. Den Verbrenner immer dann auszuschalten, wenn er nicht gebraucht wird, senkt den Verbrauch. Das ist vor allem im Stillstand der Fall. -Systeme sind deshalb heute sogar in Fahrzeugen etabliert, die über keinen Hybridantrieb verfügen. Rekuperieren Beim Verzögern des Fahrzeugs wird die elektrische Maschine als Generator genutzt, um die Bremsenergie in elektrische Energie umzuwandeln und die Batterie zu laden. Boosten Ist im Hybridfahrzeug volle Leistung gefragt, unterstützt die elektrische Maschine den Verbrennungsmotor. Vorteil: Dieser kann in Hybridfahrzeugen aus diesem Grund schon kleiner und sparsamer dimensioniert werden Stichwort: Downsizing. Elektrisch Fahren Sobald elektrische Maschinen im Pkw alleine für den Vortrieb sorgen, entstehen während des Fahrens lokal keinerlei Emissionen mehr und kaum noch Geräusche. Das sind große Pluspunkte, nicht zuletzt in innerstädtischen Bereichen, wo immer häufiger strenge Zugangsbeschränkungen für konventionell betriebene Fahrzeuge gelten. Elektrisch Rangieren Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor haben einen hohen Kraftstoffverbrauch, wenn sie aus dem Stillstand anfahren oder im Schritttempo rangieren. Übernimmt das die elektrische Maschine, sparen die Fahrzeuge deutlich Kraftstoff. Segeln In Fahrsituationen mit geringer Antriebsleistung, z.b. Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit oder leicht bergab, wird der Verbrennungsmotor abgeschaltet und die elektrische Maschine übernimmt bei Bedarf den Fahrzeugantrieb. elektrisch Fahren / Elektrisch Rangieren Die elektrische Antriebseinheit übernimmt alleinig den Vortrieb des Fahrzeugs. Segeln Abschalten und Abkuppeln des Verbrennungsmotors während der Fahrt, bspw. beim Ausrollen. Bei Bedarf wird der Motor durch Antippen des Gaspedals wieder zugeschaltet. 8 9

6 Hybridmodul Beschreibung Permanenterregte Synchronmaschine (PSM) Einheit Antriebskonfiguration Beschreibung Permanenterregte Synchronmaschine (PSM) Einheit Antriebskonfiguration AL AL Außendurchmesser 280 mm Außendurchmesser 280 mm Aktive Länge 32 mm Aktive Länge 80 mm Axiale Länge Modul ca. 150 mm Axiale Länge Modul ca. 240 mm Spannungsbereich Vdc Spannungsbereich Vdc Max. Leistung 55 kw Max. Leistung 90 kw Max. Drehmoment 250 Nm Max. Drehmoment 400 Nm Max. Drehzahl /Min Mildhybrid, parallel 48V oder Hochvolt Max. Drehzahl /Min Max. Drehmoment Trennkupplung 800 Nm Heckantrieb Rotorlagesensor Trennkupplung Betätigung Trennkupplung Rotorlagesensor Trennkupplung Schnittstelle zum Getriebe Schnittstelle zum Getriebe Schnittstelle zum Verbrennungsmotor Schnittstelle zum Verbrennungsmotor Betätigung Trennkupplung 10 11

7 Hybridgetriebe 48V-Hybridsystem Beschreibung Permanenterregte Synchronmaschine (PSM) Einheit Antriebskonfiguration Beschreibung Permanenterregte Synchronmaschine (PSM) Einheit Antriebskonfiguration IL IL Außendurchmesser 269 mm Außendurchmesser 292 mm Aktive Länge 70 mm Aktive Länge 51 mm Axiale Länge Modul ca. 150 mm Axiale Länge Modul ca. 145 mm Spannungsbereich Vdc Spannungsbereich Vdc Max. Leistung 90 kw Max. Leistung 15 kw Max. Drehmoment 250 Nm Max. Drehmoment 200 Nm Max. Drehzahl /Min Heckantrieb Max. Drehzahl /Min Max. Drehmoment Trennelement (optional) 800 Nm Mildhybrid, parallel 48V oder Hochvolt Mildhybrid, parallel Heckantrieb 48V oder Hochvolt Trennkupplung Trennkupplung Leistungselektronik inkl. Rotorlagesensor Optional: Optional: Trennelement Schnittstelle zum Getriebe Schnittstelle zum Verbrennungsmotor Schnittstelle zum optionalen Leistungselektronik inkl. Rotorlagesensor 12 13

8 Leistungselektronik elektrischer Achsantrieb Produktdetails Beschreibung Leistungselektronik Einheit Antriebskonfiguration Beschreibung Asynchronmaschine (ASM) Einheit Antriebskonfiguration PUM evd2 Volumen 8 l Max. Spannung 440 Vdc Max. Stromstärke 510 Arms Dauerstrom 240 Arms Abmessung inkl. 450 x 510 x 380 mm Aktive Länge 150 mm Axiale Länge Modul ca. 450 mm Spannungsbereich Vdc Fuel Cell Sicherheitsstufe C ASIL Max. Drehzahl /Min Fuel Cell Max. Leistung 150 kw Max. Achsdrehmoment Nm Max. Drehzahl /Min Vollhybrid mit elektrischer Maschine Elektrischer Allrad Batterie-Elektrofahrzeug Brennstoffzellenfahrzeug Zweistufiges Stirnradgetriebe Leistungselektronik Parksperre Differenzial Leistungselektronik Parksperre Zweistufiges Stirnradgetriebe Differenzial 14 15

9 Elektrisch angetriebene Verbundlenkerachse Modulares elektrisches Hinterachskonzept Beschreibung Permanenterregte Synchronmaschine (PSM) Einheit Antriebskonfiguration Abmessung inkl. Dämpfer und Anbindung etb ca. 595 x 1500 x 250 (560) Aktive Länge 90 mm mm Elektrisches Antriebssystem integriert in die Achse Antriebs- und Fahrwerktechnik aus einer Hand zu bieten, das war seit jeher der Vorteil von ZF aus Sicht seiner Kunden. Dieser besteht auch in Zeiten der E-Mobilität. So bietet ZF den elektrischen Antrieb integriert in ein komplettes Achssystem an. Für ZF-Kunden reduziert sich so der Entwicklungsaufwand deutlich, denn ZF übernimmt die Abstimmung der internen Schnittstellen. Produktdetails Antriebskonfiguration Spannungsbereich Vdc Max. Leistung 75 kw Max. Achsdrehmoment Nm Max. Drehzahl /Min Zweistufiges Stirnradgetriebe Aluminiumgehäuse Integrierte Montage von Dämpfern und Aufbaufedern Verbundlenkerachse Vollhybrid mit elektrischer Maschine Elektrischer Allrad Batterie-Elektrofahrzeug Fuel Cell Brennstoffzellenfahrzeug Entwicklung, Abstimmung und Erprobung der Achse inklusive des elektrischen Antriebs erfolgt gemäß Lastenheft durch ZF. Dabei können je nach Anwendung verschiedene Achstypen eingesetzt werden. ZF stellt dazu ein modulares Hinterachskonzept bereit, das sich an wesentlichen Kundenanforderungen ausrichtet. Weil ZF dabei seine Erfahrung für Pkw-Achssysteme einbringen kann, erfolgt die Integration des elektrischen Antriebs anforderungsgerecht und nahtlos. Vollhybrid mit elektrischer Maschine Elektrischer Allrad Batterie-Elektrofahrzeug Fuel Cell Brennstoffzellenfahrzeug 16 17

10 der zf-konzern Forschung und entwicklung für die Sicherung der mobilität Innovationen sind kein Selbstzweck, sie müssen sich rechnen: für Hersteller, Flottenhalter und Fahrer, aber auch für die Umwelt und die Gesellschaft. Jede Neuentwicklung muss sich im Spannungsfeld dieser Kriterien bewähren. Zukunft verantwortlich gestalten Unsere Begeisterung für innovative Produkte und Prozesse und das kompromisslose Streben nach Qualität haben uns zu einem weltweit führenden Technologiekonzern in der Antriebs- und Fahrwerktechnik sowie der aktiven und passiven Sicherheitstechnik gemacht. Wir leisten unseren Beitrag zur nachhaltigen Gestaltung der Zukunft durch neuartige technologische Lösungen mit dem Ziel, die Mobilität zu verbessern, die Effizienz unserer Produkte und Systeme zu steigern und Ressourcen zu schonen. Unsere Kunden aus dem Automobil- und dem Industriesektor schätzen unsere konsequente Ausrichtung auf Produkte und Leistungen mit einem hohen Kundennutzen. Im Fokus unserer Arbeit steht die Verbesserung von Energieeffizienz, Wirtschaftlichkeit, Dynamik, Sicherheit und Komfort. Gleichzeitig streben wir nach ständiger Verbesserung der Geschäftsprozesse und Serviceleistungen. Als global agierender Konzern reagieren wir schnell und flexibel auf sich ändernde regionale Marktanforderungen unter der Vorgabe, stets ein wettbewerbsfähiges Preis-Leistungs-Verhältnis zu bieten. Unsere Unabhängigkeit und finanzielle Solidität sind die Grundlagen für den langfristigen Unternehmenserfolg. Mit unserer Ertragskraft ermöglichen wir die notwendigen Investitionen in neue Produkte, Technologien und Märkte und sichern so die Zukunft unseres Unternehmens im Interesse unserer Kunden, Marktpartner, Mitarbeiter und der Eigentümer von ZF. Unsere Tradition und Werte bestärken unsere unternehmerischen Entscheidungen. Sie sind Verpflichtung und Ansporn zugleich für einen verlässlichen und respektvollen Umgang mit Kunden, Marktpartnern und Mitarbeitern. Die Einhaltung der vor Ort geltenden Bestimmungen und Gesetze wird durch unsere weltweite Compliance- Organisation sichergestellt. Wir übernehmen Verantwortung für die Gesellschaft und den Schutz der Umwelt an allen unseren Standorten. Unsere Mitarbeiter weltweit kennen uns als zukunftsfähigen und fairen Arbeitgeber, der attraktive berufliche Perspektiven bietet. Wir schätzen die vielfältigen kulturellen Prägungen unserer Mitarbeiter, ihre Kompetenz und Leistungsmotivation. Ihr zielgerichtetes Engagement für ZF über Bereichs- und Standortgrenzen hinweg prägt unsere Unternehmenskultur und ist der Schlüssel unseres Erfolgs. Der ZF-Konzern greift auf ein internationales Netzwerk von Entwicklungszentren zurück. ZF investiert jährlich rund fünf Prozent des Umsatzes in Forschung und Entwicklung. Mit Erfolg, denn immer wieder markieren innova tive Produkte von ZF den neuesten Stand der Technik. Die Entwicklungsaktivitäten bei ZF sind nach de zen tralen und zentralen Funktionen gegliedert. Die Divisionen und Geschäftsfelder konzentrieren sich dabei auf die Markt- und Produktkompetenz und gewährleisten so eine kundennahe und konkurrenz fähige Entwicklung technisch führender Produkte. Die Zentrale Forschung und Entwicklung arbeitet stark grundlagen- und theoriebezogen und unterstützt die operativen Entwicklungsbereiche in den Divisionen. Wegweisende Innovationen Aus dieser Partnerschaft sind in den vergangenen Jahren Produktinnovationen hervorgegangen, die in der Branche seither als Benchmark gelten: Das trifft für das 8-Gang- Automatgetriebe für Pkw ebenso zu wie für die Hybridgetriebe inklusive Hybridmanagement für Pkw und Nutzfahrzeuge oder das modulare Getriebesystem Traxon für Nkw. Wegweisende Innovationen von ZF finden sich überall neben Pkw und Nutzfahrzeugen in allen Anwendungen: zu Land, zu Wasser und in der Luft. Die Innovationskraft von ZF wird sich in Zukunft noch verstärken. Darauf weist bereits heute die Zahl der Patentanmeldungen hin: In der Statistik des Deutschen Patent- und Markenamtes rangiert ZF unter den Top Ten der Patentanmelder auf Augenhöhe mit vielen der großen Automobilhersteller. Mehr als Projekte werden von den Forschungsabteilungen jedes Jahr erfolgreich abgeschlossen; sie decken die ganze Spannbreite von der Grundlagenforschung bis hin zur Produkt-Applikation ab. Diese hohe Schlagzahl ist auch notwendig, um in Zukunft Mobilität zu gewähr leisten. Der Trend zum Hybrid zeigt bereits: Ressourcenschonende Antriebstechnik ist technisch sehr komplex. Dies wird sich beim reinen Elektroantrieb fortsetzen ebenso wie beim Leichtbau, wo ZF-Ingenieure aktuell mit alternativen Materialien, erweiterten Ansätzen bei Konstruk tion und Prüfverfahren sowie neuen Produktionsverfahren Pionierarbeit leisten

11 ZF Friedrichshafen AG Ernst-Sachs-Straße Schweinfurt Deutschland Telefon Telefax twitter.com/zf_konzern facebook.com/zffriedrichshafen youtube.com/zffriedrichshafenag ZF Friedrichshafen AG - E-Mobilität PKW Elektrische Antriebstechnik - 09/2015 (DE )