Der elektrifizierte Antriebsstrang eine fachübergreifende Herausforderung Dr. Harald Naunheimer ZF Friedrichshafen AG
Fachübergreifende Herausforderung bei Hybrid- und E-Antrieben Die Herausforderungen der Mobilität der Zukunft sind interdisziplinär Lösungen durch Zusammenarbeit zwischen den Disziplinen: Mechanik und Elektrik / Informatik Wettbewerbsvorteile durch systemische Optimierung Industrie und Forschungsinstitute Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs hat bereits begonnen Hybridtechnologie für Pkw und Nutzfahrzeuge Kein Königsweg - der Einsatzfall bestimmt die Lösung Vielfalt der Konzepte: TZ (2) Konventioneller Antrieb und alternative Kraftstoffe Hybridantrieb und rein elektrischer Antrieb
Energieträger und Antriebsarten Ansätze zur CO 2 -Reduzierung CO 2 Alternative Kraftstoffe Strom aus öffentlichen Netzen Wasserstoff Wasserstoff- Motor Batterie- Elektrofahrzeuge Brennstoffzellen- Elektrofahrzeuge Fossile Kraftstoffe Optimierung der konventionellen Antriebe (Getriebe, Verbrennungsmotoren) Hybridantriebe CO 2 TZ (3) heute morgen übermorgen
Hybridisierung des Antriebsstrangs Bezeichnungen, Abstufung, Funktionen Mikro Hybrid Mild Hybrid (parallel) Full Hybrid (parallel, seriell, leistungsverzweigt) Start/Stopp Rekuperieren / Boosten Elektrisches Anfahren Elektrisches Fahren Mechanische Spitzenleistung der elektrischen Maschine 3 kw 5 kw 12 kw 30 kw 60 kw 120 kw Systemspannung Batterieseite 14 V 42 V 144 V 288 V 600 V Verbrauchsreduzierung (Stadt) ~ 3 % ~ 5 % ~ 15 % ~ 25 % ~ bis 30 % TZ (4)
Elektrische Maschine DynaStart Permanent erregte Synchronmaschine - ZF-Sachs: Serie 2008 Leistungsstark Hochintegriertes Hybridmodul Kompakt Robust Modulfähig TZ (5) PSM mit Einzelzahnwicklung Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs hat bereits begonnen
Pkw-Mildhybrid (Serieneinsatz DynaStart) MB S400H, BMW 750iH Effekte Boosten & Rekuperieren Start/Stopp Betriebspunktoptimierung Nutzen 15 % Effizienzsteigerung Aufwand kleine el. Leistung kleine Batterie TZ (6)
Pkw-Vollhybrid 8-Gang-Hybridgetriebe Hybridgetriebe 8-Gang-Automatgetriebe mit integriertem Hybridmodul Effekte Boosten & Rekuperieren Start/Stopp El. Anfahren und Fahren Betriebspunktoptimierung Nutzen 25 % Effizienzsteigerung Aufwand mittlere el. Leistung Moderate Batteriegröße Bauraumneutralität TZ (7)
Hybridtechnik für Stadtbusse Hybridgetriebe EcoLife Elektroportalachse AVE 130 Parallelhybrid 6-Gang-Automatgetriebe Elektrische Leistung bis 120 kw Serieller Hybrid Einzelradantrieb pro Radkopfseite je eine ASM Pmax 120 kw ASM im Gehäuse integriert Gehäuse ist Teil der tragenden Achsstruktur TZ (8) -30% Stadt
Parallel Hybrid für Baumaschinen ZF Ergopower Funktionen Hybrid Start/Stopp Rekuperation Betriebspunktverschiebung Boost Vorteile Senkung des Kraftstoffverbrauchs Steigerung der Arbeitsleistung ZF Ergopower Hybrid Leistungsdaten Hybrid 85 oder 120 kw ZF Wechselrichter SAE 2/3 oder SAE1 Hybridbatterie TZ (9)
Lenkung und Fahrwerk Welche Technologien werden für EV benötigt? Technologische Reife und Wertanteil (Fahrzeugpreis 2020: 21.000 ) E-Lenkung EM + Getriebe Sub-System E-Antrieb 1,7 % 5 % LE + DC/DC 4,5 % 4 % Fahrwerk EV-spezifisch (Leichtbau) Drehmoment aus Strom On-Board-Ladegerät Energieerzeugung Bremse 0,5 % Technologische Reife Wertanteil am Fahrzeug-Endpreis [%] (für 2020) 0,5 % TZ (10) Heizung/ Klimatisierung 3 % Kühlung E-Komponenten 0,7 % Energiespeicher 38 %
Integrationsstufen beim Zentralantrieb Drehmoment aus Strom Kühler Achsgetriebe Integrationsstufe 1 Integrationsstufe 2 CAN Leistungselektronik E-Motor Getriebe TZ (11) Batterie Fortschritt durch systemische Optimierung und Integration
OEM oder Zulieferer? Was spricht beim E-Antrieb für Zulieferer? Drehmoment aus Strom: Sub-System E-Motor, Getriebe, Leistungselektronik WICHTIG, aber zum Endkunden hin wenig differenzierend Punktewertung im Fahrzeugvergleichstest 2020, was differenziert? Karosserie Antrieb Komfort Fahreigenschaften Sicherheit Umwelt Kosten Reichweite Geräusch CO 2 TCO Technik im E-Antrieb wird sich schnell weiterentwickeln, Schnell aufeinander folgenden Generationen mit kleinen Volumina Vergleichsweise hohe Investition, bei kleinen Stückzahl, kleinem Ertragspotential und hoher Änderungsgeschwindigkeit Diversifikation zu erwarten: Spezialkomponenten bei High-End-Fahrzeugen Vergleichsweise kleine Volumina Standardisierung, Economy of Scale Wettbewerbsvorteil bei E-Motor v.a. durch kostengünstige Produktion Vorhandenes Know-How in Entwicklung und Produktion Erfahrungen in elektrischen automotivtauglichen Antrieben und Stellelementen TZ (12)
Lenkung und Fahrwerk Neue Lösungen Leichtbau: Dämpfer aus Aluminium Elektrolenkung Servolectric (Column Type) Elastokinematische Torsionslenkerachse McPherson-Federbein mit integriertem Radträger in Ultraleichtbauweise TZ (13) Leichtbau: Pedalerie aus Kunststoff
Zusammenfassung Hybrid- und E-Antriebe - eine interdisziplinäre Herausforderung Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs hat bereits begonnen Kein Königsweg - Vielfalt der Konzepte Lösungen durch Zusammenarbeit zwischen den Disziplinen: Mechanik und Elektrik / Informatik Interdisziplinäre Ausbildung stärkere Verzahnung Wettbewerbsvorteile durch systemische Optimierung Nicht die Einzelkomponente differenziert, sondern das System Industrie und Forschungsinstitute vorwettbewerbliche Forschung zur Erfüllung der Automotive-Anforderungen Vieles spricht beim E-Antrieb für Zulieferer Auswirkungen auf Lenkung und Fahrwerk führen auch dort zu neuen Lösungen TZ (14)
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Die Elektrifizierung Fahrzeugs birgt noch viele Fragen ingenieurwissenschaftlich sauber herangehen nicht zögerlich, aber auch nicht vom Hype getrieben TZ (15)