Lösungen im Antriebsstrang zur Reduktion des CO 2 Ausstosses Stefan Prebeck, ZF do Brasil Ltda.
Inhalt ZF im Kurzüberblick Verlustsituation und Einsparpotenziale - Antriebsstrang - Fahrwerk Konventionelle und Hybrid-Technik - Pkw - Nkw Elektrische Antriebe 2
Weltweite Präsenz Produktion, Entwicklung, Vertrieb 117 Produktionsgesellschaften Kennzahlen Standorte 8 Hauptentwicklungsstandorte 34 Servicegesellschaften Über 650 Servicepartner weltweit 3
Kennzahlen Umsatz Umsatzverteilung 2010 Antriebstechnik 56 % Fahrwerktechnik 44 % Umsatz Deutschland 34 % Umsatz weltweit ohne Deutschland 66 % Bau- und Landmaschinen, Marine, Luftfahrt, Sonder- und Schienenfahrzeuge 12 % Pkw und leichte Nkw < 6 t 65 % Nkw > 6 t 23 % ZF-Konzern: 12.907 Mio. 4
Forschung und Entwicklung Kurzprofil 2010 Patentanmeldungen: ca. 632 ZF gehört zu den zehn größten Patentanmeldern Deutschlands. Interne Erfindungsmeldungen: > 900 Hauptentwicklungsstandorte: 8 (Friedrichshafen, Dielingen, Schweinfurt, Passau, Schwäbisch Gmünd, Pilsen/Tschechien, Northville/USA, Shanghai/China) Aufwendungen: 646 Mio. Mitarbeiter: weltweit ca. 5.400, davon 760 in der Zentralen Forschung und Entwicklung in Friedrichshafen. 160 Mitarbeiter sind in Pilsen/Tschechien, Shanghai/China und Tokio/Japan beschäftigt. 5
Inhalt ZF im Kurzüberblick Verlustsituation und Einsparpotenziale - Antriebsstrang - Fahrwerk Konventionelle und Hybrid-Technik - Pkw - Nkw Elektrische Antriebe 6
Potenziale und Grenzen der Optimierung Ein Großteil der Verluste (85%) kommt nicht aus dem Antriebstrang. Der Antriebstrang kann aber CO 2 um deutlich mehr als 15% reduzieren. Luftwiderstand 11 % Verbrennungsmotor 47 % Rollwiderstand 11 % Nebenverbraucher 6 % Antriebstrang 15 % Gewicht 10 % Fahrzeug der oberen Mittelklasse mit Heckantrieb und 3- Liter Ottomotor; 6-Gang-Automatikgetriebe der 2.Generation; Hinterachsgetriebe mit Kegelrollenlagern; kein Start- Stopp, keine Bremsenergierückgewinnung; hydraulische Servolenkung und hydraulische Wankstabilisierung. 8
Potenziale und Grenzen der Optimierung Theoretisches Potenzial Antriebsstrang alle Servofunktionen im Fahrwerk ohne Verluste Masseloses Fahrwerk keine Stillstandsverluste ideale Übersetzungsreihe aktive Motorsteuerung 100 % Rekuperieren Masseloser und verlustfreier Antriebsstrang Theoretisches Potenzial: 60% 9
Potenziale und Grenzen der Optimierung Zusammensetzung des Potenzials Antriebsstrang 0 % Fahrzeug der oberen Mittelklasse mit Heckantrieb und 3- Liter Ottomotor; 6-Gang-Automatikgetriebe der 2.Generation; Hinterachsgetriebe mit Kegelrollenlagern; kein Start- Stopp, keine Bremsenergierückgewinnung; hydraulische Servolenkung und hydraulische Wankstabilisierung. -20 % -40 % -60 % - 60 % -80 % Antriebstrang ohne mechanische Verluste Optimale Betriebspunktverschiebung Ideales Start-Stopp und ideale Rekuperation Leichtbau minus 200 kg Lenkung und Stabilisator ohne Verluste Theoretisches Potenzial 10
Einsparpotential [%] Einsparpotential elektrischer Lenksysteme Endkundenfahrbetrieb bestätigt Ergebnisse des NEFZ Endkundenfahrbetrieb: Probandenmessfahrten des FKFS auf Rundkurs bei Stuttgart 10 8 6 4 2 0 Kombiniert Innerorts Außerorts Vorteile der EPS: Verbrauchsred. [l/100km] CO 2 -Emissionsred. [g/km] Kombiniert 0,39 (5%) 9,1 (5%) Innerorts 0,66 (8%) 15,3 (8%) Außerorts 0,32 (4%) 7,5 (4%) Basis: Kompaktklasse 1.400kg, 2l Ottomotor, 7,7l/100km im Endkundenfahrbetrieb 11
Potenziale und Grenzen der Optimierung Stand der Technik 2010 Elektromechanische Lenkung 3 6 % Elektromechanische Wankstabilisierung 1 2 % Leichtbau Antriebsstrang und Fahrwerk: -15 kg 0,3 % Integrierter Allradverteiler 1 1,5 % 8-Gang-Automatgetriebe 7,5 % Hybrid + Start-Stopp 3 25 % Verlustoptimiertes Achsgetriebe 1 1,5 % bis 2010 möglich: 30% 12
Nm/kg Emissionsreduzierung im Lkw durch optimierte ZF-AS Tronic Wirkungsgradsteigerung Reibungsarme Schaltklauen Präzise Fertigung, hohe Oberflächenqualität Vollsynthetisches Getriebeöl Leichtlauf-Lager Reibungsarme Dichtung Effiziente Einspritzschmierung 15 Gewichtsreduzierung Integrierte Split- und Bereichsgruppe Aluminium-Druckguss 2-Vorgelegewellen-Technologie Klauenschaltung statt Synchronisierungen Ecosplit AS Tronic 10 5 1980 1990 2000 2010 2020 13
Verbrauchseinsparung durch Leichtbau im Fahrwerk Hybrid-Lenker Fahrwerkskomponenten in gemischter Bauweise Leichtbau-Dämpfer Aluminium-Einrohrdämpfer Composite Strut McPherson-Federbein in Faserverbund-Leichtbau EPSc Elektrische Lenkung für leichte Fahrzeuge MCT Elastokinematische Torsionslenkerachse Kunststoff-Lenker Fahrwerkskomponenten aus Kunststoff BCA Hinterachse mit radführender Querblattfeder aus Composite 14
Inhalt ZF im Kurzüberblick Verlustsituation und Einsparpotenziale - Antriebsstrang - Fahrwerk Konventionelle und Hybrid-Technik - Pkw - Nkw Elektrische Antriebe 15
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 % 16
Innovationen im Antriebsstrang Hybridtechnologie für Pkw AT konventionell Hybridgetriebe Bauraumneutralität der Hybridgetriebe 17
Pkw-Mildhybrid (Serieneinsatz DynaStart) MB S400H, BMW 750iH PSM KSG Effekte Boosten & Rekuperieren Start/Stopp Betriebspunktoptimierung Nutzen 15 % Effizienzsteigerung Aufwand kleine el. Leistung kleine Batterie 18
Pkw-Vollhybrid 8-Gang-Hybridgetriebe PSM 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 19
Ein Beispiel zum Beitrag von ZF zur Kraftstoffeinsparung im Antriebsstrang => CO 2 -Reduktion durch 8HP - 5 % - 3% - 7,5% - 5% bis - 15% bis - 25% konventionell Hybrid Beispiel: CO 2 -Reduzierung Limousine 2,5l Otto V6, NEFZ 5-Gang 6-Gang 1. Generation 182 g/km 169 g/km 161 g/km 144 g/km 127 g/km 6-Gang 2. Generation 8-Gang 8-Gang Start-Stopp HIS 8-Gang Mildhybrid 8-Gang Fullhybrid 20
Inhalt ZF im Kurzüberblick Verlustsituation und Einsparpotenziale - Antriebsstrang - Fahrwerk Konventionelle und Hybrid-Technik - Pkw - Nkw Elektrische Antriebe 21
Verlustanteile in Nutzfahrzeugen Aufteilung der eingesetzten Energie 59 % Verbrennungsmotor 57 % 2 % Nebenaggregate 8 % 2 % Verluste Antriebsstrang 8 % 3 % Beschleunigungswiderstand 14 % Lkw Fernroute 14 % Luftwiderstand 1 % Bus Stadteinsatz 15 % Rollwiderstand 6 % 5 % Steigungswiderstand 6 % Basis: Schwerer Lkw, 40 t, mit AS Tronic; im Fernverkehr, Beladungs- und Routenmix. Basis: Stadtbus 18 m, 24 t Gesamtgewicht, mit Ecomat und TopoDyn; Routenmix. 22
Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs Theoretisches Potenzial 100 % Stadtbus 18 m, 24 t Gesamtgewicht, mit ZF-Ecomat und TopoDyn; Routenmix 80 % 60 % 40 % - 61 % 100 % 90 % 80 % Schwerer Lkw, 40 t, mit ZF-AS Tronic; Fernverkehr, Beladungs- und Routenmix. - 15 % 70 % Antriebsstrang ohne mechanische Verluste Optimale Betriebspunktverschiebung Ideales Start-Stopp Idealer Hybrid* ohne Verluste Theoretisches Potenzial * Rekuperation, Boosten, elektrisches Fahren, ohne Start-Stopp 23
ZF-Hybridlösungen für Nutzfahrzeuge im Stadteinsatz Synergie Stadtbus parallel Verteiler-Lkw parallel Transporter parallel Stadtbus seriell/elektrisch Wirtschaftlicher Vollhybrid (parallel) auf Basis bestehender Getriebe elektrische Achse -30 % Stadt 24
Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs Stadtbus 100 % 90 % Ecomat 5-Gang < 2002 Ecomat 6-Gang 2002-5 % Ecomat 6-Gang optimiert 2006-4 % EcoLife 2007-3 % EcoLife mit Topodyn 2009-5 % EcoLife Hybrid 2012 80 % 70 % 60 % - 25 % 50 % mit TOPODYN 25
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 -30% Stadt 26
Inhalt ZF im Kurzüberblick Verlustsituation und Einsparpotenziale - Antriebsstrang - Fahrwerk Konventionelle und Hybrid-Technik - Pkw - Nkw Elektrische Antriebe 27
ZF-Entwicklungen E-Antriebe Konzeptstudie für Kleinwagen/untere Mittelklasse mit Reichweiten bis zu 160km Zweistufiges Getriebe mit einem Gang Ausgelegt für höchste Drehzahlen Spitzenleistung 90 kw/120ps Spezifische Leistung: 2,1 kw/kg (ohne Leistungselektronik) Leistungselektronik mit innovativem Energiemanagement bis zu 50% weniger Verluste im Normzyklus und Kundenzyklus 28
Zusammenfassung Antriebssysteme der Zukunft Effizienzsteigerung ist der größte Hebel zur Erfüllung der CO 2 Ziele bei gegebenem Energiebedarf Der Antriebsstrang leistet dazu einen großen Beitrag, weitere Potenziale erschließen sich insbesondere aus Leichtbau Verbrennungsmotoren inklusive Hybridisierung bleiben für die nächsten 20 Jahre die dominierende Antriebsquelle Es wird auch langfristig eine Parallelität von fahrzeugspezifischen Antriebskonzepten geben Elektrofahrzeuge bleiben mittelfristig eine Nischen- Anwendung für Klein- und Stadtfahrzeuge Die Batterie / der Energiespeicher wird zu einem differenzierenden Merkmal zwischen den Herstellern Die neue Technik muss parallel technologisch und kommerziell zur Vermarktungsfähigkeit entwickelt werden 29
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! ZF Friedrichshafen AG 2011