gesponsertInnovatorenporträt Am Herzschlag der E-Mobilität und vernetzten Fahrwerktechnik

Erfolgreich durch die Transformation: Die Ingenieure von ZF arbeiten unter anderem an einem kompakten E-Antrieb. Die bereits serienreife ZF-Software Cubix für alle Fahrwerkfunktionen demonstriert eindrucksvoll, dass der Technologiekonzern in den Zukunftsfeldern der Mobilität zu den wichtigsten Playern gehört.

Nachhaltige Mobilität ist Kern der ZF-Unternehmensstrategie. Dass es der Technologiezulieferer damit ernst meint, zeigt ein Blick auf dessen neueste Entwicklungen. Der ultimative Beweis: das Konzeptfahrzeug „EVbeat“ – ein umgebauter Porsche Taycan, der sämtliche neue Antriebskomponenten in sich vereint.

Dr. Otmar Scharrer, bei ZF für die Entwicklung von elektrischen Antriebssystemen verantwortlich, bringt es auf den Punkt: „Unser Ziel war, diesen Antrieb bei hoher Fahrdynamik so kompakt und leicht wie möglich zu machen und die Reichweite im realen Betrieb zu erhöhen.“ Alle Komponenten des „EVSys800“ genannten Antriebs sind für eine Betriebsspannung von 800 Volt ausgelegt.

Neuer 800-Volt-Antrieb: kompakter, leichter, effizienter

Dem Konzeptfahrzeug steht an der Hinterachse ein maximales Drehmoment von 5.200 Newtonmetern zur Verfügung – und das mit der einzigartig hohen Drehmomentdichte für Pkw mit Straßenzulassung von 70 Newtonmetern pro Kilogramm Antriebsgewicht. Die Dauer- und Spitzenleistung des E-Motors liegen bei 206 beziehungsweise 275 Kilowatt. Bemerkenswert ist die hohe Dauerleistung von rund 75 Prozent der Spitzenleistung. Möglich wird das unter anderem durch verschiedene Leichtbaumaßnahmen und neue Fertigungskonzepte. Beispielsweise müssen die Kupferwindungen lediglich an zehn Stellen verschweißt werden. In Summe konnte so das Systemgewicht um ein Drittel reduziert werden.

Entscheidend für die hohe Leistung ist das verbesserte Thermomanagement. Das System nennt sich „TherMaS“ und steuert mit einer zentralen Einheit und intelligenter Software alle thermischen Vorgänge für Antrieb, Batterie, Laden und Fahrgastraum. Die 800-Volt-Wärmepumpe soll ohne das gängige Kältemittel R1234yf auskommen. Stattdessen fungiert Propan als Kältemittel (dann als R-290 bezeichnet). Die Kombination aus geschlossenem System, einer geringen Füllmenge (200 g) und dem relativ niedrigem Treibhauspotenzial machen „TherMaS“ für die Umwelt weniger bedenklich als die bisher weit verbreiteten Systeme. Außerdem baut Propan kein Ozon ab und ist somit unbedenklich für die Ozonschicht. Als weitere neue Komponente des „EVSys800“ nennt Scharrer das koaxiale Reduziergetriebe: „Hier setzen wir künftig auf Planetenradsätze.“ Da sich die Antriebs- und Abtriebswelle bei diesem Konzept auf derselben Achse befinden, kann das Differenzial in den Planetenradsatz integriert werden. Das Reduziergetriebe wird leichter und kompakter.

Die Eigenschaften der Hardwaresysteme legen einen wichtigen Grundstein für den nachhaltigen Betrieb des Fahrzeugs, deren optimale Orchestrierung erfolgt über die Software. Und auch hier unterstreicht ZF seine Systemkompetenz: ZF hat eine Antriebssoftware entwickelt, die alle relevanten Fahrzeugsysteme untereinander vernetzt und die Verbindung in die ZF-Cloud herstellt.

Ab dem Jahr 2026 sollen die ersten Komponenten des neuen ZF-Antriebs am Markt verfügbar sein. Doch bereits heute haben zahlreiche E-Komponenten von ZF Platz in Serienfahrzeugen gefunden. Aktuellstes Beispiel: der Lotus Eletre mit 800-Volt-Architektur. Sowohl für den Antrieb als auch für das Fahrwerk steuert der Konzern wichtige Komponenten und Systeme bei.

ZF liefert für das SUV nicht nur den E-Motor – einen permanent erregten Synchronmotor (PSM) –, sondern auch das Reduziergetriebe und die Leistungselektronik mit Siliziumkarbidhalbleiter (kurz SiC). In Verbindung mit den SiC-Komponenten wird das Gesamtsystem effizienter und Nutzer profitieren von kürzeren Ladezeiten gegenüber den 400-Volt-Systemen. „Wir sind der erste Tier-1-Lieferant, der ein komplettes SiC-System an einen OEM liefert“, freut sich Scharrer.

Diese Technik hat bei ZF einen hohen Stellenwert: Gemeinsam mit dem US-amerikanischen Halbleiterhersteller Wolfspeed investiert der Friedrichshafener Zulieferer in seine Elektronik-Expertise. Im Großraum Nürnberg wird ein Forschungsstandort für SiC-Elektronik entstehen. Beide Unternehmen wollen zudem im Saarland eine Fabrik für SiC-Wafer bauen. Wafer sind dünne Scheiben, die als Grundplatte für elektronische Bauelemente dienen – in diesem Fall für Leistungselektroniken für E-Antriebe.

„Diese Initiativen sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer erfolgreichen industriellen Transformation. Sie stärken die Widerstandsfähigkeit der europäischen Lieferketten und unterstützen gleichzeitig den Europäischen Green Deal und die strategischen Ziele der digitalen Dekade Europas“, sagt Dr. Holger Klein, Vorstandsvorsitzender von ZF. In der Fabrik sollen auch neue Arbeitsplätze für ZF-Mitarbeiter des saarländischen Produktionswerks entstehen.

Serienpremiere für Fahrwerksoftware Cubix

Zurück zur Technik: Im Lotus Eletre feiert darüber hinaus die Software „cubiX“ Serienpremiere. Sie steuert alle Fahrwerkfunktionen wie Bremse, Vorder- und Hinterachslenkung, die (semi)aktive Dämpfung, die aktive Wankstabilisierung sowie den Elektroantrieb.

„Wir können die gesamte Längs-, Quer- und Vertikaldynamik eines Fahrzeugs harmonisch und individuell nach den Vorgaben unserer Kunden steuern“, sagt André Engelke, Leiter des Systemhauses Vehicle Motion Control bei ZF. Das besondere an dem ersten, reinen Softwareprodukt von ZF: Es ist kompatibel mit verschiedenen Aktuatoren wie Dämpfer, Bremse oder Hinterachslenkung – unabhängig vom Hersteller oder der konkreten Auslegung.

Falls Automobilhersteller die Fahrwerkabstimmung nachträglich ändern wollen, lässt sich das Cubix-Datenpaket künftig auch „Over-the-air“ aktualisieren. Engelke betont zudem, dass sich die Software perfekt in die neuen Elektrik- und Elektronikarchitekturen integrieren lassen: Cubix kann auf Domänen- und Zonensteuergeräte installiert werden. „Diese übergreifende Steuerung erspart den Fahrzeugherstellern Aufwand sowie Kompromisse in der Feinabstimmung und der Fahrdynamik in Bezug auf Performanz, Komfort und Effizienz des Fahrzeugs“, so Engelke.

Laut Engelke haben Automobilhersteller, die Cubix nutzen wollen, einen deutlich geringeren Aufwand mit der Applikationsentwicklung, wenn die Einzelkomponenten zu einem Fahrwerk zusammengebracht werden. Die ZF-Software sorge mit ihren standardisierten Schnittstellen dafür, dass jeder Zulieferer seine Komponenten vorab anhand eines virtuellen Fahrwerks einstellen und abstimmen kann.

Später, im Betrieb des Fahrzeugs, könne Cubix außerdem den Verschleiß einzelner Fahrwerkskomponenten erkennen. Die Software passt ihre Parameter auf das veränderte Verhalten der Komponenten an und kompensiert somit die Degradierung.

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E-Antriebe und Fahrwerksysteme auch für Nutzfahrzeuge

ZF bringt seine Expertise für Fahrwerks- und Antriebstechnik jedoch nicht nur in Pkw ein. Das Unternehmen hat eine lange Tradition im Nutzfahrzeugsegment und setzt die neuen Themen – elektrische Antriebe und vernetzte Systeme – auch dort um. Das modulare E-Mobility-Kit ist ein Baukasten aus skalierbaren Achs- und Zentralantriebssystemen. Daraus können Transporter für die letzte Meile, aber auch Langstrecken-Lkw mit bis zu 44 Tonnen ausgerüstet werden.

„AxTrax 2“ ist ein elektrischer Achsantrieb, ähnlich wie im Pkw-Bereich, der den konventionellen Motor, dessen Getriebe, Gelenkwelle sowie die herkömmliche Achse ersetzt. Der Produktionsstart ist für das Jahr 2024 geplant. Wie der elektrische Axtrax-2-Achsantrieb hat auch der Zentralantrieb „CeTrax 2“ ein integriertes Dreigang-Getriebe und besitzt eine hohe Steigfähigkeit. Das wird für Sonderfahrzeuge, beispielsweise auf Baustellen, benötigt. Auch dieser Antrieb setzt auf E-Motoren (mit Hairpin-Technik) und Wechselrichter, die mit einer Spannung von 800 Volt betrieben werden. Die Leistungselektronik verwendet elektronische Bauelemente aus Siliziumkarbid.

Erst kürzlich konnte ZF mit dem schwedischen Start-up Volta Trucks einen neuen Kunden präsentieren. Ausgestattet wird das Fahrzeug mit umfangreicher Fahrwerktechnik von ZF. Darunter das Notbremssystem, das elektronische Bremssystem einschließlich der Bremspedalbox, die Electronic Stability Control (ESC) und die elektro-pneumatische Handbremse. Der Spurverlassenswarner stammt auch von ZF, ebenso wie Lenksystem-Komponenten einschließlich der Lenksäule und des Lenkgetriebes. Darüber hinaus unterstützt das elektronische Luftfederungssystem von ZF den täglichen Fahrzeugbetrieb, beispielsweise durch automatische und manuelle Anpassungen der Fahrgestellhöhe beim Andocken und Beladen.

Der Zulieferer hat mit einer neuen Einzelradaufhängung ein Produkt im Portfolio, das insbesondere Lkw-Hersteller, die ihre Fahrzeugachsen nicht selbst herstellen, unterstützt. Sie kommt ebenfalls im Volta Zero zum Einsatz. Die Kompetenz von ZF baut auf über drei Jahrzehnten Erfahrung in der Entwicklung und Fertigung von Vorderachsen auf. Außerdem verfügt das Unternehmen weltweit über mehr als 3.800 Servicestationen mit Erfahrung in der Wartung von Achsen.

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