gesponsertE-Mobilität Kompakt, leicht, preiswert: Der High Revolution Drive von ZF

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ZF Friedrichshafen AG - ZF Aftermarket

Mit bis zu 30.000 Umdrehungen pro Minute soll der Hochdrehzahlantrieb von ZF neue Maßstäbe bei Bauraum, Gewicht und Kosten setzen. Thomas Meiser, Leiter Business Unit E-Mobility, erklärt die Vorzüge und Chancen des Produkts.

Der Markt für elektrische Antriebe ist hart umkämpft. Besonders in Asien sorgen Überkapazitäten und ein hoher Preisdruck dafür, dass sich Zulieferer mit austauschbaren Produkten schwertun. ZF setzt deshalb auf Differenzierung: Der High Revolution Drive soll nicht einfach ein weiterer E-Antrieb im Portfolio sein, sondern mit hoher Drehzahl und kompakter Bauweise einen zusätzlichen, konkreten Kundennutzen bieten.

„Mit einem austauschbaren Produkt können wir keinen klassischen Preiswettbewerb gewinnen“, sagt Thomas Meiser, Leiter Business Unit E-Mobilty bei der ZF Friedrichshafen AG. Die Chance liege darin, Kompetenzen aus der Getriebeentwicklung und dem Radsatzbau in den elektrischen Antrieb zu übertragen. „Dabei geht es nicht darum, möglichst komplexe Technik zu bauen, sondern Produkte, die den Kunden einen Nutzen stiften.“

Der High Revolution Drive erreicht bis zu 30.000 Umdrehungen pro Minute. Die Zahl sei für ZF aber kein Selbstzweck, betont Meiser. In der Getriebewelt habe lange die Vorstellung gegolten: Je mehr Gänge, desto besser. Die 30.000 Umdrehungen seien für den Antrieb gewissermaßen der „Achtgänger“: ein technisch und kommerziell attraktiver Punkt, an dem sich die Vorteile hoher Drehzahlen nutzen ließen, ohne die Robustheit und Wirtschaftlichkeit aus dem Blick zu verlieren.

Raumgewinn für neue Fahrzeugkonzepte

Die hohe Drehzahl ermöglicht einen kleineren und leichteren Elektromotor. Der Antrieb ist nach Angaben von ZF rund 25 Prozent kompakter als vergleichbare Produkte. Das eröffnet den Fahrzeugherstellern neue Möglichkeiten bei der Integration – besonders bei neu entstehenden Achsen und Plattformen. „Der Bauraum wird vor allem dann interessant, wenn der OEM eine neue Architektur gestaltet“, sagt Meiser.

Unser Ziel war ein kompakter, gut integrierbarer Antrieb für preiswerte, massenfähige Fahrzeuge.

Der gewonnene Platz kann auf unterschiedliche Weise genutzt werden: für zusätzliche Funktionen im Antriebsstrang, für andere Fahrzeugfeatures oder für eine angepasste Fahrzeugarchitektur. Auch ein Zentimeter mehr Bodenfreiheit könne für den Kunden relevant sein, so Meiser. Letztlich konkurriere der Antrieb mit Komfortfunktionen, Infotainment und anderen Ausstattungsmerkmalen um Bauraum.

Das Gewicht gewinnt zugleich an Bedeutung, weil Batterien die Fahrzeuge schwerer machen. Für die Hersteller werde es zunehmend wichtig, an anderer Stelle einzusparen – sei es, um Gewichtsvorgaben einzuhalten oder Spielraum für Komfort und Batterieleistung zu schaffen. „Was nicht verbaut wird, wiegt auch nichts“, sagt Meiser.

ZF sieht den Hochdrehzahlantrieb grundsätzlich für unterschiedliche Fahrzeugtypen und Märkte. Im Mittelpunkt steht zunächst der Pkw-Markt. Dort kann er nach Unternehmensangaben sowohl als Primär- als auch als Sekundärantrieb eingesetzt werden, insbesondere in volumenstarken Fahrzeugen mit einer Leistung von etwa 150 bis 200 kW.

Eine Obergrenze um 250 kW ist dabei keine grundsätzliche technische Grenze. Vielmehr verlasse man bei höheren Leistungen irgendwann den Bereich, in dem das Konzept seine Vorteile optimal ausspiele. „Unser Ziel war ein kompakter, gut integrierbarer Antrieb für preiswerte, massenfähige Fahrzeuge“, betont Meiser.

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Bestehende Kompetenzen, neue Differenzierung im Markt

Ein wichtiger Aspekt des Konzepts ist, dass ZF nicht bei null anfangen muss. Der Radsatz ist die zentrale Innovation des Gesamtsystems; für seine Fertigung kann das Unternehmen bestehende Anlagen nutzen. Auch beim Inverter und beim Elektromotor greift ZF auf etablierte Lösungen zurück. Der Motor basiert weiterhin auf der Hairpin-Technologie aus dem eigenen Baukasten.

Damit lässt sich der neue Antrieb in vorhandene Fertigungsstrukturen integrieren. „Er ermöglicht Differenzierung, ohne dass wir unsere etablierten Fertigungsstraßen für die Montage, unsere Zerspanungsanlagen für die Radsätze oder unsere Hairpin-Anlagen ersetzen müssten“, sagt Meiser. Die Linien seien flexibel genug, um unterschiedliche Motordurchmesser, Längen und Wicklungsschemata zu verarbeiten.

Die Synergien dienen aus seiner Sicht nicht nur dazu, bestehende Komponenten stärker zu skalieren. Entscheidend sei, mit den vorhandenen Technologien und Investitionen ein Produkt zu schaffen, das sich im Markt abhebt. Der Kundennutzen könne dann auch die Auslastung der Fertigungslinien verbessern: „Wir wollen unsere Technologien und die Investitionen, die wir in der Vergangenheit getätigt haben, skalieren.“

Systemkompetenz als Schlüssel

Die Entwicklung eines innovativen Hochdrehzahlantriebs sei nur durch die Systemkompetenz von ZF möglich gewesen, erklärt Meiser. Der Zulieferer habe nicht einzelne Komponenten unabhängig voneinander optimiert, sondern das Zusammenspiel des gesamten Systems betrachtet. Dafür definierten die Entwickler einen Möglichkeitsraum und näherten sich mithilfe von Algorithmen schrittweise dem optimalen Auslegungspunkt.

„Das geht nur, wenn Sie die Einflussfaktoren des Gesamtsystems kennen, die Systemgrenzen der einzelnen Subsysteme beherrschen und die passenden Algorithmen aufsetzen können“, sagt Meiser. Erst daraus entstehe ein Modell, das zuverlässig den Sweet Spot für eine konkrete Kundenanforderung ermittle.

Bei steigender Drehzahl kann der Motor kleiner werden und weniger Masse sowie Magnetmaterial benötigen. Zu hohe Drehzahlen machen jedoch unter anderem Lagerung, Lagergeschwindigkeit und das akustische Verhalten anspruchsvoller. Diese Herausforderungen seien technisch lösbar, erforderten aber in der Regel zusätzlichen Aufwand und Kosten. Die 30.000 Umdrehungen markierten deshalb keinen für jede Anwendung verbindlichen Zielwert. „Es ist kein Dogma, immer genau diese Drehzahl einzustellen“, sagt Meiser.

ZF beziffert den Wirkungsgrad des dargestellten Systems auf bis zu 93 Prozent. Beim Vergleich mit anderen Lösungen müsse man allerdings genau auf die betrachteten Systemgrenzen achten. Insgesamt sei der Wert sehr wettbewerbsfähig. Auch die Drehzahlfestigkeit sei robust beherrschbar, sagt Meiser. ZF nutze Subkomponenten, deren Verhalten über die Lebensdauer bekannt sei – etwa hinsichtlich Akustik und Wirkungsgrad. Gerade beim Geräusch- und Schwingungsverhalten (NVH) sieht Meiser ein klares Alleinstellungsmerkmal: Als Technologieführer in Mechanik und Getriebebau beherrsche ZF die akustischen Herausforderungen bei hohen Drehzahlen besonders gut – ein Vorsprung, der aus jahrzehntelanger Erfahrung in der Verzahnungs- und Radsatzentwicklung resultiere.

Kosten- und Versorgungsvorteile

Neben dem Bauraum nennt ZF den Material- und Kostenvorteil als wesentlichen Nutzen für die Kunden. Meiser spricht von einem Systempreisvorteil im niedrigen, zweistelligen Prozentbereich gegenüber einem äquivalenten System mit gleicher Leistung und vergleichbarem Einsatzprofil. Zugleich sinke der Bedarf an kritischen Materialien, insbesondere an Magneten. Nach Angaben von ZF lässt sich deren Einsatz gegenüber einer vergleichbaren Lösung deutlich reduzieren.

Das ist auch mit Blick auf die Versorgung relevant. Automobilhersteller beschäftigen sich mit Verfügbarkeit, Bezugsquellen und Preisschwankungen bei Magnetmaterialien. Ein geringerer Bedarf könne die Absicherung der Volumina erleichtern und die Abhängigkeit von einzelnen Lieferquellen senken. Kunden können zudem aus dem SELECT-Baukasten von ZF unterschiedliche Motortypen wählen, darunter Asynchronmotoren sowie elektrischerregte oder permanenterregte Synchronmotoren. Der optimale Drehzahlbereich kann sich je nach Technologie unterscheiden.

Die Auslegung sei dabei ein Abwägen zwischen Leistung, Kompaktheit, Robustheit und Kosten. Höhere Drehzahlen können einen kleineren Motor ermöglichen, führen aber an physikalische Grenzen – etwa bei den Bauteilen oder der Schaltfrequenz des Inverters. Zusätzliche Maßnahmen, beispielsweise eine Verstärkung des Rotors oder spezielle Lagerlösungen, seien möglich, aber nicht kostenlos. „Wir wollen Drehzahl und Kompaktheit nicht zum Selbstzweck erhöhen, sondern einen konkreten Nutzen schaffen“, sagt Meiser.

Asien als möglicher erster Markt

Als ersten Markt sieht Meiser Asien. Dort seien die Innovationsdynamik und der Druck, neue Plattformen schnell auf den Markt zu bringen, besonders hoch. Zugleich zwinge der intensive Preiswettbewerb ZF dazu, sich technisch zu differenzieren. Meiser beschreibt China als einen der dynamischsten Automobilmärkte weltweit: Die kurzen Zyklen und der Innovationsdruck spornen das Unternehmen an, neue Lösungen schneller zu entwickeln.

Die Entwicklerinnen und Entwickler von ZF profitieren dabei laut Meiser von der Verbindung regionaler Kompetenzen. Zentrale Expertise für Radsatz und Systemauslegung liegt in Europa. Gleichzeitig gewinnen asiatische Lieferanten gerade bei elektronischen Komponenten wie Invertern und Convertern an Bedeutung. ZF müsse deshalb die Kompetenzen der Regionen zusammenführen und Lösungen so auslegen, dass sie sich vor Ort auch fertigen und applizieren lassen.

Dazu passt der Anspruch, regional zu produzieren und regionale Lieferketten aufzubauen. ZF könne den Antrieb sowohl in Asien als auch in Europa mit der jeweils vorhandenen Wertschöpfungstiefe, Fertigungs- und Lieferantenstruktur herstellen.

Eine Serienproduktion des neuen Antriebs hält Meiser deutlich vor 2030 für möglich. In China vielleicht schon in gut zwei Jahren. Für europäische Plattformen erwartet er einen etwas späteren Zeitraum.

Prototypen erprobt, Gespräche mit OEMs

Das Konzept ist nach Angaben von Meiser über ein Mock-up hinaus: ZF verfüge bereits über funktionierende und erprobte Prototypen sowie Messdaten vom Prüfstand. Zusätzlich baue der Zulieferer aktuell ein Demonstrationsfahrzeug auf, mit dem sich der Antrieb erleben und erfahren lasse. „Wir sind sehr weit. Das Konzept hat eine robuste Prototypenreife erreicht“, sagt Meiser.

Mit ersten Automobilherstellern führe man bereits Gespräche. Ziel sei, ihnen das Konzept frühzeitig vorzustellen, damit sie es in ihre Plattformstrategien einbeziehen könnten. Meiser zufolge muss ZF gerade bei europäischen Herstellern noch Überzeugungsarbeit leisten: Häufig werde gefragt, ob das Konzept tatsächlich funktioniere – und zwar nicht nur mit Blick auf die Drehzahlfestigkeit, sondern vor allem auch hinsichtlich Akustik und NVH. Für ihn seien diese Fragen auch ein Hinweis darauf, dass derzeit zumindest in Europa kein direkt vergleichbares Produkt angeboten werde.

Aussagen, dass BYD an einem vergleichbaren Produkt arbeite, kennt Meiser. Er könne jedoch nicht beurteilen, ob der chinesische Hersteller die Hochdrehzahltechnik aus einer ähnlichen historischen Kompetenz im Getriebe- und Radsatzbau beherrsche.

Alles in allem ist Meiser überzeugt, dass sich der neue Antrieb gut skalieren lässt: „Wir sind preislich attraktiv, schaffen eine Differenzierung und stiften einen echten Mehrwert für unsere Kunden.“ Seine Formel dafür lautet: „Kompakt, leicht und preiswert.“