ZF präsentiert EVbeat-Konzeptfahrzeug mit Prototyp des neuen 800

May 20, 2023

Auf seinem Global Technology Day in Friedrichshafen stellte ZF das Elektro-Konzeptfahrzeug EVbeat vor, das auf maximale Kompaktheit, geringes Gewicht und höchste Effizienz im Realbetrieb ausgelegt ist. Bei diesem ZF-Elektrofahrzeug wurden die Komponenten eines E-Antriebsstrangs optimiert und zu einem ganzheitlichen System zusammengefasst. Dazu gehören der 74 kg leichte und ultrakompakte Antriebsstrang mit einer Drehmomentdichte von 70 N·m/kg, ein ganzheitliches Thermomanagement und eine cloudvernetzte Antriebssoftware.

EVbeat-Konzeptfahrzeug

Bei kalten Temperaturen um den Gefrierpunkt erhöht sich die Reichweite im realen Betrieb im Vergleich zur aktuellen Technologie um bis zu ein Drittel.

Das Konzeptfahrzeug ZF EVbeat basiert auf einem Porsche Taycan und nimmt führende Serientechnologie von ZF und anderen Marktteilnehmern als Maßstab.

EVSys800 E-Antrieb. Der im Konzept eingesetzte EVSys800 ist ein modularer 800-Volt-Antrieb und besteht aus einer SiC-Leistungselektronik, dem Elektromotor und einem Untersetzungsgetriebe. Trotz seines äußerst kompakten Designs und seines geringen Gewichts spart der EVbeat nicht an Leistung. An der Hinterachse steht dem Konzeptfahrzeug ein maximales Drehmoment von 5200 Nm zur Verfügung – und das bei einer für straßenzugelassene Pkw einzigartig hohen Drehmomentdichte von 70 Nm pro Kilogramm. Die Dauer- und Spitzenleistung des Elektromotors beträgt 206 bzw. 275 Kilowatt – ZF erreicht damit eine Dauerleistung von rund 75 % der Spitzenleistung.

EVSys800

E-Motor-Stator mit neuer Flechtwicklung.

Mit einem Gesamtgewicht von 74 Kilogramm ist der EVSys800, normiert auf die gleiche Leistung wie der neueste 800-Volt-Serienantrieb von ZF, rund 40 Kilogramm bzw. 30 % leichter und trägt damit maßgeblich zur Gewichtseinsparung des Konzeptfahrzeugs bei.

Wesentlich dafür ist der Elektromotor mit neuem Kühlkonzept und neuer Wickeltechnik. Zur Kühlung lässt ZF die Kupferstäbe direkt an der Stelle mit Öl umströmen, wo im Betrieb die meiste Wärme entsteht. Eine solche hocheffiziente Kühlung steigert die Leistung bei gleichem Gewicht und Bauraum deutlich.

Zudem kann auf den Einsatz schwerer Seltener Erden verzichtet und der Elektromotor nachhaltiger produziert werden. Die von ZF entwickelte und patentierte „Braided Winding“-Technologie ist eine Weiterentwicklung der Wellenwicklung und ermöglicht insgesamt 10 % weniger Bauraum. Allein der Wickelkopf ist bis zu 50 % kleiner als bei herkömmlichen Ansätzen. Dadurch werden rund 10 % Kupfer eingespart.

Der Wechselrichter des Elektroantriebs wurde grundlegend überarbeitet und alle wesentlichen Komponenten grundlegend überarbeitet. In den Bereichen elektromagnetische Verträglichkeit, Leistungsmodule und Kondensatoren konnten jeweils deutliche Verbesserungen hinsichtlich Bauraum, Gewicht und Nachhaltigkeit erzielt werden.

Wechselrichter mit SIC-Technologie

Ein neues, koaxiales Untersetzungsgetriebe überträgt die Antriebskräfte des Elektromotors über zwei Planetenradsätze. Sie erzeugen nicht nur die gewünschte Achsübersetzung, sondern übernehmen auch die vollintegrierte Differenzialfunktion.

Koaxiales Untersetzungsgetriebe

Im Vergleich zu herkömmlichen Offset-Konzepten, bei denen An- und Abtriebswelle nicht auf der gleichen Achse liegen, reduziert die koaxiale Lösung Gewicht und Bauraumbedarf, ohne Kompromisse bei Effizienz, Geräuschentwicklung und Vibration einzugehen. In Kombination mit der Braided Winding-Technologie kann dieser Antrieb deutlich kürzer gebaut werden und ermöglicht so den Einbau in nahezu jeden Fahrzeugbauraum.

Wärmemanagement. Die Temperierung eines Fahrzeugs kann im Winter einen erheblichen Anteil seines Energiebedarfs ausmachen, der insbesondere beim Aufheizen zwischen drei und sechs Kilowatt betragen kann. Angenehme Kühle im Sommer und Wärme im Winter sind wichtige Wohlfühlfaktoren für die Bewohner. Auch für die Leistung des Elektromotors, der Leistungselektronik und der Batterie ist die richtige Temperatur ein wesentlicher Faktor.

TherMaS

Das erste von ZF für Elektrofahrzeuge entwickelte zentrale Thermomanagementsystem (TherMaS) ist in das Konzeptfahrzeug EVbeat integriert. TherMaS nutzt eine Zentraleinheit und intelligente Software zur Steuerung aller thermischen Prozesse für den Antriebsstrang und den Fahrgastraum. Das neue Design reduziert den Platzbedarf und das Gewicht im Vergleich zu bisherigen Ansätzen zum Kühlen und Heizen von E-Autos deutlich. Auch eine 800-Volt-Wärmepumpe auf Propanbasis benötigt deutlich weniger Energie. Da es kompakt und einfach im Design ist, lässt es sich problemlos in Fahrzeuge integrieren.

Das TherMaS-Konzept verfügt erstmals über drei ausgewiesene Kreisläufe: Im Zentrum steht der sehr kleine Kältemittelkreislauf. Dieser ist vorgefüllt und hermetisch verschlossen und daher wartungsfrei. Darüber hinaus weist das Konzept keine Schnittstellen zu anderen Fahrzeugbereichen wie dem Innenraum auf. ZF verwendet das fluorfreie, natürliche Kältemittel Propan.

Obwohl nur noch die Hälfte des bisherigen Kältemittels verbraucht wird, erhöht sich die Kühlleistung im Vergleich zu heute üblichen Kältemitteln um den Faktor zwei. Der zentrale Kältemittelkreislauf bedient bei Bedarf zwei separat steuerbare Kühlkreisläufe, in denen wie gewohnt frostgeschütztes Wasser fließt: Der erste ist für die vergleichsweise hohen Temperaturen des Elektromotors ausgelegt, während der zweite die Temperatur der Leistungs- und Ladeelektronik regelt. Die Steuerungssoftware regelt die Kühlleistung.

Durch dieses ganzheitliche Thermomanagement erhöht sich die Reichweite des EVbeat im anspruchsvollen Winterbetrieb um bis zu ein Drittel. Die deutlich bessere Kühlleistung ermöglicht die höhere Dauerleistung der E-Maschine.

Powertrain-Software: Fahrzeugantrieb und Cloud effizient vernetzen. Die Eigenschaften der Hardwaresysteme legen eine wichtige Grundlage für den nachhaltigen Betrieb des Fahrzeugs; ihre optimale Orchestrierung erfolgt über die Software. ZF hat eine eigene Antriebssoftware entwickelt, die alle Fahrzeugsysteme miteinander vernetzt und die Verbindung zur ZF-Cloud herstellt.

Da der Wirkungsgrad eines Elektromotors von seinen thermischen Betriebspunkten abhängt, ist es wichtig, diese jederzeit im optimalen Bereich zu halten: Bei niedrigen Drehzahlen und hohen Drehmomentanforderungen liegt der optimale thermische Betriebspunkt sehr niedrig, bei hohen Drehzahlen hingegen bei geringe Drehmomentanforderungen, hohe Temperaturen sind kein Problem. Allerdings können die thermischen Bedingungen nicht kurzfristig hergestellt werden. Die Antriebssoftware von ZF kann aus den einzelnen Fahrprofilen die optimalen Betriebspunkte antizipieren und das System entsprechend vorbereiten.

Es lernt das Verhalten von Fahrern und kann über einen KI-basierten Cloud-Dienst die Wahrscheinlichkeit einzelner Fahrprofile vorhersagen. Beispielsweise werden die Klimatisierung und die Systemkühlung reduziert, wenn kurze Entfernungen erkannt werden.

Auf dieser Basis kann das Assistenzsystem dem Fahrer auch direkt Hinweise zum effizienten Einsatz des Elektrofahrzeugs geben. Angezeigt werden beispielsweise effiziente Beschleunigung und Verzögerung sowie eine optimierte Höchstgeschwindigkeit. Dies ist besonders wertvoll, wenn es darum geht, vor der Fahrt eine genaue und praxisgerechte Reichweite zu berechnen.

Gepostet am 30. Juni 2023 in 800 V, Elektrik (Batterie), Motoren, Leistungselektronik, Fahrzeugsysteme | Permalink | Kommentare (0)