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Elektromobilität

Neun Neuheiten für Konstrukteure von E-Autos

| Redakteur: Lilli Bähr

Vom 48-V-Antrieb mit 30 kW für Voll-Hybrid-Fahrzeuge über zukünftige Bremssysteme, die den Kraftstoffverbrauch verbessern sollen bis zu umweltschonender Batterietechnik – wir zeigen neun Neuheiten zur Konstruktion von Elektrofahrzeugen.

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Das neue System aus E-Maschine mit integrierter Leistungselektronik sowie einer Batterie soll den Spritverbrauch senken und somit auch den CO2-Ausstoß gegenüber vergleichbaren Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor um rund 20 %.
Das neue System aus E-Maschine mit integrierter Leistungselektronik sowie einer Batterie soll den Spritverbrauch senken und somit auch den CO2-Ausstoß gegenüber vergleichbaren Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor um rund 20 %.
( Bild: Continental AG )

1. Voll-Hybrid-Fahrzeug mit 48-Volt-High-Power-Technologie

Continental setzt seit Jahren auf die 48-V-Elektrifizierung, welche sowohl bei Benzin- als auch Dieselmotoren Anwendung finden kann. Powertrain präsentiert nun eine neue Antriebslösung: den 48-V-High-Power-Antrieb mit 30 kW. Ein Voll-Hybrid-Fahrzeug mit 48-V-Technologie – bislang galt das als nicht realisierbar. Kann ein Hybrid-Fahrzeug auch rein elektrisch fahren, arbeitet der elektrische Teil des Antriebs üblicherweise mit Hochvolttechnik, also hohen Spannungen von bis zu 800 V. Den Ingenieuren von Continental jedoch ist es nun gelungen, ein 48-V-Hybridsystem zu entwickeln, das vergleichbare Merkmale wie ein Hochvolt-Elektroantrieb aufweist. Das neue System aus E-Maschine mit integrierter Leistungselektronik sowie einer Batterie soll den Spritverbrauch senken und somit auch den CO2-Ausstoß gegenüber vergleichbaren Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor um rund 20 %.

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Zugleich soll es deutlich kostengünstiger sein als die bislang verwendeten Hochvoltsysteme. „Unser Entwicklungsziel war es, mit 48-V-Technologie eine Fahreffizienz zu erreichen, wie sie bislang nur Hochvoltsystemen vorbehalten war. Das haben wir jetzt erreicht“, sagt Stephan Rebhan, Leiter Technology & Innovation Powertrain. Mit der neuen Technologie ermöglicht dieses Hybridsystem laut Unternehmen nun die gleiche Funktionalität wie bisherige Voll-Hybrid-Fahrzeuge. Die Schlüsselkomponente dabei ist eine neue, wassergekühlte Elektromaschine mit hohem Wirkungsgrad, deren Spitzenleistung im Vergleich zur bislang eingesetzten auf 30 kW verdoppelt werden konnte. Damit wird das rein elektrische Fahren bis zu einem Geschwindigkeitsbereich von 80 km/h bis 90 km/h möglich.

2. Richtig abdichten und abschirmen

Mit ihren Hochvoltsystemen und ihrer Leistungselektronik stellen Elektrofahrzeuge Automobilhersteller und deren Zulieferer vor besondere Herausforderungen in den Bereichen Abdichtung, Abschirmung elektrischer Störsignale und Thermomanagement. Mit Erfahrung auf diesen Gebieten sowohl bei Fahrzeugen als auch bei Elektroniksystemen aller Art bietet die Engineered-Materials-Group von Parker Hannifin ein umfangreiches Portfolio an Produkten und Lösungen speziell für E-Fahrzeuge im Bereich Abdichtung, Abschirmung und Wärmemanagement. Die Produkte sollen für zuverlässige und sichere Funktion bei Batterien, Antriebskomponenten und Bordsystemen sorgen.

3. Grundlage für zukünftige Bremsen

Chassis Brakes hat ein neues, trockenes Bremssystem vorgestellt. Das Brake-by-Wire-Smart-Brake-System soll die derzeit hydraulisch betätigten Bremssysteme ersetzen und Grundlage für zukünftige Bremssysteme autonom betriebener Fahrzeuge sein. Es soll eine vollumfängliche Bremsfunktionalität, inkl. Antiblockier- und Traktionskontrolle, sowie Parkbremsfunktion ermöglichen. In Kombination mit innovativen Steuerstrategien kann es dazu beitragen, den Bremsweg zukünftiger Fahrzeuge weiter zu verkürzen. Außerdem reduziert es das Restbremsmoment bei Nichtgebrauch der Bremse, was zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und damit zur Reduzierung der CO2-Emissionen beiträgt.

4. Energieversorgungssystem für Elektrofahrzeuge

Kyocera und BYD Japan Co. Ltd., die japanische Niederlassung des in China ansässigen Herstellers von Elektrofahrzeugen BYD Co. Ltd., geben ein gemeinsames Projekt zur Entwicklung eines integrierten Energieversorgungssystems aus erneuerbaren Energien für Elektrofahrzeuge bekannt. Aufgrund der Verwendung erneuerbarer Energien aus Photovoltaikanlagen von Kyocera und der Nutzung elektrischer Busse von BYD soll die Effektivität erneuerbarer Energien maximiert, Leistungsverluste erheblich reduziert und eine stabile Energiebilanz zwischen Angebot und Nachfrage aufrecht erhalten werden. Die beiden Unternehmen wollen so zu einem emissionsfreien Gesamtenergiezyklus beitragen.

5. Elektrischer 2-Gang-Antrieb für Pkw

Mit einer neuen elektrischen 2-Gang-Antriebslösung leitet ZF die nächste Stufe der Elektromobilität im Pkw-Segment ein. „Für den Alltagsnutzen von E-Autos ist es wichtig, so viel Reichweite wie möglich aus einer Batterieladung zu gewinnen “, sagt Bert Hellwig, Leiter des Systemhauses E-Mobility bei ZF. „Jedes Prozent Effizienz im Wirkungsgrad mündet in 2 % mehr Reichweite.“ Um den Wirkungsgrad des neuen elektrischen Achsantriebssystems zu erhöhen, entwickelte das Unternehmen eine neue elektrische Maschine mit 140 kW Maximalleistung, die ideal mit einem zweistufigen Schaltelement zusammenwirkt. „Die Verknüpfung unseres Know-hows im Bereich E-Maschine, Getriebe und Leistungselektronik stellt sicher, dass wir bereits ab Werk bestmögliche Reichweite pro Batterieladung anbieten“, sagt Hellwig. Fahrzeuge mit dem neuen 2-Gang-Antrieb haben einen geringeren Energieverbrauch, was wiederum im Vergleich zu einem einstufigen Aggregat zu einer Reichweitenerhöhung um bis zu 5 % führt. Der Gangwechsel erfolgt bei 70 km/h. Durch Anbindung an die CAN-Kommunikation des Fahrzeugs lassen sich jedoch auch andere Schaltstrategien entwerfen, die etwa an digitales Kartenmaterial und GPS geknüpft sind. Das Fahrzeug könnte z.B. anhand der im Navigationsgerät programmierten Route erkennen, wie weit die nächste Ladestation entfernt ist und vorausschauend in einen Eco-Modus wechseln. Ebenso wären effektivere Gangwechsel bei anspruchsvoller Topographie, auf der Autobahn und bei Überlandfahrten möglich. Zudem ließe sich die Software des Antriebs dank Vernetzung mit Cloud-Services zeitsparend via Over-the-Air-Updates aktualisieren.

6. Steckverbinder für den Einsatz in Elektro- und Hybridautos

Die Norma Group präsentiert mit dem EM Compact einen neuen Steckverbinder, der speziell für den Einsatz in Thermomanagementsystemen von Fahrzeugen mit Elektro- und Hybridantrieben entwickelt wurde. Der auf größtmögliche Kompaktheit optimierte EM Compact kann in Thermomanagementsystemen innerhalb und außerhalb der Batteriepacks von Elektro- oder Hybridfahrzeugen verwendet werden. Der neue E-Mobility-Steckverbinder soll für mehr Platz in der Batterie der Fahrzeuge sorgen. Dadurch können mehr Batteriezellen je Batteriepack verbaut und die Batterieleistung erhöht werden. Er besteht aus gewichtssparendem und robustem thermoplastischen Kunststoff.

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7. Alternative Lagertechnologien

Die Elektromotoren in elektrifizierten Antriebssträngen erreichen enorme Drehzahlen. Das heizt konventionellen Stahl-Lagern mächtig ein; lässt Hybridlager aber vergleichsweise kalt. Der Austausch konventioneller Lager gegen hybride Lösungen gelingt in aller Regel problemlos, da sie mit identischen Abmessungen verfügbar sind. Außerdem stecken in ihnen bereits konstruktive Optimierungen in Sachen Käfig und Fett. Doch auch die haben ihre Grenzen. Um den Kostendruck auf die E-Fahrzeughersteller zu minimieren, arbeitet SKF auch an einer alternativen Lösung ohne Keramikkugeln. Der Plan ist, die gefährlichen Ströme quasi um- bzw. abzuleiten, damit sie das Lager-Innenleben nicht beschädigen.

8. Bürstenloser Gleichstrommotor mit integrierter Elektronik

Borg Warners neueste Generation der Allradkupplung umfasst jetzt auch einen kompakten bürstenlosen Gleichstrommotor (Brushless Direct Current, BLDC-Motor) und voll integrierte Elektronik. Die entstandene Antriebseinheit ist laut Hersteller besonders langlebig und im Vergleich zu einer konventionellen AWD-Kupplung rund 15 % leichter. Die gewichtsreduzierte und leistungsstarke Konstruktion überzeugt laut Unternehmen durch ihre Ansprechzeiten sowie hohe Drehmomentdichte und -genauigkeit. Ein optimiertes Handling, mehr Fahrstabilität und verbesserte Traktion sind die Folge. Herzstück der Kupplung ist eine fliehkraftgesteuerte Kolbenpumpe mit sechs Kolben, die den hydraulischen Druck im System sowohl erzeugt als auch steuert. Um den BLDC-Motor aus dem Hause Borg Warner ergänzt, stellt die neue Kupplung mit ihrem optimierten Stopp/Start-Verhalten eine Schlüsselfunktion für alle Eco-Modus-Lösungen dar. Es ist zu erwarten, dass zur Systemoptimierung eingesetzte Motorsteuerungsalgorithmen zu neuen Aktuator-Anwendungen für Hybrid- und reine Elektrofahrzeuge führen.

Die Allradkupplung arbeitet unabhängig von der Laufgeschwindigkeit der zwei Achsen und ermöglicht je nach Straßenverhältnissen und Lastverteilung des Fahrzeugs eine volle Sperrwirkung. Für den Fahrer bedeutet dies eine permanente, zuverlässige und geschwindigkeitsunabhängige Drehmomentverteilung. Zur neuen Allradkupplung gehört eine integrierte elektronische Steuereinheit (Electronic Control Unit, ECU), die Kosten und Bauraum sparen soll. Außerdem sind ECU und Stator-Durchmesser aufeinander abgestimmt, was einen effizienten Montageprozess ermöglicht.

9. Batterietechnik–Alternative soll Kosten senken

Um Batterien künftig günstiger und umweltschonender herstellen zu können, haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden ein neues Produktionsverfahren entwickelt. Dabei beschichten sie die Elektroden der Energiespeicherzellen mit einem trockenen Film statt mit flüssigen Chemikalien. Das soll Energiekosten sparen und giftige Lösungsmittel in diesem Prozessschritt überflüssig machen. Ein finnisches Unternehmen erprobt die neue IWS-Technologie laut Institut bereits erfolgreich in der Praxis. Außerdem sollen sich damit Elektrodenmaterialien verwenden lassen, die sich nasschemisch kaum oder gar nicht verarbeiten lassen.

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