ZF EVSys800: kompakter und leichter 800-Volt-Antrieb

Zur Steigerung der Effizienz müssen elektrische Antriebsaggregate besonders kompakt sein. Nur so erreichen diese einen niedrigen Schwerpunkt und geringe Aufbauhöhen. Gleichzeitig stellt sich für die Fahrzeughersteller der schwierige Spagat zwischen geforderter Leistung und hoher Effizienz, um möglichst weit mit einer Batterieladung fahren zu können. Nicht nur diesen Herausforderungen will ZF mit dem EVSys800 begegnen. Dabei handelt es sich um einen modular aufgebauten 800-Volt-Antrieb bestehend aus einer Siliziumkarbid-Leistungselektronik, dem E-Motor und einem Reduktionsgetriebe.

Trotz seiner kompakten Bauform und des leichten Gewichts soll es laut Unternehmensmeldung nicht an Performance fehlen: Dem Konzeptfahrzeug – einem modifizierten Porsche Taycan – steht an der Hinterachse ein maximales Drehmoment von 5.200 Newtonmetern zur Verfügung (Anm. d. Red.: Drehmoment an der Hinterachse nach Getriebe und Endübersetzung, nicht mit Motor-Drehmoment zu verwechseln). Die  Drehmomentdichte beträgt den Angaben zufolge 70 Newtonmeter pro Kilogramm Antriebsgewicht. Die Dauer- und Spitzenleistung des E-Motors liegen bei 206 bzw. 275 Kilowatt. ZF erzielt somit Dauerleistungen von rund 75 Prozent der Spitzenleistung, was unter E-Fahrzeugen einen sehr hohen Wert darstellt, da die meisten Motoren im Vergleich zu ihrer Spitzenleistung nur sehr geringe Dauerleistungen aufweisen. So bietet das erste Tesla Model S 85D eine ähnliche Spitzenleistung von 270 kW, jedoch nur eine Dauerleistung von 69 kW.

Das angeflanschte Reduktionsgetriebe fällt durch die Verwendung eines doppelten Planetensatzes besonders schmal aus und ermöglicht geringe Abmaße der gesamten Einheit. Das Planetengetriebe sorgt nicht nur für die gewünschte Achsübersetzung, sondern übernimmt auch die voll integrierte Differenzialfunktion. Im Vergleich zu gängigen Offset-Konzepten, bei denen sich Antrieb- und Abtriebswelle nicht in der gleichen Achse befinden, sinken bei der koaxialen Lösung Gewicht und Bauraumbedarf.

Mit einem Gesamtgewicht von 74 Kilogramm ist EVSys800, normiert auf die gleiche Leistung wie der neueste ZF-800-Volt-Serienantrieb, rund 40 Kilogramm oder ein Drittel leichter und trägt damit deutlich zu den Gewichtseinsparungen des Konzeptfahrzeugs bei.

Die von ZF patentierte Wicklungstechnologie „Braided-Winding“ ist aus der Wellenwicklung des Statos hervorgegangen und spart bei gleicher Leistung 50 Millimeter Bauraum in der Breite ein, was und einen platzsparenden, koaxialen Einbau auf der Antriebsachse ermöglicht. Allein der Wickelkopf wird dabei bis zu 50 Prozent kleiner als bei herkömmlichen Ansätzen. Damit werden rund zehn Prozent Kupfer gespart. Um den Motor auf Betriebstemperatur zu halten, geht man mit der Öl-Direktkühlung neue Wege. Zur Kühlung lässt man die Kupferstäbe direkt mit Öl umfließen – genau an der Stelle, an der die meiste Wärme während des Betriebs entsteht. Da die Wärme direkt im Motor abgeführt wird, erhöht sich die die Performance, zudem kann auf den Einsatz schwerer Seltener Erden verzichtet werden. Diese werden anderenfalls benötigt, um die Effizienz auch bei heißerem Motor zu halten.

Weil die Effizienz eines E-Motors von seinen thermischen Betriebspunkten abhängt, ist es wichtig, diese stets im optimalen Bereich zu halten: Bei niedrigen Geschwindigkeiten und hohem Drehmomentbedarf liegt der optimale thermische Betriebspunkt sehr niedrig, während bei hohen Geschwindigkeiten mit niedrigem Drehmomentbedarf hohe Temperaturen kein Problem darstellen. Die thermischen Verhältnisse lassen sich allerdings nicht kurzfristig herstellen.

Eine Cloud-Software kann aus den individuellen Fahrprofilen vorausschauend die optimalen Betriebspunkte ableiten und das System entsprechend darauf vorbereiten. Sie „lernt“ das Verhalten der Fahrerinnen und Fahrer. So werden zum Beispiel bei erkannter Kurzstrecke die Klimatisierung und Systemkühlung reduziert. Das ist insbesondere wertvoll, wenn es darum geht, vor der Fahrt eine ebenso genaue wie praxisnahe Reichweite zu errechnen, die dann auch verlässlich eingehalten wird.

Ab 2026 werden die ersten Technologien des neuen ZF-Antriebs am Markt verfügbar sein.