Materialien auf Biobasis für nachhaltige Innenraumlösungen
Bremsscheiben und -beläge mit längerer Lebensdauer
Batteriesystem mit integrierter Feuerlöschfunktion
Lithium-Metall-Festkörperbatteriezellen validiert
FACHWISSEN
46. Motorensymposium Wien
In Wien wurde auch dieses Jahr über alle Themen diskutiert, welche aktuell den Strassenverkehr beschäftigen. Interessanterweise spricht die Industrie immer noch von synthetischen Treibstoffen, die in China ein grosses Thema sind.
TECHNIK
Lenksäule weicht Kabeln
Mercedes-Benz will nächstes Jahr ein Steer-by-Wire-System mit einem flacheren Lenkrad-Design in die Serie bringen.
Dauerpower dank Kühlsystem
Am Fraunhofer IZM entstand ein Wechselrichter, der hohe Energiemengen bei geringer Induktivität auf kleinstem Raum verarbeitet.
Eines für viele
Im Zentrum von Hyundais Hybridsystem der nächsten Generation steht ein zwei E-Maschinen einschliessendes Hybridgetriebe.
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Materialien auf Biobasis für nachhaltige Innenraumlösungen in Elektrofahrzeugen der Einstiegsklasse
Das Schweizer Cleantech-Unternehmen Bcomp hat sich mit Kia zusammengetan, um seine innovativen «ampliTex»-Naturfaserverbundwerkstoffe in wichtigen Komponenten des Innenraums des neuen elektrischen SUV Kia Concept EV2 einzusetzen. Mit dem Concept EV2 demonstrieren Kia und Bcomp das Potenzial für den grossflächigen Einsatz von biobasierten Verbundwerkstoffen jetzt auch in erschwinglichen Elektrofahrzeugen und wollen damit den Weg für eine breitere Integration in Serienfahrzeuge ebnen. Durch den Ersatz konventioneller synthetischer Materialien durch «ampliTex» setzt das Concept EV2 auf verantwortungsbewusste Designentscheidungen, ohne dabei Kompromisse bei Leistung oder Ästhetik einzugehen.
Die Lösungen von Bcomp sind von Natur aus zirkulär und bieten
BREMBO
Kia Concept EV2: Für die Rücksitzschale und die Vordersitz-Unterstrukturen kommt «ampliTex» des Schweizer Cleantech-Unternehmens Bcomp zum Einsatz.
auch am Ende des Lebenszyklus Vorteile, die einen umweltbewussteren Ansatz bei der Gestaltung des Fahrzeuginnenraums unterstützen. Dazu zählt beispielsweise das Recycling der Komponenten zu Verbundstoffgranulat – einem neuen Basismaterial –, das ein zweites Leben ermöglicht. Die
einzigartigen Eigenschaften von «ampliTex», das aus Flachsfasern gewonnen wird, verbessern jedoch nicht nur die Nachhaltigkeit, sondern bieten auch Leistungsund Funktionsvorteile, wie z. B. geringes Gewicht und verbesserte Haltbarkeit, und schaffen gleichzeitig eine raffinierte Ästhetik, die
den Innenraum aufwertet. Das Kia-Team verwendete «ampliTex» speziell für die Rücksitzschale und die Vordersitz-Unterstrukturen des Concept EV2.
Aufbauend auf der früheren Zusammenarbeit von Bcomp mit Kia bei den Modellen Concept EV3 und Concept EV4 bringt das Concept EV2 biobasierte Materialien auf den Massenmarkt und bietet eine Alternative zu Kunststoff und Kohlefaser, während es die Elektromobilität zugänglicher und umweltfreundlicher macht. Mit der voraussichtlichen Markteinführung des Concept EV2 im Jahr 2026 signalisiert diese Zusammenarbeit eine vielversprechende Zukunft für die Verwendung biobasierter Materialien in der Fahrzeugpalette von Kia, die eine Mischung aus Erschwinglichkeit, Zweckmässigkeit und innovativen Designmerkmalen bietet. (pd/sag)
Neue Bremsscheiben und -beläge mit längerer Lebensdauer, geringeren Emissionen und höherer Leistung
Brembo hat das Greentell-Set vorgestellt, das aus einer neuen Bremsscheibe plus Belägen besteht, die sich durch hervorragende Leistung, höhere Lebensdauer, Korrosionsbeständigkeit und reduzierte Emissionen auszeichnen. Eine umfassenden LCA-Studie (Life Cycle Assessment), die von einem unabhängigen Institut überprüft wurde, bescheinigt den Produkten eine Verringerung der Umweltbelastung um bis zu 85 %.
Hinter Greentell steht eine zum Patent angemeldete nickelfreie Zweischichtbeschichtung, die mit Hilfe der Laser-Metal-DepositionTechnologie (LMD) aufgebracht wird. Dank eines datengesteuerten Verfahrens hat Brembo diese Technologie über einen langen Zeitraum hinweg verfeinert und LMD vollständig in die Produktionsanlagen integriert. Durch die
Brembos Greentell-Set für die Erstausrüstung zeichnet sich durch längere Lebensdauer, Korrosionsbeständigkeit, geringere Emissionen und höhere Leistung aus.
Bild: Brembo
doppelte Beschichtung im LMDVerfahren und in Verbindung mit den spezifischen Bremsbelägen werden Widerstandsfähigkeit und Haltbarkeit der Scheibe deutlich erhöht, ohne dass die Leistung beeinträchtigt wird. Die Beschichtung kann auf unterschiedliche Scheibentypen aufgetragen werden. In Kombination mit den Bremsbelägen wird der Oberflächenverschleiss im Vergleich zu
einer entsprechenden unbeschichteten Gussscheibe um 80 % reduziert. Die Scheibe ist mit einer Easy-Check-Kennzeichnung mit dem Brembo-Schriftzug versehen, kann aber auch mit dem Logo des Automobilherstellers personalisiert werden. Sobald das EasyCheck-Bild auf der Bremsfläche verblasst, sollte die Bremsscheibe ausgetauscht werden. Im Hinblick auf die Euro-7Abgasnorm mit ihren Emissionsvorschriften für das Bremssystem werden ausserdem die Feinstaubemissionen beim Bremsen durch das Greentell-Set deutlich – um bis zu 90 % – reduziert. Darüber hinaus hat das Unternehmen einen eigenen Prüfstand zur Staubmessung entwickelt, der zu den fortschrittlichsten Prüfständen für die Untersuchung von Partikelemissionen gehört. (pd/sag)
Batteriesystem mit integrierter Feuerlöschfunktion zur Verhinderung des thermischen Durchgehens
Hyundai Mobis hat ein Batteriesystem mit integrierter Feuerlöschfunktion entwickelt: Wenn eine Batteriezelle Feuer fängt, wird ein Löschmittel versprüht. Damit geht die Lösung über die blosse Verzögerung des thermischen Durchgehens mittels hitzebeständiger Materialien hinaus, indem sie das thermische Durchgehen gar nicht erst entstehen lässt.
Das System besteht aus einem Batteriemanagementsystem, einer Hardware (Feuerlöschgerät und Batteriegehäuse) sowie einer Softwarelogik, die diese steuert. Auf der Grundlage der von Sensoren in Echtzeit erfassten Daten analysiert das System die Temperatur und die Spannung der Batterie sowie den Druck innerhalb des Batteriesystems, um etwaige Anomalien festzustellen. Es legt dann den Ort fest, an dem das Löschmittel versprüht werden soll, und gibt
STELLANTIS / FACTORIAL ENERGY
dem Feuerlöschgerät den Befehl zum Einsatz. Die Software ist darauf ausgelegt, schnelle und genaue Entscheidungen zu treffen, um alle physikalischen Veränderungen, die im Batteriesystem auftreten können, zu berücksichtigen. Da-
zu verfügt die Entscheidungslogik von Hyundai Mobis über mehrere Sicherheitsvorrichtungen und eine redundante Algorithmenstruktur. Das Batteriesystem ist mit einem Feuerlöschmittel ausgestattet, das die fünffache Kapazität eines 3.3 kg
schweren Hausfeuerlöschers hat. Es handelt sich dabei um einen Stoff mit hervorragenden Kühl-, Isolier- und Durchlässigkeitseigenschaften, der sowohl für die Umwelt als auch für den menschlichen Körper unschädlich ist.
Im gleichen Zusammenhang hat Hyundai Mobis vor kurzem ein neues Material entwickelt (und konzentriert sich derzeit auf dessen Vermarktung), das eine Batterieüberhitzung verhindert. Dieses Material, das als pulsierendes Wärmerohr bezeichnet wird, besteht aus einer Aluminiumlegierung und einem Kühlmittel. Wenn es zwischen den Batteriezellen platziert wird, kann es die Innentemperatur des Batteriesystems senken. Es soll künftig als Wärmemanagementsystem eingesetzt werden, das die Wärme auch während des Schnellladens zuverlässig bewältigen kann. (pd/sag)
Lithium-Metall-Festkörperbatteriezellen mit hoher
Energiedichte für den Automobileinsatz validiert
Stellantis und Factorial Energy haben die erfolgreiche Validierung von Factorials FEST-Festkörperbatteriezellen (Factorial Electrolyte System Technology) in Automobilgrösse für die Nutzung in Fahrzeugen bekanntgegeben. Dieser Erfolg sei ein bedeutender Schritt auf dem Weg zur Markteinführung der nächsten Generation von Batterien für Elektrofahrzeuge. Die validierten 77-Ah-FEST-Zellen zeigten eine Energiedichte von 375 Wh/ kg mit mehr als 600 Zyklen auf dem Weg zur Zulassung für den Einsatz im Auto. Dies ist ein Meilenstein für grossformatige Lithium-MetallFestkörperbatterien. Die Zellen ermöglichen eine deutliche Verkürzung der Ladezeit: von 15 % auf über 90 % Ladung in nur 18 Minuten bei Raumtemperatur. Darüber hinaus liefern sie eine hohe Leistung mit Entladeraten von bis zu 4C, was
Stellantis will die nun erfolgreich für die Nutzung in Fahrzeugen validierten Festkörperbatterien von Factorial bis 2026 in eine Demonstrationsflotte integrieren.
höhere Leistungsanforderungen in Elektrofahrzeugen unterstützt. Mithilfe auch KI-gesteuerter Tools entwickelte Factorial die neueste Elektrolytformulierung, die den Betrieb der Batterie bei Temperaturen von –30 °C bis +45 °C ermöglicht, was die bisherigen Einschränkungen von Festkörper-
batterien übertrifft und die Möglichkeit für bessere Leistungen in den unterschiedlichsten Klimazonen eröffnet.
Durch die enge Zusammenarbeit beim Design der Batterie und bei der Nutzung der neuen Technologie optimieren Stellantis und Factorial die Architektur der
Batteriepacks, um das Gewicht zu reduzieren und die Gesamtsystemeffizienz für eine nahtlose Integration zu optimieren. Diese Gewichtseinsparungen verbessern die Reichweite der Fahrzeuge unmittelbar und unterstützen nachhaltigere und erschwinglichere Elektrofahrzeuge. Aufbauend auf der Investition von 75 Millionen Dollar von Stellantis in Factorial Energy im Jahr 2021 stärkt dieser Meilenstein die strategische Zusammenarbeit zwischen den beiden Unternehmen. Mit diesem Erfolg will Stellantis seinen zuvor angekündigten Plan vorantreiben, die Festkörperbatterien von Factorial bis 2026 in eine Demonstrationsflotte zu integrieren, was einen weiteren Schritt in Richtung der Kommerzialisierung dieser vielversprechenden Technologie darstellt. (pd/sag)
Das neue System verhindert, dass die Hitze auf benachbarte Zellen übertragen wird, und löscht ein Feuer frühzeitig, indem es ein Mittel versprüht.
Bild:
Stellantis
Entwicklungen auf vielen Gebieten
In Wien wurde auch dieses Jahr über alle Themen diskutiert, welche aktuell den Strassenverkehr beschäftigen. Interessant bleibt, dass die Industrie immer noch von synthetischen Treibstoffen spricht und dass diese z. B. gerade in China ein grosses Thema darstellen. Auch die Range-ExtenderHybrid-Fahrzeuge verbreiten sich in China. Eine Technologie, welche in Europa bisher nicht Fuss fassen konnte.
Das diesjährige Internationale Wiener Motorensymposium (IWM) widmete sich erneut der gesamten Mobilität. So wurde die Problematik der Energiebereitstellung breit und ausführlich diskutiert. In den wirtschaftlichen Abschnitten der Vorträge war es interessant zu sehen, dass kaum noch über Europa oder generell den Westen gesprochen wird. In China werden mehr als zwei Drittel der Fahrzeuge verkauft, also werden neue Autos für China, wenn nicht auch gleich in China entwickelt und hergestellt. China beherbergt aber nicht nur westliche Industriekonzerne, in Wien wurden hervorragende chinesische Entwicklungen vorgetragen, welche zeigen, dass dort häufig auch B gesagt wird, wenn A gesagt wurde. So wurde von Dr. Yuan Shen, SVP & CTO der Zhejang Geely Holding Group Co, ein aufschlussreicher Vortrag gehalten, in welchem er erklärte, wie China nicht nur die Methanolfahrzeuge
dieses Jahr der Brennstoffzellenversuchslastwagen. fördert, sondern eben auch die Entwicklung und Produktion von nachhaltigem Methanol vorantreibt. An anderer Stelle wurden die synthetischen Treibstoffe untereinander und mit den fossilen Treibstoffen verglichen, ausserdem ist viel über Wasserstoffantriebe – im Speziellen für die Nutzfahrzeuge und Offroadfahrzeuge – gesprochen worden. BEV, PHEV, HEV und auch EREV (Electric Range Extender Vehicles) wurden erwähnt, gerade weil Letztere in China offenbar zu einem Markttrend werden könnten, und elektrische Maschinen,
Leistungselektronik, Batterietechnik und Thermomanagement kamen in Wien ebenfalls nicht zu kurz.
Energiebereitstellung
Prof. Dr. rer. nat. Werner Tillmetz stellte seinen Vortrag unter den lustigen oder vielleicht eher provokativen Titel: «Grüner Strom kommt aus der Steckdose, jederzeit und so viel wir brauchen – oder?» Er sprach davon, dass die Sonnenenergie, welche täglich auf die Erde einstrahlt, für deren Energieverbrauch längstens aufkommen könnte, dass aber die Sonnenenergie dort aufgefangen werden müsste, wo sie am meisten und im richtigen Winkel einstrahlt. So würde der afrikanischen Gürtel der Sahara für den Energiebedarf von ganz Westeuropa ausreichen. Dort könnte auch Strom zum Preis von ungefähr einem Rappen pro Kilowattstunde erzeugt werden. In den westeuropäischen Breitengraden wäre die Produktion natürlich längst nicht so effizient. Wind- und Sonnenenergie treten nur sporadisch auf und müssen aus diesem Grund gespeichert werden. Batteriespeicher dienen nur für kurze Zeitabschnitte, also müsste die Energie chemisch umgewandelt werden – und da ist in der ersten Stufe eigentlich fast immer
Bild2: Univ.-Prof. Dr. Bernhard Geringer ist der Hauptorganisator des Motorensymposiums und Vorsitzender des österreichischen ÖVK.
Bild 3: Univ.-Prof. Dr. Helmut Eichlseder ist Vorstand des Institutes für Thermodynamik und nachhaltige Antriebssysteme an der TU Graz und Co-Leiter des IWM.
Bild 1: Traditionsgemäss sind vor der Wiener Hofburg die Entwicklungsfahrzeuge des Grazer Entwicklungsdienstleisters AVL ausgestellt. Grosses Interesse fand
der Wasserstoff anzuschauen. Der Wirkungsgrad der Elektrolyse ist zwar nicht berauschend, aber wenn die Rohenergie einfach da sei und das auch noch äusserst günstig, könne ein etwas schlechterer Wirkungsgrad wohl akzeptiert werden. Als Zwischenstufe sei Wasserstoff immer sinnvoll, weil er wirklich viel Energie speichern kann. Ob der Wasserstoff dann transportiert oder gespeichert werde, müsse aber von Fall zu Fall angeschaut und durchgerechnet werden. Wasserstoff ist nicht nur gefährlich, er diffundiert auch sehr leicht und kann aus diesem Grund nicht besonders gut transportiert oder gelagert werden. Da drängt sich die weitere chemische Verarbeitung in eine Flüssigkeit (E-Methanol, Ammoniak,
Syn-Fuel oder Ähnliches) auf. Diese wäre dann problemlos speicher- und transportierbar, die Infrastruktur zum Vertrieb wäre weltweit vorhanden und die Motoren könnten diese alternativen Treibstoffe ohne oder mit geringen Anpassungen verarbeiten.
Natürlich ist wirkungsgradmässig der direkte Verbrauch der Elektrizität in den Fahrzeugen am effizientesten. Dazu brauche es aber auch die entsprechenden Fahrzeuge und Ladeeinrichtungen. Dazu käme, dass das Gratisladen nicht mehr aktuell ist. Und wenn an öffentlichen Ladestationen die Kilowattstunde mit bis zu einem Franken vergütet werden muss, dann ist die Elektromobilität trotz der guten Wirkungsgrade nicht konkurrenz-
fähig. Braucht ein Fahrzeug 15 kWh/100 km à 1 Franken, kostet das 15 Franken. Braucht ein Benzin- oder Dieselfahrzeug auf 100 km 5 l à 1.80 Franken, so kosten 100 km nur 9 Franken, also etwas mehr als die Hälfte. Somit rechnet sich das elektrische Fahren nur für Leute mit einer privaten Wallbox zu Hause. In diesem Zusammenhang wurde von einem Teilnehmer in einer Fragerunde der Satz kreiert: «Demzufolge ist heute privilegiert, wer ein E-Fahrzeug fahren darf.»
Auch zum Wasserstoff wurde von einem der Fragerundenteilnehmer eine Bemerkung gemacht, über die es sich durchaus nachzudenken lohnt: Er sagte, dass es für die Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas 7,8-mal weniger Energie brauchen würde als für den Betrieb der Elektrolyse, und wenn dazu noch 15 % mehr Methangas eingesetzt würden, könnte auch der Restkohlenstoff abgesondert werden.
Treibstoffvergleich
Dipl.-Ing. Marc Sens von der deutschen IAV (Ingenieurgesellschaft Auto & Verkehr) hat sich intensiv mit den verschiedenen synthetischen Treibstoffen auseinandergesetzt. Vor allem hat er sich die Wirkungsgrade bei chemischen Umwandlungen angesehen. Dabei ist er davon ausgegangen, dass die grüne elektrische Energie «einfach aus der Steckdose kommt». Dies war für seine Untersuchung vernünftig, denn er hat über die Eigenschaften der Herstellung, des Transports und des Verbrauchs der verschiedenen Energieträger berichtet (Bild 4). Interessant ist, dass anfänglich die Gesamtwirkungsgrade nicht allzu sehr erstaunen. Wenn aber dann die Details mitberücksichtigt werden, verdeutlichen sich gewisse Unterschiede. Häufig ist es aber so, dass sich die Unterschiede gleich wieder verändern, wenn ein Produkt an einem anderen Ort hergestellt wird, weil dann z. T. komplexe Transportwege mitberechnet werden müssen. Es wurden verschiedene Herstellungsverfahren der synthetischen Treibstoffe mitberücksichtigt, und bei der Optimierung der Verbrennungsmotoren wurden auch die unterschiedlichen Eigenschaften der Treibstoffe angeschaut (Bild 5). Bezüglich des CO2-Potenzials ist Methanol aufgrund des Molekülaufbaus leicht besser als Benzin und Diesel. Die kohlenstofffreien Moleküle weisen natürlich kein CO2-Potenzial auf. Die Zündtemperaturen von Wasserstoff und Ammoniak sind signifikant höher als jene von Benzin und
Bild 4: Die deutsche IAV hat ein sehr aufwendiges Computerprogramm entwickelt, mit welchem die verschiedenen alternativen Treibstoffe miteinander verglichen werden können.
Bild 5: Ebenfalls von der IAV stammt die Zusammenstellung der Treibstoffeigenschaften, wenn sie in einem Verbrennungsmotor in Energie umgewandelt werden.
Diesel. Dies hat Einfluss auf die Brennverfahren, auf die Klopfneigung und grundsätzlich das Brennverhalten. Die Zündenergie unterscheidet sich gerade zwischen Wasserstoff und Ammoniak extrem. Dies hat ebenfalls Einfluss auf das Brennverfahren, die Zündanlage und auf Glühzündungen. Die Klopffestigkeit von Ammoniak und Wasserstoff sind sehr gut, aber auch Methanol hat noch einen bedeutenden Abstand zu Benzin. Die Verdampfungswärme von Methanol und Ammoniak sind sehr hoch. Dadurch kann die Kompressionswärme zur Verdampfung des Treibstoffes gut aufgenommen und so der ganze Prozess gekühlt werden. Zu all diesen Eigenschaften wurden die motorischen Anpassungen softwaremässig erfasst, und so konnten die motorischen Wirkungsgrade sehr realistisch in die Rechnungen einfliessen.
Bei der Untersuchung wurde die Beimischbarkeit zu Benzin oder Diesel nicht berücksichtigt.
Natürlich sind, wenn sich die Politik nicht wesentlich bewegt, solche Blendings gar nicht von Bedeutung. Dann werden aber auch synthetische Treibstoffe kaum von Bedeutung sein.
Elektrische Maschinen
Elektrische Maschinen sind älter als das Auto. Aus diesem Grund sind die Grundlagenforschungen gemacht und bekannt. Die Maschinen aber auf die Ansprüche der Autos anzupassen, das ist heute die Aufgabe der Entwicklungsingenieure. Und da diese immer noch etwas weiter denken, verwirklichen sie auch immer wieder neue Ideen. So ist der Axialflussmotor etwas Spezielles. Dieses Motorenkonzept wird bei Mercedes-Benz nächstes Jahr in Serie gehen. Dr. Torsten Eder, Vice President Electrified Drive Systems der Mercedes-Benz AG, verspricht, dass dieses Aggregat den V8-Motor der elektrischen Ära darstellen werde. Das Münchener
Bild 6: Deep Drive zeigt erstmals das Schnittmodell der Doppelrotor-Radialmaschine mit den intelligent eingelegten Hairpin-Kupferstäben im Stator.
Bild 7. Die am meisten verbreiteten E-Maschinen sind nach wie vor die permanenterregten Synchronmaschinen.
Start-up Deep-Drive verschreibt sich ganz dem Radialfluss-Doppelrotormotor (siehe Bild 6 und AUTO&Technik 10/2024). Das Unternehmen optimiert die Maschine im Moment auch im Generatorbereich und will sie für Range-ExtenderFahrzeuge einsatzbereit machen.
Mercedes-Benz hat für den neuen CLA an der Hinterachse eine Antriebseinheit entwickelt, welche über eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem Hairpin-Stator und im Rotor v-förmig vergrabenen Permanentmagneten verfügt. Der Selten-Erden-Anteil der Magnete betrage nur 0.13 %, versicherte der Referent, Dr. Norbert Merdes. Speziell am Antrieb sind aber auch die zwei Planetensätze, welche
Bild 8. Die Axialflussmaschine, wie sie nächstes Jahr bei AMG eingebaut werden soll.
Bild 9. Betriebskennfeld des E-Antriebs im Mercedes CLA mit einem 2-GangGetriebe auf der Hinterachse. Im zweiten Gang halbiert sich die Motordrehzahl, deshalb verschieben sich auch die Wirkungsgradmuscheln beträchtlich.
das Antriebsdrehmoment bzw. die -drehzahl über zwei verschiedene Getriebestufen zum Achsantrieb fliessen lassen. Der erste Gang ist 11 : 1 untersetzt und wird mit einer Klauenkupplung betätigt; der nur 5 : 1 untersetzte zweite Gang wird durch Lamellenkupplungen geschaltet. Durch die Planetengetriebe bleibt der Antrieb kompakt, bringt aber ein extrem hohes Anfahrdrehmoment (welches gemäss Bild 9 wohl softwaremässig begrenzt ist), aber im zweiten Gang auch gute Betriebspunkte unterhalb des Feldschwächebereichs bei hohen Fahrgeschwindigkeiten. Auf diese Weise kann die Antriebseffizienz hochgehalten werden. Einerseits wird der Bestwert von gegen 93 % (hellgelber Bereich in Bild 9) sowohl im städtischen und Überlandbetrieb, aber dann – im zweiten Gang – auch bei höheren Geschwindigkeiten erreicht. Auf diesen Antrieb darf man, auch wegen der 800-Volt Architektur und der zwei unterschiedlichen Batterien, gespannt sein. Die eine Batterie mit 85 kWh ist mit der NMC-Zellchemie (Nickel-Mangan-Kobalt) aufgebaut, die andere mit 58 kWh mit der LFP-Chemie (Lithiumeisenphosphat).
Traktionsbatterien
Dipl.-Ing. Markus Hackmann, Managing Director der in Stuttgart ansässigen P3 Group, informierte über Untersuchungen zu Batterien und insbesondere zur Batteriealterung. Er erklärt, dass es grundsätzlich sehr wichtig sei, Batterien gut zu behandeln und auch zu verstehen, wie die Einflüsse auf die Batterien funktionieren. Dazu ist es natürlich erschwerend, dass die Zellchemie der verschiedenen Batterien sich im Laufe der Zeit ständig ändert. Die Batterien würden einerseits kalendarisch und andererseits zyklisch altern. Das bedeutet, dass die Batterie auch altert, wenn das Auto nicht gebraucht wird und einfach in der Garage steht. Da kommt es darauf an, welche Temperaturen dabei auf die Batterie einwirken. Sind sie sehr hoch oder sehr tief, fördert dies die Batteriealterung. Auch der Ladezustand ist bei der Batterielagerung entscheidend. Hackmann plädiert für ein SoC unterhalb von 80 %. Das heisst aber auch, dass das Ladegerät so programmiert werden sollte, dass die Batterie (wenn überhaupt nötig) erst kurz vor der Abfahrt auf 100 % geladen wird (Bild 10).
Daneben wird die zyklische Alterung unterschieden. Auch hier ist die Temperatur ein Thema. Sowohl beim Laden wie auch beim Entladen muss die Batterietemperatur in ei-
nem bestimmten Fenster gehalten werden (Thermomanagement). Dazu ist es klar, dass häufige Schnellladungen und/oder häufige Hochladungen (> 80 %) bzw. Tiefentladungen (< 20 %) die Batteriealterung fördern. Wie die Schnellladungen mindern auch die Schnellentladungen beim aggressiven Fahren die Batterielebensdauer.
Die Untersuchungen, in welche auch viele Daten des österreichischen Batterieprüfungsunternehmens Aviloo geflossen sind, zeigten aber, dass die Batterien wesentlich besser sind als ihr Ruf! Die Aviloo-Trendlinie repräsentiert mehr als 7000 Fahrzeuge, und der SoH fällt nach 100’000 km auf rund 90 %. Danach flacht die Kurve sehr ab und liegt bei 300’000 km immer noch bei 88 %. Der Referent betont, dass aus diesen Analysen hervorgeht, dass der Kunde durchaus etwas mehr Vertrauen in Occasion-BEV haben dürfe.
Verbrennungsmotoren
Es wurden verschiedene neue Verbrennungsmotoren vorgestellt, so auch ein VierzylinderBenzinmotor aus einer deutsch-chinesischen Kooperation für den neuen Mercedes CLA. Ganz klar steht man auch in China nicht auf «nur» Elektro. So wurde von Dr.-Ing. Markus Heyn, Chairman Bosch Mobility, in einem Eingangsreferat erklärt, dass an der Auto Shanghai über 100 neue chinesische Fahrzeuge vorgestellt worden seien. Alle präsentierten Fahrzeuge seien als BEV, aber auch als Hybridfahrzeuge geplant. So sterbe der Verbrennungsmotor in China auf keinen Fall aus.
Auch in Europa werden immer wieder neue Verbrennungsmotoren vorgestellt. In diesem
beitragen.
Jahr wurde von Porsche für das Modell 911 Hybrid ein ganz neu entwickelter 3.6-l-Boxermotor mit einem elektrischen Monoturbolader präsentiert. Auch Lamborghini stellte einen neuen hybridisierten V8-Motor vor. So darf damit gerechnet werden, dass in den nächsten Jahren und noch weit über 2035 hinaus Autos mit Verbrennungsmotoren auf unseren Strassen angetroffen werden können.
FRAGEN
1. Wie wird das chemische Verfahren genannt, welches durch elektrische Energie flüssiges Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet, und mit welchem Wirkungsgrad kann dabei gerechnet werden?
2. Was bedeuten in Bezug auf Li-Ion-Batterien die Abkürzungen SoC, SoH und DoD?
3. Welche grundsätzlichen Einflüsse wirken sich auf die Batteriealterung aus?
LÖSUNG ZUR AUSGABE 5/2025
1. Lidar verwendet grundsätzlich Laserlicht im unsichtbaren Bereich. Wellenlänge: 870 – 950 nm oder 1060 – 1550 nm.
2. Der Laserstrahl breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus: 300’000 km/s.
3. Weil der Lichtstrahl den Weg zum vorausfahrenden Fahrzeug zweimal zurücklegt, muss die Zeit und damit eben der Abstand halbiert bzw. durch zwei geteilt werden.
KORRIGENDA
Fachwissen der Ausgabe 5/25, Seite 51: Das Augenzwinkern dauert rund 450’000-mal länger als das Lasersignal (nicht 450-mal länger) und dementsprechend verändert sich, wenn der Laserstrahl lediglich 20 cm zurücklegt, das Verhältnis zum Augenzwinkern von 450’000 auf 450 Millionen.
Bild 10. Zusammenstellung der Faktoren, welche zur Batteriealterung
Lenksäule weicht Kabeln
Mercedes-Benz will nächstes Jahr ein Steer-by-Wire-System mit einem flacheren Lenkrad-Design in Serie bringen, bei dem sich die Lenkübersetzung variabel gestalten und an Kundenvorlieben und Fahrzeugvarianten anpassen lässt.
Text: Stefan Gfeller | Bilder: Mercedes-Benz
Steer-by-Wire steht wohl kurz vor dem Durchbruch bzw. einer weiten Verbreitung. Davon wird zwar seit Jahren gesprochen, aber nun hat Mercedes-Benz angekündigt, ab 2026 und als erster deutscher Automobilhersteller einen Serien-PW, bei dem es sich um den EQS handeln dürfte, mit der Technologie anzubieten. Weitere Marken werden zweifellos folgen, schliesslich wird sowohl bei den Automobilherstellern als auch bei vielen Zulieferern eifrig an By-WireSystemen gearbeitet – die gerade mit Blick auf das autonome Fahren künftig zum Standard werden könnten.
Redundante Systemarchitektur Mercedes-Benz’ Steer-by-Wire-System arbeitet ausschliesslich «by wire», auf eine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und -getriebe als Redundanz kann hier verzichtet werden. Abhängig von Fahrgeschwindigkeit und Fahrsituation gibt ein Aktuator am Lenkrad (Steering Feeback Unit, SFU) das Lenksignal des Fahrers an das Lenkgetriebe (Steering Rack Unit, SRU) weiter, das die Räder lenkt. Die SFU erzeugt zudem das Mercedes-Benz-typische Lenkgefühl: Der Reifen-Fahrbahn-Kontakt wird mithilfe der Rückstellkräfte der gelenkten Räder modellbasiert berechnet und entsprechend erzeugt.
Eine redundante Systemarchitektur stellt sicher, dass die Lenkfähigkeit in jedem Fall gegeben ist. Dafür gibt es grundsätzlich zwei
Signalpfade und dadurch die doppelte Anzahl der erforderlichen Aktuatoren, zudem ist selbstverständlich auch die fahrzeugseitige Daten- und Spannungsversorgung redundant ausgeführt. Doch damit nicht genug: Selbst im unwahrscheinlichsten Fall eines Komplettausfalls soll dank Hinterachslenkung und mit Hilfe gezielter radindividueller Bremseingriffe über das ESP weiterhin eine Querführung möglich sein. Das alles wurde von Mercedes-Benz ausgiebig geprüft: Das neue Steer-by-Wire-System hat über eine Million Testkilometer auf Prüfständen absolviert, hinzu kamen in der gleichen Grössenordnung noch Erprobungskilometer auf Testgeländen und bei der GesamtfahrzeugAbsicherung im Strassenverkehr.
Individualisierungspotenzial Steer-by-Wire bringt vor allem auch mehr Vielseitigkeit. So können die Fahrwerksspezialisten die Lenkübersetzung variabel wählen
und flexibel an unterschiedliche Situationen anpassen. Dadurch können Fahreigenschaften wie etwa Sportlichkeit und Komfort, die bisher in einem Zielkonflikt standen, gleichzeitig optimiert werden. Zudem lassen sich Fahrstabilität und Queragilität steigern. Möglich wird das durch das optimale Zusammenspiel mit der erwähnten Hinterachslenkung, die einen Lenkwinkel von bis zu 10° bietet. Und selbstverständlich können von Fahrbahnunebenheiten verursachte Stösse, die bisher als Störungen über die Lenksäule und das Lenkrad auf den Fahrer übertragen wurden, nahezu vollständig unterbunden werden.
Die By-Wire-Frontlenkung kommt in Verbindung mit einer Hinterachslenkung mit einem maximalen Lenkwinkel von 10° zum Einsatz.
Dank der variabel anpassbaren Lenkübersetzung gehen auch das Manövrieren und das Parkieren noch leichter von der Hand – nicht nur kann der Kraftaufwand weiter verringert werden, auch das Umgreifen am Lenkrad entfällt. Letzteres wiederum bedeutet, dass das Lenkrad flacher gestaltet werden kann (Yoke-Lenkrad), was auch zu einem besseren Blick aufs Fahrerdisplay führt. Ganz allgemein ist das Individualisierungspotenzial gross, denn die elektronische Lenkung lässt sich den Kundenvorlieben anpassen. Neben unterschiedlichen Lenkradformen und entsprechenden Interieurdesigns können einzelne Marken oder bestimmte Modelle innerhalb einer Baureihe nun eben auch unterschiedliche Lenkcharakteristika erhalten.
Kabel statt mechanischer Verbindung: Mercedes-Benz bietet ab 2026 ein Steer-by-Wire-System an.
Dauerpower mit raffiniertem Kühlsystem
Am Fraunhofer IZM entstand in Zusammenarbeit mit Porsche und Bosch auf Basis jüngster Entwicklungen in der Leistungselektronik ein Wechselrichter, der hohe Energiemengen bei geringer Induktivität auf kleinstem Raum verarbeitet. Die Dauerpower genannte Komponente bietet eine gemessene Spitzeneffizienz von 98.7 Prozent.
Fraunhofer IZM, Volker Mai
Der Name Dauerpower ist Programm, denn auch über lange Zeiträume stellt der Wechselrichter knapp 600 kW Leistung bereit. Für kurzfristige Leistungsspitzen erreicht er sogar Werte von 720 kW. Um solche Energiemengen verarbeiten zu können, wurde bei der Entwicklung des Moduls auf modernste Halbleitertechnik mit Siliziumkarbid-Transistoren (SiC) gesetzt und ein innovatives Kühlsystem entwickelt.
Hohe Effizienz dank Leiterplattenembedding Ein grosses Plus der SiC-Transistoren liegt in der geringeren Modulinduktivität von 1.1 Nanohenry – unter Modulen mit ähnlicher Stromleitfähigkeit ist das absolute Spitzenklasse. Dominik Seidenstücker, der federführend an dieser Entwicklung beteiligt war, erläutert weitere Vorteile: «Im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumtransistoren zeichnen sich Siliziumkarbid-Halbleiter durch eine wesentlich höhere Temperaturbeständigkeit, geringere Halbleiterkapazitäten und einen reduzierten Durchlasswiderstand bei gleicher Halbleiterfläche aus. Daher bieten sie das Potenzial, Schalt- und Leitverluste erheblich zu reduzieren.»
Um das System besonders kompakt zu gestalten, wurden zudem DC-Link-Kondensatoren mit Polycharge-Nanolam-Technologie verwendet. Im Vergleich zu den üblichen Polypropylen-Kondensatoren bieten sie mehr als die doppelte Leistungsdichte. Durch ein spezielles Leiterplattenverfahren, bei dem die Halbleitermodule eingebettet werden, wird die Systemeffizienz weiter gesteigert. Dazu Dominik Seidenstücker: «Das Leiterplattenembedding ermöglicht uns, den Abstand zwischen den Hin- und Rückleitern zu verringern und so die Streuinduktivität zu reduzieren. Die geringere
Streuinduktivität des Moduls führt dazu, dass wir schneller schalten können. Dies wiederum reduziert die Verluste im Halbleiter abermals.»
Ausserdem erlaubt diese Technologie eine kostengünstige Massenproduktion.
Kühlsystem aus dem 3D-Drucker Damit die Leistungselektronik auch unter Volllastbedingungen zuverlässig arbeiten kann, wurde ein Kühlsystem geschaffen, das im Wesentlichen auf zwei Teilen basiert: Zum einen wurde ein 3D-gedrucktes Kupferkühlelement entwickelt. Das Element ist optimal an die thermischen Anforderungen der Bauteile angepasst und sorgt so für eine gleichmässige Wärmeabfuhr. Durch den Einsatz von Silbersinterverbindungen werden die temperaturkritischen Komponenten direkt an das Kühlsystem angeschlossen, wodurch eine bestmögliche thermische Integration erreicht wird.
Weitergeleitet wird die Wärme an eine Wasserkühlung, die zweite Komponente des Kühlsystems. Sie wird im Aluminium-3D-DruckVerfahren hergestellt und führt das Kühlwasser durch eine parallele Kühlstruktur, die den Druck im System optimal verteilt. Der Druckabfall ist mit nur 150 mbar bei 10 l/min Kühlmittel extrem gering. Selbst nach 15 min Dauerlastbetrieb
beträgt die Temperaturdifferenz zwischen Gehäuse und Kühlmedium weniger als 20 K. Am gekühlten Phasenausgang konnte eine maximale Temperaturerhöhung von nur 41 K gemessen werden.
Maximale Leistungsdichte
Die einzelnen Baugruppen des DauerpowerWechselrichters sind also bestens aufeinander abgestimmt. Orchestriert wird ihr Zusammenspiel durch eine Software, die ebenfalls vom Fraunhofer IZM für das Projekt entwickelt wurde. Nicht zuletzt ermöglicht das smarte Design des Moduls ein Kraftpaket, das neue Massstäbe in Sachen Leistungsdichte setzt: Mit 200 kVA/l leistet der Wechselrichter das Zwei- bis Vierfache dessen, was in gängigen Elektroautos üblich ist, und das heutige Spitzensegment übertrifft er um ein Drittel. Hochleistungselektrofahrzeuge können künftig also von deutlich kleineren Umrichtern mit mehr Leistung ins Rennen geschickt werden. Zudem bietet der Dauerpower-Wechselrichter eine hohe Modularität: Einzelne Komponenten können leichter ausgetauscht oder gewartet werden. Das spart Ressourcen und ermöglicht eine wesentlich längere Nutzungsdauer der Fahrzeuge. (pd/sag)
Bild:
Schnitt durch eines der drei Phasenmodule des Dauerpower genannten 600-kW-Wechselrichters.
Eines für viele
Im Zentrum von Hyundais Hybridsystem der nächsten Generation steht ein zwei E-Maschinen einschliessendes Hybridgetriebe, das sich flexibel mit unterschiedlichen Verbrennungsmotoren kombinieren lässt und so vom Kleinwagen bis zu grossen Fahrzeugen antreiben kann. Text: Stefan Gfeller | Bilder: Hyundai Motor Group
Die Hyundai Motor Group mit den Marken Hyundai, Genesis und Kia hat an ihrem «NextGen Hybrid System Tech Day» ein HybridAntriebssystem der nächsten Generation vorgestellt. Kernstück ist ein neu entwickeltes Getriebe, das zwei Elektromotoren integriert. Ein Motor in P1-Position, also direkt mit der Kurbelwelle des Verbrenners verbunden, übernimmt das Anfahren, kann die Batterie laden und den Verbrenner unterstützen. Die zweite E-Maschine befindet sich in P2-Anordnung am Getriebeeingang und ist für den Antrieb und das regenerative Bremsen zuständig.
Die Ingenieure können das Hybridgetriebe flexibel mit Verbrennungsmotoren aus der gesamten Produktpalette des Konzerns kombinieren und so Systemleistungen von 75 kW bis hin zu 225 kW erreichen – wodurch eine breite Anwendung von Kleinwagen bis zu grossen Fahrzeugen möglich wird. Der erste
Antriebsstrang mit dem neuen Hybridsystem nutzt einen neu entwickelten 2.5-l-Turbobenziner. Ein neuer 1.6-l-Turbobenziner der nächsten Generation soll folgen.
Durch die Verlagerung der Starter- und Generatoraufgaben auf den P1-Motor werden die Leistungsverluste des Antriebsstrangs minimiert. Der 2.5-l-Motor arbeitet nach dem Atkinson-Prinzip mit spätem Schliessen des Einlassventils. Die verbesserte Kolbenkonstruktion und ein erweiterter Dreifach-Einspritzbereich erhöhen zudem die Verbrennungsgeschwindigkeit und unterdrücken das Klopfen.
Allradantrieb und Fahrstabilitätsprogramm Mit der nächsten Generation des Hybridantriebsstrangs hat die Hyundai Motor Group auch eine Reihe entsprechender Technologien vorgestellt. So etwa einen elektrischen Allradantrieb: Das E-AWD-System fügt einen P4-Motor an der Hinterachse hinzu. Das soll aber nicht das Ende mechanischer Allradantriebe bei Hyundai bedeuten. Die Koreaner planen, sowohl E-AWD als auch konventionellen Allradantrieb anzubieten, um je nach Fahrzeugklasse und regionalen Marktanforderungen die optimale Allradkonfiguration im Portfolio zu haben.
Der erste Antriebsstrang mit dem Hybridsystem nutzt einen neu entwickelten 2.5-l-Turbobenziner.
Hyundais neues Hybridsystem kann in unterschiedlichen Fahrzeugen des Konzerns eingesetzt werden. Im Bild die Anordnung mit längs eingebautem Verbrennungsmotor und mechanischem Allradantrieb.
Für die Hybridfahrzeuge mit E-AWD ist zudem E-VMC 2.0 erhältlich, ein System, das die Fahrstabilität und den Fahrkomfort durch eine unabhängige Drehmomentsteuerung der vorderen und hinteren Antriebsmotoren verbessert und E-Handling 2.0, E-EHA 2.0 und E-Ride 2.0 umfasst. E-Handling 2.0 verbessert die Wankstabilisierung bei Kurvenfahrten, indem es den vorderen und den hinteren Motor unabhängig voneinander steuert und das Motordrehmoment in entgegengesetzter Richtung anlegt (also vorne antreiben, hinten abbremsen), um den Schwerpunkt des Fahrzeugs abzusenken.
E-EHA 2.0 ist ein Notlenkassistent, der mithilfe von Radar- und Kamerasensoren im Fahrzeug potenzielle Frontalkollisionen erkennt. Er verfeinert Ausweichmanöver durch präzise Bremssteuerung der vorderen und hinteren Motoren bei plötzlichem Lenken durch den Fahrer. E-Ride 2.0 maximiert den Fahrkomfort, indem es die vertikalen Bewegungen beim Überfahren von Bodenwellen minimiert. Es nutzt Änderungen des Fahrzeugschwerpunkts durch die gegenläufige Steuerung der vorderen und hinteren Motoren bei der Einfahrt in und Ausfahrt aus Bodenwellen.
BEV-Funktionen
Der «Stay Mode» ermöglicht wie in einem BEV auch hier im Hybridfahrzeug die Nutzung aller Komfortfunktionen einschliesslich Klimaanlage und Multimedia, ohne den Motor zu starten –und dies bis zu einer Stunde lang, wenn der Ladezustand der Batterie zwischen 70 % und 80 % liegt. Hinzu kommt, ähnlich wie bei reinen Elektroautos, eine V2L-Funktion (Vehicle-toLoad) mit 220-V-Anschluss, der eine maximale Leistung von 3.6 kW bietet. V2L ermöglicht es, externe Geräte sowohl kontinuierlich bei laufendem Motor als auch im «Stay Mode» aufzuladen bzw. mit Strom zu versorgen.
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