Mit einem Hybridantrieb für den 911er sowie einer Hybrid- und einer vollelektrischen Version der Baureihe CLA haben Porsche und Mercedes-Benz am Motorensymposium in Wien interessante Antriebsentwicklungen vorgestellt.
TECHNIK
Höhere Drehzahlen und bessere Kühlung
Eine Studie zeigt, wie sich Elektromotoren zwischen 2018 und 2023 entwickelt haben. Die KI-basierte Temperaturmessung im Motor und eine neuartige Wicklungsisolation sind zwei aktuelle Beispiele für die weitere Optimierung der Kühlung.
Breit aufgestellt
Mahle hat mit einem neuen Range Extender, einem Thermomanagementmodul sowie Komponenten für Ethanolmotoren Technologien zur Steigerung der Elektrifizierung und zur Senkung von CO2Emissionen vorgestellt.
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Sitzsystem mit mechanischer 3D-Massagefunktion simuliert professionelle Knetmassagetechniken
Adient ist ein weltweit führender Anbieter von automobilen Sitzsystemen, dessen Expertise alle Stufen des automobilen Sitzherstellungsprozesses umfasst – von kompletten Sitzsystemen bis hin zu einzelnen Schaumstoff-, Bezugs- und Metallkomponenten. Die firmeninternen Kompetenzen decken alle Entwicklungsschritte der Produkte von Forschung und Entwicklung über das Design bis zur Konstruktion und Fertigung ab. Das Unternehmen bringt nun eine neue mechanische Massagesitzlösung auf den Markt, die ihre erste Anwendung im neuen Plug-in-Hybrid-Modell M8 des chinesischen Autoherstellers GAC Trumpchi findet. Das Fahrzeug verfügt über drei Sitzreihen. Mit dem Start der Serienproduktion soll Adients mechanisches Massagesystem schon bald in weiteren Modellen auf dem chinesischen
BOSCH
Markt verfügbar sein, das Produkt verzeichne aber auch in Europa zunehmendes Interesse.
Das System verwendet ein 3DMassagemodul, das professionelle Knetmassagetechniken präzise
simuliert und deutlich stärkere Effekte bei der Linderung von Ermüdungserscheinungen bietet als herkömmliche druckluftbetriebene Massagesysteme. Basierend auf westlicher Faszien-Therapie
sowie traditioneller chinesischer Medizinphilosophie schafft es Linderung bei Rücken- und Lendenbeschwerden auf der Grundlage professioneller Massageerfahrungen. Das Massagesystem erfüllt dabei selbstverständlich strenge Automobilstandards. Es verfügt über flexible Einstellmöglichkeiten für alltäglichen Komfort und Tiefenmassage sowie zu Sicherheitszwecken eine schnelle Druckentlastungsfunktion im Fall einer Kollision. Eine mehrschichtige und verschleissresistente Konstruktion gewährleistet Funktionssicherheit und Langlebigkeit. Mit intelligenten Steuerungen inklusive mehrerer Modi und Intensitätsstufen bietet die Lösung personalisierte Massageerlebnisse. Durch die kompakte Grösse ist sie mit Heizungs- und Belüftungssystemen kompatibel und unterstützt zudem Over-theAir-Updates. (pd/sag)
Reifendrucksensor mit Bluetooth Low Energy vereinfacht die Fahrzeugarchitektur
Mit dem SMP290 hat Bosch einen enorm kompakten MEMS-Sensor (mikro-elektromechanisches System) mit integrierter BluetoothLow-Energy-Schnittstelle (BLE) für die Messung des Reifendrucks entwickelt und nun auf den Markt gebracht – dabei handle es sich um die erste auf dem Markt erhältliche, vollintegrierte Lösung mit Bluetooth-Schnittstelle. Der Sensor vereint alle wesentlichen Komponenten für Reifendruckkontrollsysteme, also den Mikrocontroller, eine Bluetooth-Schnittstelle, den 2-Achsen-Beschleunigungssensor sowie einen Druck- und Temperatursensor. Das Besondere: Der SMP290 zeichnet sich durch hohe Integration sowie einen extrem niedrigen Stromverbrauch aus, der eine Lebensdauer des Sensors von bis zu zehn Jahren ermöglicht. Das grösste Potenzial eröffnet
Der Reifendrucksensor (links) mit integrierter Bluetooth-Low-Energy-Schnittstelle ermöglicht neue Anwendungsfälle wie direkte Interaktion mit dem Smartphone.
sich jedoch mit der bidirektionalen kabellosen Kommunikation. «Die Bluetooth-Funktionalität verbessert nicht nur die Effizienz, sondern auch die Sicherheit während der gesamten Nutzungsdauer», erklärt
Peter Wolfangel, Mitglied des Bereichsvorstands Bosch Mobility
Electronics und zuständig für die Entwicklung. So ermöglicht die Bluetooth-Verbindung eine sichere Kommunikation zwischen Sensor und Fahrzeug. Die Software auf dem Sensor lässt sich zudem über Over-the-Air-Updates einfach und schnell aktualisieren, und der Sen-
sor bleibt über seinen gesamten Lebenszyklus auf dem neuesten Stand.
Der SMP290 bietet sowohl technische als auch kommerzielle Vorteile auf mehreren Wertschöpfungsebenen: Als Komponente für Systemintegratoren ist er platzund energiesparend, als Teil der Fahrzeugarchitektur ermöglicht er Fahrzeugherstellern die Synergienutzung mit anderen BLE-Systemen. So kann sich der Sensor Kommunikationsmodule mit weiteren Komponenten wie zum Beispiel schlüssellosen Zugangssystemen teilen – und verhindert dadurch Redundanzen und komplizierte Verkabelungen. Darüber hinaus ermöglicht die Bluetooth-Fähigkeit nutzerfreundliche Anwendungsfälle, beispielsweise die bequeme Reifendruckkontrolle direkt über das Smartphone. (pd/sag)
Adients Massagesitzlösung verwendet ein mechanisches 3D-Massagemodul, das professionelle Knetmassagetechniken präzise simuliert.
Bild: Robert Bosch GmbH
Neues Kommunikationssystem für autonom fahrende Autos verständigt sich mit Fussgängern
Forscher der Hochschule Reutlingen haben gemeinsam mit Partnern aus der EU im europäischen Projekt «HEIDI» (Holistic and adaptivE Interface Design for humantechnology Interactions) eine neue interaktive Kommunikationslösung für Fahrzeuge entwickelt. Dabei geht es um ein System, mit dem Fussgänger und Fahrzeuge im Strassenverkehr direkt miteinander kommunizieren können – ein entscheidender Fortschritt vor allem im Hinblick auf autonom fahrende Autos. «In den meisten modernen Fahrzeugen erfassen MenschMaschine-Schnittstellen (HMI) die Absichten von Fussgängern und Fahrzeugen in der Umgebung nur eingeschränkt», erklärt Projektleiter Prof. Dr. Cristóbal Curio von der Hochschule Reutlingen.
Die Forscher haben deshalb ein flüssiges, kooperatives HMISystem entwickelt, das adaptive
Praktischer Test des «HEIDI»-HMI-Systems in der AIDA-Forschungshalle (Artificial Intelligence DAta-Incubation Center) der Hochschule Reutlingen.
Lösungen für Fahrer und andere Verkehrsteilnehmer ermöglicht. Es erfasst und synchronisiert sowohl Daten des Fahrers als auch Informationen von Passanten oder anderen Verkehrsteilnehmern. So registrieren Komponenten des Systems zum Beispiel, ob ein Fuss-
Natrium-Ionen-Akkus:
gänger Blickkontakt aufnimmt. Auf einem Display im Kühlergrill signalisiert das Fahrzeug durch eindeutige Zeichen dem Fussgänger, dass er erkannt wurde, und gibt gleichzeitig optisch Rückmeldung, ob das Auto beispielsweise stoppt oder weiterfährt.
Eine der im Projekt untersuchten Koordinationslogiken basiert auf dem Prinzip von Foresight Safety – einer menschenähnlichen Fähigkeit, potenzielle Gefahren frühzeitig zu erkennen und riskante Situationen proaktiv zu vermeiden. Mit den nun entwickelten HMI-Lösungen verfolgt das «HEIDI»-Projekt das Ziel, ein einheitliches Situationsverständnis aller Verkehrsteilnehmer zu schaffen und so insbesondere eine sichere Interaktion zwischen Fahrzeugen und gefährdeten Verkehrsteilnehmern zu gewährleisten. Dabei koordinieren interne und externe Schnittstellen kontinuierlich relevante Informationen sowie Handlungsempfehlungen für alle Benutzergruppen und passen sich flexibel an individuelle Bedingungen an – wie beispielsweise bei abgelenkten Fahrern, älteren Fussgängern oder Rollstuhlfahrern. (pd/sag)
zuverlässige, umweltschonende Energiespeicher für die Automobilindustrie
Als erfahrener Engineering-Dienstleister mit Automotive-Hintergrund forscht und entwickelt IAV seit vielen Jahren an innovativen Batterietechnologien und zeigt nun mit einem 100-Ah-Natrium-IonenBatterie-Prototyp, wie zukunftsfähige Energiespeicher für die E-Mobilität und darüber hinaus aussehen könnten. Natrium-IonenBatterien (sodium-ion batteries, SIB) sind besonders geeignet für Anwendungen, bei denen Langlebigkeit und der verantwortungsvolle Umgang mit Ressourcen im Vordergrund stehen. Sie halten problemlos ein Fahrzeugleben lang. Die verwendeten Materialien wie Natrium, Eisen und Mangan sind reichlich verfügbar, weniger umweltschädlich in der Gewinnung und lassen sich leichter recyceln als Lithium, Kobalt oder Nickel. SIB weisen einen deutlich
100-Ah-Natrium-Ionen-Batterie-Prototyp: IAV kann sich einen Einsatz für stationäre Energiespeicherlösungen oder 12-V-Bordnetze in Fahrzeugen vorstellen.
geringeren Leistungseinbruch bei niedrigen Temperaturen auf als Li-Ion-Batterien. Aktuelle Tests zeigen, dass sie bei Kälte eine bessere Kapazitätserhaltung bieten. Natrium-Ionen-Batterien überzeugen zudem durch ihre hohe intrinsische Sicherheit und geringe Wärmeentwicklung. Dadurch kann der Aufwand für das Batteriemanagementsystem und die Steuerelektronik reduziert werden.
IAV sieht Natrium-Ionen-Batterien als ideale Akkumulatoren für Anwendungen, bei denen Zuverlässigkeit, Sicherheit und Langlebigkeit gefragt sind. Sie eignen sich demnach hervorragend für stationäre Energiespeicherlösungen – etwa für erneuerbare Energien oder industrielle Anwendungen –, für 12-V-Bordnetze in Fahrzeugen als ressourcenschonender Ersatz für klassische Blei-Säure-Batterien, für die 12-V-Versorgung in Elektrofahrzeugen sowie für mobile und flexible Energiespeicher – überall dort also, wo Zuverlässigkeit und Sicherheit Priorität haben. Für viele dieser Anwendungen ist die Energiedichte von Natrium-IonenBatterien heute bereits ausreichend, und die Technologie wird kontinuierlich weiterentwickelt, um noch mehr Einsatzmöglichkeiten zu erschliessen. (pd/sag)
Bild: HS
Reutlingen
Bild 1. Der Motorraum des Porsche 911 Carrera GTS ist ausgefüllt mit Technik. Da das Fahrzeug nicht grösser geworden ist, blieb auch sein Motorraum gleich gross wie beim Vorgänger. Trotzdem mussten dort nun noch einige Hochvoltkomponenten Platz finden.
Am diesjährigen 46. Wiener Motorensymposium (AUTO&Technik 6/2025) wurden von Porsche und Mercedes-Benz interessante Antriebsarten in neuen Fahrzeugen vorgestellt. Porsche präsentierte den neuen hybridisierten 911 Carrera GTS (992 II) und sprach von der dritten «Schock»Entwicklung in der Geschichte des 911ers: Der erste Schock wurde den Porsche-Puristen mit der Einführung der Flüssigkeitskühlung des Boxermotors zugefügt, der zweite mit der Einführung der Aufladung – und nun der dritte mit der Hybridisierung des Antriebsstrangs. Die beiden Referenten versprachen hingegen, dass es sich bei dem neuen Fahrzeug trotzdem um einen «richtigen» Porsche handle. Bild 1 zeigt, dass zusätzliche leistungselektronische Baugruppen in dem nicht gewachsenen Motorraum untergebracht werden mussten und dass dadurch wohl der Verbrennungsmotor in seiner räumlichen Ausdehnung sicher nicht wachsen durfte. Der Performance-Hybrid des 911ers soll nicht den Komfort des Fahrzeuges erhöhen, sondern die Sportlichkeit und die Leistungsfähigkeit unterstreichen. Der als T-Hybrid bezeichnete Antrieb weist darauf hin, dass die Turboaufladung weiterhin eingesetzt wird. Neu wird aber eine Mono-Turboaufladung mit einem neu entwickelten E-Turbolader eingesetzt.
Ziele
Die Emotionalität durch die verbrennungsmotorische Geräuschkulisse und die Schwingungen
Antriebsvarianten
Porsche und Mercedes-Benz haben am Internationalen Motorensymposium in Wien interessante Antriebsentwicklungen für die Fahrzeuge 911 und die Baureihe CLA vorgestellt. Während sich die Hybridlösung von Porsche mit einem klug eingesetzten Turbolader abhebt, ermöglicht Mercedes-Benz dem Kunden, sich für eine von zwei unterschiedlichen Zellchemien in der Batterie zu entscheiden. Dazu wurde für den Hybridantrieb ein neu entwickelter Vierzylindermotor vorgestellt.
Text: Andreas Lerch | Bilder: Porsche, Mercedes-Benz, Lerch
im Innenraum mussten unbedingt erhalten bleiben. Daneben ist es unabdingbar, dass die internationalen Grenzwerte garantiert eingehalten werden können. Zusätzlich musste eine Verbrauchssteigerung trotz der Leistungssteigerung verhindert werden.
Aufbau
Als Herzstück des Antriebsstrangs gilt der neu entwickelte 6-Zylinder-Boxermotor mit 3.6 l Hubraum. In einer P1-Architektur ist er über einen permanenterregten Synchronmotor in der Kupplungsglocke mit dem 8-GangDoppelkupplungsgetriebe (PDK) verbunden. P1 bedeutet, dass sich zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Elektromotor keine Kupplung (K0) befindet. Der Wechselrichter ist im Motorraum untergebracht und die 27 kg schwere 1.9-kWh-Batterie auf der Vorderachse. Von der Idee her handelt es sich um einen Mildhybrid. Porsche arbeitet aber trotzdem mit 400 Volt. Interessant ist vor allem der E-Turbo, welcher dank seiner leistungsstarken E-Maschine das Laufzeug derart schnell beschleunigen kann, dass kein Turboloch ent-
steht und Fahreigenschaften abrufbar sind, welche an einen Saugmotor erinnern.
E-Maschine
Um eine kleine Massenträgheit zur erreichen, ist der elektrische PSM-Antriebsmotor als Innenläufer konzipiert. Am Umfang des Stators sind 30 Einzelspulen montiert. Der Durchmesser misst 286 mm und die aktive Länge beträgt 55 mm. Die Maschine wird mit Getriebeöl gekühlt und leistet bei Antrieb und Rekuperation 40 kW bzw. 150 Nm. Kurzfristig kann das Drehmoment auf 240 Nm erhöht werden. Die E-Maschine übernimmt auch die Aufgabe des Anlassers. Die 12-Volt-Energieversorgung wird über einen DC/DC-Wandler erreicht, dadurch wird der 12-V-Alternator hinfällig und es kann wiederum Bauraum gespart werden.
Li-Ionen-Batterie
Die Li-Ionen-Batterie besteht aus 216 zylindrischen 21700er-Zellen, welche in einer 108s2pVerschaltung im Batteriegehäuse aufgebaut sind. Dabei sind die Zellen anders als bei BEV auf viele kleine Lade-, Entladehübe ausgelegt.
2. Das 8-Gang-Porsche-Doppelkupplungsgetriebe (PDK) mit vorgeschalteter PSM-Maschine in P1-Architektur.
Bild
3. Der neu entwickelte 6-Zylinder-Boxermotor von Porsche erhielt nur noch einen, dafür aber elektrisch angetriebenen Turbolader. Das ganze Aggregat wurde auch auf Platzoptimierung entwickelt. So wurden beispielsweise die Nockenwellenlagerdeckel direkt in den Ventildeckel eingegossen.
Bei 400 V stehen eine reproduzierbare 10-sLeistung von 43 kW und eine Bruttokapazität von 1.9 kWh zur Verfügung.
Verbrennungsmotor
Der 6-Zylinder-Boxermotor bleibt die Hauptantriebsquelle. Um die eingangs erwähnten Ziele zu erreichen, musste er aber nicht nur überarbeitet, sondern neu entwickelt werden. Das Stichmass, also der Abstand zwischen den Zylindermittelpunkten blieb gleich (118 mm), obwohl der Hub (81 mm) wie auch die Bohrung (97 mm) grösser wurden. Durch die Vergrösserung des Hubraumes auf 3.6 Liter wuchsen auch die Belastungen, und so mussten die Hauptlager im Durchmesser vergrössert und die Lagerböcke im Motorgehäuse verstärkt werden. Einerseits passierte dies materialtechnisch (AlSi8Cu3Fe0.3) und andererseits durch die Konstruktion. Die Lagerböcke wurden bei sich veränderndem Querschnitt massiver. Auf diese Weise gelang es, dass auf der Kurbelwelle immerhin noch ein Gegengewicht pro Kurbelwange Platz finden konnte. Um den Raum im Motorraum zu optimieren, wurden Wasserpumpe, Ölpumpe, Ölkühler und Ölfilter in oder an die Ölwanne versetzt. Besonders heikel ist sicher die Wasserpumpe, denn die
Abdichtung zwischen Schmieröl und Kühlflüssigkeit darf keine Schwachstelle aufweisen.
E-Turbo
Der neue E-Turbo wird als Monoturbo eingebaut und versorgt alle sechs Zylinder. Um trotz des grossen und schweren Laufzeugs das Turboloch gar nicht erst entstehen zu lassen, erhielt der Turbolader einen elektrischen
Bild 4. Der Abgasturbolader mit dem um die Welle gelegten PSM-Motor. Sogar der Inverter wurde am Turbolader angeflanscht.
400-V-Antrieb mit 20 kW Dauer- und 25 kW Peak-Leistung (Drehmoment: 3.5 Nm). Damit gelingt es, das Laufzeug in weniger als 1 s auf 125’000/min hochzudrehen. Der Vorgängermotor mit zwei kleineren Turboladern braucht mehr als doppelt so lange, bis er den maximalen Ladedruck erreicht. Damit hängt der neue Motor wie ein Saugmotor am Gas. Der Wechselrichter wird direkt am Turbolader angeflanscht. Die thermische Isolation sei einfacher zu realisieren gewesen als die dicken Kabelleitungen durch den Motorraum zu verlegen, erklärten die Referenten. Der Turbolader verfügt weder über ein Wastegate noch über verstellbare Leitschaufeln. Im Motorsteuergerät sind die Drehzahlen und die dazugehörenden Ladedrücke abgespeichert, so kann der Ladedruck fast in Echtzeit elektrisch aufgebaut werden. Ist aber
Bild 5. Mit den beiden elektrischen Maschinen können viele Betriebsstrategien optimiert werden. Im Beispiel rekuperiert der Turbolader Abgasenergie und leitet diese der Antriebsmaschine zu.
Bild
Bild 6. Der Mercedes CLA in der elektrischen Allradversion. Dies ist an den beiden Antriebsmotoren auf der Vorder- und der Hinterachse zu sehen. Dazwischen liegt die voluminöse Batterie in NMC- oder LFP-Technik.
die Abgasenergie (Enthalpie) zu gross, bremst der Turbolader diese ab. Dabei ergibt sich ein etwas grösserer Staudruck, dafür ist aber die Gaswechselanlage ausgelegt. Die E-Maschine kann die Abgasenthalpie wieder in elektrischen Strom umwandeln und so der Batterie oder der P1-E-Maschine zukommen lassen. Im Bild 5 weist die grüne Fläche im Kennfeld auf die Bereiche hin, in welchen der Turbolader Energie rekuperiert. Bei Nenndrehzahl können das gut 11 kW sein, so dass das Fahrzeug in diesem Bereich eine Spitzenleistung von 357 kW (bei 6500/min –Verbrennungsmotor) plus die 11 rekuperierten kW erreichen kann. Dies, ohne dass dabei die Batterie belastet wird. Wird die Batterie noch zugeschaltet, kann diese nicht den Turbolader mit 25 kW und gleichzeitig die EMaschine im Getriebe mit 40 kW elektrischer Energie versorgen, da ihr Leistungsentnahmemaximum 43 kW beträgt. So muss das Motormanagement immer entscheiden, wem wie viel elektrische Energie zugeteilt wird.
Der neue Mercedes-Benz CLA
Mercedes Benz hat in Wien das neue Modell CLA gerade mit drei Vorträgen vorgestellt. Das neue Modell gibt es einerseits als BEV mit Hinterrad- oder Allradantrieb und als Mildhybrid in einer 48-V-Ausführung mit einem neu entwickelten 1.5-l-Vierzylindermotor in Verbindung mit dem überarbeiteten 8-GangDoppelkupplungsgetriebe und einer seitlich am Getriebe angeflanschten, als P2-Hybrid geschalteten E-Maschine. Weil die P2-Architektur eine zusätzliche Kupplung zwischen
Verbrennungsmotor und Getriebe benötigt, spricht Mercedes-Benz auch von einem TripleKupplungs-Getriebe.
Verbrennungsmotor
Der Vierzylindermotor ist langhubig ausgeführt. Bohrung mal Hub betragen 75 x 84.9 mm (s/d = 1.13). Das hohe Verdichtungsverhältnis von 12 : 1 wird mit einem ziemlich aggressiven Miller-Verfahren begründet, bei welchem das Einlassventil bis zu 70° vor UT schliesst. Überhaupt weichen die Ventilöffnungszeiten von den bekannten Werten ab. Während die Auslassnockenwelle eine Spreizung von 180° aufweist, begnügt sich die Einlassnockenwelle mit lediglich 135°. Mit zusätzlichen Nockenwellenverstellern können die Öffnungs- und Schliesspunkte der Ein- und Auslassventile im Bereich von 50° verstellt
werden. So kann es eben vorkommen, dass die Einlassnockenwelle bereits 70° vor UT schliesst. Auch die Ventilüberschneidung liegt zwischen –60° und +40°. Es kann also eine Situation gesteuert werden, bei der im Ventilwechselbereich beide Ventile während 60° geschlossen sind. Gemessen sind diese Werte bei 2 mm Ventilhub und bezogen sind sie auf die Kurbelwelle.
Den Motor gibt es in einer 100-, 120- und 160-kW- bzw. 200-, 250- und 300-Nm-Version. Er wird über das ganze Kennfeld konsequent mit stöchiometrischem Gemisch gefahren.
Die E-Maschine leistet motorisch 20 kW, generatorisch sogar 25 kW. Es kann damit geboostet, rekuperiert, aber auch elektrisch gefahren oder der Lastpunkt des Verbrennungsmotors verschoben werden. Elektrisch kann allerdings nur gut 10 km weit gefahren werden, da die 22 kg schwere Batterie lediglich 1.3 kWh elektrische Energie speichert.
Elektroantrieb
Der Antrieb in der elektrischen Fahrzeugausführung ist variantenreicher. Dabei kann der Kunde neben einem Zwei- und einem Vierradantrieb bei den Batterien zwischen zwei Zellchemien auswählen (Bild 7): einerseits die leistungsfähigere NMC-Batterie (Nickel-Mangan-Kobalt) und andererseits die ökologischere LFP-Batterie (Lithium-Eisen-Phosphat). Die LFP-Batterie wird ohne die heiklen Materialien aufgebaut, welche auch teuer sind. Dafür kann sie im Vergleich zur NMC-Batterie bei fast gleicher Masse nur zwei Drittel der Energie speichern. LFP-Batterien überzeugen aber durch eine höhere Zyklenfestigkeit und daher durch eine längere Lebensdauer.
zwischen zwei Zellchemien bei der Hochvoltbatterie wählen können.
Bild 7. Der Mercedes-Kunde wird
8. Der neu entwickelte aufgeladene 1.5-l-Vierzylindermotor wird in drei verschiedenen Leistungsklassen angeboten. Interessant sind die Ventilsteuerzeiten, welche den Miller-Zyklus ermöglichen.
Mercedes’ elektrische Vision
Mercedes ist überzeugt, dass nur die 800-VStruktur Zukunft haben wird. Dazu wird die Siliziumkarbid-Elektronik eingesetzt, welche in diesen Spannungslagen den besseren Wirkungsgrad aufweist als die IGBT-Technologie.
So verkünden die Ingenieure stolz, dass das Fahrzeug innerhalb von 10 Minuten elektrische Energie für 325 km nachladen könne. Das ist eine beeindruckende Zahl, aber sicher muss für eine derartige Schnellladung der Akku optimal vorkonditioniert sein, und die Ladesäule muss dann auch die 320 kW Ladeleistung bei 800 V zur Verfügung stellen. Da fliessen immerhin während der Ladezeit 400 A, die zumindest sehr dicke, wenn nicht sogar gekühlte Kabel nötig machen.
Der Hauptantriebsmotor auf der Hinterachse wurde von Mercedes-Benz entwickelt (EDU 2.0 – Electric Drive Unit). Dieser Elektromotor leistet in seiner ersten Entwicklungsstufe 200 kW. Die permanentmagneterregte Synchronmaschine weist einen Stator mit Hairpin-Wicklungen auf. Die Permanentmagnetplatten sind v-förmig im Rotor vergraben. Mercedes-Benz gönnt dem Antrieb auf der Hinterachse ein Zweiganggetriebe. Über Mehrganggetriebe wird bei E-Fahrzeugen
immer wieder diskutiert und sogar gestritten. Mercedes-Benz stellt sich hinter dieses 2-Gang-Getriebe und betont, dass damit die Wirkungsgrade im Antriebsstrang sowohl im Stadtverkehr wie auch bei Autobahnfahrt hoch gehalten werden können. Im ersten Gang ist ein Übersetzungsverhältnis von 11 : 1 und im zweiten Gang von nur 5 : 1 gewählt. Damit ist es möglich, dass bei hohen Geschwindigkeiten die E-Maschine nicht im Feldschwächebereich betrieben werden muss und auf diese Art die maximalen Wirkungsgrade herausgeholt werden können.
Bild 9. Das 8-GangDoppelkupplungsgetriebe mit der in P2-Schaltung eingebauten E-Maschine für den Hybridantrieb des Mercedes-Benz CLA. 1 Getriebesteuerung und Inverter – 2 Schaltgabeln
– 3 E-Maschine – 4 Kühlermodul – 5 Doppelkupplung und Trennkupplung – 6 Power Take-off Unit (PTU) – 7 Radsatz –8 Elektrohydraulische Steuereinheit.
Die E-Maschine, welche bei Allradantriebsfahrzeugen auf der Vorderachse montiert wird, ist ebenfalls eine permanentmagneterregte Synchronmaschine, welche in diesem Fall 80 kW leistet und über eine zweistufige Zahnradverbindung mit der Achse verbunden ist. Dieser Antrieb kann mechanisch innerhalb von 200 ms zu- und abgeschaltet werden. Dies erfolgt leistungsabhängig, traktionsabhängig oder bei speziell gewünschten dynamischen Momentenverteilungen. Ein Echtzeitoptimierer berechnet in jedem Zeitpunkt, ob die Vorderachse zugeschaltet werden muss oder nicht und welcher Gang auf der Hinterachse geschaltet werden soll.
Mit diesen beiden Fahrzeugen zeigt die deutsche Automobilindustrie, dass sie fähig ist, auch im Hybrid- und BEV-Bereich interessante Antriebslösungen zu entwickeln und anzubieten.
FRAGEN
1. Warum weist der Mercedes-Benz CLA mit Elektroantrieb nur zwei Gänge auf, die Hybridversion dagegen deren acht?
2. Was bedeutet der Miller-Prozess in Bezug auf die Ventilsteuerzeiten?
E-Maschine für die Hinterachse mit dem 2-Gang-Getriebe in Planetenbauweise des vollelektrischen MercedesBenz CLA. 1 E-Maschine –2 Gehäuse – 3 Schaltelemente (Lamellen- und Klauenkupplung) – 4 Planetensätze – 5 Parksperre – 6 Leistungselektronik inkl. Getriebesteuerung –7 Hydraulik inkl. Pumpen.
3. Was passiert beim Porsche-Hybrid (Bild 5), wenn nicht die gesamte Abgasenergie zum Ladedruckaufbau eingesetzt werden muss/kann?
1. Batterie: Primärelement – kann nicht aufgeladen werden.
Akkumulator: Sekundärelement – kann wieder aufgeladen werden.
3. Die Bezeichnung bezieht sich auf das Kathodenmaterial einer Li-Ionen-Batterie: 50 % Nickel, 30 % Mangan und 20 % Kobalt.
Bild 10. Die
Bild
LÖSUNG ZUR AUSGABE 7+8/2025
Entwicklungsfortschritte bei Elektromotoren
Höhere Drehzahlen, bessere Kühlung
Eine Studie zeigt, wie sich Elektromotoren im Zeitraum von 2018 bis 2023 entwickelt haben: Zu den Trends zählen integrierte Antriebseinheiten, höhere Motordrehzahlen und verbesserte Kühlung. Die KI-basierte Temperatur-«Messung» im Motor und eine Wicklungsisolation mit höherer Wärmeleitfähigkeit sind zwei aktuelle Beispiele für die weitere Optimierung der Kühlung.
Wenn es um Innovationen bei der Elektromobilität geht, stehen die E-Maschinen etwas im Schatten der schnellen Weiterentwicklung und der regelmässig vermeldeten «Durchbrüche» der Batterietechnologie. Selbstverständlich werden aber auch Elektromotoren stetig weiterentwickelt, die Verbesserungen liegen allerdings eher im Detail und sind weit weniger aufsehenerregend als bei den Batterien. Das zeigt auch eine umfassende Studie zu industriellen Trends; der Lehrstuhl «Production Engineering of E-Mobility Components» (PEM) der RWTH Aachen hat dafür insgesamt 48 E-Motoren aus
31 Elektrofahrzeugen aus den Jahren 2018 bis 2023 analysiert. Die Untersuchung ist auf Basis der Datenbank «A2Mac1» sowie auf der Grundlage eigener Teardown-Analysen des RWTH-Instituts entstanden. In ihrer Arbeit befassten sich die Forschenden vor allem mit den Fragen, wie Automobilhersteller ihre aktuellen E-Motoren tatsächlich ausgelegt haben, wie viel Kupfer und Permanentmagnet-Masse die Maschinen enthalten, welche Technologien bei ihrer Herstellung zum Einsatz kommen und wie die Markt-Trends der vergangenen Jahre aussehen.
Integration, höhere Drehzahlen, bessere Kühlung
Laut den bei «Springer Nature» veröffentlichten Ergebnissen ist eine generelle Tendenz zu integrierten Antriebseinheiten erkennbar. Zudem sei bei sämtlichen Komponenten ein Trend hin zu weniger Material und Produktionsaufwand durch Innovationen zu beobachten. Die Untersuchung stellt aber auch eine verbesserte Statorkühlung für eine höhere Dauer- und Spitzenleistung sowie eine Entwicklung hin zu höheren Motordrehzahlen fest. «Die Steigerung der maximalen Drehzahl von Elektromotoren ist mittlerweile ein etabliertes Mittel, um die für eine bestimmte Leistung benötigte Aktivlänge und den erforderlichen Durchmesser des Stators zu reduzieren und auf diese Weise Material zu sparen», sagt PEM-Leiter Professor Achim Kampker. Dies schlage sich unter anderem in einer Verminderung der Herstellungskosten nieder. Dazu tragen der Studie zufolge auch neuartige Produktionsschritte bei, die manche bisherigen Verfahren überflüssig machen. «Die Fertigung von Elektromotoren bewegt sich aktuell in einem Spannungsfeld zwischen Performance, Materialeinsatz, Bauraumbedarf und Kosten, da die Maschinen leistungsstärker, effizienter, kompakter und gleichzeitig günstiger werden sollen», sagt Kampker.
Generelle Tendenz zu integrierten Antriebseinheiten: Die «4in1-E-Achse» von Schaeffler etwa kombiniert einen Elektromotor, die Leistungselektronik sowie Getriebe und Thermomanagement in einer Einheit.
Und Studienautor David Drexler erklärt die Tendenz zu integrierten Antriebseinheiten: «Die Gehäusekomponenten von Motor, Getriebe und Leistungselektronik sind zunehmend ineinander integriert, um Schnittstellen, Montage-Arbeiten, die Anzahl der erforderlichen Grundbestandteile und das Gesamtgewicht zu reduzieren und damit die Effizienz der Materialnutzung zu erhöhen.» Bezüglich Kühlung stellt Drexler fest, dass die in der Industrie bislang gängige indirekte Wassermantelkühlung allmählich von einer direkten Kühlung der Statorwicklung mit Hilfe von Öl abgelöst werde: «Der Trend gelangt aus Asien zu uns und wird in der nächsten Elektrofahrzeuggeneration europäischer Hersteller zum Tragen kommen.»
Die ausführliche Studie (in Englisch) im wissenschaftlichen Fachjournal «e+i Elektrotechnik und Informationstechnik» ist frei zugänglich: link. springer.com/article/10.1007/s00502-025-01331-3
Künstliche Intelligenz «misst» die Temperatur Zur Kühlung bzw. fürs Thermomanagement sollten natürlich zuerst einmal die aktuellen Temperaturen einzelner Bauteile oder bestimmter Stellen im Motor bekannt sein. Continental
Im Rahmen einer Studie wurden an der RWTH Aachen 48 E-Motoren aus den Jahren 2018 bis 2023 analysiert.
etwa hat dazu kürzlich den Sensor «eRTS» vorgestellt, der die Temperatur innerhalb von permanenterregten Synchronmotoren erstmals direkt am Rotor misst (siehe AUTO&Technik 9/25, «News»). ZF integriert nun mit einer KI-basierten Lösung, welche nicht direkt misst, sondern berechnet und ohne zusätzliche Hardware auskommt, eine Methode, die das Temperaturmanagement in elektrischen Antrieben auf ein neues Niveau heben soll: «TempAI» verbessere die Prognosegenauigkeit durch den Einsatz eines lernfähigen Temperaturmodells um über 15 % und ermöglicht damit eine deutlich präzisere thermische Ausnutzung der elektrischen Maschine. Dabei basiert das System auf einer Plattform, die physikalisch fundierte Modelle automatisiert aus Messdaten generiert und in kürzester Zeit lauffähig macht. Bestehende Steuergeräte reichen dazu aus, da die verwendeten KI-Modelle geringe Rechenressourcen beanspruchen. Das führt zu einer sehr kosteneffizienten Umsetzung in der Serie. «Diese Technologie ermöglicht es uns, die Effizienz und Zuverlässigkeit unserer Antriebe weiter zu steigern. Gleichzeitig zeigen wir mit ‹TempAI›, wie datengetriebene Entwicklung nicht nur schneller, sondern auch nachhaltiger und leistungsfähiger sein kann», sagt Dr. Stefan Sicklinger, Leiter KI, Digitales Engineering und Validierung im Bereich F&E.
Die Technologie ist serienreif und für die neue Generation von ZF-Elektromotoren verfügbar. Dort ermöglicht die präzisere Temperaturvorhersage eine gezieltere Regelung bis zur ther-
Die indirekte Wassermantelkühlung wird allmählich abgelöst: im Bild Mahles SCT-E-Motor (Superior Continuous Torque) mit innovativer Ölkühlung auf dem Prüfstand.
mischen Betriebsgrenze. Das Ergebnis sind bis zu 6 % mehr Spitzenleistung und eine nachweisbare Effizienzsteigerung im WLTP-Zyklus. Bei dynamischer Fahrt – etwa auf der NürburgringNordschleife – sinke der Energieverbrauch je nach Lastpunkt um 6 % bis 18 %. Neben der Leistung bringt «TempAI» aber auch ökologische und wirtschaftliche Vorteile: Durch die optimierte thermische Auslegung lassen sich signifikante Mengen an schweren seltenen Erden einsparen. Gleichzeitig verkürzt sich die Entwicklungszeit pro Projekt von mehreren Monaten auf wenige Tage, denn während der Entwicklung von EAntrieben hilft die KI, Vorgänge im Inneren des E-Motors zu verstehen und zu erfassen, für die es aus Kosten- oder Zeitgründen kein physikalisch zuverlässiges Modell gibt.
Keramikähnliche Leiterisolationen Neben einer direkten Kühlung der Statorwicklung mit Hilfe von Öl, wie sie David Drexler vom PEM der RWTH Aachen eingangs erwähnte, wäre es sinnvoll, die Wicklungen gar nicht erst zu heiss werden zu lassen. Ein entsprechender Ansatzpunkt liegt in der Wicklungsisolation, denn die elektrischen Leiter aus Kupfer- oder Aluminiumdraht werden bekanntlich mit polymeren Lacken isoliert. Die Lackisolation weist zwar eine sehr hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit auf, hat aber den Nachteil, dass sie stark thermisch isoliert und sich so die Wicklungen erhitzen. Forschende der HTW Dresden arbeiten deshalb gemeinsam mit Partnern an einer neu-
artigen Wicklungsisolation, um Elektromotoren effizienter und leichter zu machen und so Rohstoffe und Energie zu sparen. Das Forschungsvorhaben trägt den sperrigen Titel «Entwicklung keramikähnlicher Leiter-Isolationen für den Einsatz in hochausgenutzten, ressourceneffizienten elektrischen Maschinen und Antrieben» – oder kurz «KLIMA». Es wird von Professor Thomas Schuhmann von der Fakultät Elektrotechnik geleitet, der erklärt: «Ziel des Projekts ist es, die bisher eingesetzten organischen Stoffe zur Leiterisolation durch eine keramikähnliche Beschichtung aus Aluminiumoxid zu ersetzen, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt. Die Steigerung der thermischen Leitfähigkeit verbessert die Wärmeabgabe und sorgt so für einen höheren Wirkungsgrad.» Zum Vergleich: Die thermische Leitfähigkeit von klassischem Isolierlack beträgt etwa 0.1 bis 0.2 W/(m·K), bei der Isolation mit Aluminiumoxid liegt der Wert
in seinen Elektromotoren mithilfe einer KI-basierten Lösung.
zwischen 3 und 4 W/(m·K), ist also um mehr als das Zehnfache besser.
Statt mit polymeren Lacken, wie hier bei einer E-Maschine von Schaeffler, könnten die Wicklungen in Zukunft durch eine keramikähnliche Beschichtung aus Aluminiumoxid isoliert werden.
Die isolierende Aluminiumoxidschicht auf dem Leiterdraht wird in einem elektrochemischen Prozess durch Anodisierung erzeugt. Dies kann bei Aluminiumdrähten direkt erfolgen, während bei Kupferdrähten die direkte Anodisierung nicht funktioniert; hier wird zunächst eine Aluminiumschicht abgeschieden und diese dann in einem weiteren Schritt oxidiert. Die HTW Dresden und das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) entwickeln gemeinsam den Beschichtungsprozess. Das Team der HTWD führte im Vorfeld thermische und elektrische Simulationsrechnungen durch und testet derzeit anhand der am IKTS gefertigten Versuchsmuster, ob das neue Isoliersystem den auftretenden Belastungen standhält. In sogenannten Motoretten – Teilkomponenten einer elektrischen Maschine – wird die Wicklungsisolation einer künstlichen Alterung ausgesetzt. Basierend auf den Testergebnissen wird schliesslich der Beschichtungsprozess am IKTS optimiert. Prüfung und Anpassung erfolgen in mehreren Zyklen mit der Zielsetzung, die möglichst gleiche elektrische Durchschlagsfestigkeit zu erreichen wie die Lackisolation.
ZF «misst» die Temperaturen
Technologievielfalt bei Mahle
Breit aufgestellt
Am «Mahle Tech Day» hat der Automobilzulieferer mit einem neuen Range Extender, einem Thermomanagementmodul sowie Komponenten für Ethanolmotoren Technologien zur Steigerung der Elektrifizierung und zur Senkung von CO2-Emissionen vorgestellt, die auf der IAA Mobility gezeigt werden. Bilder: Mahle GmbH
Technologievielfalt ist und bleibt der Strategieansatz von Mahle und sei der erfolgversprechendste Weg zur schnellen und wirksamen Senkung von Treibhausgasen. «Unser Bekenntnis zum Klimaschutz ist klar. Ebenso unser Bekenntnis zur E-Mobilität. Wir sind bereit», sagte CEO Arnd Franz im Rahmen des «Mahle Tech Day». Neben Produkten für die reine Elektromobilität setzt Mahle gezielt auch auf Hybridfahrzeuge und Range Extender. Besonders China verzeichnet derzeit ein starkes Wachstum dieser elektrischen Antriebsarten.
Range Extender
Das neue Range-Extender-System von Mahle, das auf der IAA erstmals gezeigt wird, wartet mit einer Nenndauerleistung von 85 kW auf und besteht aus einem Hochvoltgenerator, der von einem kompakten Verbrennungsmotor angetrieben wird. Kern des 800-V-Generators ist eine permanenterregte Elektromaschine mit einem vollintegrierten Kühlkonzept. Neben hoher Effizienz mit Spitzenwirkungsgraden von mehr als 97 % wird dadurch eine Dauerleistungsdichte von über 50 kW/l erzielt, was Materialeinsatz, Bauraumbedarf und Kosten minimiert. Eine der Besonderheiten des Mahle-Konzepts ist die wirkungsvolle direkte Rotorkühlung, wodurch unter anderem der Bedarf an schweren seltenen Erden erheblich reduziert wird.
Der Benzinmotor des Range Extenders verfügt über Mahle-Jet-Ignition-Verbrennungstechnologie, Direkteinspritzung, Turboaufladung und arbeitet im Miller-Zyklus. Im Range-ExtenderBetrieb bietet er einen hohen Wirkungsgrad von über 42 % und bleibt dabei akustisch unauffällig. Ergänzt wird der Technologiebaukasten für Range-Extender-Motoren durch speziell entwickelte Motorkomponenten wie Kolben und
Ventile. Dabei werden je nach Fahrzeug und Batteriegrösse extrem hohe Reichweiten von bis zu 1350 km im WLTP erreicht.
Thermomanagementmodul
Bei E-Fahrzeugen will Mahle die Systemeffizienz durch ein neuentwickeltes Thermomanagementmodul erhöhen, das als Weltpremiere auf der IAA gezeigt wird. Als zentrale Schnittstelle für den gesamten Kühl- und Kältemittelkreislauf des Autos sorgt es dafür, dass jede Komponente des Antriebs- und Speichersystems zu jedem Zeitpunkt und unter allen klimatischen Bedingungen richtig temperiert wird und gleichzeitig Wohlfühlklima im Fahrzeuginnenraum herrscht.
So wurde für maximale Aktionsradien pro Batterieladung auch beim Heizen im Winter eine hocheffiziente Wärmepumpe in das Thermomanagementmodul integriert, das darüber hinaus Klimakompressor, Wärmetauscher, Kühl-
Das Thermomanagementmodul mit integrierter Wärmepumpe ermöglicht E-Fahrzeugen bis zu 20 % mehr Reichweite.
Mahles Range Extender besteht aus einem effizienten Hochvoltgenerator, der von einem kleinen Verbrennungsmotor angetrieben wird.
mittelpumpen, Sensorik und Ventile in einer Einheit umfasst. Das reduziert Bauraum, Entwicklungsaufwand und Kosten, und zugleich wird das Gesamtsystem deutlich effizienter: Bis zu 20 % mehr Reichweite sei gegenüber einem System mit E-Heizern realisierbar.
Das Thermomanagementmodul ist auf das aktuelle Kältemittel R1234yf ausgelegt, kann mit geringen Anpassungen aber auch mit dem alternativen zukünftigen Kältemittel R290, also Propan betrieben werden. Zudem werden dank des modularen, kompakten Systemlayouts nur noch drei statt bisher vier Kühlmittelpumpen im Fahrzeug benötigt. Das System befindet sich derzeit in Entwicklung und wird innerhalb der kommenden zwei Jahre in Serie gehen.
Ethanolmotor-Komponenten
Mahle entwickelt aber auch Komponenten für Verbrennungsmotoren, die mit erneuerbaren Treibstoffen betrieben werden können. So berücksichtigt das Unternehmen mit einem neuen System aus Kolben, Bolzen, Kolbenringen –Powercell-Unit genannt – sowie Ventil-Sets die besonderen Anforderungen des Betriebs mit Ethanol. Denn Lebenszyklusanalysen hätten gezeigt, dass beim Betrieb mit Ethanol in Reinform (E100) eine Reduzierung der CO2Emissionen um bis zu 70 % möglich sei. Die Optimierung der Komponenten im Gesamtsystem sorgt für minimierten Schmierölverbrauch bei hoher Verschleiss-, Korrosions- sowie Wärmebeständigkeit. Darüber hinaus ermöglicht die Powercell-Unit Treibstoffeinsparungen von bis zu 1.5 %. (sag)
& Wir tschaft
TITELTHEMA
Batterien
12-Volt- bzw. Starterbatterien müssen die stetig steigenden Anforderungen energiehungriger Sicherheits- und Komfortsysteme im Auto erfüllen. AUTO&Wirtschaft zeigt die neusten Entwicklungen im Akkubereich.
WIRTSCHAFT
Standheizungen
Standheizungen versprechen nicht nur einen wohlig warmen Innenraum, sie temperieren auch den Motor für schonende Starts vor.
&Technik
FACHWISSEN
Thermomanagement
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Digitalisierung und Software
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Früher wurde von Kühlung, Heizung und Klimatisierung gesprochen, die Kühlung wurde später in Zwei-, Drei- oder Vierzonenkühlung unterschieden. Seit sich die Elektrifizierung im Auto breitmacht und die unterschiedlichen Kühlkreisläufe separat überwacht und geregelt werden müssen, wurde das Fachwort Thermomanagement eingeführt. Gerade die Li-IonenAkkumulatoren, welche bei elektrischen Autos als Energieträger dienen, verlangen nach einer Klimatisierung in einem relativ engen Temperaturfenster. Dazu muss die Batterie geheizt oder gekühlt werden, und je grösser sie ist, desto aufwendiger gestaltet sich der gleichmässige Wärmetausch auf Zellenebene.
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Die Digitalisierung bringt effizientere Prozesse sowie verbesserte Kommunikation und revolutioniert so das Carrosseriegewerbe –in kaum einem anderen Bereich in der Autobranche wirkt sie sich stärker aus als in der Schadenabwicklung. Schon heute geschieht das meiste online und per Smartphone – von der Schadenaufnahme über die Kommunikation mit der Versicherung bis hin zur Reservation des Ersatzwagens. Doch das ist längst nicht alles. So soll etwa mit Hilfe von künstlicher Intelligenz der Schaden per HandyFoto analysiert und kalkuliert werden können – inklusive automatischer Ersatzteilbestellung beim günstigsten Anbieter.
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