Wie Schaeffler die Elektromobilität beschleunigt

Im kommenden Jahrzehnt werden die CO2-Grenzwerte in wichtigen Automobilmärkten weiter verschärft. So plant die Europäische Union, den für 2021 geltenden Flottengrenzwert von 95 Gramm CO2 pro Kilometer bis 2030 um weitere 30 Prozent zu senken. Parallel sind in einigen Märkten wie China oder Kalifornien feste Quoten für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben zu erfüllen. Da sich nicht nur die gesetzlichen Vorgaben, sondern auch die Kundenpräferenzen von Land zu Land unterscheiden, setzt der neue Schaeffler-Unternehmensbereich E-Mobilität auf eine Vielfalt unterschiedlicher Antriebslösungen. Um trotzdem kostengünstige Elektro- und Hybridfahrzeuge zu realisieren, basieren die elektrischen und elektronischen Antriebskomponenten auf einer gemeinsamen Entwicklungsplattform. Sie umfasst sowohl Hardware-Komponenten wie E-Maschinen und Leistungselektronik als auch alle wesentlichen Software-Bausteine, die für die Regelung des Antriebs erforderlich sind.

Große Markterfolge erzielt Schaeffler bereits heute mit Doppelkupplungen und Hybridmodulen für Hybridfahrzeuge, bei denen der elektrische Antrieb zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe positioniert ist – Ingenieure sprechen von einer „P2-Anordnung“. In der aktuellen zweiten Generation des Hybridmoduls ist es bereits gelungen, die Trennkupplung, die das Hybridmodul während des elektrischen Fahrens vom Verbrennungsmotor entkoppelt, im Inneren des Elektromotors unterzubringen. Mit der dritten auf dem Schaeffler-Kolloquium erstmals präsentierten Generation des Moduls wandert nun auch die komplette Doppelkupplung in den Innenraum der E-Maschine, genauer in den Hohlraum des Rotors. Um den notwendigen Kraftschluss sicherzustellen, kommen mehrlagige Lamellenkupplungen zum Einsatz, wie sie prinzipiell auch bei Hochleistungssportwagen verwendet werden. Im Verbund mit der ebenfalls hochintegrierten Aktorik für die Betätigung der drei Kupplungen entsteht so ein extrem kompaktes Hybridmodul, das den Antriebsstrang im Vergleich zu einer rein verbrennungsmotorischen Variante nur wenig verlängert.

Hohe Effizienz bei hoher Geschwindigkeit

Mit dem steigenden Marktanteil von Plug-in-Hybridfahrzeugen überdenken die Automobilhersteller ihre Getriebekonzepte. Statt den Elektromotor vor und hinter dem Getriebe anzuordnen, wird es denkbar, elektrischen Antrieb und Getriebe so zu verheiraten, dass sich eine Bau- und Funktionseinheit ergibt. Ein revolutionäres Konzept für ein solches „dediziertes Hybridgetriebe“ stellt Schaeffler auf dem Kolloquium erstmals der Öffentlichkeit vor. Das „DH-ST 6+2“ (Dedicated Hybrid Transmission) basiert auf einem automatisierten Schaltgetriebe und bietet zwei elektrische und sechs mechanische Gänge. Die zum Verbrennungsmotor parallel arbeitende E-Maschine ist so in die Getriebestruktur eingebunden, dass für sie zwei Übersetzungsstufen verfügbar sind. Der Vorteil: Auch bei hohen Fahrgeschwindigkeiten kann der Elektromotor sehr effizient betrieben werden. Exklusiv für den Verbrennungsmotor stehen ebenfalls zwei Übersetzungsstufen zur Verfügung. Eine Art Vervielfältigungsgetriebe zwischen den bei- den Teilgetrieben sorgt dafür, dass der Verbrennungsmotor auch das Teilgetriebe des elektrischen Pfads mitnutzt, so dass ihm vier weitere Gänge zur Verfügung stehen. Durch die Doppelnutzung einer Radsatzebene sind nur fünf Radebenen für die sechs Gänge erforderlich. Simulationen von Schaeffler zeigen, dass mit dem „DH-ST 6+2“ bei einer Systemleistung von 220 Kilowatt nicht nur sportliche Fahrleistungen, sondern auch ein sehr niedriger WLTC-Kraftstoffverbrauch von rund 4,5 l/100 km zu erreichen sind.

Bereits 2011 stellte Schaeffler ein Konzeptfahrzeug mit zwei elektrischen Achsantrieben an Vorder- und Hinterachse vor, das zusätzlich über eine aktive Drehmomentverteilung zwischen den Rädern einer Achse verfügte. Mittlerweile ist Schaeffler nicht nur mit Schlüsselkomponenten für einen solchen Antrieb in Serie, sondern hat einen kompletten Baukasten für elektrische Achsen entwickelt. Er umfasst sowohl achsparallele als auch koaxiale Antriebsvarianten einschließlich der optionalen Komponenten für Differenzial, schaltbares Zweiganggetriebe sowie die aktive Momentenverteilung. Mittels eines Konfigurators, den das Unternehmen auf dem Kolloquium erstmals vorstellt, können elektrische Achsantriebe für Elektro- und Hybridfahrzeuge künftig je nach Anforderungen an Bauraum, Fahrleistungen und Funktion definiert werden.

Systematische Elektrifizierung

Wie groß die erzielten Fortschritte im Bereich der Elektroantriebe sind, zeigt ein Vergleich des Achsantriebs von 2011 mit einer aktuellen Ausführung. Stellte der Achsantrieb zu Beginn des Jahrzehnts bei einem Gewicht von 90 Kilogramm noch eine Maximalleistung von 60 Kilowatt zur Verfügung, kommt die neueste Generation auf 145 Kilowatt, obwohl das Gewicht um zehn Kilogramm reduziert werden konnte. „Solche Ergebnisse sind nur zu erzielen, weil wir elektrische, mechanische und elektronische Komponenten unserer Antriebe mit einem Systemansatz entwickeln“, erläutert Schaeffler Automotive-Vorstand Matthias Zink. „Wir verstehen uns als Entwicklungspartner für alle Formen der Elektrifizierung. Schaeffler bietet heute ein gut sortiertes und umfangreiches Technologie-Portfolio, mit dem sich der Antriebsstrang elektrifizieren lässt. So bieten wir beispielsweise allein für die P2-Position Hybridmodule sowohl im Zusammenspiel mit Drehmomentwandler, CVT-Getriebe und Doppelkupplung. Hier erweist sich die profunde Mechanik-Kompetenz unseres Technologie-Unternehmens als weitere Stärke, von der unsere Kunden profitieren“, ergänzt Matthias Zink. „Somit liefern wir die jeweils idealen Produkte für die unterschiedlichen Kundenanforderungen und Mobilitätsbedürfnisse.“

Autonomes Fahrzeug für die Zukunft

Ebenfalls auf dem Kolloquium vorgestellt: Der „Schaeffler Mover“. Das Unternehmen hat erkannt: Bis zum Jahr 2050 werden voraussichtlich zwei Drittel der Menschen in Städten leben. Mit der Verdichtung der Lebensräume verändert sich auch die Art, wie sich Menschen in der Stadt bewegen und mit den Gütern für ihren täglichen Bedarf versorgt werden. Eine wichtige Rolle spielen dabei autonome und elektrifizierte Fahrzeuge, insbesondere in der neuen Bauform der Robo-Taxis beziehungsweise People und Goods Mover, die den öffentlichen Nahverkehr in den Städten ergänzen oder womöglich sogar ablösen. Schaeffler stellt die technische Basis für ein solches urbanes Mobilitätskonzept bereit: Der „Schaeffler Mover“ mit Radnabenantrieb und 90-Grad-Lenkung bietet eine Plattform für unterschiedlichste Fahrzeugkonzepte wie eben diese Robo-Taxis oder autonome Transportfahrzeuge.

Die Antriebs- und Fahrwerkskomponenten sind im „Schaeffler Mover“ platzsparend in einer kompakten Baueinheit, dem „Schaeffler Intelligent Corner Module“, zusammengefasst. Dieses Modul, das in allen vier Rädern verbaut wird, umfasst den Radnabenmotor, die Radaufhängung inklusive Federung und den Aktor für die elektromechanische Lenkung. Die Lenkung des Radmoduls ist als elektromechanisches Steer-by-Wire-System ausgeführt. Die gewählte Form der Radaufhängung ermöglicht einen Radeinschlag von bis zu 90 Grad. So lässt sich das Fahrzeug in engen Gassen manövrieren und seitlich in kurze Parklücken einscheren, um die Fahrgäste ein- und aussteigen zu lassen. Der Wendekreis von weniger als fünf Metern macht das Fahrzeug im Stadtverkehr äußerst beweglich. Auch ein Wenden auf der Stelle ist möglich.

Der Traktionsmotor des Radmoduls – als permanent-magnetisierte Synchronmaschine ausgeführt – ist eine Variante des von Schaeffler bereits im Jahr 2013 in einem Forschungsprojekt entwickelten Radnabenmotors. In der aktuellen Auslegung für den Schaeffler Mover liefert jeder der vier Elektromotoren bei 300 Volt Betriebsspannung eine Dauerleistung von 13 Kilowatt und eine zeitlich begrenzte Spitzenleistung von 25 Kilowatt. Das Nenndrehmoment von 250 Newtonmeter pro Motor kann kurzzeitig verdoppelt werden.

Hoher Komfort in der Fahrdynamik

Zuverlässig, flexibel und komfortabel: Der „Schaeffler Mover“ entspricht den entscheidenden Kundenanforderungen an ein hochautomatisiertes Fahrzeug für den urbanen Einsatz. Eine eigens entwickelte Fahrdynamikregelung ermöglicht, jedes „Intelligent Corner Module“ individuell anzusteuern und die Funktionen der Fahrdynamikregelung (ESP), Drehmomentverteilung zwischen den angetriebenen Rädern (Torque Vectoring) und Allradlenkung zusammenzuführen. Seitliche Bewegungen lassen sich so annähernd ohne für die Passagiere spürbare Querkräfte umsetzen; sehr angenehm für beispielsweise lesende Fahrgäste. Zugleich gewährleistet dieses Antriebskonzept eine sehr hohe Verfügbarkeit und Ausfallsicherheit. Die komplette Software für die Antriebs- und Lenkungsregelung stammt von Schaeffler, inklusive eines umfassenden Sicherheitskonzepts.

Der hohe Integrationsgrad des Schaeffler-Moduls hat weitere Vorteile. So benötigen Antrieb und Fahrwerk insgesamt weniger Bauraum – das frei werdende Areal bietet mehr Platz für Passagiere und Stauraum für Transportgüter. Der geschaffene Raum für die Batterie sowie Nebenaggregate ermöglicht kompakte Fahrzeugabmessungen. Diese wiederum lassen sich auch variieren. Schließlich kann das Fahrzeug auch als längere und breitere Variante umgesetzt werden, ohne Veränderungen an Antrieb und Fahrwerk vornehmen zu müssen. Der modulare Fahrzeugaufbau des Schaeffler Mover schafft die Voraussetzung, mit einem weitgehend einheitlichen Chassis vielzählige Aufgaben des Personen- und Warentransports umzusetzen. Der Aufbau – der für die jeweils gewünschte Anwendung umgerüstet werden kann – lässt sich rasch von der Plattform separieren, in der die gesamte für das Fahren benötigte Technik gebündelt ist. Lediglich ein Teil der für das autonome Fahren benötigten Sensorik ist zusätzlich im Aufbau integriert.

Digitaler Zwilling

Die Vernetzung ist bei autonomen Stadtfahrzeugen eine entscheidende Voraussetzung für den reibungslosen Betrieb. Das erreichen die Experten von Schaeffler in der Studie durch einen digitalen Zwilling des Fahrzeugs, der ein Abbild des realen Fahrzeugs in der Cloud darstellt. Durch eine laufende Analyse der Betriebs- und Zustandsdaten lässt sich so zum Beispiel zukünftiger Wartungsbedarf mit zeitlichem Vorlauf erkennen. „Das konsequent auf vernetzten Betrieb ausgelegte Fahrzeug füllt eine wesentliche Lücke im aktuellen Portfolio der Automobilindustrie“, sagt Schaeffler- Technologievorstand Prof. Peter Gutzmer.

Die Machbarkeitsstudie wird Schaeffler in der nächsten Zeit sukzessive weiterentwickeln. Im Laufe des Jahres ist geplant, einen fahrbereiten Prototypen einschließlich Kabine und Klimatisierung zu realisieren.