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Elektrischer Achsantrieb:Clever auf Achse

Elektrischer Achsantrieb für Stromautos
Clever auf Achse

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Die elektrische Achse ist neben der Batterie eine Schlüsselkomponente im Stromauto. Elektromotor, Getriebe und Leistungselektronik verschmelzen in einem kompakten Modul. Zulieferkonzerne bringen sich in Stellung und bieten die Systemintegration aus einer Hand an. Der Wettlauf wird spannend. Erste OEM setzen beim kombinierten E-Antriebsstrang bereits auf die eigene Karte. ❧

Dietmar Kieser

Auf der diesjährigen Internationalen Automobilausstellung IAA in Frankfurt rückten die Hersteller nicht nur kraftstrotzende SUV ins Rampenlicht. Auch jenem System, das künftig unter batteriebetriebenen Karossen stecken und sie antreiben wird, galt die Aufmerksamkeit der Branche: Mit der elektrisch angetriebenen Achse erreicht die E-Mobilität einen entscheidenden Punkt. Motor, Getriebe und Leistungselektronik verschmelzen hier in einem kompakten Modul. Die Integration verspricht enorme Vorteile:

  • Da Bauteile, Stecker und Hochvoltkabel eingespart werden, senkt dies die Kosten.
  • Indem das Modul unmittelbar die Achse antreibt und so das Drehmoment an die Räder liefert, steigt die Effizienz und damit die Reichweite eines Stromautos.
  • Und wenn der OEM ein solches Antriebsmodul direkt an seine Montagelinie geliefert bekommt, senkt dies die Entwicklungszeiten bis zum Serienanlauf.

„Start-up-Antrieb“ für E-Autos nennt Bosch diesen Fortschritt in der Fahrzeugtechnik, den der Stuttgarter Technologielieferant Mitte dieses Jahres in Form einer kompakten E-Achse dem Markt präsentiert hat. Neben der Batterie ist dieser integrierte Achsantrieb die entscheidende Komponente vollelektrisch angetriebener Automobile.

Wettlauf um die vorderen Startplätze

Die Zulieferbranche wittert Morgenluft. Gilt der konventionelle Motorenbau bisher als unbestrittene Königsdisziplin der OEM, werfen jetzt die E-Motorenhersteller als Systemintegratoren ihre Kernkompetenz in die Waagschale. Schon heute deutet sich ein Verteilungskampf an. Unter den Zulieferern ist ein regelrechter Wettlauf um die vorderen Startplätze entbrannt. Bereits im Vorfeld angekündigter Serienproduktionen elektrischer Achsen buhlen die großen Systemlieferanten um die Gunst potenzieller Abnehmer.

Bosch will sein kompaktes E-Achsmodul spätestens 2019 in Serie bringen. Einen ähnlichen Zeitplan verfolgt auch Continental mit dem Marktstart des neuen E-Antriebs im Jahr 2019 in China. Der Zulieferer hat seinen seit einigen Jahren in Serie gegangenen Achsantrieb nochmals deutlich kompakter und leistungsfähiger gestaltet. Das Komplettsystem erreicht bei 150 kW und einer Masse von nur 75 kg eine sehr hohe Leistungsdichte. Den OEM offeriert Continental die E-Achse in Leistungsklassen zwischen 50 und 300 kW.

Beim Schwesterunternehmen Schaeffler befindet sich eine elektrische Achse kurz vor der Serieneinführung. Derzeit arbeiten die Ingenieure des Zulieferers parallel an vier Serienprojekten. Im neulich mit rund 60 Mio. US-Dollar erweiterten US-Werk in Wooster arbeiten die Mitarbeiter bereits an der künftigen Produktion der E-Achse. Vorstandschef Klaus Rosenfeld will das Fertigungswerk im Bundesstaat Ohio zu Schaefflers Zentrum für die weitere Entwicklung der Elektromobilität in den USA machen.

ZF Friedrichshafen plant mit der Serienfertigung einer kompletten Antriebsachse bereits 2018, die bei vergleichbarer Leistung nur halb so viel kosten soll wie ein Verbrennungsmotor. Derzeit wird in Schweinfurt, wo ZF den Bereich E-Mobility konzentriert hat, die Produktion aufgebaut. Die Achse soll es in drei Leistungsklassen geben – damit sind alle Segmente abgedeckt, vom kleinsten bis zum größten Pkw.

Elektromobilität als neues Geschäftsfeld

Bei Thyssenkrupp könnte die Serienproduktion einer modularen Antriebsachse Ende 2020 starten. Der erste Prototyp soll Mitte 2018 zur Verfügung stehen. Ein Entwicklerteam um Daniel Fritsch hat im Vorjahr in Eschen in Liechtenstein die Arbeit daran aufgenommen. Aufgabe der Thyssenkrupp Presta AG ist es, mit einem komplett neu entwickelten E-Motor, der Magnetfelder möglichst ohne Verlust erzeugen kann, dem Technologiekonzern mit der Elektromobilität ein neues Geschäftsfeld zu eröffnen. Am Ende soll eine neue hochintegrierte Antriebsachse für Stromautos stehen, zu der neben dem Elektromotor auch ein Getriebe und die Leistungselektronik gehören. „Wir wollen damit auch zum Systemlieferanten von E-Achsen werden“, formuliert Daniel Fritsche den Anspruch.

Der zunehmenden Elektrifizierung des Antriebsstrangs trägt auch Rheinmetall Automotive Rechnung. Die Automobilsparte des Düsseldorfer Konzerns mit Sitz in Neckarsulm entwickelt derzeit einen 90 kW starken Elektroantrieb samt einem neuartigen modularen Unterflur-Batteriepack. Beide Systeme werden in einen Kompetenzträger auf Basis eines Kleinwagens integriert. Der Fokus von CTO Heinrich Dismon liegt auf einem kompletten elektrischen Fahrantrieb, der neben dem E-Motor auch über die Regel- und Leistungselektronik einschließlich Getriebe verfügt.

Auf Fahrzeugkonzept adaptierbar

Auch das von Mahle entwickelte Fahrzeugkonzept Meet (Mahle Efficient Electric Transport) folgt einem modularen Ansatz und soll sich flexibel auf verschiedene Fahrzeugkonzepte übertragen lassen. In einem Demonstratorfahrzeug, dessen Weltpremiere auf der letzten IAA erfolgte, kam die neue 48-Volt-Twin-Power-Antriebseinheit zum Einsatz. Sie kombiniert zwei E-Motoren, das Getriebe und eine 48-Volt-Elektronik. Die vorgestellten Motoren mit jeweils
20 kW mechanischer Dauerleistung und
80 Nm Drehmoment treiben über ein zentrales Getriebe die Hinterräder an.

Der Automobilzulieferer GKN reklamiert für sich, mit eTwinsterX gar die „modernste E-Achse der Welt“ ins Rennen zu schicken. Integriert in einem Gehäuse sind ein lastschaltfähiges Zweigang-Schaltgetriebe, ein Torque-Vectoring-System sowie ein verkleinerter 120-kW-Elektromotor. Direkt durch die Nabe des E-Motors führt eine der beiden Antriebswellen. Dies soll für deutlich kompaktere Abmessungen sorgen und für jeden denkbaren Fahrzeugtyp adaptierbar sein. Ab Ende dieses Jahres soll das eTwinsterX-System in verschiedenen Erprobungsfahrzeugen eingesetzt werden. Erste Serieneinsätze soll die GKN-E-Achse in Plug-in-Hybridversionen von bestehenden Modellen finden.

Herrschaft über das zentrale Element

Trotz des forschen Tempos der Systemanbieter ist nicht ausgemacht, dass die Autobauer ihnen die Herrschaft über dieses zentrale Element im Stromauto überlassen werden. „Rund 40 Mrd. Euro werden deutsche Hersteller und Zulieferer bis 2020 für F+E-Investitionen im Bereich der Elektromobilität aufwenden“, sagt VDA-Präsident Matthias Wissmann. Die Größenordnung deutet darauf hin, dass sich die OEM auch antriebsseitig in Szene setzen werden.

Wie ein künftiges Produktportfolio im Powertrain-Bereich aussehen kann, hat die Daimler AG bereits geklärt. Im Mercedes-Benz-Werk Untertürkheim wurde die Fertigungstiefe bei Motor, Getriebe und Achsen dahingehend ausgelotet, was unter Kernfertigung fällt und was nicht mehr. Damit hat der Premiumhersteller für „den Einstieg und Investitionen in elektrische Antriebe“ den Startknopf gedrückt, wie Frank Deiß auf dem Zuliefertag Automobil des RKW BW Ende Oktober in Stuttgart betonte. „Da sind wir unterwegs“, sagte der Leiter Produktion Powertrain und Standortverantwortlicher des Werks Untertürkheim. Vorerst würde das Thema elektrisches Antriebssystem, bei Daimler eATS genannt, noch den Lieferanten überlassen, meinte Deiß. Jedenfalls werde Daimler diese Komponente „für den ersten Lifecycle der E-Automarke EQ von ihnen beziehen“.

Vorbereitung auf den Zeitpunkt X

Parallel dazu bereitet der Manager sein Team samt Entwicklern „auf den Zeitpunkt X vor, zu dem wir so wettbewerbsfähig sind und so viel gelernt haben, dass wir die nächste Generation dann aus dem Neckartal oder aus anderen Werken des globalen Produktions- und Powertrain-Netzwerks bedienen können“. Für Frank Deiß ist klar, dass sein „Hauptgeschäft als größter Lieferant des Konzerns in Zukunft die E-Achse sein wird“. Dies schließt für den Produktionschef die Hochvoltbatterie und die Batteriezelle mit ein.

Aufgesetzt wurde bei Daimler dieses „Powertrain reloaded“ genannte Konzept vor rund eineinhalb Jahren. Dabei schwebt Frank Deiß für die Zukunft vor, ein konventionelles Kurbelgehäuse „auf den gleichen Linien produzieren zu können wie ein eATS-Gehäuse“. Ein bereits gegründetes eATS-Projekthaus im Daimler-Stammwerk Untertürkheim entwickelt derzeit die nächste Generation des Achsantriebs, qualifiziert die Prozesse und die Mitarbeiter, damit sämtliche Anlauffabriken für Motor, Getriebe, eATS und Batterie für den Zeitpunkt X gewappnet sind.

Einen konkreten Zeitpunkt für die Eigenentwicklung einer E-Antriebskomponente hat dagegen BMW soeben mitgeteilt. Derzeit entwickeln die Münchener für 2021 die bereits fünfte Generation ihres E-Antriebs, in der das Zusammenspiel aus E-Motor, Getriebe, Leistungselektronik und dazugehöriger Batterie weiter optimiert ist. Dank des modularen Aufbaus ist die Antriebskomponente skalierbar und kann an unterschiedliche Bauräume und Leistungsstufen angepasst werden.

Zulieferer Bosch stellt dieser Entwicklung seine jahrelange Expertise bei elektrischen Achsantrieben im Markt entgegen. Die erste E-Achse ist seit 2012 im Markt, allerdings mit noch nicht vollintegrierter Leistungselektronik. Ausgerüstet sind damit etwa der Peugeot 3008 und der Fiat 500e. Laut Angaben sind weit über 500 000 Elektroautos und Hybride mit Bosch-Komponenten unterwegs. Zudem geht es bei solch hochintegrierten Modulen wie einer elektrischen Achse um hocheffiziente Einzelkomponenten, damit ein hoher Gesamtwirkungsgrad erzielt wird.

Systemkompetenz als Trumpf

Die Bosch-Ingenieure sehen es als ihre Stärke, Einzelkomponenten in Systemen zusammenzuführen, die Wirkzusammenhänge im System zu nutzen und so ein Gesamtoptimum darzustellen. Im Falle der E-Achse betrifft dies nicht nur die Effizienz, sondern etwa auch die Akustik oder die elektromagnetische Verträglichkeit. Zudem lassen sich durch die Integration in ein Modul Bauteile einsparen, etwa große und teure Kupferkabel zwischen den Komponenten. Auch die Kühlung wird vereinfacht und Elemente zur Lagerung der drehenden Bauteile entfallen. Das wiederum senkt die Kosten des Antriebs und steigert gleichzeitig die Effizienz. Zudem liegen Getriebe und Motor nah aneinander, was wertvollen Bauraum spart.

In der Autoindustrie ist dies ein wichtiger Faktor in einer Zeit, in der etliche Fahrzeughersteller ihre Plattformen verändern und sie auf E-Autos ausrichten. Mit der neuen Generation befindet sich Bosch in der Entwicklungsphase und steht den Angaben zufolge mit Autoherstellern aus aller Welt im Austausch. Einsatzbereite Muster der Achse werden derzeit getestet. Spätestens für das Jahr 2019 ist die Serienproduktion geplant. Damit bringe sein Haus „das All-in-one-Prinzip in den Antrieb, betont Bosch-Geschäftsführer Dr. Rolf Bulander. Die E-Achse sei der Start-up-Antrieb für Elektroautos – auch bei etablierten Autoherstellern. Gemeinsam lasse sich so die beste herstellereigene Lösung aus dem Baukasten der E-Achse finden, hofft Bulander auf großen Zuspruch, auch „um im Massenmarkt ab 2020 weltweiter Marktführer bei Elektromobilität zu werden“.

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