Schaeffler: Elektromotoren mit Ölkühlung, Leistungselektronik und Thermomanagement für E-Lkw

Schaeffler möchte für Hochspannung in den elektrischen Antriebssträngen von leichten und schweren Nutzfahrzeugen sorgen. Sie werden künftig einen immer größeren Anteil im Antriebs-Mix auch in diesem Segment ausmachen. Denn Lkw-Hersteller müssen den CO2-Ausstoß ihrer Flotten in der Europäischen Union bis zum Jahr 2025 um 15 Prozent senken. Für 2030 soll dieser Grenzwert nochmals verschärft werden.

„Ohne die Transport- und Logistikbranche wird es nicht möglich sein, die weltweiten Klimaziele zu erreichen“, sagt Matthias Zink, Vorstand Automotive Technologies von Schaeffler.

Rund 60 Prozent der zurückgelegten Lkw-Strecken sind kürzer als 500 Kilometer und damit im Bereich, den Nutzfahrzeuge mit batterieelektrischem Antrieb mit einer Ladung zurücklegen können. Zudem sind sie eine Lösung für die emissionsfreie und leise Stadtbelieferung, die auch künftig nicht von Einfahrtsbeschränkungen betroffen ist. Ein weiterer Vorteil von Elektro-Trucks gegenüber Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ist die Energierückgewinnung durch den Stop-and-Go-Betrieb in städtischen Umgebungen. „Gefordert ist innovative Technik für die Elektrifizierung gerade von Zulieferern wie Schaeffler“, sagt Matthias Zink. Für den Übergang zu elektrifizierten Antrieben hat Schaeffler eine neue Produktfamilie innovativer Elektromotoren mit Ölkühlung entwickelt. Zudem stellt das Unternehmen anlässlich der IAA Transportation 2022 in Hannover seine 800-Volt Leistungselektronik sowie Komponenten und Systeme für das Thermomanagement von Nutzfahrzeugen vor.

Neue Produktfamilie für E-Motoren

Skalierbar, effizient und äußerst robust: Diese Eigenschaften bringt die neue E-Motor-Produktfamilie von Schaeffler eigenen Angaben zufolge mit. Das Besondere der Hochleistungsmotoren sei ihr Wirkungsgrad von über 97 Prozent und eine kontinuierliche Antriebsleistung von bis zu 300 Kilowatt. Um das zu ermöglichen, haben die Fachleute des Unternehmens eine innovative Ölkühlung entwickelt. Eine weitere Besonderheit ist die Stab-Wellenwicklung des Stators, eine Wickeltechnologie, die laut Schaeffler weltweit nur wenige Unternehmen beherrschen. Sie sorgt für eine besonders hohe Leistungsdichte der E-Motoren.

„Wir werden mit unserer umfangreichen Expertise in der elektrifizierten Mobilität einen entscheidenden Beitrag für die Dekarbonisierung von Nutzfahrzeugen leisten“, sagt Dr. Jochen Schröder, Leiter des Unternehmensbereichs E-Mobilität von Schaeffler.

Aufgrund der vergleichsweise kleinen Produktionsvolumina von Nutzfahrzeugantrieben entwickelt der Zulieferer seine E-Motoren in skalierbaren Baureihen, um alle Leistungsklassen abdecken zu können. Sie kommen so auf der Straße und im Gelände, in vollelektrischen und hybriden Antrieben und sowohl in einer elektrischen Achse als auch als Zentralantrieb zum Einsatz. Zudem sind sie auf die Lebensdaueranforderungen von Nutzfahrzeugen ausgelegt.
Erste Lkw-Elektromotoren von Schaeffler sollen bereits im Jahr 2023 in Serie gehen. Diese zweite Produktfamilie von wassergekühlten 800-Volt-Motoren liefert eine maximale Dauerleistung von 180 Kilowatt und ein maximales Drehmoment von 950 Newtonmeter. Hier kommt die sogenannte Hairpin-Wickeltechnik zum Einsatz, die Schaeffler ebenfalls anbietet.

800V Leistungselektronik

Wesentlich für Funktion und Effizienz des elektrischen Antriebstrangs ist ebenfalls die Leistungselektronik. Schaeffler entwickelt eine speziell auf die Anforderungen von Nutzfahrzeugen abgestimmte Leistungselektronik auf Siliziumkarbidbasis, die für Spannungen bis 850 Volt und auf effektive Stromstärken von 600 Ampere (Spitzenleistung) beziehungsweise 400 Ampere (Dauerleistung) ausgelegt ist. Mit einem Volumen von 12,4 Liter erreicht sie eine bauraumsparende Leistungsdichte von mehr als 40 Kilowatt pro Liter. Alle elektrischen und mechanischen Komponenten sind auf die erheblich höhere Laufleistung schwerer Nutzfahrzeuge ausgelegt. Über einen 24-Volt-Gleichstromanschluss kann die Leistungselektronik zudem mit dem regulären Fahrzeugbordnetz verbunden werden.
Die Siliziumkarbidtechnik der Elektronik ermöglicht laut Schaeffler höhere Schaltfrequenzen sowie eine höhere Kühlleistung hin zu einer hohen Dauerleistung für den Nutzfahrzeugeinsatz. Das führt in Summe zu einer signifikant besseren Effizienz des elektrischen Antriebsstrangs. Simulationen des Unternehmens zeigen, dass der Wirkungsgrad des Systems, bestehend aus Elektromotor, Leistungselektronik und Achsgetriebe bei Verwendung von Siliziumkarbid-Halbleiter und in Verbindung mit einer Getriebeoptimierung um rund 2,5 Prozent gesteigert werden kann, verglichen mit dem Einsatz konventioneller Silizium-Halbleiter. Bei einem batterieelektrischen Fernverkehrs-Lkw, der auf eine Ladereichweite von 500 Kilometer ausgelegt ist, kann die Batteriekapazität mit diesem Antriebssystem um 14 Kilowattstunden verringert werden. Das wiederum entspricht einer Gewichtsreduzierung um 84 Kilogramm sowie einer signifikanten Kosteneinsparung durch die entsprechende Verkleinerung der Batterie.

Thermomanagement

Wenn es um mehr Ladeeffizienz und den Schutz der Batterie bei Ladevorgängen mit hohen Leistungen geht, wird das Thermomanagement zur Schlüsselkompetenz. „Für Flottenbetreiber geht es hier um bares Geld, denn je kürzer die Ladezeit der Fahrzeuge, umso schneller sind sie wieder auf der Straße“, sagt Jochen Schröder. Auf der IAA Transportation in Hannover stellt das Unternehmen seine technischen Lösungen für die effiziente Temperaturkonditionierung des Nutzfahrzeugantriebs und der Batterie vor. Dazu gehört beispielsweise ein sogenanntes Single Smart Valve, ein smartes Ventil zur dezentralen Kühlmittelregelung. Es regelt einzelne Kühlmittelströme der Batterie, der Leistungselektronik, des Motors oder des Getriebes. Durch die individuelle und dezentrale Anordnung ergibt sich für den Hersteller mehr Gestaltungsfreiheit in der Systemarchitektur. Zudem sind damit eigenständige Regelstrategien für die Fahrzeugzustände Schnellladen, Kaltstart, Stadtverkehr oder Bergfahrt möglich. Zudem bietet Schaeffler die Systemintegration aller Kühlmittelfunktionen für Nutzfahrzeuge an. Diese Systeme beinhalten die Kühlmittelregelung, elektrische Wasserpumpen, Sensorik und eine intelligente Steuerung. Vorteil für den Hersteller ist eine kompakte, platzsparende Bauweise.

Schaeffler ist auf der IAA Transportation in Halle 12, Stand B37 sowie im Außengelände Stand U47 zu finden.

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