W artykule:
- High Revolution Drive to napęd typu 3 w 1. Jego silnik elektryczny osiąga do 30 000 obr./min.
- Prezentowana wersja ma 200 kW mocy szczytowej i 3500 Nm szczytowego momentu obrotowego na kołach.
- Napęd jest o prawie 25 proc. mniejszy i lżejszy niż porównywalny napęd SELECT pracujący przy 18 000 obr./min.
- Wymagana masa magnesów spadła o 50 proc., a sprawność wynosi prawie 93 proc.
- Architektura jest skalowalna i pasuje do platform 400 V i 800 V.
- ZF planuje rozpoczęcie produkcji do 2030 r.
ZF ZF High Revolution Drive z połową magnesów
ZF opracował High Revolution Drive, czyli kompaktowy napęd elektryczny 3 w 1, którego silnik osiąga do 30 000 obr./min. Według producenta nowy napęd elektryczny ZF jest o prawie 25 proc. mniejszy i o prawie 25 proc. lżejszy od porównywalnej jednostki. Potrzebuje też o połowę mniej magnesów, a moc pozostaje taka sama. Produkcja ma ruszyć do 2030 r., a niemiecki dostawca prowadzi już rozmowy z kilkoma producentami samochodów.
Czym jest ZF High Revolution Drive
Napęd typu 3 w 1 łączy w jednym zespole trzy kluczowe elementy układu napędowego samochodu elektrycznego. Są to silnik elektryczny, elektronika mocy (falownik, który zamienia prąd stały z baterii na prąd przemienny zasilający silnik) oraz przekładnia. Takie rozwiązanie jest dziś standardem w nowych elektrykach. ZF poszedł jednak o krok dalej i postawił na bardzo wysoką prędkość obrotową silnika.
High Revolution Drive nie powstał od zera. Jest wariantem modułowej platformy SELECT, którą ZF już oferuje producentom samochodów. Dzięki temu nowy napęd można wdrażać szybciej i przy niższych kosztach rozwoju niż zupełnie nową konstrukcję.
Dwustopniowa przekładnia
Zasada działania jest prosta. Przy tej samej mocy wyższa prędkość obrotowa zmniejsza wymagany moment obrotowy silnika. Moment obrotowy jest z kolei ściśle powiązany z objętością wirnika. Mniejszy wymagany moment oznacza więc, że silnik elektryczny może być mniejszy i lżejszy.
Taki szybkoobrotowy silnik nie przekaże jednak wprost na koła siły potrzebnej do ruszenia i przyspieszania. Dlatego ZF zastosował dwustopniową przekładnię z kołami zębatymi walcowymi o przełożeniu około 18:1. Przekładnia zamienia wysokie obroty na wymagany moment obrotowy na kołach. Prezentowana wersja osiąga 200 kW mocy szczytowej i 3500 Nm szczytowego momentu obrotowego na kołach.
Według Thomasa Meisera, szefa jednostki biznesowej E-Mobility w ZF, kluczem jest podejście systemowe. –High Revolution Drive czerpie z kompleksowej wiedzy systemowej ZF. Zamiast optymalizować pojedyncze komponenty w oderwaniu od reszty, systematycznie dopasowujemy do siebie silnik elektryczny, elektronikę mocy i przekładnię – mówi Meiser.
Wysokie obroty a hałas i drgania
Wyższe prędkości obrotowe mają swoją cenę. Trudniej utrzymać pod kontrolą hałas i drgania. Wysoki, piskliwy dźwięk przekładni jest w cichym samochodzie elektrycznym słyszalny znacznie wyraźniej niż w aucie spalinowym. Zagłusza go jedynie szum opon i powietrza.
ZF podkreśla, że problem rozwiązuje dzięki dziesięcioleciom doświadczenia w budowie kół zębatych i przekładni. – Wytrzymałość oraz niski poziom hałasu i drgań były rygorystycznymi celami rozwojowymi od samego początku. Aby je osiągnąć, silnik elektryczny, uzębienie, łożyska i geometrię zębów traktowaliśmy jako zintegrowany system. Dla prezentowanej konfiguracji 30 000 obr./min to optymalny kompromis pod względem ekonomicznym i technicznym – wyjaśnia Meiser.
Prawie 25 proc. mniejsza masa
Najważniejsze liczby dotyczą porównania z obecnym napędem SELECT pracującym przy 18 000 obr./min. High Revolution Drive jest od niego o prawie 25 proc. mniejszy i o prawie 25 proc. lżejszy. Wymagana masa magnesów spada aż o 50 proc.
Ta ostatnia wartość ma duże znaczenie biznesowe. Magnesy trwałe w silnikach samochodów elektrycznych wykorzystują metale ziem rzadkich, a ich łańcuch dostaw uchodzi za jeden z najbardziej wrażliwych w branży. Według ZF mniejsze zapotrzebowanie na magnesy obniża koszty i zmniejsza zależność od krytycznych łańcuchów dostaw.
Wysokie obroty i duże przełożenie zwykle oznaczają ryzyko większych strat. ZF deklaruje jednak sprawność na poziomie prawie 93 proc., czyli taką samą jak w porównywalnym systemie SELECT. Niższa masa całego zespołu napędowego przekłada się z kolei na nieco większy zasięg samochodu.
Dla jakich samochodów jest nowy napęd elektryczny ZF
ZF celuje w masowy rynek samochodów osobowych. Docelowy zakres mocy to od około 150 do 200 kW, czyli wartości typowe dla popularnych kompaktów, crossoverów i SUV-ów. Architektura jest skalowalna. Napęd można dopasować do różnych poziomów mocy oraz do instalacji 400 V i 800 V. Wyższe napięcie pozwala zwykle na szybsze ładowanie.
Kompaktowe wymiary mają też ułatwić producentom integrację napędu w nowych architekturach pojazdów. Mniejszy zespół napędowy oznacza więcej swobody przy projektowaniu przestrzeni pasażerskiej, bagażnika czy strefy zgniotu.
Platforma SELECT i plan produkcji do 2030 roku
High Revolution Drive wpisuje się w strategię platformową ZF. Napęd korzysta z istniejących technologii modułowej platformy SELECT. Dzięki temu koszty produktu pozostają przewidywalne, a producenci samochodów zyskują elastyczność w wyborze sposobu produkcji napędu. – Dzięki platformie SELECT nie musimy zaczynać od zera przy każdym nowym wariancie napędu. Za pomocą naszego systemu modułowego dopasowujemy nowe koncepcje do różnych wymagań klientów – mówi Meiser.
ZF prowadzi już rozmowy z kilkoma producentami samochodów, ale nie podaje ich nazw. Rozpoczęcie produkcji zaplanowano do 2030 r.
Kontekst: dział e-mobility ZF pod presją
Premiera ma też szerszy kontekst biznesowy. ZF Friedrichshafen AG, założony w 1915 r. dostawca z siedzibą we Friedrichshafen, od pewnego czasu zmaga się z problemami w segmencie napędów elektrycznych. Jak podawał Reuters, koncern rozważał wydzielenie dywizji napędów elektrycznych, aby przywrócić jej rentowność. Rzecznik firmy wskazywał na opóźniony rozwój elektromobilności, wysokie koszty i wynikające z nich niskie marże w tradycyjnym biznesie przekładni. ZF zapowiadał, że analizuje strategiczne współprace i partnerstwa, zarówno dla części, jak i dla całej jednostki.
Równolegle ZF rozwija produkcję napędów elektrycznych w Chinach, gdzie działa od ponad czterech dekad. Firma uruchomiła tam pierwszą przekładnię redukcyjną dla samochodów NEV (New Energy Vehicles, czyli według chińskiej klasyfikacji aut elektrycznych i hybryd plug-in). Pierwszym samochodem z tą przekładnią ma być SUV średniej wielkości.
Co oznacza High Revolution Drive dla rynku elektryków
High Revolution Drive pokazuje kierunek, w którym zmierza branża. Producenci nie szukają już tylko większej mocy, ale przede wszystkim niższego kosztu, mniejszej masy i mniejszej zależności od surowców krytycznych. Jeśli deklaracje ZF potwierdzą się w produkcji seryjnej, napęd o połowę oszczędniejszy pod względem magnesów, o prawie jedną czwartą lżejszy i bez utraty sprawności może realnie obniżyć koszt budowy popularnych samochodów elektrycznych.
Trzeba jednak pamiętać, że wszystkie podane parametry pochodzą od producenta, a do startu produkcji zostało jeszcze kilka lat. O sukcesie zdecydują zamówienia od producentów aut i to, czy napęd elektryczny ZF utrzyma w codziennym użytkowaniu deklarowaną kulturę pracy przy 30 000 obr./min.
Cyprian Nowak
