Nachbericht zum 13. Internationalen CTI Symposium – Automotive Transmissions, HEV and EV Drives, 8. – 11. Dezember 2014, Berlin, Deutschland

Nachbericht zum 13. Internationalen CTI Symposium –
Automotive Transmissions, HEV and EV Drives,
8. – 11. Dezember 2014, Berlin, Deutschland

Das Getriebe wird zum Manager des Antriebsstrangs

Etwa 30 neue Fahrzeuge mit elektrifiziertem Antrieb wird die deutsche Automobilindustrie allein in diesem und kommenden Jahr einführen, sagte Professor Ferit Küҫükay zum Auftakt des 13. CTI-Symposiums in Berlin. Die Elektrifizierung sorgt für zunehmenden Wettbewerb unter den Antriebskonzepten und für immer mehr Möglichkeiten, Motor- und Getriebekonzepte miteinander zu kombinieren. Daher wird der Antrieb auch in Zukunft ein hochspannendes Arbeitsfeld für Ingenieure bleiben. Berlin zeigte: Integrative und ganzheitliche Entwicklungsansätze werden immer wichtiger, es ist aber auch mehr Offenheit für neue Ansätze gefordert. Das Ende des Verbrennungsmotors ist zwar längst noch nicht beschlossene Sache. Er wird aber immer häufiger in Gesellschaft einer E-Maschine anzutreffen sein, bis hin zur Integration in Aktivgetriebe.

Das Getriebe als „Herz“ des Antriebsstrangs war eine Formulierung, die in dieser oder ähnlicher Form immer wieder auf der Tagung gewählt wurde. Vielleicht ist dadurch auch das weiter zunehmende Interesse am CTI-Symposium zu erklären, welches dieses Jahr mit rund 1350 Teilnehmern einen Zuwachs von über 20 Prozent erlebte. Erstmals fand es im Estrel-Hotel im Berliner Südosten statt, das trotz voller Säle in immerhin acht Fachsektionen pro Tag genügend Platz für die Teilnehmer und 120 Aussteller bot. Die Teilnehmer waren aus 28 Nationen angereist, um die zukünftige Entwicklung der Getriebetechnik zu diskutieren.

Evolutionäre Elektrifizierung heutiger Fahrzeugkonzepte

podium-mattesDen Auftakt der Plenarsektion am ersten Tage machte Bernhard Mattes, Vorsitzender der Geschäftsführung der Ford-Werke GmbH. Er beschrieb das Spannungsfeld, in dem ein großer OEM heute Fahrzeuge entwickelt. Dazu gehören die Anforderungen nach mehr Fahrzeugsicherheit und weniger Schadstoffemissionen, welche zudem international unterschiedlich geregelt sind. Auch die Forderungen nach lokaler Emissionsfreiheit werden zunehmen, wie jüngst Äußerungen der Pariser Bürgermeisterin Anne Hidalgo zeigen. Sie will Autos vollständig aus dem Zentrum der französischen Hauptstadt verbannen, ausgenommen sollen nur besonders emissionsarme Fahrzeuge sein. Ford setzt auf modulare Antriebskonzepte, behält aber das Gesamtfahrzeugkonzept bei. Ein Beispiel: Der Ford Focus – ob mit Verbrennungsmotor oder elektrischem Antrieb – läuft in Saarlouis vom selben Band. Derzeit reicht das Spektrum des Unternehmens von konventionellen Otto- und Dieselmotoren über einen leistungsverzweigten Hybridantrieb und einen Plug-in Hybriden bis zum reinen Elektroantrieb. Ford setzt weiterhin auf die Nutzung konventioneller Gesamtfahrzeugkonzepte, um die Elektrifizierung möglichst vielen Autofahrern zugänglich zu machen.

Das Getriebe als Herz des modernen Antriebsstrangs

Professor Helmut List, Vorsitzender und CEO der AVL List GmbH, begrüßte seine Zuhörer mit einem Bonmot: Das CTI-Getriebesymposium sei ein wahres „Wonderland für Getriebe und Antriebe“. Für AVL haben Getriebe eine enorme Bedeutung gewonnen, denn heute lässt sich der Antriebsstrang nur noch in einer integrierten Betrachtung von Motor und Getriebe sinnvoll entwickeln. Das Getriebe sei „somit das Herz des Antriebsstrangs“. Der integrierte Entwicklungsansatz von AVL prägt die gesamte Prozesskette von der Simulation bis zum Real World Testing. Von der integrierten Entwicklung des Antriebsstrangs verspricht sich Helmut List eine Kostensenkung von bis zu 10 Prozent. Angesichts der hohen Vielfalt von Motor Getriebekombinationen plädiert er für ein flexibles „Portfolio-Management“. So sind deutlich mehr als sechs Gänge bei einem Handschaltgetriebe kaum nutzbar, was einen breiten Sweetspot des Motors erfordert. Umgekehrt darf dieser enger sein, wenn eine Automatik zum Beispiel neun Gänge zur Verfügung stellt. Dafür bedarf es allerdings eines modularen Motorkonzeptes, bei dem die Komplexität des Grundmotors variiert werden kann.

Insgesamt sieht AVL nach wie vor Chancen für weniger Gänge. Dabei kann die Vergrößerung des Sweetspots durch Motormaßnahmen helfen, aber auch eine Hybridisierung, bei der die E-Maschine ineffektive Betriebsbereiche des Verbrennungsmotors zu vermeiden hilft.

Der „Commander“ des Energiemanagements

Auch Terry Nakatsuka, CEO der Jatco LTD., sagt dem Getriebe eine herausragende Funktion voraus: Jatcos Vision sei das Getriebe als „Commander“ und als „Gate“ der Antriebsmomente, das Anforderungen auch sensieren und an das Antriebssystem rückmelden kann. Zukünftig könnte sich das Getriebe sogar zum Energielieferanten aufschwingen, etwa durch Kombination des CVTs mit einem Schwungradspeicher, der sich gut mit dem stufenlosen Getriebe kombinieren lasse. Ein weiterer Vorteil für die Zukunft des CVTs bestehe in der guten Eignung für Szenarien des teilautonomen Fahrens, beispielsweise dem Kolonnenfahren oder einer adaptiven Abstandsregelung. In derartigen Szenarien wirkt sich laut Nakatsuka die stufenlose Anpassung der Übersetzung besonders günstig aus. In Zukunft soll das CVT allerdings auch Erfolg in Europa haben, wo die akustische Entkoppelung von Drehzahl und Vortrieb weniger gut ankommt als in Japan. Daher bietet zum Beispiel der aktuelle Nissan Qashqai eine Funktion namens D-Step, die bei zügiger Fahrweise Gangstufen simuliert. Das soll europäischen Kunden mehr Fahrdynamik vermitteln. Bei ruhigerer Fahrweise bleibt es aber bei der kraftstoffeffizienteren stufenlosen Übersetzungsanpassung.

Viele Wege führen zum Null-Emissions-Fahrzeug

Prof. Dr.-Ing. Jens Hadler, Geschäftsführer der Automobil-Prüftechnik Landau GmbH, ist auch am Lehrstuhl für nachhaltige Mobilität der Otto-von-Guericke-Universität in Magdeburg tätig. Er verblüffte mit der Aussage, dass etwa eine Stunde Sonneneinstrahlung genügt, um die gesamte Weltbevölkerung ein Jahr lang mit Energie zu versorgen. Die zweite überraschende Erkenntnis: Fossile Kraftstoffe heutiger Prägung sind eigentlich einem Zufall entsprungen, denn ihr ursprünglicher Zweck diente eher der Beleuchtung als der Mobilität. Dies kann auch als Chance für regenerativ gewonnene Kraftstoffe gesehen werden, die gezielt „designt“ werden können. Ob E-Mobilität oder regenerative Kraftstoffe: Entscheidend sei letztlich, dass der Energieträger einen „Zero-Impact-Emission-Powertrain“ ermöglicht. Kraftstoffe werden weiter den Vorteil behalten, dass sie als Energieträger einfach lager- und transportierbar und somit unabhängig von den Launen von Wind und Wetter sind. Für die nähere Zukunft erwartet Jens Hadler kleinere Fahrzeuge, kleinere Verbrennungsmotoren und eine zunehmende Elektrifizierung. Bei Stufengetrieben hält er eine Gangzahl zwischen 7 und 10 für sinnvoll. Die Motortechnologien für weniger Gänge „müssten erst einmal kommen“. Ähnlich wie Prof. List sieht er die Notwendigkeit einer höheren Integration der Motor- und Getriebesteuerung sowie eines modularen Getriebeportfolios, um den internationalen Marktanforderungen und der Skalierung des Antriebstrangs gerecht werden zu können.

Mehr Gänge sind nicht effizienter, können aber den Komfort erhöhen

Die sinnvolle Anzahl der Gänge beschäftigt die Experten weiter. Wie viele Facetten das Thema hat, zeigte Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger, Leiter des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen der RWTH Aachen und Vorsitzender der Geschäftsführung der FEV GmbH. Er stellte fest, dass hinsichtlich der Kraftstoffeffizienz 5 bis 7 Gänge eigentlich ausreichen. 10 Gänge scheinen demnach allenfalls sinnvoll, wenn bei sehr leistungsstarken Fahrzeugen ein Downspeeding bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten gefragt ist. Anders sieht die Betrachtung aus, wenn der Fahrkomfort priorisiert wird. Denn Gangsprünge sollten nicht als störend wahrgenommen werden und das Anfahrverhalten kann von einer kurzen Stufung profitieren. Prof. Pischinger zeigte beispielsweise, dass ein DKG mit aufgeladenem Downsizing-Motor im Vergleich zu einer Wandlerautomatik deutliche Nachteile bei der Anfahrperformance hat. Um das Fehlen der Drehmomentüberhöhung zu kompensieren, ist somit ein zusätzlicher kurzer Gang beim DKG sinnvoll. Stefan Pischinger wollte aber nicht einer Gang-Inflation das Wort reden, denn ob „Kriechgänge sinnvoll sind, sei einmal dahin gestellt“. Vernünftig findet er durchaus ein DKG-Radsatzkonzept, bei dem die funktionale Trennung zwischen den Getriebehälften aufgehoben wird. Dadurch lassen sich beispielsweise zehn Gänge realisieren, ohne die Anzahl an Zahnrädern gegenüber sieben Gängen wesentlich zu erhöhen. Bei zukünftigen Hybridantrieben hält er, wie vor ihm Prof. List, weniger Gänge für sinnvoll und erwartet integrierte Antriebsstrangkonzepte, bei denen die E-Maschine in das Getriebe integriert wird.

Podiumsdiskussion und TED-Umfrage

Die traditionelle Podiumsdiskussion am ersten Tag des Symposiums wurde wieder mit einer TED-Umfrage verbunden. Erstmals gab es auch die Möglichkeit, über ein Web-Interface Fragen an die Diskussionsteilnehmer zu stellen. Auf die Frage, in wie vielen Fahrzeugen 2025 noch Verbrennungsmotoren zu finden sein werden, gab es eine recht einhellige Antwort: Es werden wohl 90-95 Prozent sein, wobei der Anteil von Hybridantrieben deutlich steigen wird. Eine weitere Frage lautete: Wie viele Gänge sind für rein elektrische Antriebe sinnvoll? Hier glaubte eine große Mehrheit von 40 Prozent im Saal an zwei Gänge, immerhin 29 Prozent favorisierten drei. Terry Nakatsuka glaubt auch beim E-Antrieb an das CVT, immerhin 11 Prozent des Publikums sahen das ähnlich. Dieselbe Frage in Bezug auf Vollhybride: Jeweils 31 Prozent stimmten für 5 oder 6 bzw. für 6 oder 7 Gänge. Diese Einschätzung ordnete Prof. Pischinger ein: Hybridantriebe benötigen zwar weniger Gänge, doch bei einer Evolution des Antriebsstrangs wird man auf bestehender Technik aufsetzen. Ähnlich pragmatisch war die Diskussion zu Energieträgern: Wie schon Jens Hadler in seinem Plenarvortrag zeigte sich Rolf Najork offen für neuartige Kraftstoffe und nannte in diesem Zusammenhang als Beispiel das e-gas-Projekt von Audi, bei dem per Elektrolyse Wasserstoff und in einer weiteren Reaktion mit CO2 Methan hergestellt werden kann. Najork hält die Überlegenheit eines lagerbaren flüssigen Kraftstoffs für ein „Riesenargument“. Außerdem: „Zero-Impact ist ein wichtiger Gedanke, wie man das erreicht, ist egal.“

Der moderne Antriebsstrang schaut voraus

Dr. Rüdiger Steiner, Senior Manager, Research and Advanced Engineering, Daimler AG, befasste sich im ersten Vortrag des zweiten Tages weniger mit Getriebetechnik als mit ihrer Rolle im technologischen Gesamtkontext. Bereits mit einer E-Maschine mit 15 kW könnten 90 bis 95 Prozent der kinetischen Bremsenergie rekuperiert werden. Langfristig sei ein CO2-Ausstoß von 70 g/km anzustreben. Die Wege dahin führen über eine bessere Aerodynamik, Leichtbau sowie den Antriebsstrang, bei dem noch eine um gut 20 Prozent höhere Effizienz erreichbar sei. Vor dem Hintergrund des 95 g/km-Ziels hält er 48-Volt-Mild-Hybride für ein „Muss“. Neben der Elektrifizierung sieht Daimler viel Einsparpotenzial durch moderne Fahrerassistenzsysteme, bis hin zum autonomen Fahren. Als Beispiel nannte Steiner eine prädiktive Fahrstrategie, wie sie beim Actros bereits in Serie ist. Hierbei wird das Wissen um das Streckenprofil genutzt, um etwa die kinetische Energie bei Gefällestrecken für den nächsten Anstieg zu nutzen. Voraussetzung dafür sind Navigationsdaten mit topographischen Daten sowie eine Antriebssteuerung, die dieses Wissen in eine geeignete Schaltstrategie umsetzen kann. Einen Schritt weiter geht eine Betriebsstrategie wie im Mercedes S500 Plug-in-Hybrid, bei dem die Topographie für die Ladestrategie genutzt wird. Weitere Möglichkeiten sind die Einbindung der Verkehrszeichenerkennung in die Ladestrategie sowie ein zielabhängiges Ladekonzept. So kann beispielsweise der Ladezustand der Traktionsbatterie auf eine Null-Emissions-Zone am Zielort angepasst werden. Dr. Steiner plädierte für einen „vorausschauenden Antriebsstrang“ und lieferte somit einen Grund mehr für ganzheitliche Entwicklungsstrategien.

Vielseitiger Hybridbaukasten für eine flexible Elektrifizierung

Uwe Wagner, Senior VP R&D Automotive, Schaeffler Technologies GmbH & Co. KG, verglich zunächst verschiedene Antriebskonzepte vom konventionellen bis zum voll elektrifizierten Antrieb hinsichtlich ihrer Well-to-Wheel-Bilanz. Aus heutiger Sicht sind dabei über die Lebensdauer keine großen Unterschiede zu erkennen. Anders sieht es bei regenerativ erzeugtem Strom aus. Für 2030 erwartet Wagner eine CO2-Einsparung von bis zu 60 Prozent bei batterieelektrischen Fahrzeugen. Während es heute keine nennenswerte Anzahl an Elektroautos gibt, rechnet er für 2030 mit einem rein elektrischen Anteil von 9 Prozent und 35 Prozent bei den Hybridfahrzeugen. 56 Prozent würden demzufolge nach wie vor nur von einem Verbrennungsmotor angetrieben. Angesichts dieses breiten Spektrums von Antriebskonzepten stellt sich Schaeffler schon heute breit auf – vom Mikro- und Mildhybrid mit per Riemen angebundener E-Maschine (P0-Hybrid) bis hin zu Parallelhybriden mit abtrennbarem Verbrennungsmotor (P2-Hybrid). Schaeffler bevorzugt die P2-Anordnung aufgrund der hohen Freiheitsgrade bei der Skalierung. Auch Uwe Wagner hält im Übrigen 5 bis 6 Gänge für ausreichend, solange man nur die Effizienz betrachtet. Bei rein elektrischen Antrieben wie bei Through-the-Road-Hybriden (P4-Anordnung) favorisiert er zwei Gänge, wodurch sich eine Wirkungsgradverbesserung um 6,5 Prozent ergebe. Schließlich beschrieb Uwe Wagner den Prototyp eines Ford Fiesta mit Radnabenmotoren. Die zwei Motoren mit jeweils 33 kW Dauerleistung ermöglichen ein echtes Torque Vectoring, äußern sich aber auch in 45 kg Mehrgewicht pro Rad. Negative Auswirkungen durch die hohen ungefederten Massen sieht Uwe Wagner auf Nachfrage ebenso wenig wie Ford-Vorstandschef Bernhard Mattes.

China: Der steile Aufstieg bleibt herausfordernd

Noch vor wenigen Jahren wurde China mit seinen Elektrofahrzeugplänen medial die Überholspur zugewiesen. Doch zunächst gilt es wohl, den technologischen Vorsprung der etablierten Märkte Europa, Japan und USA aufzuholen. Dr. Klaus Badenhausen, Vice President und Leiter Chery Technical Center Shanghai, Chery Automobile Co., Ltd., beschrieb zwar ein gewaltiges Wachstum über die vergangenen 20 Jahre, in denen sich China zum größten Pkw-Markt der Welt entwickelt hat, doch während in Deutschland statistisch etwa jeder zweite ein Auto besitzt, gilt dies in China erst für jeden 200sten. Das zeigt, welche Chancen, aber auch Herausforderungen entstehen, wenn das Wachstum in China auch nur annähernd so weiter geht wie bisher. Bei der Modellpolitik haben chinesischen Hersteller laut Badenhausen Lehrgeld zahlen müssen: Sie hätten zum Teil zu sehr die Modellvielfalt befeuert, anstatt zunächst eine Markenidentität aufzubauen. Das haben ihnen globale Hersteller voraus, die derzeit 70 Prozent des chinesischen Markts bedienen. Nachholbedarf bestehe auch bei der Qualifikation der Ingenieure, denn auf jahrzehntelanges Erfahrungswissen können die Chinesen bisher nicht zurückgreifen. Zudem seien die technologischen Ansprüche für chinesische Hersteller heute viel höher als früher bei den Japanern und später den Koreanern. Bei Chery will Klaus Badenhausen die Lücke mit Prozessen auf internationalem Standard schließen. Diese von Grund auf entwickeln zu dürfen, sei „eine fantastische Aufgabe“. Zentrale Bedeutung hat zudem ein robustes, modulares Plattformkonzept „mit unterschiedlichen Hüten darauf“. Längerfristig werden chinesische Hersteller nach seiner Überzeugung eine größere Bedeutung im Markt bekommen, was aber europäischen Herstellern nicht schaden muss, denn „im chinesischen Markt ist Platz für alle“.

WLTC lässt den Verbrauch steigen

Den Abschluss der Plenarsektionen über zwei Tage machte Dr. Robert Plank, Vorsitzender der Geschäftsführung der TÜV Nord Mobilität GmbH & Co. KG. Er brachte etwas Licht in das Dickicht der Abgasgesetzgebung und Verbrauchszyklen der kommenden Jahre. Insbesondere der Vergleich zwischen NEFZ und dem Messzyklus WLTC ist für Getriebeentwickler von Bedeutung: Aufgrund deutlich weniger Stillstandsphasen wird zum Beispiel die Bedeutung von Start/Stopp-Systemen im WLTC geringer. Bei Handschaltern sehen sich die Entwickler damit konfrontiert, dass die Schaltzeitpunkte nicht, wie im NEFZ, generell vorgegeben sein werden, sondern abhängig von verschiedenen Fahrzeugparametern für jedes zu testende Fahrzeuge eigens berechnet werden. Im Mittel werden die Verbräuche höher ausfallen, was zu der Frage führt, wie dies mit den Verbrauchsangaben und Flottenverbrauchszielen in Einklang zu bringen ist. Eine Möglichkeit wäre, die Ergebnisse auf den NEFZ zurückzurechnen, eine weitere, neue Grenzwerte einzuführen. Laut Robert Plank wird derzeit ein „Mixed Approach“ bevorzugt, bei dem für eine Übergangszeit eine Umrechnung vorgesehen ist. Am Herzen lag Dr. Plank auch die weltweite Harmonisierung der Verbrauchsermittlung, wie sie der „worldwide“ gedachte WLTC nahelegt. Globale Standards würden letzten Endes auch den Automobilherstellern helfen, Kosten zu senken. Derzeit sieht es allerdings so aus, dass weder die USA noch China den WLTC einführen wollen.

Der vorausschauende Hybridantrieb wird Realität

Bereits zum sechsten Mal wurde auf dem CTI-Symposium der CTI Young Drive Experts Award vergeben. Den ersten Platz erreichte Dr. Sebastian Idler mit seiner Dissertation „Fresstragfähigkeit stufenloser Umschlingungsgetriebe“. Das von ihm entwickelte Verfahren ermöglicht eine verbesserte Anpressstrategie in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur. Den zweiten Preis sicherte sich Dr. Felix Töpler für seine Dissertation mit dem Thema „Vorausschauendes Energiemanagement für Plug-in-Hybridfahrzeuge“. Mit dem Verfahren konnte Töpler eine Verbrauchseinsparung von gut 5 Prozent im kundennahen Zyklus nachweisen. Das Thema hatte einen ausgesprochen aktuellen Bezug zur Tagung, da die zunehmende Systemintegration bei der fortschreitenden Automatisierung und Elektrifizierung immer wieder thematisiert wurde.

Auffallend war im Rückblick die nicht abebben wollende Diskussion über die sinnvolle Anzahl der Gänge. Einerseits herrschte weitgehend Einigkeit, dass 10 Gänge aus Verbrauchssicht nicht erforderlich sind und dass hochintegrierte Hybridantriebe auch mit 5 Gängen auskommen würden. Sogar eine Kombination aus wenigen Stufen mit seriellem oder leistungsverzweigten Betrieb sei denkbar. Dennoch war eine gewisse Bereitschaft zu spüren, sich zumindest aus Komfortgründen mit mehr Gängen zu befassen, solange neue Radsatzkonzepte dies bei vertretbarem Package zulassen. Jedoch darf die erforderliche Schaltstrategie den Komfortgewinn nicht konterkarieren. Eine weitere Erkenntnis: Marktfähige Antriebskonzepte erfordern einen beherrschbaren Antriebsbaukasten, der vielfältige Antriebsszenarien ermöglicht, die vom Autofahrer auch bezahlt werden können. Der mehrfach gefallene Begriff „Zero-Impact-Emission-Powertrain“ trägt eine weitere Botschaft in sich: Das Konzept der flüssigen Energieträger sollte nicht zu schnell abgeschrieben werden. Skalierbare Hybridantriebe können dabei der Erfüllung der CO2-Gesetzgebungen ebenso dienen wie einer lokal emissionsfreien Mobilität.

Autor: Gernot Goppelt

9th International CTI Symposium, Novi, Michigan, 18-21 May 2015