En su Día Mundial de la Tecnología en Friedrichshafen, ZF presenta el concepto de vehículo eléctrico EVbeat, que está diseñado para lograr la máxima compacidad, bajo peso y máxima eficiencia en funcionamiento real. En este vehículo, los componentes de una transmisión eléctrica se han optimizado y combinado en un sistema holístico. Estos incluyen la transmisión liviana y ultracompacta de 74 kilogramos con una densidad de par de 70 Nm/kg, gestión térmica holística y software de transmisión en red en la nube. A temperaturas frías cercanas al punto de congelación, el rango en el funcionamiento real aumenta hasta en un tercio en comparación con la tecnología actual.
“La movilidad sostenible está en el centro de nuestra estrategia corporativa”, explicó Stephan von Schuckmann, miembro de la Junta Directiva de ZF responsable de los sistemas de transmisión electrificados, entre otras cosas. “Basándonos en un vehículo de producción extremadamente eficiente, estamos mostrando el potencial que ofrecen los futuros componentes de propulsión eléctrica cuando los combinamos en un sistema general aún más eficiente”.
El vehículo conceptual ZF EVbeat se basa en un Porsche Taycan y toma como punto de referencia la tecnología de serie líder de ZF y otros actores del mercado.
“Nuestro objetivo era hacer que esta unidad fuera lo más compacta y liviana posible, manteniendo una alta dinámica de conducción y aumentando la eficiencia en la operación del mundo real”, dijo el Dr. Otmar Scharrer, Jefe de Desarrollo de Sistemas de Transmisión Eléctrica en ZF. “En términos de densidad de par, estamos en lo más alto del podio cuando nos comparamos con los e-drives para turismos actualmente disponibles en el mercado. Al mismo tiempo, prestamos mucha atención al aspecto de la sostenibilidad durante el desarrollo”. El motor eléctrico funciona sin elementos pesados de tierras raras y el sistema de gestión térmica no utiliza refrigerante a base de flúor. El número reducido de componentes y la reducción general del peso del sistema (en un tercio para el sistema de gestión térmica y el accionamiento eléctrico) contribuyen por partida doble a una mayor sostenibilidad,
EVSys800: convertidor de 800 voltios ultracompacto y ligero
El EVSys800 es un convertidor de frecuencia modular de 800 voltios y consta de electrónica de potencia de carburo de silicio, el motor eléctrico y una caja reductora. A pesar de su diseño extremadamente compacto y peso ligero, el EVbeat no escatima en rendimiento: el prototipo tiene un par máximo de 5200 Nm disponible en el eje trasero, y esto con una densidad de par excepcionalmente alta para turismos de carretera de 70 Newton metros por kilogramo. La potencia continua y máxima del motor eléctrico es de 206 y 275 kilovatios, respectivamente; por lo tanto, ZF logra una potencia continua de alrededor del 75 por ciento de la potencia máxima.
En términos de dimensiones, la transmisión ahorra 50 milímetros de ancho gracias a la caja reductora compacta y la tecnología patentada por ZF 'Braided Winding' del motor eléctrico, lo que permite una instalación coaxial que ahorra espacio en el eje motriz.
Con un peso total de 74 kilogramos, el EVSys800, normalizado a la misma salida que la última serie ZF de 800 voltios, es aproximadamente 40 kilogramos o un tercio más liviano y, por lo tanto, contribuye significativamente al ahorro de peso del vehículo conceptual.
Esencial para esto es el motor eléctrico con un nuevo concepto de refrigeración y una nueva tecnología de bobinado. Para el enfriamiento, ZF permite que el aceite fluya directamente alrededor de las varillas de cobre, exactamente en el punto donde se genera la mayor parte del calor durante la operación. Este enfriamiento altamente eficiente aumenta significativamente el rendimiento con el mismo peso y espacio de instalación. Además, se puede prescindir del uso de elementos pesados de tierras raras y el motor eléctrico se puede producir de forma más sostenible. La tecnología 'Braided Winding', desarrollada y patentada por ZF, es un desarrollo adicional del llamado devanado ondulado y permite un espacio de instalación un diez por ciento menor. El cabezal de bobinado por sí solo es hasta un 50 por ciento más pequeño que con los enfoques convencionales. Esto ahorra alrededor del diez por ciento en cobre.
El inversor del accionamiento eléctrico se ha rediseñado fundamentalmente. Todos los componentes esenciales han sido revisados fundamentalmente. Se lograron mejoras significativas en cada una de las áreas de compatibilidad electromagnética, módulos de potencia y capacitores en términos de espacio de instalación, peso y sustentabilidad.
Una nueva caja reductora coaxial transmite las fuerzas de accionamiento del motor eléctrico a través de dos juegos de engranajes planetarios. No solo generan la relación de transmisión final deseada, sino que también realizan la función diferencial totalmente integrada. En comparación con los conceptos de compensación convencionales, en los que los ejes de entrada y salida no están en el mismo eje, la solución coaxial reduce los requisitos de peso y espacio de instalación sin comprometer la eficiencia, el ruido y la vibración. En combinación con la tecnología de 'bobinado trenzado', esta transmisión se puede acortar significativamente, lo que permite su instalación en casi cualquier espacio de instalación del vehículo.
“Con este sistema, podemos cumplir perfectamente con los requisitos principales de nuestros clientes, a saber, eficiencia, rendimiento y costos”, dijo el Dr. Otmar Scharrer. Las primeras tecnologías de la nueva línea motriz ZF estarán disponibles en el mercado a partir de 2026.
Gestión térmica: control eficiente de la temperatura del tren motriz y de todo el vehículo
El control de la temperatura de un vehículo puede representar una parte importante de sus necesidades energéticas en invierno, que pueden oscilar entre los tres y los seis kilovatios, especialmente cuando se calienta. El frescor agradable en verano y la calidez en invierno son los principales factores de confort para los ocupantes. La temperatura adecuada es también un factor esencial para el rendimiento del motor eléctrico, la electrónica de potencia y la batería.
El primer sistema de gestión térmica central (TherMaS) desarrollado por ZF para vehículos eléctricos está integrado en el vehículo conceptual EVbeat. TherMaS utiliza una unidad central y un software inteligente para controlar todos los procesos térmicos de la transmisión y el habitáculo. El nuevo diseño reduce significativamente los requisitos de espacio y el peso en comparación con los enfoques anteriores para enfriar y calentar autos eléctricos. Una bomba de calor de 800 voltios a base de propano también requiere mucha menos energía. Debido a su diseño compacto y simple, se puede integrar fácilmente en los vehículos.
El concepto TherMaS tiene tres circuitos designados por primera vez: en el centro está el circuito de refrigerante muy pequeño. Está precargado y sellado herméticamente y, por lo tanto, no requiere mantenimiento. Además, el concepto no tiene interfaces con otras áreas del vehículo, como el interior. ZF utiliza propano como refrigerante natural sin flúor. Aunque solo se usa la mitad del refrigerante anterior, la capacidad de enfriamiento aumenta por un factor de dos en comparación con los refrigerantes que se usan comúnmente en la actualidad. Si es necesario, el circuito frigorífico central sirve a dos circuitos de refrigeración controlables por separado en los que fluye agua protegida contra heladas como de costumbre: el primero está diseñado para las temperaturas comparativamente altas del motor eléctrico, mientras que el segundo regula la temperatura de la potencia y la electrónica de carga. El software de control regula la capacidad de refrigeración.
Gracias a esta gestión térmica global, la autonomía del EVbeat aumenta hasta en un tercio en el exigente funcionamiento invernal. El rendimiento de refrigeración significativamente mejor hace posible el mayor rendimiento continuo de la máquina eléctrica.
Software de tren motriz: red eficiente de conducción de vehículos y nube
Las propiedades de los sistemas de hardware sientan una base importante para el funcionamiento sostenible del vehículo; su orquestación óptima se logra a través del software. ZF ha desarrollado su propio software de tren motriz que interconecta todos los sistemas del vehículo y establece la conexión con la nube de ZF.
Debido a que la eficiencia de un motor eléctrico depende de sus puntos térmicos de operación, es importante mantenerlos en el rango óptimo en todo momento: a bajas velocidades y altos requerimientos de par, el punto óptimo de operación térmica es muy bajo, mientras que a altas velocidades con bajos requisitos de par, las altas temperaturas no son un problema. Sin embargo, las condiciones térmicas no se pueden establecer a corto plazo. El software de transmisión de ZF puede anticipar los puntos de funcionamiento óptimos a partir de los perfiles de conducción individuales y preparar el sistema en consecuencia. 'Aprende' el comportamiento de los conductores y puede anticipar la probabilidad de perfiles de conducción individuales a través de un servicio en la nube basado en IA. Por ejemplo, el aire acondicionado y la refrigeración del sistema se reducen cuando se detectan distancias cortas.
Sobre esta base, el sistema de asistencia también puede brindar a los conductores consejos directos sobre cómo usar el vehículo eléctrico de manera eficiente. Por ejemplo, se muestran una aceleración y desaceleración eficientes, así como una velocidad máxima optimizada. Esto es particularmente valioso cuando se trata de calcular un rango preciso y práctico antes del viaje, que luego se cumple de manera confiable.
Créditos de las fotos: ZF