Mercedes VISION EQXX: Wegweisender Antriebsstrang für das Elektrozeitalter
Auf jeder Fahrt ist es das Auto, das die Arbeit erledigt. Es „macht Strecke“, während Fahrer und Passagiere die Reise genießen können. Der VISION EQXX legt den Fokus auf die Langstrecke, und dabei ist Effizienz das A und O. Bei einer Leistung von bis zu 150 kW sorgt der hocheffiziente elektrische Antriebsstrang des VISION EQXX für überragende Ausdauer auf Langstrecken. Der Prototyp ist mehr als die Summe seiner Teile. Er ist ein ingenieurtechnisches Gesamtkunstwerk. Das Team verfolgte das klare Ziel, einen elektrischen Antriebsstrang zu entwickeln, der eine einmalige Kombination aus Effizienz, Energiedichte und Leichtbau aufweist. Dafür steht vor allem eine Zahl: 95 Prozent Effizienz. Das bedeutet, dass bis zu 95 Prozent der in der Batterie gespeicherten Energie an den Rädern ankommt. Zum Vergleich: Bei einem Fahrzeug mit einem effizienten Verbrennungsantrieb sind es etwa 30 Prozent, bei einem durchschnittlichen (menschlichen) Langstreckenläufer etwa 50 Prozent.
Die Formel-1-Experten von Mercedes-AMG High Performance Powertrains (HPP) in Brixworth (Großbritannien) wissen, wie man jedes Kilojoule an Energie nutzt. In intensiver Zusammenarbeit mit den Rennsport-Ingenieuren hat die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Mercedes-Benz den Antriebsstrang neu konzipiert und die Systemverluste reduziert.
„Einer der besten Wege, die Effizienz zu steigern, ist die Verringerung von Verlusten“, erklärt Eva Greiner, Chefingenieurin elektrische Antriebssysteme bei Mercedes-Benz. „Wir haben an jedem Teil des Systems gearbeitet, um Energieverbrauch und Verluste durch Systemdesign, Materialauswahl, Schmierung und Wärmemanagement zu reduzieren. Und unsere hervorragenden Simulationstools haben uns geholfen, schnell herauszufinden, was funktioniert und was nicht.“
Das elektrische Antriebssystem im VISION EQXX ist eine eigenständige Einheit aus Elektromotor, Getriebe und Leistungselektronik mit einer neuen Generation von Siliziumkarbiden. Der Wechselrichter basiert auf dem des kommenden Mercedes-AMG Project ONE Hypercars.
Batterieentwicklung auf neuem Niveau in Zusammenarbeit mit HPP
Für den VISION EQXX hat Mercedes-Benz zusammen mit dem HPP-Team ein völlig neues, kompaktes und leichtes Batteriepaket entwickelt, das eine bemerkenswerte Energiedichte von knapp 400 Wh/l erreicht. Dieser Benchmark-Wert ermöglichte es, eine Batterie mit annähernd 100 kWh nutzbarer Energie platzsparend zu verbauen.
„Wir haben die Energie des EQS in die Abmessungen eines Kleinwagens gepackt“, sagt Adam Allsopp, Advanced Technology Director bei HPP. „Die Batterie hat fast die gleiche Energiemenge wie der Akku des EQS, ist aber nur halb so groß und 30 Prozent leichter. Bei der Entwicklung des Batteriemanagementsystems und der Leistungselektronik wurde größter Wert auf die Verringerung von Verlusten gelegt. Bei der Erreichung dieses Effizienzmeilensteins haben wir viel gelernt, das in künftige Entwicklungsprogramme einfließen wird.“
Die Chemie der Anoden hat ebenfalls großen Anteil an der gesteigerten Energiedichte. Ihr höherer Siliziumgehalt und ihre Zusammensetzung erlauben es, wesentlich mehr Energie zu speichern als die bisher verfügbaren Anoden. Ein weiterer Vorteil, der die beeindruckende Energiedichte ermöglicht, ist der hohe Integrationsgrad des Batteriepacks. Diese Plattform, die gemeinsam von Mercedes-Benz F&E und HPP entwickelt wurde, schafft mehr Platz für die Zellen und reduziert das Gesamtgewicht. Mehr Raum für die Zellen bringt auch das separate Fach für die elektrischen und elektronischen Komponenten (EE), die so genannte OneBox, die außerdem Vorteile beim Ein- und Ausbau bietet. Zusätzlich enthält die OneBox neuartige Sicherheitsvorrichtungen mit energieeffizientem Betrieb. Sie verbrauchen deutlich weniger Energie als die entsprechenden Komponenten in aktuellen Serien-Elektrofahrzeugen.
Mit dem Ziel, die Grenzen des technisch Machbaren auf allen Ebenen auszuloten, arbeitete das Batterieentwicklungsteam zudem mit einer ungewöhnlich hohen Spannung von über 900 Volt. Davon profitiert auch der Forschungsbereich bei der Entwicklung der Leistungselektronik. Das Team konnte viele wertvolle Daten sammeln und bewertet derzeit die potenziellen Vorteile für die künftige Serienproduktion.
Kompakt, leicht und hocheffizient – das sind überzeugende, aber bei weitem nicht alle Vorteile der neuen Batterie. Weitere Fortschritte markiert sie auch in Sachen Nachhaltigkeit, nicht zuletzt dank ihres Designs. So wurde der leichte Deckel gemeinsam von Mercedes-AMG HPP und den Chassis-Partnern von Mercedes Grand Prix entwickelt. Das Bauteil besteht aus einem neuartigen, nachhaltigen Verbundwerkstoff. Er wird aus Zuckerrohrabfällen gewonnen, mit Kohlefasern verstärkt und so auch in der Formel 1 verwendet. Die Batterie verfügt außerdem über ein so genanntes aktives Zellbalancing. Es gewährleistet, dass die Energie während der Fahrt gleichmäßig aus den Zellen entnommen wird, was die Systemeffizienz nochmals erhöht. Insgesamt wiegt die Batterie rund 495 Kilogramm, einschließlich der OneBox.
Für den optimalen Temperaturhaushalt: innovatives Wärmemanagementsystem
Die Physik definiert Wärme als „Energie, die zwischen zwei Systemen aufgrund unterschiedlicher Temperaturen übertragen wird“. Bleibt diese Energie ungenutzt, kommt es zu Wärmeverlusten, die die Gesamteffizienz mindern. Um dem entgegenzuwirken, erhielt der VISION EQXX ein fortschrittliches Wärmemanagementsystem. Es bewahrt die Wärmeenergie und reduziert gleichzeitig den Kühlwiderstand. Beides wirkt effizienzsteigernd.
Diese innovative Lösung beruht auf dem Mercedes-Benz „cooling-on-demand“-Konzept, das für den VISION EQXX weiterentwickelt wurde. So ist in allen Betriebszuständen eine optimale Kühlung gewährleistet. Da der elektrische Antrieb dank seines hohen Wirkungsgrads nur wenig Abwärme entwickelt, konnte das Wärmemanagementsystem des Technologieträgers sehr kompakt und leicht gehalten werden. Das perfekt abgestimmte Zusammenspiel von Luftklappen, Kühlmittelventilen und Wasserpumpen sorgt dafür, dass der Triebstrang inklusive Leistungselektronik stets im optimalen Temperaturfenster arbeitet. Und das bei minimalem Energieverbrauch. Ursache dafür ist die effektive Kombination des Luftstrommanagementsystems mit einer Kühlplatte, die im Unterboden des Fahrzeugs platziert ist und den Luftstrom an dieser Stelle nutzt.
Dieses Kühlelement ist die aerodynamisch effizienteste Lösung, um den Temperaturhaushalt des Antriebsstrangs zu regulieren. Unter normalen Bedingungen kann es die Reichweite des Fahrzeugs um bis zu 20 Kilometer steigern. Nur bei sehr hohen Außentemperaturen oder dynamischer Fahrweise schaltet das Kühlsystem einen Gang höher. Die normalerweise geschlossenen Klappen an der Front des VISION EQXX öffnen sich bei höheren Temperaturen und leiten über ein Luftführungssystem zusätzliche Kühlluft ein. Die Einlässe sind entlang der Hochdruckzone des vorderen Stoßfängers angeordnet. Die Auslässe befinden sich in den Niederdruckzonen auf der Motorhaube.
Vorteil dieser bedarfsgesteuerten Kühlung: Bei geschlossenen Klappen bleibt der cW-Wert unverändert niedrig, was die meiste Zeit der Fall ist. Bei geöffneten Klappen steigt der Luftwiderstandsbeiwert nur um sieben Punkte (0,007). Falls das Fahrzeug im Stand gekühlt werden muss, schaltet sich ein zusätzliches Kühlgebläse ein (Thermoeffizienzmodus).
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