„Der Verbrennungsmotor wird – elektrifiziert – die nächsten Jahre eine weiter dominante Spezies sein“: Stephan Rebhan, Leiter Technologie & Innovation bei Vitesco Technologies. (Bild: Vitesco Technologies)
Herr Rebhan, mit einer der jüngsten Entwicklungen, dem 48-Volt-High-Power-System in P2-Architektur, verspricht Vitesco Technologies bis zu 20 Prozent CO2-Reduzierung. Was sind die Ziele, die Sie mit diesem System verfolgen?
Stephan Rebhan: Wir wollen die Endkunden befähigen, bestimmte Strecken preiswert elektrisch fahren zu können und damit einen deutlichen Mehrwert bei Verbrauch und CO2 bieten. Die Besonderheit bei dem System ist, dies mit einer im Vergleich zur Hochvolttechnologie günstigeren Niedervolttechnologie zu erreichen. Im neuen WLTP-Verbrauchszyklus können wir mit Hilfe des 48-Volt-High-Power-Ansatzes 94 Prozent der Zeit beziehungsweise 85 Prozent der Strecke elektrisch fahren. Der Endkunde kann damit in der Stadt rein elektrisch fahren. Die Distanz, die er letztlich erreichen kann, ist aber abhängig von der Batteriegröße. Hierbei sehen wir zwei Klassen von Batterien.
Welche sind das?
Eine kleine Batterie, die beim Fahren geladen wird, wie es in bestehenden Konzepten am Markt bereits der Fall ist. Hier reden wir von einer Batteriekapazität zwischen 0,5 bis 1,5 Kilowattstunden. Oder man will eine Plug-in-Möglichkeit schaffen, mit der man 60 Kilometer oder mehr elektrisch fahren kann. Wir haben dabei A- und B-Klasse-Fahrzeuge vor Augen, die mit deutlich kleineren Batterien, wie sie heute in schweren Plug-in-Hybriden verbaut sind, auf eine bestimmte Reichweite ausgelegt werden können. Dies gelingt uns mit unserem neuen 48-Volt-High-Power-Antrieb mit einer Antriebsleistung von 30 kW. Eines unserer wichtigsten Entwicklungsziele ist dabei maximale Effizienz, insbesondere auch bei der Rekuperation. Diese haben wir durch Optimierung der Elektronik und des magnetischen Designs gegenüber dem Vorgängermodell erhöht. Die Verlustleistung ist kleiner, konkret fällt die abzuführende Verlustwärme wesentlich geringer aus. Der Motor kann daher länger im Dauerbetrieb bei höherer Leistung fahren.
Wie schnell können Sie dieses Konzept in Serie umsetzen?
Mit unserer Erfahrung aus typischen Entwicklungszeiten gehen wir von rund vier Jahren aus, die es benötigt, die Technologie in Serie zu bringen. Durch das große Interesse an diesem System prüfen wir gerade, ob wir die Marktreife auch schon früher erreichen können. Offensichtlich treffen wir mit diesem Ansatz genau den Puls der Zeit.
Sinterverfahren für Hochleistungshalbleiter
Thema reine Elektromobilität: Eines der jungen Produkte ist das Powermodul, das Stromstärken bis zu 650 Ampère ermöglicht. Was sind dessen Highlights?
Mit dem Powermodul, das in der jüngsten Generation bereits seit dem vergangenen Jahr unter anderem im Jaguar I-Pace in Serie läuft, zielen wir primär auf Hochleistungsanwendungen mit hohem Energiebedarf. Ziel war es, ein kompaktes Modul zu entwickeln, das bei Abruf hoher Leistung effizient arbeitet. Bei Elektrofahrzeugen geht man per se von ihrem hohen Wirkungsgrad aus. Diesen gibt es aber nur unter Idealbedingungen, etwa bei bestimmter Auslastung und idealen Temperaturen. Was aber, wenn die Konditionen nicht ideal sind? Etwa, wenn der Fahrer eine sehr hohe Leistung abruft und gleichzeitig extrem kalte Temperaturen vorherrschen. Elektrofahrzeuge mit 80 bis 85 Prozent Wirkungsgrad sacken hier schnell in den Bereich von lediglich 60 Prozent.
Sie setzen bei den Mikrochips auf ein neues Produktionsverfahren. Was sind dabei die Besonderheiten?
Wir erreichen die hohe Leistung durch eine sehr effiziente Komponententechnologie. Historisch stark ist hier der Standort Nürnberg, eines unserer Kompetenzzentren für Elektromobilität und Elektronik. Von dort haben wir über die vergangenen 20 Jahre immer wieder technologische Innovationen ins Feld gebracht, etwa die erste Keramikplatine im Auto. Wir betreiben dort Verfahrensentwicklung. Nürnberg ist bekannt für Getriebesteuerungen, bei denen hohe Ströme eine Rolle spielen. Ein Beispiel sind Ölpumpen mit 100 Ampère. Unser Kompetenzzentrum haben wir daher auch für die neue Leistungselektronik genutzt und ein Sinterverfahren für Hochleistungshalbleiter entwickelt, mit dem wir sehr charmant eine thermische und elektrische Anbindung an den Grundträger ermöglichen. Damit erzielen wir sowohl auf Seiten der Kosten, als auch auf Seiten des Wirkungsgrads deutliche Fortschritte.
Technologisch ist dies nicht einfach umzusetzen. Klassischerweise werden elektrische Verbindungen mit Halbleitern durch Bonden erzeugt, also durch Reibschweissen eines Drahtes auf der einen Seite und das Ziehen eines Bogens, der auf der gegenüberliegenden Seite wiederum angeschweisst wird. Der gesamte Strom muss durch dieses Drähtchen – was mit Blick auf den Prozess wie auch auf den Wirkungsgrad und die Robustheit nicht immer optimal ist. Obwohl Bonden eine etablierte Technologie ist, wollten wir einen nächsten Schritt gehen. Für Niederstrom-, für Logik-Anwendungen mit feinen Gold- und Silberdrähten, bleibt Bonden weiterhin sinnvoll. Für Hochstrom-Anwendungen mit kräftigeren Aluminiumdrähten ist jedoch das Sintern der nächste logische Schritt. Der Trick dabei ist die flächige Verbindung.
Welche Vorteile bietet Sintern im Vergleich zum Bonden? Werden Sie dadurch noch schneller?
Die Geschwindigkeit stand nicht im Vordergrund. Die Taktzeiten bleiben ähnlich, denn Bonden ist bereits ein schnelles Verfahren - die Automaten in der Elektronikfertigung erzielen mehrere Bonds pro Sekunde. Vorausgesetzt man beherrscht alle Parameter richtig, handelt es sich beim Sintern um ein Qualitätsthema. Dabei ist es wichtig, den hohen Druck zu beherrschen, der auf die Bauteile einwirkt. Hierfür gilt es etwa das Thema Ebenheit im Auge zu behalten. Darüber hinaus ist die Verbindungen im Vergleich zum Bonden auch nicht mehr sichtbar. Mit Blick darauf haben wir in letzter Zeit sehr viel Know-how entwickelt. Wenn die Sinterverbindung einmal steht, dann ist sie robust und dauerhaft haltbar. Diesen ersten Schritt zu wagen, darin liegt genau der Technologie-Sprung.
Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren weiter steigern
Wie sieht der Fahrplan von Vitesco Technologies mit Blick auf klassische Motoren aus?
Der Verbrennungsmotor wird – elektrifiziert – die nächsten Jahre eine weiter dominante Spezies sein. Wenn man - wie mehrere Studien kommunizieren - davon ausgeht, dass 2030 rund zehn bis 20 Prozent reine Elektroautos produziert werden, heißt dies im Umkehrschluss, dass alle anderen Fahrzeuge einen Verbrenner unter der Haube haben. Wir müssen also weiter an einem optimalen Gesamtpaket aus Elektro- und Verbrennungsmotor-Antrieben arbeiten, um sowohl die Systemkosten als auch die CO2 Emissionen zu senken. Hier ist es auch notwendig, eine Gesamtbetrachtung - von der Herstellung bis zum Recycling - zur Bewertung heranzuziehen.
Das Spektrum an Möglichkeiten ist vielseitig. Dies kann etwa dazu führen, dass man von einer teuren Direkteinspritzung mit Turboaufladung wieder zu Motoren mit Saugrohreinspritzung ohne Aufladung zurückkehrt. Und dies in Kombination mit neuen Brennverfahren. Dank der geänderten Randbedingungen sind auch die Potenziale groß, den Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren weiter zu steigern.
Welche Wege gehen Sie dazu?
Wir konzentrieren uns darauf, aus unserer Hybridarchitektur- und Hybridsystem-Betrachtung heraus Empfehlungen abzugeben, welche Varianten von Verbrennern sinnvoll sind und welche Anforderungen womöglich nicht mehr bestehen. Unsere eigene Entwicklung wollen wir auf das Thema Elektrifizierung fokussieren. Dies bedeutet Impulse zu geben und Spezifikationsmöglichkeiten aufzuzeigen. Mit Blick auf unsere Kompetenz bei 48-Volt-Maschinen und Elektronik kann dies bedeuten, konkrete Tipps etwa für den Einspritzdruck zu geben und zu benennen, wie ein Turbolader entsprechend verändert werden muss. Gerade in den kommenden fünf Jahre sehen wir extrem spannende Zeiten vor uns liegen, in denen noch richtig viele neue Technologien kommen werden.
Eines der Beispiele ist der elektrische Heiz-Kat ...
Der elektrisch beheizbare Katalysator hilft sowohl beim Otto- als auch beim Dieselmotor die Kaltstartemissionen deutlich zu reduzieren. Zusätzlich wird das Thermomanagement des Katalysatorsystems unabhängig vom Verbrennungsmotor gemacht, wodurch der Verbrennungsmotor verbrauchsgünstiger betrieben werden kann.
Das haben wir bereits mit unserem Demonstrator-Fahrzeug, dem Super Clean Electrified Gasoline und -Diesel bewiesen. Zusätzlich arbeiten wir an Themen, wie dem Turbo-Katalysator, der im Motorraum ein sehr kompaktes Canning erlaubt und - neben den sehr guten katalytischen Eigenschaft - auch den Turboladerwirkungsgrad steigert. Um die zukünftige Anforderung an limitierte NH3 Emissionen beim Ottomotor zu unterstützen, setzen wir unsere, aus dem Diesel bekannte, NOx-Sensorik ein, um eine präzisere Lambdaregelung sicher zu stellen.
Vitesco Technologies sieht sich hierbei also auch in einer Art beratender Rolle?
Um am Beispiel des erwähnten 48-Volt-Heiz-Katalysators zu bleiben: Um die benötigte light-off Temperatur zu erreichen, muss die Energie ja irgendwo herkommen. Mit einem 48-Volt-Generator in P0- oder P2-Architektur holt man die Energie aus dem Verbrenner, speichert sie zwischen oder schöpft sie aus der Batterie, aus dem Plug-in-Prozess. Wir können dann beispielsweise vorhersagen, wieviel Energie die Abgasnachbehandlung beim nächsten Ampelstopp benötigt, um den Heiz-Katalysator zu aktivieren. Das Energiemanagement lässt sich so gestalten, dass die Batterie zum richtigen Zeitpunkt ausreichend geladen wird. Wir beschäftigen uns also intensiv damit, wie wir das Energiemanagement so optimieren können, dass keine Blindleistung erzeugt wird. Es geht um ein intelligentes Puffern der Energie im 48-Volt-System.
Dazu schöpfen Sie aus dem Systemverständnis zu zahlreichen Komponenten im Hause Vitesco Technologies …
Genau, und zwar in der Funktion wie auch mit Blick auf die Kosten. Unsere Kunden haben bestimmte Technologieausrichtungen, die sie extrem gut verstehen. Wir haben jedoch den Blick weltweit auf alle Kunden. Wir verstehen die gesamte Klaviatur der Möglichkeiten und tun uns daher leichter, verschiedene Alternativen zu beleuchten und dann auch die entsprechenden Empfehlungen abzugeben. Natürlich entscheidet am Ende immer der Kunde über das System, aber wir können durchaus auch einmal Dinge aufzeigen, bei denen die Kunden sagen: Da haben wir noch nicht daran gedacht.
