48-Volt-Hybrid

Nein, Blumen werden auch in Zukunft nicht aus den Auspuffrohren wachsen. Allerdings wird die 48-Volt-Hybridtechnik dazu beitragen, die Schadstoff­emissionen der Autos zu senken. - Bild: Jürgen Flchle - Fotolia

Rainer Pühl spricht mit Bedacht, wählt die Worte weise. Er trägt Anzug mit Krawatte und rahmenlose Brille. Sachlich und nüchtern ist sein Auftreten. Doch geht es um das neue 48-Volt-System von Continental, wirft der Standortleiter des Conti-Werks Nürnberg jegliche Zurückhaltung über Bord: „Mit der Industrialisierung des 48-Volt-Systems treten wir in ein neues Mobilitätszeitalter ein. Das 48-Volt-System soll so disruptiv sein wie die erste Eisenbahn zwischen Nürnberg und Fürth.“

Auf den ersten Blick ist das schwer zu glauben. Schließlich gibt es Hybridsysteme nicht erst seit heute. Toyota hat den 400-Volt-Hybridantrieb im Prius bereits Ende der 1990er Jahre in Serie gebracht. Darüber hinaus haben alle deutschen Premiumhersteller längst Plug-in-Hybride in ihrem Portfolio. Was sollte also an einem 48-Volt-Antrieb so disruptiv sein?

Pühl hat die Zahlen auf seiner Seite. Außer Toyota hat es bislang kein Automobilhersteller geschafft, mit Hybridmodellen Geld zu verdienen. Die OEMs bestätigen das zwar offiziell nicht, in Automotive-Kreisen ist das allerdings kein Geheimnis. Schön und gut, dass die deutschen Premiumhersteller mit ihren Plug-in-Hybriden sich einen grünen Anstrich verpassen können. Verkaufsschlager sind die Modelle mit Steckdosenanschluss dennoch nicht.

Ein halbes Jahr nach dem Start der Umweltprämie für Elektroautos gab es gerade einmal knapp 3 900 Anträge für Plug-in-Hybride (Stand: 10.1.2017). Das Problem, warum die Verkaufszahlen vor sich hin dümpeln: Der Großteil der 400-Volt-Hybride, Plug-in-Hybride und E-Autos kommt mit einem saftigen Preisaufschlag gegenüber einem vergleichbaren konventionell betriebenen Modell daher. Die Bereitschaft der Kunden, für einen Wagen mit Hybridantrieb mehr auszugeben, ist allerdings begrenzt.

Hier entscheidet nicht das Herz, sondern der Verstand. Die 48-Volt-Technologie ist kein Feature, mit dem der Kunde auf dem Golfplatz angeben kann. Vielmehr handelt es sich um eine Spartechnologie, die ein Problem löst. Und zwar: Wie senken die OEMs möglichst effizient die Schadstoffemissionen ihrer Motoren.

Spagat zwischen Kosten und Nutzen

Continental scheint das erkannt zu haben. Pühl-Kollege Rudolf Stark, Leiter der Business Unit Hy­brid Electric Vehicle Division Powertrain, sagt, dass es von großer Bedeutung sei, einen Spagat zwischen Kosten und Nutzen schaffen. Und der 48-Volt-Hybridantrieb habe ein sehr gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis. Grundlage dafür ist eine kostengünstige Produktion.

Stark erläutert: „Wir haben bei der Industrialisierung der 48-Volt-Systeme von Anfang an die Entwicklung von Produkt und Produktionsprozessen eng verzahnt, um eine kostengünstige Pro­duktion sicherzustellen.“ Das ist auch notwendig, um die Technologie mit hohen Stückzahlen auf den Markt zu bringen.

Denn der Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI) sagt: „Nur wenn es OEMs und Zulieferern gelingt, das 48-Volt-Bordnetz auf breiter Front einzuführen, werden sich die erforderlichen Skaleneffekte einstellen.“ Stark ist überzeugt, dass das ge­lingt: „Wir erwarten eine hohe Marktdurchdringung über alle Fahrzeugsegmente hinweg, vom A- bis zum D-Segment.“

Die weltweit ersten Hybridantriebe, die mit einer Spannung von 48 Volt arbeiten, stammen aus dem Conti­nental-Werk Nürnberg. Der Zulieferer elektrifiziert je eine Dieselvariante der neuen Renault-Modelle Scénic und Grand Scénic. Sie sind die ersten Serienfahrzeuge, die einen 48-Volt-Hybridantrieb nutzen.

Die Besonderheit: Normalerweise starten in der Autoindustrie neue Systeme in der Oberklasse. Die 48-Volt-Technik startet hingegen direkt im Volumenmarkt. Um eine kostengünstige Produktion zu ermöglichen, entwickelte Conti in nur drei Jahren ab Projektstart ein modulares Fertigungskonzept. Mit dem soll eine an den Kostenstrukturen des Volumenmarktes orientierte Herstellung möglich sein.

Die installierten Anlagen reichen aus, um bis zu 200 000 Autos pro Jahr mit 48-Volt-Antrieben auszurüsten. Das modulare Konzept macht es möglich, auf diesen Anlagen Produkte für verschiedene Automobilhersteller zu produzieren, die sich zum Beispiel hinsichtlich Größe, Leistung oder Anschlüssen – etwa für die Kühlung – unterscheiden.

 Rund 15 Millionen Euro investierte der Zulieferer dafür in neue Produktionsanlagen. „Enorm wichtig war dabei, Entwicklung und Industrialisierung frühzeitig zusammen zu bringen“, erklärt Werkleiter Pühl und ergänzt: „Das heißt, wir haben in der Entwicklung neue Systeme erdacht, die von unseren Produktionsexperten gleich geprüft und umgesetzt wurden.“ Ein Beispiel für eine Prozess-Innovation ist der Stator, der stehende Teil des Elektromotors.

Forschungspartnerschaft mit Bayerischen Laserzentrum

Continental wickelt nicht Kupferdrähte auf, wie es in einer klassischen Elektromotorenfertigung üblich wäre. Stattdessen kommen mehr als 100 Stäbe (‚Pins‘) aus Kupfer zum Einsatz, die ein Handhabungsautomat vollautomatisch in den Träger schiebt. Anschließend verschweißt ein Laser die einzelnen Pins miteinander. In einer Forschungspartnerschaft mit dem Bayerischen Laserzentrum aus Nürnberg konnte Conti ein Laserstrahl-Schweißverfahren für Kupferbauteile finden, das die gewünschte Präzision erreicht.

Pühl erläutert: „Das Besondere daran ist, dass man in sehr kurzer Zeit sehr viele Schweißverbindungen an dicken Kupfer-Pins herstellen kann. Das heißt, man hat eine sehr hohe Geschwindigkeit, eine sehr hohe Schweißgüte und auch die Geometrie dieser Schweiß­verbindung ist sehr gut für den Fluss des elektrischen Stroms.“

Auch für die Verbindung der beiden Gehäuseteile entwickelte der Technologie-Konzern ein neues Verfahren. Denn der 48-Volt-Antrieb, der in Unterbodennähe anstelle eines konventionellen Starters eingebaut wird, muss eine enorme mechanische Festigkeit vorweisen.

Deshalb wird das Gehäuse nicht nur verschraubt, sondern zunächst mit einem innovativen Fügeverfahren verbunden, dem sogenannten ‚Shrinking‘. Dabei entsteht durch das Erhitzen, dann Erkalten – dem ‚Schrumpfen‘ – von Gehäuse-Bauteilen eine sehr feste Verbindung, die den Schutz der elektrischen Bauteile im Inneren gewährleistet.

Um eine perfekte Passung zu ermöglichen, entwickelte Continental in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Integrierte Systeme und Bauelemente-Technologie (IISB) ein geeignetes Simulationsverfahren. Bayern innovativ, das bayerische Zentrum für Technologie-Transfer, unterstützte den Zulieferer bei der Suche nach geeigneten Forschungspartnern. Der Fertigungsabschnitt für die 48-Volt-Antriebe gliedert sich in drei Linien. Auf der ersten Linie fertigt der Zulieferer den Gleichrichter, der die Schnittstelle zwischen der mit Gleichstrom arbeitenden Batterie und dem mit Wechselspannung arbeitenden Bordnetz darstellt. Die Leistungselektronik übernimmt zugleich die Ansteuerung des E-Motors.

Auf einer zweiten Linie erfolgt die Herstellung des Stators, auf einer dritten die Endmontage. Schon in einer frühen Entwicklungsphase simulierte Conti den Aufbau der Linien. Das soll ökonomische Arbeitsabläufe garantieren. Lean Production wird bei Conti-Nürnberg großgeschrieben. So konnte das Unternehmen durch mehrere Optimierungsschritte die Gehwege der Mitarbeiter um 40 Prozent reduzieren.