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Elektrischer Zentralantrieb für Nutzfahrzeuge

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  • Elektrischer Zentralantrieb für Nutzfahrzeuge

    Das öffentliche Verkehrssystem ist ein wichtiges Instrument, um die Gefahr von Verkehrsstaus in Städten abzuwenden. Busse spielen in diesem System eine bedeutende Rolle, müssen sich aber auch an immer strengere Abgasnormen anpassen. Die ZF Friedrichshafen AG hat eine neue Elektromobilitätslösung entwickelt, die Bushersteller und -betreiber dabei unterstützt, ihre Flotten lokal emissionsfrei und geräuscharm zu machen: Der Cetrax Elektro-Zentralantrieb eignet sich für Stadtbusse, Überlandbusse und Lieferwagen .



    Entwicklungshintergrund

    Strengere Emissionsgrenzwerte und die öffentliche Diskussion über Feinstaubemissionen werden sich in Zukunft verstärkt auf den ÖPNV auswirken. In diesem Segment bietet die Elektromobilität ein großes Potenzial zur Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen durch Emissionen und Lärm, Bild 1. Busse und Shuttles fahren in der Regel auf festgelegten Strecken und kehren in geplanten Abständen in die Depots zurück. Dies erleichtert die sichere Energieversorgung der Fahrzeuge bei der großflächigen Umstellung auf elektrische Antriebe mit vorab geplanten Ladestrategien. Zulieferunternehmen wie ZF Friedrichshafen können bei dieser Umstellung eine wichtige Rolle spielen. Modulare Konzepte, die von jedem Hersteller umgesetzt werden können, ermöglichen es, Mengen für einzelne Kunden zu produzieren, die für klassische Hersteller nicht rentabel sind. Dies wird erreicht, indem das Einkaufsvolumen über verschiedene Kunden hinweg gebündelt wird. Um die Umstellung auf Elektroantriebe für Fahrzeughersteller und Flottenbetreiber besonders wirtschaftlich und flexibel zu gestalten,Abbildung 2 . Ein Beispiel ist der neue Cetrax elektrische Zentralantrieb von ZF.
    https://static-content.springer.com/image/art%3A10.1007%2Fs38313-018-0091-8/MediaObjects/38313_2018_91_Fig1_HTML.jpg


    Abbildung 1
    Der vollelektrische Cetrax-Zentralantrieb für Stadtbusse hält Nutzfahrzeuge auf lokalen Straßen ohne Emissionen in Bewegung (© ZF)
    https://static-content.springer.com/image/art%3A10.1007%2Fs38313-018-0091-8/MediaObjects/38313_2018_91_Fig2_HTML.jpg


    Figur 2
    Plug-and-drive: Der neue vollelektrische Cetrax-Zentralantrieb lässt sich ohne Änderungen an Fahrwerk und Achsen in bestehende Plattformen integrieren (© ZF)



    Struktur, Kennzahlen und Messergebnisse

    Cetrax besteht aus einem Hochgeschwindigkeits-Drehstrom-Induktionsmotor mit einem Wasserkühlsystem, das sich im Gehäuse befindet, Bild 3. Es verfügt auch über ein integriertes Getriebe, das als einstufige Planetenstufe konzipiert ist. Die Kraftübertragung auf die Hinterachse erfolgt über eine ölgeschmierte und ölgekühlte Welle. Die bei den Prüfstandsmessungen nachgewiesene Spitzenleistung beträgt 300 kW und der Antrieb, bestehend aus Elektromotor und Getriebestufe, liefert gleichzeitig ein maximales Drehmoment von 4500 Nm. Die 30-Minuten-Leistung (S2-Leistung gemäß ECE-Regelung Nr. 85) beträgt 200 kW; Das daraus erzeugte Drehmoment beträgt 2170 Nm. Trotz dieser Leistungsdaten ist die gesamte Cetrax-Einheit nur 850 mm lang und wiegt nur rund 260 kg. Die Nennbetriebsspannung beträgt 650 V, kann aber flexibel an das jeweilige Applikations- und Batteriekonzept angepasst werden.
    https://static-content.springer.com/image/art%3A10.1007%2Fs38313-018-0091-8/MediaObjects/38313_2018_91_Fig3_HTML.jpg


    Figur 3
    Produktbeschreibung Cetrax (© ZF)



    Mögliche Anwendungsfälle und Installationskonzept

    Cetrax wurde für den Einsatz in Hoch- und Niedrigeinstiegsbussen sowie Lieferwagen konzipiert, die in der Regel in innerstädtischen Bereichen fahren. Das System basiert auf dem "Plug-and-drive" -Prinzip und kann daher einfach in die Hinterachse integriert werden und ersetzt damit die übliche Diesel-Getriebe-Kombination. ZF verfolgte diesen Ansatz als explizites Entwicklungsziel, damit Hersteller bei der Integration des Antriebs weder Fahrgestell, Differenzial, Statik oder Achsen des Fahrzeugs verändern müssen. Konkret können Achsen mit aktuellen Standardübersetzungen, die sich in Serienanwendungen bereits bewährt haben, weiterhin eingesetzt werden. Diese Strategie bietet kommerzielle Vorteile und erhöht die Zuverlässigkeit des gesamten Antriebssystems im Vergleich zu Antrieben, die an bestimmte Achsverhältnisse gebunden sind. Dank dieser Kompatibilität kann Cetrax problemlos in Antriebsstrang-Layouts eingebaut werden, die derzeit in herkömmlichen Fahrzeugen sehr beliebt sind. Im Gehäuse ist eine Planetenstufe integriert, die bereits im Powershift-Getriebe ZF EcoLife erprobt wurde.
    Als Systemlieferant konzentriert sich ZF auf Kunden, die eine Elektrifizierung ihrer Flotte auf Basis einer Plattformstrategie benötigen, die zudem deutliche Kostenvorteile bietet. Dies bedeutet, dass die elektrische Antriebseinheit über das gesamte Netzwerk einzeln verfügbar ist oder auch zusammen mit Umrichter und Leistungselektronik sowie einer Antriebssteuerung mit begleitender Software geliefert werden kann. Diese Komponenten sind exakt aufeinander abgestimmt, was Inspektions-, Homologations- und Servicekosten reduziert und vor allem in entscheidenden Bereichen optimale Leistungen erbringt: Eine optimierte Energieumwandlung sorgt für maximalen Wirkungsgrad und erreicht den größtmöglichen Fahrbereich bei gegebener Batteriekapazität. Außerdem, Leistungskennzahlen wie Spitzen- und Dauerleistung - maßgeblich beeinflusst durch die optimale Abstimmung von Leistungselektronik und Elektromotor - garantiert ZF. Mit der Antriebssteuerung EST54, einer bewährten Komponente konventioneller ZF-Produkte wie EcoLife oder Intarder, wird auch die Umsetzung von Funktionalitäten sichergestellt, die sich ideal für die Kombination von Elektromotor und Leistungselektronik eignen. Zu diesen Funktionalitäten gehören beispielsweise solche, die den Antriebsstrang im Überlastfall sicher halten, sowie bestimmte Fahrfunktionen wie Bergstart, Kriech- und Retarderfunktionalität. Die Implementierung von Funktionalitäten, die ideal zur Kombination von Elektromotor und Leistungselektronik geeignet sind, ist ebenfalls gewährleistet. Zu diesen Funktionalitäten gehören beispielsweise solche, die den Antriebsstrang im Überlastfall sicher halten, sowie bestimmte Fahrfunktionen wie Bergstart, Kriech- und Retarderfunktionalität. Die Implementierung von Funktionalitäten, die ideal zur Kombination von Elektromotor und Leistungselektronik geeignet sind, ist ebenfalls gewährleistet. Zu diesen Funktionalitäten gehören beispielsweise solche, die den Antriebsstrang im Überlastfall sicher halten, sowie bestimmte Fahrfunktionen wie Bergstart, Kriech- und Retarderfunktionalität.
    Da Cetrax mit allen gängigen Energiequellen wie Batterien, Brennstoffzellen, Superkondensatoren und Oberleitungen kompatibel ist, bietet der Antrieb dem Fahrzeughersteller oder Flottenbetreiber eine hohe Flexibilität bei der Wahl der Energiequellen. Darüber hinaus können aufgrund der modularen Struktur die Leistungsmerkmale für schwerere Fahrzeuge erhöht oder für leichtere reduziert werden, indem die verschiedenen Längen- und Wicklungsvarianten des Elektromotors verwendet werden, Bild 4. Auch die Steigfähigkeit und die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs können durch ein integriertes Multispeed-Modul erhöht werden, das speziell für schwerere Lieferwagen- und Intercity-Bus-Anwendungen entwickelt wurde. Das Gehäuse wurde modular aufgebaut, so dass die oben genannten Anpassungen für jede Anwendung angepasst werden können, ohne dass ein großer Zeit- oder Kostenaufwand erforderlich ist.
    https://static-content.springer.com/image/art%3A10.1007%2Fs38313-018-0091-8/MediaObjects/38313_2018_91_Fig4_HTML.jpg


    Figur 4
    Antriebsstrangoptionen mit Cetrax in Stadtbussen (© ZF)



    Den Unterschied zwischen ASM und PSM abwägen

    ZF entwickelte den Zentralantrieb als schnellen elektrischen Asynchron-Fahrmotor (ASM). Mit dieser Option profitiert das Unternehmen von der Erfahrung, die andere Divisionen bei elektrischen Antriebsprojekten bereits gesammelt haben. Durch die Verknüpfung von Know-how im Bereich der Elektromotoren und langjähriger Erfahrung im Bereich der Nutzfahrzeuggetriebe konnte der Wirkungsgrad der ASM-Energiewandlung - über 95% - so gestaltet werden, dass ein sehr geringer Energieverbrauch erreicht wird wird für typische Arbeitszyklen sowohl für innerstädtische als auch für Überlandanwendungen ausgelöst. Natürlich zeigen ASMs eine optimale Energieumwandlungseffizienz in mittleren bis hohen Geschwindigkeitsbereichen. Eines der Ziele war daher, diese hohe Effizienz der Energieumwandlung auch bei niedrigen Geschwindigkeiten zu optimieren. Dieses Entwicklungsziel wurde erreicht: In einem Bereich von 3000 bis 4000 U / min, Abbildung 5 .
    https://static-content.springer.com/image/art%3A10.1007%2Fs38313-018-0091-8/MediaObjects/38313_2018_91_Fig5_HTML.jpg

    Abbildung 5
    Elektrischer Wirkungsgrad (ASM und Wechselrichter) (© ZF)



    Sowohl die eigene Entwicklungserfahrung als auch die Wünsche potenzieller Kunden waren ausschlaggebend für die Entscheidung, mit ASM zu gehen. Es arbeitet ohne Seltenerdelemente wie Neodym und Dysprosium, die zur Erzeugung des Magnetfeldes in PSMs verwendet werden. Da Verfügbarkeit und Preis dieser Rohstoffe auf dem Weltmarkt stark schwanken, ist dies mit einem Kostenrisiko für den Hersteller verbunden. Ebenso erfordern PSMs ein kostenintensives, zeitaufwändiges Sicherheitskonzept: Durch das permanent vorhandene Magnetfeld induziert jede Drehbewegung des Rotors im Leerlauf der Maschine eine Spannung. Daher muss sichergestellt sein, dass das PSM auch bei Ausfall der Energiequelle keine Sekundärschäden am Antriebssystem des Fahrzeugs verursacht. In diesem Fall, Das PSM wird aktiv vom Umrichter kurzgeschlossen (ASC = Active Short Circuit). Diese Maßnahme muss bei der Auslegung des PSM beachtet werden, damit einerseits keine für die Fahrdynamik kritischen Drehmomente erzeugt werden und andererseits der Elektromotor und der Umrichter diesem Vorgang standhalten können, ohne dass es dazu kommt Beschädigung. Dies begrenzt jedoch die Leistung und die Energieeffizienz des PSM. ZF deckt diese Risiken ab, indem es ein funktionales Sicherheitskonzept mit allen notwendigen Soft- und Hardwarekomponenten anbietet. Dies begrenzt jedoch die Leistung und die Energieeffizienz des PSM. ZF deckt diese Risiken ab, indem es ein funktionales Sicherheitskonzept mit allen notwendigen Soft- und Hardwarekomponenten anbietet. Dies begrenzt jedoch die Leistung und die Energieeffizienz des PSM. ZF deckt diese Risiken ab, indem es ein funktionales Sicherheitskonzept mit allen notwendigen Soft- und Hardwarekomponenten anbietet.
    Es muss jedoch festgestellt werden, dass PSMs einige Vorteile gegenüber ihren asynchronen Pendants bieten: Insbesondere in Kombination mit Mehrganggetrieben und daher mit einem reduzierten Drehzahlbereich können PSMs höhere Leistungsdichten und gegebenenfalls höhere Wirkungsgrade bieten. So können sie leichter und kompakter gestaltet werden. Das Niveau der Energieumwandlungseffizienz in dem PSM ist besser, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten, als es in dem ASM der Fall ist. Dieser Vorteil muss jedoch mit den etwas höheren Verlusten, die das Mehrganggetriebe verursacht, abgewogen werden. Sie sind daher für niedrige Durchschnittsgeschwindigkeiten gut geeignet und ermöglichen somit für diesen Einsatzbereich eine leicht höhere Reichweite durch Batterieladung. Dies bedeutet, dass das PSM im innerstädtischen Verkehr höher ist, wo Busse oft im Stop-and-Go-Modus zwischen Bushaltestellen fahren. Darüber hinaus bevorzugen einige Marktregionen den Einsatz von Seltenen Erden. China, der wohl wichtigste Wachstumsmarkt der Welt, ist ein solcher Markt. ZF entwickelt derzeit eine PSM-Version von Cetrax parallel, um diese Segmente abzudecken. Das Gehäuse des Zentralantriebs wurde daher von Anfang an für beide Versionen konzipiert.



    Entwicklungsprozess

    Im Cetrax-Projekt hat sich das 30-köpfige Engineering-Team bisher in einem schwierigen Zeitplan gehalten. Nach der Vorentwurfsphase begann im Oktober 2016 die Serienentwicklungsphase. Nur elf Monate später konnte ZF auf der Messe Busworld in Kortrijk in Belgien ein fahrbereites Testfahrzeug präsentieren. Ein Grund für diesen rasanten Entwicklungsprozess war das Know-how, das ZF mit der seit 2016 in Serie gefertigten elektrischen Portalachse AVE 130 gewonnen hat. Dieses Know-how umfasst Energieeffizienz, Temperaturmodelle, Robustheit von Standardkomponenten und Software. Nach fast fünf Monaten Testlauf wurde Cetrax in einem Testfahrzeug eingesetzt. Neben Temperaturläufen und Umwelttests wurden auch Vibrationstests simuliert. Diese Zyklen werden üblicherweise in Nutzfahrzeuganwendungen durchgeführt, und ZF ist aufgrund seiner Erfahrungen mit konventionellen Antriebskomponenten mit diesen Tests vertraut. Darüber hinaus ermöglichte das Testfahrzeug neue Erkenntnisse zur Effizienz und Kühlung von Elektromotoren im realen Betrieb sowie Erkenntnisse zu weiteren innovativen, möglichen Softwarefunktionen.



    Akzeptanz bei Herstellern und Passagieren

    Um den Übergang zur Elektromobilität im ÖPNV-Bereich erfolgreich zu gestalten, darf es für Fahrzeughersteller und Fahrgäste keine Kompromisse bei Leistung und Komfort bedeuten. In Bezug auf seine Leistungsdaten erreicht Cetrax das gleiche Niveau wie herkömmliche Dieselmotoren, Bild 6 . Darüber hinaus zeigte das Testfahrzeug, dass seine Leistungsentwicklung die Beschleunigung und das Fahren bei niedrigen Rotations- und Fahrzeuggeschwindigkeiten behutsam war. Dank der Tatsache, dass die integrierte Planetenstufe ein Verhältnis von etwa 3,4 hat, kann die Steigfähigkeit bei einem Solobus bis zu 25% und bei einem Gelenkbus bis zu 15% betragen, abhängig von der gewählten Hinterachsübersetzung. Das bedeutet, dass auch schwieriges Stadtgelände problemlos bewältigt werden kann.
    https://static-content.springer.com/image/art%3A10.1007%2Fs38313-018-0091-8/MediaObjects/38313_2018_91_Fig6_HTML.jpg


    Abbildung 6
    Mit maximal 300 kW und 4.500 Nm Drehmoment aus Elektromotor plus Getriebestufe steht Cetrax einem konventionellen Aggregat in Sachen Leistung in nichts nach (© ZF)




    Andere Entwicklungsaktivitäten

    In seiner heutigen Form deckt Cetrax fast alle Anforderungen für Stadtbusanwendungen ab, von Solobussen und Gelenkbussen bis hin zu Mittelklasse-Lieferwagen. Die höheren Tonnagen, insbesondere im schweren Lieferwagensektor, erfordern jedoch eine höhere Steigfähigkeit. Darüber hinaus werden Lieferwagen oft auf Landstraßen für kurze Zeit gefahren, genauso wie lokale Busse zwischen abgelegenen Kleinstädten unterwegs sind. Höhere Geschwindigkeiten sind hier notwendiger als im Stadtverkehr. ZF untersucht daher die Möglichkeit, Cetrax künftig mit einem Multi-Speed-Modul zu erweitern. Dies würde bedeuten, dass die für starke Steigungen erforderliche Steigfähigkeit auch bei schweren Nutzfahrzeugen die Höchstgeschwindigkeit nicht beeinträchtigen würde. Das Konzept eines Mehrgangmoduls besteht aus einer Kombination mehrerer angeschlossener Planetenstufen, die ohne Zugkraftunterbrechung über energieeffiziente Betätigungselemente in Eingriff gebracht werden können. Damit der Antrieb akzeptiert wird, muss das Schalten ohne Zugkraftunterbrechung erfolgen, da Fahrer und Beifahrer dieses sanfte Schalten bereits kennen, wie es bei den klassischen Automatikgetrieben für Busse der Fall ist.Abbildung 7 . Auch hier spielen die Erfahrungen aus der Entwicklung des Powershift-Getriebes EcoLife eine Rolle und das Know-how in Betätigungselementen und das Design von Schaltelementen wird auf den elektrischen Antrieb übertragen.
    https://static-content.springer.com/image/art%3A10.1007%2Fs38313-018-0091-8/MediaObjects/38313_2018_91_Fig7_HTML.jpg


    Abbildung 7
    Cetrax erhöht den Fahrgastkomfort durch ununterbrochene Beschleunigung, geringere Fahrwerksvibration und ruhigen Lauf (© ZF)



    Mit Cetrax lite und Cetrax mid werden zwei weitere elektrische Zentralantriebslösungen für leichte und mittelschwere Nutzfahrzeuge entwickelt. Diese befinden sich derzeit in der konzeptionellen / vorläufigen Entwurfsphase. Dazu werden Komponenten aus Pkw-Antrieben so angepasst, dass die jeweiligen internen Synergien voll ausgeschöpft und die Komponenten an die spezifischen Anforderungen des Nutzfahrzeugsektors angepasst werden können. In Cetrax lite erreicht ein ASM eine Spitzenleistung von 150 kW und 380 Nm Drehmoment, was der Leistung eines konventionellen Motors in diesem Bereich entspricht. Das Gewicht des voll integrierten Systems, bestehend aus Elektromotor, Einstufengetriebe, Leistungselektronik inklusive Steuerungssoftware, beträgt rund 100 kg. Zwei parallel zueinander angeordnete ASMs bilden Cetrax mid. Es ist für ein Fahrzeuggewicht von bis zu 19 t ausgelegt und bietet eine maximale Leistung von 300 kW. Erneut ermöglicht das vollständig integrierte Design des Systems eine einfache Installation in Fahrzeugen.




    Fazit und Perspektiven

    Als Plug-and-Drive-Lösung für den elektrifizierten Antriebsstrang unterstützt der zentrale Elektroantrieb Cetrax Plattformstrategien zwischen klassischen und elektrischen Bussen sowie zwischen Bus- und Lkw-Anwendungen für Erstausrüster, deren Portfolios beide Fahrzeugtypen umfassen. Dieses ZF-System besteht aus dem Antrieb mit einem ASM, der erforderlichen Leistungselektronik und der Antriebssteuerung. Es stellt sicher, dass die Komponenten perfekt aufeinander abgestimmt sind, und garantiert so die höchste Energieumwandlungseffizienz über eine große Bandbreite von Geschwindigkeiten sowie die damit verbundenen Leistungsdaten. Die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems wird zusätzlich durch die Möglichkeit der Verwendung von Standard-Übersetzungsachsen, die im Laufe der Jahre für den Einsatz im schweren Stadtbusverkehr optimiert wurden und sich bereits bewährt haben, erhöht.
    Darüber hinaus bietet ZF einen Service für konventionelle und elektrische Antriebsstränge aus einer Hand. Erstausrüster und Endkunden haben damit nur einen Ansprechpartner für ihre verschiedenen Fahrzeugtypen (elektrisch und konventionell). ZF ist bestrebt, seine automobile Expertise im Nutzfahrzeugbereich mit seinem Know-how bei der Konzeption und Entwicklung von Elektromobilitätsanwendungen, insbesondere für diesen Betriebsbereich, von der Entwicklung bis zum Service, kontinuierlich zu verbinden.
    Die Erfahrungen, die ZF bei der bisherigen Entwicklung sammeln konnte, fließen nicht nur in die nächsten Projektphasen der Cetrax-Baureihe ein, sondern werden auch in anderen elektrischen Antrieben wie Cetrax lite und Cetrax mid sowie der Achse genutzt -basierte Antriebssysteme.
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