Mercedes bringt demnächst eine neue Fahrzeugarchitektur auf den Markt. Mit dem Technologieträger Vision EQXX hat Mercedes neue Maßstäbe in Sachen Effizienz gesetzt. Jetzt bringt das Unternehmen die Erkenntnisse aus diesem Projekt in die Serienfahrzeuge ein.
Die Mercedes Modular Architecture (MMA)
Mercedes plant eine E-Auto-Architektur für die Kompakt- und Mittelklasse, die auch Verbrenner aufnehmen kann. Die Mercedes-Benz Modular Architecture ist speziell für Elektroautos konzipiert, kann aber auch noch Verbrennertechnik aufnehmen. Kernstück dieser vielseitigen und flexiblen Fahrzeugarchitektur ist das sogenannte Skateboard-Chassis, eine primär auf Elektroautos ausgelegte Bodengruppe samt entsprechender Antriebs- und Fahrwerkskomponenten. Der Aufbau, also die Karosserie, variiert hingegen: Im neu definierten Einstiegssegment plant Mercedes-Benz eine Familie von insgesamt vier Modellen.
Die „hochflexible“ MMA-Architektur markiere mit ihrer „hervorragenden Energieeffizienz“ den nächsten Schritt in die elektrische Zukunft von Mercedes-Benz, erklärt der Stuttgarter Premiumhersteller. Dreh- und Angelpunkt der Entwicklung ist das Thema Effizienz. Wie Torsten Eder, Vice President Entwicklung Elektrifizierte Antriebe, in seinem Vortrag erläutert, hatte sein Team dabei nicht nur die klassische Energieeffizienz im Blick, sondern auch etwas, was man bei Mercedes „Zeiteffizienz“ nennt.
Denn aus Kundensicht geht es eben vor allem darum, möglichst schnell am Ziel anzukommen - sei es nun durch eine hohe Reichweite dank des effizienten Antriebs, durch kurze Ladezeiten oder eine intelligente Ladeplanung. Alles spielt eine Rolle. Bei Mercedes ist man sich sehr sicher, damit genau richtig zu liegen. „Die Effizienz wird unserer Meinung nach den Unterschied machen bei künftigen Elektromodellen“, sagt Eder. Und: „Effizienz ist die neue Währung.“ An diesem Satz werden sich der CLA und alle weiteren Elektro-Mercedes messen lassen müssen.
Modellvarianten auf der MMA-Plattform
Deren erster Vertreter, die viertürige Limousine CLA, debütiert im kommenden Frühjahr. Es folgen eine Shooting-Brake-Variante sowie die Nachfolger der SUV GLA/EQA und GLB/EQB. Die Ankündigung, dass neben dem CLA nur noch GLA/EQA und GLB/EQB auf der MMA-Plattform stehen, macht klar: Die A-Klasse als Schrägheck- und Limousinen-Modell sowie die B-Klasse machen den Umzug auf die neue Basis nicht mehr mit. "Wir wollten Komplexität reduzieren und uns fokussieren", sagt Mercedes-CTO Markus Schäfer im Interview bei auto motor und sport. Ein Modell müsse künftig auf der ganzen Welt funktionieren, was derzeit nicht bei allen Baureihen der Fall sei.
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Antriebstechnik der MMA-Plattform
Jetzt gibt der Hersteller Details zur Antriebstechnik bekannt. Im neuen Antriebsstrang steckt die langjährige Kompetenz der Marke, das gelte gleichermaßen für die Hochvolt-Komponenten und für mechanische Bauteile wie Getriebe. Die elektrische Antriebseinheit (Electric Drive Unit - EDU 2.0) stelle dabei die erste Ausprägung einer neuen Generation elektrischer Antriebseinheiten von Mercedes‑Benz dar.
Mit dem Hauptantrieb an der Hinterachse für gute Traktion und Fahreigenschaften übernimmt Mercedes‑Benz ein aus der Mittel- und Oberklasse bekanntes Antriebslayout jetzt auch im Einstiegssegment. Für den MMA-Erstling ist ein Verbrauch von 12 kWh/100 Kilometern angesagt. Dieser „elektrische Antriebsstrang 2.0“ (auch englisch MB.EDU 2.0 genannt) ist eine Art Elektromotoren-Familie - im CLA wird das erste von vier „Familienmitgliedern“ verbaut, wie Eder erklärt.
Dabei handelt es sich um einen hochintegrierten Elektromotor, den Mercedes nicht nur selbst entwickelt hat, sondern auch im Stammwerk Untertürkheim selbst baut. Direkt ein kleines Aber: Nur der Elektromotor an der Hinterachse ist eine solche eATS 2.0. Der zweite E-Motor, der bei der Allrad-Variante an der Vorderachse verbaut wird, ist zwar auch nach Mercedes-Vorgaben entwickelt worden, stammt aber von einem Zulieferer.
Bei der eATS 2.0 handelt es sich um eine permanenterregte Synchronmaschine (PSM). Die Peak-Leistung liegt bei 200 kW, die Antriebseinheit selbst ist sehr kompakt verbaut und soll so einen großen und tiefen Kofferraum ermöglichen. Die Leistungselektronik (vorne und hinten kommen SiC-Halbleiter zum Einsatz) wird etwa an der Vorderseite des Gehäuses platziert, nicht mehr oben.
Die PSM kommt trotz der Dauermagnete „so gut wie“ ohne seltene Erden aus, wie Christian Pfeffer, Projektleiter für Serienentwicklung des CLA-Antriebsstrangs, erklärt. Erreicht wurde das durch Hairpin-Wicklungen im Stator und eine Doppel-V-Anordnung der Dauermagnete im Rotor.
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Zweigang-Getriebe und Allradantrieb
Der wohl kontroverse Part des E-Antriebs im CLA: Die Antriebseinheit im Heck verfügt über ein Zwei-Gang-Getriebe. Bei Mercedes ging es aber nur nebenher um die Dynamik, sondern vor allem um die Effizienz. „Mit zwei Gängen können wir in einem extrem großen Bereich eine hohe Effizienz erreichen“, erläutert Pfeffer. Eine bestimmte Geschwindigkeit, bei der die Lamellenkupplung und -klauen den Gangwechsel vollziehen, gibt es dabei nicht. „Wir berechnen laufend, welcher Gang effizienter ist“, so der Entwickler. „Das hängt von der Last ab, dem gewählten Fahrmodus aber auch Faktoren wie der Batteriespannung.“
Der erste Gang ist mit 11:1 übersetzt, der zweite mit 5:1. Über 110 km/h ist immer der zweite Gang eingelegt, beim Anfahren der erste - dazwischen entscheidet das Steuergerät. Bei den Allradlern kommt vorne noch eine zugekaufte PSM mit 80 kW zum Einsatz. Diese wird zum Anfahren und bei hoher Last als Boost-Aggregat genutzt. Bei den meisten Alltagsfahrten und konstanter Geschwindigkeit wird dieser Motor über eine eigene Kupplung in der sogenannten „Disconnect Unit“ mechanisch abgekoppelt.
Das geschieht innerhalb von 0,2 Sekunden - so kann der vordere Motor auch schnell zum Rekuperieren zugeschaltet werden. Im CLA wird es wieder vier Rekuperations-Stufen geben - vom One-Pedal-Drive bis zur automatischen Regelung D-Auto. Die hintere Antriebseinheit wird - trotz ihres Getriebes - nicht abgekuppelt. Selbst beim Segeln bleibt der E-Motor mechanisch mit den Rädern verbunden und wird lediglich stromlos geschaltet. Im Stand wird laut Pfeffer „möglichst viel abgeschaltet, um jedes Watt zu sparen“.
Die 200 kW/272 PS starke elektrische Antriebseinheit mit permanenterregter Synchronmaschine (PSM) an der Hinterachse wurde hausintern entwickelt. „Die High-Performance-Leistungselektronik ist mit einem Siliziumkarbid-(SiC)-Wechselrichter für eine besonders effiziente Energienutzung ausgerüstet“, heißt es. Die Allradmodelle verfügen zusätzlich über eine 80 kW/109 PS leistende Antriebseinheit an der Vorderachse. „Diese ist im Sinne der Effizienz ebenfalls mit einem Inverter der nächsten Generation mit Siliziumkarbid (SiC) ausgerüstet und als Permanenterregte Synchronmaschine (PSM) ausgeführt“, erklären die Entwickler.
Der vordere Elektromotor fungiert als „Boost“-Antrieb: Abhängig von Fahrsituation oder Fahrprogramm wird er nur bei entsprechender Leistungsanforderung oder Traktionsbedarf zugeschaltet. Zugunsten höherer Effizienz kann die DCU bei geringer Last die E-Maschine an der Vorderachse entkoppeln, sodass der Elektromotor und Teile des Getriebes stillstehen. Dadurch reduzieren sich die Verluste der Vorderachse den Angaben nach um 90 Prozent und die Reichweite erhöht sich.
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Natürlich dienen die Motoren beim Bremsen als Generator: Die Rekuperationsleistung beträgt voraussichtlich bis zu 200 kW. So sollen nahezu alle Bremsvorgänge im Alltag mit Hilfe der Rekuperation und nicht mechanisch über die Radbremsen erfolgen können. Ein elektrisches Abbremsen bis zum Stillstand des Fahrzeuges ist ebenfalls möglich. Die maximale Verzögerung beträgt 3 m/s². Selbst im ABS-Regelfall oder bei vereister Fahrbahn kann rekuperiert werden. Vier Rekuperationsmodi stehen zur Wahl.
Für die Berechnung der Route wird der Energiebedarf kalkuliert. Dabei werden Topografie, Streckenverlauf, Umgebungstemperatur, Geschwindigkeit, Heiz- und Kühlbedarf berücksichtigt. Weitere Faktoren sind die Verkehrssituation auf der geplanten Strecke sowie die dort verfügbaren Ladestationen, ihre Ladeleistung und die Bezahlfunktionen. Die Berechnung findet in der Cloud statt und wird mit Onboard-Daten kombiniert. Der Fahrer muss übrigens nicht bei jedem Ladestopp zwingend vollladen, sondern erhält an der Ladestation eine konkrete Empfehlung der optimalen Ladezeit.
Die Ladestopps werden so eingeplant, wie es am günstigsten in Bezug auf die Gesamtreisezeit ist: Denn unter Umständen können zwei kurze Ladestopps mit höherer Ladeleistung vorteilhafter sein.
Batterietechnologie der MMA-Plattform
Ähnliches gilt auch für die Batterie: In der MMA debütiert quasi keine Spezialentwicklung für diese Plattform, sondern eine Art Baukasten, an deren Technologien sich auch größere Modelle später bedienen werden. Die Skalierung der Zellen will Mercedes über zwei Dimensionen steuern: die Zell-Chemie und die Größe der Zellen - hier ist vor allem die Höhe gemeint.
Im CLA ist das Batteriepack mit 192 prismatischen Zellen sehr flach - bei dem Workshop in Sindelfingen war von einem „bemerkenswert“ geringen Gesamtvolumen des Packs die Rede. Das ist nicht nur das Ergebnis der Arbeit der Batterie-Entwickler im Haus. „Wir haben uns in der Entwicklung sehr früh mit den Fahrzeug-Kollegen abgestimmt“, sagt Uwe Keller, Leiter Entwicklung Batteriesysteme.
Um eine so flache Batterie zu erreichen, hat Mercedes erst einmal eine Menge Grundlagen-Arbeit erledigt. Um das Knowhow und die Entwicklung intern zu stärken, wurden neue Wege beschritten. So steuert Mercedes mit seiner Software inzwischen alle Sensoren und Aktuatoren (z.B. im Kühlkreislauf) in der Batterie selbst an. Und mit dem e-Campus in Untertürkheim hat das Unternehmen auch die Batterie-Entwicklung auf Zell-Ebene ausgebaut.
Die Batterie-Entwicklung selbst beschreibt Keller „wie einen Zehnkampf“. Auf die Batterie übertragen heißt das: Bei der Gewichtung der Faktoren wie Ladeleistung, Entladeleistung für den Antrieb, Design/Pack, Gewicht, Kosten und Reichweite sind zwar Schwerpunkte möglich, es ist aber immer ein Kompromiss gefragt. „Für uns unverhandelbar waren zum Beispiel die Sicherheit und Nachhaltigkeit. Hier sind wir keine Kompromisse eingegangen“, so Keller.
Zellchemie und Batterieoptionen
Im CLA wird es (vorerst) zwei Batterie-Optionen geben. In der Basisversion werden LFP-Zellen genutzt, um einen niedrigeren Preis anbieten zu können. In der größeren Variante für die maximale Reichweite (angepeilt werden 750 Kilometer) kommen NMC-Zellen zum Einsatz, zum ersten Mal bei Mercedes mit einer Silizium-haltigen Anode. Beide Batteriepacks sind gleich groß und in etwa gleich schwer. Mit der höheren Energiedichte kommt das NMC-Pack auf 85 kWh, die LFP-Batterie auf 58 kWh - beides sind netto-Werte, also der tatsächlich nutzbare Energiegehalt.
Bei der Lithium-Eisenphosphat-Chemie gibt Mercedes eine Energiedichte von 450 Wh/l an, bei der NMC-Batterie sind es 680 Wh/l. Das sind bei letztgenannter Batterie 30 Prozent mehr als bisher, die gravimetrische Energiedichte konnte um 20 Prozent zu den aktuellen Batterie-Generationen gesteigert werden. Und dabei ist das Ganze noch 30 Prozent günstiger. Gebaut wird das Pack - unabhängig von der Zellchemie - im sächsischen Kamenz und wird von dort an die Fahrzeugwerke geliefert.
Die 192 Zellen werden dabei in vier Gruppen à 48 Zellen zusammengefasst - jeweils 24 Zellen sind nebeneinander angeordnet. Der Boden des Batteriepacks besteht aus einem Stahlrahmen mit Alu-Wanne, dort wird auch die Kühlung eingeklebt - die Zellen werden also nur über die Unterseite gekühlt bzw. erwärmt. Die vier Zell-Gruppen werden dann in das Pack eingeklebt.
Daher spricht Keller auch von „einer Mischung aus Cell-to-Module und Cell-to-Pack“. Ja, es wird auch bei Mercedes geklebt, aber anders als bei einem Cell-to-Pack-Konzept eben nicht alles. So kann bei der MMA der Batteriedeckel abgeschraubt werden. Sobald die darunter liegende Isolierschicht entfernt wird, sind die Module, der Leitungssatz und sämtliche Steckverbindungen von oben zugänglich - und können bei einem Defekt einzeln getauscht werden.
Die Kunden werden zwischen Batterien mit zwei verschiedenen Zellchemien wählen können. Die Akkus der Top-Variante mit einem nutzbaren Energiegehalt von 85 kWh verfügen über Anoden, bei denen Siliziumoxid zum Graphit beigemischt ist. Dazu Mercedes: „Im Vergleich zur Vorgänger-Batterie mit herkömmlichen Graphit-Anoden konnte die gravimetrische Energiedichte um bis zu 20 Prozent erhöht werden. Auf Zellebene liegt die volumetrische Energiedichte der Zellchemie bei 680 Wh/l. Der Einsatz von Rohmaterialien wurde weiter optimiert und verringert. Es folgt eine vollelektrische Einstiegsvariante mit einer Batterie mit Lithium-Eisen-Phosphat-Kathoden (LFP).
Mercedes gibt acht Jahre oder 160.000 km Garantie auf die Batterie. Mit entsprechenden Abständen zwischen den Batteriezellen sowie dem Aufbau der Zellen und der Zellmodule umfassende wurden Vorkehrungen gegen eine potenzielle thermische Reaktion der Batterie getroffen. Neben den gesetzlichen Vorgaben müssen sowohl das Gesamtfahrzeug wie die Batterien zusätzlich Mercedes-interne, "teils strengere" Prüfnormen bestehen.
Ladeleistung und Ladezeiten
Hier kommt die Zeiteffizienz ins Spiel. Wenn der Kunde dann aber 40 Minuten an der Ladesäule steht, ist er nicht unbedingt schneller am Ziel als mit einem E-Auto, das zwar etwas mehr verbraucht, dafür aber deutlich schneller lädt. Bei der Veranstaltung in Sindelfingen hat Mercedes wiederholt betont, welchen Einfluss das Concept Car Vision EQXX, das ebenfalls im Electric Software Hub entwickelt wurde, auf den CLA und die MMA hatte.
Bei einem Serienauto, das 2025 debütiert, muss das natürlich anders sein. Kurze Ladezeiten sind für die Kunden wichtig. „Was für uns viel wichtiger ist als die Peak-Leistung: Wie viel Reichweite kann ich in zehn Minuten Nachladen?“, erklärt Torsten Eder. „Hier schaffen wir 300 Kilometer!“ Seine Entwickler ergänzen später in ihren Workshops, dass die Ladezeit von zehn auf 80 Prozent bei unter 22 Minuten liegt. Mit zwei Ladestopps à zehn Minuten sollen 1.200 Kilometer möglich sein.
All diese Angaben beziehen sich auf die 85 kWh große NMC-Batterie. Bei der Konstruktion weist das Ladesystem eine gewisse Ähnlichkeit mit der PPE des VW-Konzerns auf: Die gesamte Lade-Technik (für AC und DC) ist hinten auf der Oberseite des Batteriepacks verbaut - Mercedes nennt das Bauteil „One Box“.
Da die Lade-Technik unter den Rücksitzen platziert ist, werden zumindest die MMA-Stromer den Ladeanschluss hinten haben - ein in Sindelfingen ausgestelltes Skateboard-Modell hatte die CCS-Buchse über dem Hinterrad auf der Beifahrerseite.
Beim Concept CLA Class ließe sich binnen zehn Minuten per Gleichstrom-Schnellladen (DC) eine Reichweite von bis zu 300 Kilometern nachladen.
Das ermöglicht eine besonders hohe Ladeleistung, im Fall der MMA von bis zu 320 kW. Damit soll es möglich sein, innerhalb von 10 Minuten, Energie für bis zu 300 km Fahrt (oder 36 kWh) nachzuladen.
MMA sieht zwei Akku-Größen vor: 58 kWh und 85 kWh. Bis zu 750 km sollen mit dem größeren Akku im CLA möglich sein.
Hybridantrieb auf der MMA-Plattform
Nicht ganz unter den Tisch fallen soll auch die kommende Hybrid-Version des CLA. Die MMA wurde zwar ohne Kompromisse auf Batterie-elektrische Autos ausgelegt, ermöglicht aber auch einen Hybridantrieb. Dieser wird nach der BEV-Version kommen und ist für electrive aus einem Grund erwähnenswert: Obwohl es nur ein 48-Volt-Hybrid ist, kann der CLA rein elektrisch fahren.
Konkret handelt es sich um einen P2-Hybrid, die E-Maschine (auch hier eine PSM) wirkt auf die Eingangswelle des Acht-Gang-Doppelkupplungsgetriebes mit dem sperrigen Namen 8F-eDCT. Damit kann in allen acht Gängen mit E-Unterstützung gefahren und auch rekuperiert werden. Da in der kompakten Elektromotor-Getriebe-Einheit noch eine dritte Kupplung verbaut ist, kann der Verbrenner komplett abgetrennt werden. Eine rein elektrische Reichweite wird Mercedes nicht kommunizieren und auch nicht zertifizieren lassen.
Den Verbrenner-Part übernimmt ein 1,5 Liter großer Vierzylinder, eine Neuentwicklung. Aufgrund des knappen Bauraums, der für einen kleinen Elektromotor und einen Frunk beim E-Auto ausgelegt ist, muss der ganze Hybrid extrem kompakt ausfallen. Angeboten werden drei Leistungsstufen mit 100, 120 und 140 kW.
Die Fahrzeuge der MMA-Architektur wird es auch als Hybrid mit 48-Volt-Technik geben. Der Elektromotor mit 20 kW/27 PS Antriebsleistung wurde samt Wechselrichter in ein neues elektrifiziertes Achtgang-Doppelkupplungsgetriebe (8F-eDCT) integriert. Die elektrische Energie von bis zu 1,3 kWh stellt eine neue 48-Volt-Batterie mit Lithium-Ionen-Technologie und in Flachbauweise bereit. Durch Rekuperation und die Möglichkeit, bei innerstädtischen Geschwindigkeiten rein elektrisch zu fahren, sei dieser Antriebsstrang besonders effizient, wirbt Mercedes. Verstärkt werde dies durch elektrisches Segeln bei einem Tempo bis zu rund 100 km/h.
Als Verbrennungsmotor kommt dort ein neuer Vierzylinder-Benziner der modularen Motorenfamilie FAME (Family of Modular Engines) zum Einsatz.
Der Verbrennungsmotor-Antriebsstrang besteht aus einem aufgeladenen Vierzylinder-Turbomotor sowie einem 20 kW-E-Motor, einem 1,3 kWh-Akku und einem 48 Volt-Netz. So lassen sich kurze Strecken rein elektrisch zurücklegen, zudem kann der CLA bis 100 km/h häufig den Verbrenner abschalten.
Das intern M252 genannte 1,5-Liter-Triebwerk ersetzt den M260. Es kommt in drei Leistungsstufen mit 136, 163 und 190 PS. Die Top-Variante arbeitet mit 1,8 bar relativem Ladedruck. Der Einspritzdruck beträgt bei allen Varianten bis zu 350 bar. Die Besonderheit: Der Motor arbeitet nach dem so genannten Miller-Verfahren. Der geringere Anteil zündfähigen Gemischs erfordert allerdings eine Aufladung, in diesem Fall ein so genannter Segmentlader mit schaltbarem Flutenverbinder (ähnelt entfernt dem Twin-Scroll-Lader und soll das Ansprechverhalten des Motors verbessern).
Der Elektromotor unterstützt dann im niedrigen Drehzahlbereich. Die Konstantfahrprofile werden elektrisch abgedeckt, der ineffiziente Betrieb also mit dieser Betriebsart absolviert. Der Motor kann in allen acht Gängen rekuperieren, also bis zu 25 kW Energie zurückgewinnen.
Integriert ist der Elektromotor samt Wechselrichter in ein neues, Achtgang-Doppelkupplungsgetriebe. Kraftschluss und -trennung erfolgen mit Hilfe von zwei Fahrkupplungen und einer Trennkupplung. Die Übersetzungen der acht Schaltstufen sind breit gespreizt, was ebenfalls der Effizienz zugutekommt, weil sich so die Motorbetriebspunkte optimal anpassen lassen.
Optional: Der Allradantrieb 4matic. In diesem Fall gelangt die Antriebsleistung über eine Welle zur Hinterachse, wo eine elektromechanische Lamellenkupplung den Kraftfluss regelt.
Zusammenfassung der wichtigsten Punkte
Die MMA-Plattform von Mercedes-Benz stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung Elektromobilität dar. Durch die Kombination aus effizienten Antrieben, fortschrittlicher Batterietechnologie und flexiblen Hybridoptionen setzt Mercedes neue Maßstäbe im Kompakt- und Mittelklassesegment.
Tabelle: Technische Daten der MMA-Plattform
| Merkmal | Details |
|---|---|
| Architektur | Mercedes Modular Architecture (MMA) |
| Antrieb | Elektrisch (BEV) und Hybrid (48V) |
| Batterieoptionen | 58 kWh (LFP) und 85 kWh (NMC) |
| Ladeleistung | Bis zu 320 kW |
| Reichweite (BEV) | Bis zu 750 km (WLTP) |
| Hybridantrieb | 1.5L Vierzylinder + 20 kW Elektromotor |