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NEWS

Head-up-Display mit 3D-Anzeige

Reifen für fahrerlose Automobile

Spezialwerkzeug für die E-Maschinen-Reparatur

Robustes Batteriegehäuse in Holz-Stahl-Hybridbauweise

FACHWISSEN

Thermomanagement

Der Innenraum und die HV-Batterie sind in modernen Fahrzeugen die Zonen, welche am meisten vom Thermomanagement abverlangen, da sie die kleinsten Wärmebereiche aufweisen, in denen eine für sie akzeptable Temperatur herrscht.

TECHNIK

Berechtigt, fit und nüchtern?

Gesichtsauthentifizierung in der B-Säule, Vitalparameter-Monitoring und nicht-invasive Blutalkoholmessungen sollen zu Gesundheit und Sicherheit beitragen.

Echtzeit-Batteriezustandserfassung

Die dynamische Impedanzspektroskopie wertet detaillierte Messdaten zum Batteriezustand während des Betriebs in Echtzeit aus.

Aufgesprühte Ventilsitze

Nissan kann in einem neuen Turbomotor dank Kaltgasspritzverfahren auf die gängigen eingepressten Einlassventilsitze verzichten.

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Head-up-Display mit 3D-Anzeige statt Spiegeln bietet bessere Tiefendarstellung bei reduziertem Bauraum

Unter seiner neuen Marke Aumovio hat der Continental-Unternehmensbereich Automotive auf der IAA Mobility ein Head-up-Display vorgestellt, das die bisher für die Projektion notwendigen Spiegel durch ein 3D-Display ersetzt. Das künftig eigenständige Technologie- und Elektronikunternehmen Aumovio reduziert dadurch den benötigten Bauraum um bis zu 50 % im Vergleich zu gängigen Lösungen. Gleichzeitig soll sich der räumliche Eindruck der auf der Windschutzscheibe dargestellten Inhalte spürbar verbessern – und die Grösse des sichtbaren Bereichs wird erweitert.

Mittels Eyetracking gibt das «Mirrorless AR HUD» ein für beide Augen unterschiedliches Bild aus, welches den Tiefeneindruck entstehen lässt. So können Distanzen von 0.6 bis 80 m auf einer Darstellungsfläche von 15° x 8°

CONTINENTAL

und darüber hinaus abgebildet werden, was etwa drei Fahrspuren im direkt vor dem Fahrer liegenden Blickfeld auf der Windschutzscheibe entspricht. Für die intelligente visuelle Positionierung der Navi-

gations-, Verkehrs- und Fahrerassistenz-informationen im Blickfeld zeichnet die Software AR-Creator von Aumovio verantwortlich, die elementarer Bestandteil des Systems ist. Sie wertet Sensordaten

aus, gleicht Bewegungen vom Fahrzeug und virtuellen Objekten im HUD-Sichtfeld aus und erzeugt so den Effekt der Augmentierung. Sämtliche zum Einsatz kommenden Systembestandteile basieren auf bereits etablierten Technologien und lassen so äusserst effiziente Entwicklungszyklen zur Weiterentwicklung für den seriellen Automotive-Einsatz zu.

Aumovios 3D-Head-up-Display kann über mehrere Fahrzeugmodelle hinweg skaliert werden, da die Bildausgabe über intelligente Algorithmik fahrzeugspezifische Eigenschaften der Windschutzscheibe wie Anstellwinkel und Krümmung einbezieht. Durch die softwaregestützte Bildoptimierung ergeben sich deutliche Kosteneinsparungen für Fahrzeughersteller, da individuell an Modellreihen angepasst gefertigte Spiegelelemente gänzlich entfallen. (pd/sag)

Spezielle, auf autonome Fahrzeugflotten und Robotaxis massgeschneiderte Erstausrüstungsreifen

Mit dem teilautomatisierten und autonomen Fahren hat auch in der Reifenentwicklung eine neue Ära begonnen, denn selbstlenkende Autos stellen andere Anforderungen an Reifen, fahren etwa meist mit niedrigeren Geschwindigkeiten und unter kontrollierten Bedingungen. Dafür müssen Reifen für Robotaxis häufig lange Betriebszeiten meistern. Continental bietet nun mit «aContact»eine Reifenlinie für den Erstausrüstungseinsatz an fahrerlosen Fahrzeugen an.

Das Technologieunternehmen beschäftigt sich seit Jahren mit innovativen Fahrzeugkonzepten und den damit verbundenen Anforderungen an Reifen und liefert nun massgeschneiderte Varianten des «aContact» an mehrere Kunden, die bereits autonom agierende Fahrzeugflotten betreiben oder künftig betreiben werden.

Continental setzt auf das autonome Fahren: Der Reifenhersteller bietet eine Produktlinie speziell für den Erstausrüstungseinsatz an fahrerlosen Fahrzeugen an.

Je nach Einsatzgebiet sind dabei verschiedene Qualitäten und technologische Spezifikationen der neuen Reifenlinie gefragt. Stets im Fokus: Sicherheitseigenschaften wie kurze Bremswege und hervorragendes Handling, auch bei Nässe. Die Anforderungen un-

terscheiden sich deutlich: etwa zwischen einem Fahrzeug, das im hektischen Berufsverkehr operiert, und einem Shuttle-Fahrzeug, das auf einem Flughafengelände auf klar definierten Routen rollt. Continental berücksichtigt dies und passt Gummimischungen und Pro-

fildesigns entsprechend an. Auf Kundenwunsch kann der Reifen eine besonders robuste Seitenwandkonstruktion erhalten, die eine hohe Lebensdauer ermöglicht. Auch ein geringer Rollwiderstand ist ein häufig gefragtes Kriterium, da er die Reichweite von autonomen Elektrofahrzeugen maximiert. Reifen für selbstfahrende Autos sind in der Regel relativ schmal und hoch gebaut – das senkt den Luft- und obendrein den Rollwiderstand. Gleichzeitig tragen hohe Reifen das Gewicht von schweren Fahrzeugkarosserien und Batteriepaketen besser. Das hat positive Auswirkungen auf das Handling und die Fahrstabilität. Für ein geräuscharmes Fahrerlebnis berücksichtigt Continental zudem gezielt die Minimierung externer Abrollgeräusche bei der Entwicklung der «aContact»-Reifen. (pd/sag)

Bild:
Aumovio
Das 3D-Display ersetzt bisher notwendige Spiegel, um virtuelle Objekte darzustellen, reduziert den Bauraumbedarf und verbessert den räumlichen Eindruck der Darstellung.

Spezialwerkzeug ermöglicht den berührungslosen, sicheren Austausch

Schaeffler Vehicle Lifetime Solutions präsentiert mit dem E-Axle Repair Tool ein Spezialwerkzeug, das die Reparatur von elektrischen Antriebseinheiten möglich macht. Das neue Werkzeug erlaubt die präzise und berührungsfreie Demontage und Montage von Rotor und Stator: Anstelle von teuren Austauschmotoren können Elektromotoren gezielt instandgesetzt werden – das spart Ressourcen und unterstützt eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft. Und gleichzeitig profitieren Fahrzeugbesitzer von einer kostengünstigen Alternative zum Austausch des ganzen E-Motors.

Dank der hohen Steifigkeit sowie mechanischen Präzision des Demontagewerkzeugs und der universellen Anpassungsfähigkeit an verschiedene E-Motor-Typen, ist ein vielseitiger Einsatz bei der Motorenzerlegung und der an-

TECHNISCHE UNIVERSITÄT GRAZ

von Rotor und Stator des E-Motors

Berührungsfreie Demontage/Montage von Rotor und Stator: Schaefflers E-Axle Repair Tool für Werkstätten, die sich auf die Reparatur von E-Motoren spezialisieren wollen.

schliessenden Montage möglich. So sorgt die stabile Konstruktion für eine sichere und gut geführte Demontage, bei der der erforderliche radiale Abstand trotz starker Magnetkräfte zuverlässig eingehalten wird. Presskräfte von bis zu 10’000 N ermöglichen das

Batteriegehäuse

problemlose Lösen selbst stark haftender Dichtungen und das Einpressen neuer Lager – ohne Folgeschäden an den Bauteilen. «Die präzise Führung beim Entfernen des Rotors aus dem Stator ist Voraussetzung dafür, dass die Komponenten nicht miteinander

in Kontakt kommen. Das würde einen Abrieb erzeugen, der im Motor verbleibt und im schlimmsten Fall zu einem Motorschaden führen kann», sagt Stephan Niese, Director Global Product Management ePowertrain Schaeffler Vehicle Lifetime Solutions. Darüber hinaus ermöglicht das Werkzeug für den Anwender ein einfaches, ergonomisches Arbeiten dank des uneingeschränkten Zugangs über drei offene Arbeitsseiten.

Das E-Axle Repair Tool ist für alle Werkstätten geeignet, die sich auf die Reparatur von E-Motoren spezialisieren und von neuen Geschäftsmöglichkeiten profitieren wollen. Es ist ab sofort erhältlich und für alle Reparaturlösungen und Achssysteme geeignet, die Schaeffler bereits im Portfolio hat, wie beispielsweise das Reparaturset «E-Axle RepSystem-G» und das «E-Axle RepSystem-M». (pd/sag)

in Holz-Stahl-Hybridbauweise überzeugt bei Verformungs- und Brandschutztests

Einem Team um Florian Feist vom Institut für Fahrzeugsicherheit an der TU Graz ist es im Projekt «Bio!Lib» gelungen, das schützende Gehäuse von Elektroautobatterien statt aus Aluminium aus Holz und dünnem Stahlblech zu fertigen. «Wir verwenden eine sehr dünne Stahlhaut, deren Kammern mit Holz gefüllt sind. Die Stahlhaut wird direkt im Beisein des Holzkerns verschweisst», erklärt Feist den Aufbau. Holz hat den Vorteil, dass es aus winzigen Zellen besteht, die unter hoher Druckbelastung kollabieren und dadurch bei einem Crash viel Energie aufnehmen können. Auch der Unterboden und der Deckel bestehen aus diesem Stahl-HolzKomposit, das Innere der Batterie ist mit rippenähnlichen Querstreben verstärkt. «Wir waren selbst erstaunt, wie gut unser Gehäuse

Umweltfreundliches Batteriegehäuse für Elektroautos: Im Projekt «Bio!Lib» haben die Forschenden Aluminium durch dünnen Stahl und Holz ersetzt.

scheidende Funktionen von Batteriegehäusen. Als Brandschutzmaterial setzten die Forschenden ebenfalls auf einen nachwachsenden Rohstoff: Kork. «Wenn Kork sehr hohen Temperaturen ausgesetzt ist, verkohlt er», erklärt Florian Feist. «Durch die Verkohlung kommt es zu einem starken Abfall der ohnehin bereits relativ geringen Wärmeleitfähigkeit, wodurch die dahinter liegenden Strukturen geschützt sind.» Bei einem Pyrotechniktest, der einen Batteriebrand simuliert, hielt der Batteriedeckel Temperaturen von über 1300 °C und dem Beschuss mit Aluminium und Kupferpartikeln stand. Das korkisolierte «Bio!Lib»Gehäuse übertrumpfte in diesem Test sogar die Tesla-Konkurrenz: Auf der brandabgewandten Seite war die Temperatur rund 100 °C niedriger. (pd/sag) bei einem simulierten Crash performt», sagt Florian Feist. Beim kritischen Pfahl-Crashtest, bei dem Fahrzeuge oder Komponenten mit hoher Geschwindigkeit auf einen runden Stahlpfeiler prallen, sind

die Intrusionswerte des «Bio!Lib»Gehäuses fast identisch mit denen des Aluminium-Batteriegehäuses des Tesla Model S. Neben dem Aufprallschutz sind Feuer- und Hitzebeständigkeit ent-

Bild:
Schaeffler
Bild: M. Wagner – TU
Graz

Thermomanagement

Verteilung von Wärme und Kälte

Der Innenraum und die HV-Batterie sind in modernen Fahrzeugen die Zonen, welche vom Thermomanagement am meisten abverlangen, weil sie die kleinsten Wärmebereiche aufweisen, in denen eine für sie akzeptable Temperatur herrscht. Auch aus diesem Grund sind die Thermomanagementsysteme moderner Fahrzeuge derart komplex geworden. Text: Andreas

klimatisierung und die Kühlung der Antriebsmotoren sowie der Leistungselektronik nicht angezeigt.

Um die Jahrtausendwende wurden die ersten Verbrennungsmotoren mit einem zweikreisigen Kühlsystem ausgerüstet. Der Kurbeltrieb wurde dann häufig längs durchströmt und der Zylinderkopf quer. Bei der Trennung des Kühlflüssigkeitsstromes konnte mit einer Drossel die Flüssigkeitsmenge für das Kurbelgehäuse auf etwa einen Drittel und jene für den Zylinderkopf auf zwei Drittel eingestellt werden. Um den Füllungsgrad zu erhöhen, sollte der Zylinderkopf unter 90 °C bleiben, um aber die Reibung zu senken, sollte die Temperatur des Zylindergehäuses bei gut 100 °C liegen. Bald darauf wurden elektronisch gesteuerte und elektrisch beheizbare Thermostaten eingesetzt. Damit kam die Elektronik ins Kühlsystem und so wurde das Thermomanagement geboren.

Wohlfühlzonen

In diesen Jahren wurden die Benzinmotoren zunehmend downgesizt und damit aufgeladen; so musste auch mehr Entwicklungsarbeit in die Ladeluftkühlung gesteckt werden. Da sich die Aussenlufttemperatur und damit deren Kühlwirkung tages- und jahreszeitabhängig verändert, ist die Luft-Luft-Kühlung nicht konstant. Mit der Kühlflüssigkeit, welche auch den Motor kühlt, konnte die Ladeluft infolge des zu geringen Temperaturgefälles nicht gekühlt werden. Somit wurde ein neuer Niedertemperaturkreislauf entwickelt, welcher die Ladeluft unabhängig von der Aussentemperatur abkühlt. Bezieht man den Innenraum in die Überlegungen mit ein, ergeben sich bereits vier Kühlkreisläufe, welche bei unterschiedlichen Aussentemperaturen ihre Arbeitsgebiete bei konstanter Temperatur halten sollten.

Mit der Einführung der elektrisch betriebenen Antriebsmaschinen, der Leistungselektronik und dem neuen Speichermedium, der Batterie, ergaben sich weitere Kreisläufe. Um die alle seriös regeln zu können, kann auf eine Elektronik nicht verzichtet werden. So entwickelte sich das Thermomanagement weiter und umfasst heute eine grosse Zahl von Schläuchen, Ventilen, Pumpen, Sensoren und eben ein zentrales Steuergerät, welches versucht, alle Temperaturen im grünen Bereich zu halten (Bild 2). Audi schreibt, dass je nach Anforderung vom Thermomanagementsteuergerät der beste von mehr als 200 Schaltzuständen ausgewählt werde.

Die engsten grünen Bereiche weisen der Innenraum und die Batterie auf. Werden diese

Audi, Mahle-Behr, Lerch
Bild 2. Dieses Bild zeigt die ungefähren Temperaturbereiche verschiedener Baugruppen und Zonen eines Fahrzeuges. Es ist deutlich sichtbar, dass der Innenraum und die Batterie eng abgegrenzte grüne Bereiche haben.
Bild 1. Bauteile des Thermomanagementsystems des Audi E-Tron GT Quattro. Im Bild werden die Innenraum-

Bild 3. Die drei gebräuchlichen Zellgeometrien für Li-Ionen-Batterien sind: a die Rundzelle – b die prismatische Zelle – c die Pouch-Zelle.

Bereiche nicht eingehalten, geht es im Innenraum relativ rasch um die Sicherheit, weil der Fahrer bei zu tiefer oder zu hoher Temperatur rasch an Konzentration einbüsst. Bei der Batterie geht es um die Leistungsfähigkeit und die Alterung.

Batteriebauarten

Da heute die allermeisten Hersteller Batterien mit einer Li-Ionen-Zellchemie verwenden, beschränken sich die Ausführungen auch vor allem auf diese Batterieart. Wie ein Kühlkonzept auf Zellebene entwickelt und ausgeführt werden kann, hängt von der detaillierten Zellchemie, aber auch vom Zellentyp, den Aussenmassen, dem inneren Aufbau und der Grösse des abzuführenden Wärmestromes ab. Es werden drei gängige Zellgeometrien unterschieden: die Rundzelle (a in Bild 3), die prismatische Zelle (b)

und die Pouch-Zelle (c). Während bei der Rundund der prismatischen Zelle die Elektroden und der Separator in der Regel in einem stabilen Gehäuse aufgewickelt sind, werden die einzelnen Lagen des aktiven Materials bei Pouch-Zellen aufeinandergestapelt oder gefaltet und in einer flexiblen Aluminiumverbundfolie verpackt.

Die drei unterschiedlichen Zellen leiten alle die Wärme entlang der Elektroden rund 10-mal besser ab als quer dazu (Bild 3: λl > λq). Die Elektroden leiten den elektrischen Strom und damit auch die Wärme gut. Quer dazu muss die Wärmeenergie den Elektrolyten und die Separatoren überbrücken – vor allem die Separatoren bilden da einen relativ grossen Widerstand. Deshalb ist die Wärmeleitung in dieser Richtung schwieriger. Dazu kommt, dass die Rundzelle mit einem geringen Verhältnis der Oberfläche zum Volumen einen zusätzlichen Nachteil hat. Sie kann mit der relativ kleinen Oberfläche weniger Wärme abführen. Bei allen Zellgeometrien ist die Kühlung im Zentrum der Zelle sehr herausfordernd.

Die gewölbte Aussenfläche der Rundzelle erschwert es zusätzlich, einen Kühlmantel mit gutem Wärmeübergang anzulegen. Da aber nicht nur Kühleigenschaften die Auswahl der Zellen beeinflussen, kommt die Rundzelle in automobilen HV-Batterien immer noch relativ häufig vor.

Batterieklimatisierung

In Bild 4a werden die hauptsächlichen Wärmewege durch die einzelnen Batteriezellen dargestellt. Die roten Pfeile weisen auf den Wärmefluss innerhalb der Zelle hin, die schwarzen Pfeile zeigen, dass die Wärmeenergie an

den elektrischen Anschlüssen oder am Gehäuse abgenommen werden kann. Dabei ist es aber auch wichtig, dass die Wärme die gelbe Isolationsschicht (3 in Bild 4) durchdringen kann. Im Bild 4b wird die Batteriezelle von Luft (weisse Pfeile) umströmt. Dies stellt eine einigermassen einfache Kühlung dar, da die Zellen einfach im Luftstrom stehen. Dafür ist der Raumbedarf für die Luftleitungen und vor allem für die Zu- und Abfuhr der Luft beträchtlich, und die minimalen Temperaturunterschiede, welche zwischen den einzelnen Zellen erlaubt sind, können nicht immer eingehalten werden. Im Bild 4c wird die Wärme unter den Batteriezellen über eine Kühlplatte weggeleitet. Durch die Kühlplatte werden die einzelnen Zellen direkt kontaktiert und so kann die Energie mittels Wärmeleitung effizient abgeführt oder bei Bedarf auch zugeführt werden. Die Kühlplatte kann von Kühlflüssigkeit, vom Kältemittel der Klimaanlage durchströmt oder thermoelektrisch gekühlt werden. Der bauliche Aufwand ist sicher grösser, aber vor allem die Temperaturhomogenität wird dadurch besser. Reicht die Bodenkühlung nicht aus, kann mit gesteigertem Aufwand die Seitenkühlung (4d) realisiert werden. Die in Bild 5 wie ein Kunstwerk aussehende Kühlmatte ist eine von der österreichischen Firma Miba entwickelte kühlmitteldurchströmte Seitenkühlmatte aus Kunststoff (Flexcooler). Die Ableiterkühlung (4e) überträgt die Wärmeenergie direkt über die Elektroden. Diese Art wird häufig bei PouchZellen eingesetzt.

Heizen und Kühlen

Während der Verbrennungsmotor dank seinem mässigen Wirkungsgrad in der Regel genügend

Bild 4. Wärmeertrags- und Kühlungsbilder einer Rundzelle. Rot Wärmepfeile bis zum Abführmedium – schwarz mögliche Kühlpunkte – weiss Luftkühlung –blau Flüssigkeits-, Kältemittelkühlung – 1 Wärmeableitung an der Anode – 2 Wärmeableitung an der Kathode – 3 elektrische Isolierung – 4 Volumen ohne aktives Material – 5 aktives Material – 6 Gehäuse – a schematisches Wärmemodell – b Luftkühlung – c Bodenkühlung – d Seitenkühlung – e Ableiterkühlung.

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Bild 5. Der Flexcooler von Miba wurde zur Seitenkühlung von Rundzellen entwickelt. Unten sind die Zu- und Abflussrohre für die Kühlflüssigkeit.

Abwärme liefert, um den Innenraum oder das Abgassystem aufzuheizen, gelingt das bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen nur schwer. Natürlich kann hier elektrisch zugeheizt werden, das geht aber in jedem Fall zulasten der Fahrzeugreichweite. Aus diesem Grund müsste eine effizientere Zuheizung gefunden werden. Das wäre beispielsweise eine Wärmepumpe. Die liefert pro kWh elektrischer Energie 2 bis 4 kWh Wärmeenergie, ist dementsprechend 2- bis 4-mal effizienter als die elektrische Zuheizung. Klimaanlagen gehören in heutigen Fahrzeugen zur Standardausrüstung. Die Funktionsweise ist im Bild 6 dargestellt. Soll mit der Anlage gekühlt werden, betrachtet man den Kreislauf im Gegenuhrzeigersinn. Begonnen wird oben, wo gasförmiges Kältemittel in den Kompressor geleitet wird. Das Kältemittel muss unbedingt gasförmig sein, sonst nimmt der Kompressor Schaden. Das Kältemittel wird im Kompressor unter Druck gesetzt und dadurch auch stark erhitzt. So strömt es in den Kondensator. Das ist ein Wärmetauscher, welcher mit Fahrtwind gekühlt wird. Der Fahrtwind erwärmt sich dabei und das Kältemittel wird kühler und dadurch flüssig, es kondensiert. Der Druck ist nach wie vor hoch. Im Expansionsventil wird das Kältemittel durch eine Düse in den Verdampfer gesprüht. Durch den raschen Druckabfall wird das Kältemittel sehr kalt. Der Verdampfer wird auch mit einem Luftstrom durchflossen, welcher danach in den Innenraum des Fahrzeuges gelangt. Beim Durchströmen kühlt sich dieser Luftstrom ab: Weil die feinen Kältemitteltröpfchen, welche den Verdampfer

in Kanälen durchströmen, verdampfen, nehmen sie dem Luftstrom Wärmeenergie weg. Sie werden dadurch wärmer und verlassen den Verdampfer gasförmig. So werden sie wieder zum Kompressor zurückgeführt.

Wärmepumpe

Die Wärmepumpe funktioniert wie die Klimaanlage. Im Bild 6 fördert der Kompressor das Kältemittel aber im Uhrzeigersinn, so dass sich der Kondensator im Innenraum befindet und sich die durchströmende Luft erwärmt. Dabei kühlt sich das Kältemittel ab und wird flüssig.

Das Expansionsventil spritzt das flüssige Kältemittel in den Verdampfer, welcher sich hier im Fahrtwind befindet. Dabei wird das Kältemittel erwärmt (verdampft) und die durchströmende Luft kühlt sich ab. Im Bild 7 ist eine derartige Anlage schematisch dargestellt. Die Zeichnung ist insofern realistischer als in Bild 6, da der Kompressor jetzt immer in die gleiche Richtung fördern kann. Mit Ventilen wird das Kältemittel dann in die richtige Richtung geleitet, so dass es im roten Heizkreislauf zunächst zum Kondensator im Innenraum strömt und dann zum

Bild 6. Schematische Darstellung der Wärmepumpe-Klimaanlage im Auto. Es ist aus verschiedenen Gründen nicht möglich, das Kältemittel einmal im Uhrzeiger- und einmal im Gegenuhrzeigersinn strömen zu lassen.

Bild 7. In diesem Bild ist schon einiges realistischer dargestellt, aber es fehlen immer noch diverse Bauteile (z. B. der Vorratsbehälter).

als Verdampfer wirkenden Wärmetauscher, welcher im Fahrtwind liegt. Der blaue Klimakreislauf ist einfacher aufgebaut und erinnert an einfache schematische Klimakreisläufe. Im Innenraum verfügen beide Kreisläufe über separate Wärmetauscher, den im Fahrtwind liegenden Wärmetauscher brauchen jedoch beide Anlagen. Wenn die Aussentemperatur tief ist, wird die Wärmepumpe zum Heizen benötigt, dann muss aber der Fahrtwind im Verdampfer kühlen. Wenn dagegen die Aussentemperatur hoch ist, muss im Kondensator der Klimaanlage gekühlt werden. Das zeigt, dass es da nicht ganz einfach ist, einen guten Wirkungseffekt hinzukriegen, aber mit entsprechenden Wärmetauschervolumina gelingt es, dass die Kreisläufe funktionieren.

Batterietemperierung

Wenn ein Fahrzeug als Parallelhybrid aufgebaut ist und ein Verbrennungsmotor im Notfall die Leistungsbereitstellung erbringen kann, sind die Anforderungen an die Temperierung der Batterie etwas kleiner, da in einer Notsituation, wenn die Temperatur zu hoch steigen sollte, der E-Antrieb ausgeschaltet werden kann. Beim rein elektrisch angetriebenen Fahrzeug ist das nicht möglich, und da muss der Batterietemperatur eine sehr hohe Priorität zugeordnet werden. Steht das Fahrzeug an einem heissen Sommertag auf dem Parkplatz, muss die Batteriekühlung plötzlich funktionieren können, damit die Batterie nicht zu warm wird. Aus diesem Grund werden die HV-Batterien von BEV intensiver in ein Thermomanagement eingebunden als die (kleineren) Batterien von Hybridfahrzeugen. Für Hybridfahrzeuge reichen häufig Luftkühlungen (Bild 8a). Dabei wird die Kühlluft aus der Abluft des Innenraums generiert. Wenn es nötig ist, wird der Kälte-

Kältemittelkühlung –c Kühlmittelkühlung.

kreislauf über einen speziellen Verdampfer geleitet, welcher dem Innenraumverdampfer der Klimaanlage parallel geschaltet ist, wodurch die Batterie effizienter gekühlt wird.

Bei der Kältemittelkühlung (Bild 8b) wird die Kühlplatte als Verdampferplatte gestaltet und ein Expansionsventil spritzt das Kältemittel direkt in die Kühlplatte. Diese Variante bietet eine grosse Kontaktfläche zum Wärmeaustausch. Sollte die Batterie hingegen erwärmt werden, kann diese Variante allerdings nicht helfen. Deshalb ist sie für BEV nicht geeignet. Die BEV weisen in der Regel einen Kühlkreislauf mit Kühlflüssigkeit auf (Bild 8c). Dieser spezielle Niedertemperaturkreislauf verfügt über einen eigenen Wärmetauscher. Reicht der aber nicht, um die Batterietemperatur ausreichend tief zu halten, wird ein Teilstrom der Kühlflüssigkeit zum Chiller geleitet. Dies ist ein Wärmetauscher zwischen dem Batteriekühlkreislauf und dem Kältemittel des Kältekreislaufes. Der Verdampfer des Klimakreislaufes ist parallel zum Verdampfer im Innenraum geschaltet und kann über spezielle Ventile betätigt werden. Auf diese Weise kann die Temperatur der Kühlflüssigkeit bei hohen Temperaturen vom Thermomanagement stufenlos eingestellt werden. Anders bei tiefen Temperaturen. Im Bild ist ein spezieller Kreislauf mit einem PTC-Zuheizer gezeichnet, welcher von einer eigenen Kühlflüssigkeitspumpe betrieben wird. In der Regel wird der PTC-Zuheizer aber in den kalten Zulauf des Batteriekühlkreislaufes geschaltet. Damit wird die zusätzliche Pumpe überflüssig,

dafür kommt die Kühlflüssigkeit direkt vom Flüssigkeitskühler. Das ist aber auch nicht gerade ideal, da in der Regel bei tiefen Aussentemperaturen zugeheizt werden muss. Da wird es nicht sehr wirkungsgradfördernd sein, wenn gut gekühlte Kühlflüssigkeit anschliessend mit elektrischer Energie aufgeheizt werden muss.

FRAGEN

1. Was versteht man unter einem Chiller?

2. Welche drei Arten von Batteriekühlung werden unterschieden?

3. Nähert sich der Temperaturbereich der Batterie der unteren Grenze, muss sie beheizt werden. Wie wird das technisch realisiert?

LÖSUNG ZUR AUSGABE 9/2025

1. Das hängt mit der Drehmomentabgabe der verschiedenen Motoren zusammen: Die EMaschine gibt zwischen 0 und >10’000/min nutzbares Drehmoment ab, Verbrennungsmotoren nur zwischen ca. 1000 und ca. 6500/min.

2. Das Einlassventil schliesst vor UT. Es strömt kein Gemisch bzw. keine Luft mehr in den Zylinder. Der Zylinderdruck wird daher bis UT kleiner (Unterdruck). Nach UT hilft der Unterdruck, den Kolben wieder zu beschleunigen. Der Füllungsgrad ist kleiner, aber mit einem hohen Verdichtungsverhältnis kann auf diese Art der Teillastwirkungsgrad verbessert werden.

3. Es gibt zwei Möglichkeiten:

1. wird die Rekuperationsenergie der Batterie zugeführt (wenn der Ladezustand dies zulässt).

2. wird sie der Antriebsmaschine zugeführt, dafür kann die Drosselklappe des Verbrennungsmotors etwas geschlossen werden.

Bild 8. Thermomanagement für die Batterie von Hochvoltanlagen. a Luftkühlung – b

Berechtigt, fit und nüchtern?

Trinamix hat auf der IAA Mobility in München seine Gesundheits- und Sicherheitslösungen präsentiert. Dazu gehören neben dem Monitoring von Vitalparametern eine nicht-invasive Blutalkoholmessung sowie eine B-Säulen-Lösung, die registrierten Fahrern und Passagieren den Fahrzeugzugang durch sichere Gesichtsauthentifizierung ermöglicht. Bilder: trinamiX GmbH

Unsichtbar im Display integriert: kontaktloses Vitalparameter-Monitoring im Fahrzeuginnern.

Trinamix (Eigenschreibweise trinamiX) – eine BASF-Tochtergesellschaft und Vorreiterin im Bereich der Biometrie und der BiomarkerMessung – hat auf der IAA Mobility ein so genanntes Invisible Biometric Sensing Display vorgestellt, das die patentierte Beam-ProfileAnalysis-Technologie zum Monitoring der Vitalparameter der Fahrzeuginsassen nutzt. Es wurde in Zusammenarbeit mit dem Continental-Unternehmensbereich Automotive entwickelt, welcher künftig als eigenständiges Unternehmen Aumovio auftritt. Ausgestattet

Auf Knopfdruck: nicht-invasive Blutalkoholmessung mit NIR-Spektroskopie.

mit einer Nahinfrarotkamera sowie einem – selbstverständlich augensicheren – Laserpunktprojektor werden zukünftige Fahrermonitoringsysteme damit in der Lage sein, Vitalparameter wie die Herzfrequenz der Fahrzeuginsassen ohne physischen Kontakt zu überwachen. Die Technologie funktioniert, indem sie die Reflexionen des Lichts erfasst, das vom Laserpunktprojektor im unsichtbaren Lichtspektrum ausgestrahlt wird, und KI-Algorithmen nutzt, um die Vitalparameter abzuleiten.

Die Lösung ist in erster Linie darauf ausgelegt, stressige Situationen oder potenzielle medizinische Notfälle im Fahrzeug zu erkennen. Im Falle eines solchen Szenarios kann eine entsprechende Sicherheitsfunktion aktiviert werden, um sowohl die Insassen als auch andere Verkehrsteilnehmer zu schützen. Ein besonderes Merkmal des Systems ist seine Anpassungsfähigkeit an die spezifischen Anforderungen der Automobilhersteller: Der Einsatz einer 5-MP-Weitwinkelkamera ermöglicht die Überwachung sowohl des Fahrers als auch

des Beifahrers. Diese umfassende Abdeckung kann massgeblich die allgemeine Sicherheit erhöhen.

Nicht-invasive Blutalkoholmessung

Zuverlässige Blutalkoholüberwachungssysteme sind zu einem zentralen Thema globaler Diskussionen geworden. Trinamix hat als Antwort auf diese Nachfrage seine Lösung zur Blutalkoholmessung präsentiert, die sowohl für private als auch für kommerzielle Fahrzeuge geeignet ist. Die Technologie nutzt miniaturisierte Nahinfrarot-Spektroskopie (NIR), um eine nicht-invasive und präzise Methode zur Erkennung von Ethanol im Blut bereitzustellen. Dazu verwendet dieser Ansatz unsichtbares Nahinfrarotlicht, das mit Ethanolmolekülen im Gewebe unter der Haut interagiert. Durch die Analyse der individuellen Reflexion des Lichts können die Algorithmen des Systems den Alkoholgehalt im Blut einer Person genau bestimmen. Das Besondere an der TrinamixLösung ist dabei die kompakte Bauweise, die eine nahtlose Integration in das Innere des Fahrzeugs ermöglicht. Diese Benutzerfreundlichkeit stellt sicher, dass Fahrer schnell und einfach – mit nur einem Knopfdruck – ihre Intoxikation überprüfen können.

Reibungsloser und sicherer Fahrzeugzugang

Zusammen mit Witte Automotive hat Trinamix eine schlüssellose B-Säulen-Lösung mit integrierter Gesichtsauthentifizierung entwickelt. Damit öffnet sich das Auto automatisch, sobald sich eine registrierte Person dem Fahrzeug nähert. Mit diesem Feature kann auf einen Türgriff verzichtet werden, was völlig neue Gestaltungsmöglichkeiten für zukünftige Fahrzeuge schafft. Durch die Zusammenarbeit mit Witte Automotive war es an der IAA Mobility zum ersten Mal möglich, die Trinamix-Gesichtsauthentifizierung für die B-Säule live in einem Konzeptfahrzeug zu erleben. (pd/sag)

Batteriezustandserfassung in Echtzeit

Die Impedanzspektroskopie vom Fraunhofer IFAM wertet detaillierte Messdaten zum Batteriezustand während des Betriebs in Echtzeit aus und ermöglicht damit ein optimiertes Batteriemanagement in Elektroautos. Text: Stefan Gfeller | Bilder: Fraunhofer IFAM

Laboraufbau zur computergestützten Echtzeit-Impedanzmessung an einer Lithium-Ionen-Batteriezelle zur Analyse des Zustands. Dynamische Impedanzspektroskopie

Mit der Impedanzspektroskopie lässt sich die Impedanz – die in einer Batterie Auskunft über den Ladestand (SoC, State of Charge) gibt und Rückschlüsse auf den Zustand des Innenlebens mit Kathoden, Anoden oder Elektrolyten (SoH, State of Health) oder den Sicherheitszustand erlaubt – nicht direkt messen, sondern wird aus dem Verhältnis von Strom und Spannung errechnet. Um alle erforderlichen Daten zu gewinnen, sind allerdings aufwendige Messungen und Analyseverfahren erforderlich. Zudem ist die Impedanzmessung bisher nur im Ruhezustand realisierbar, und es kann typischerweise bis zu zwanzig Minuten dauern, ehe die Daten zur Charakterisierung der Batterie vorliegen. So weit der bisherige Stand der Impedanzspektroskopie gemäss FraunhoferInstitut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM.

Batterieinnenleben abgebildet Dort haben nun Forschende unter Leitung von Prof. Fabio La Mantia das Verfahren zur

«dynamischen Impedanzspektroskopie» weiterentwickelt, die es ermöglicht, Messwerte zum Status der Batterie während des laufenden Betriebs zu ermitteln und in Echtzeit verfügbar zu machen. Die so gewonnenen Informationen umfassen weit mehr als nur Angaben zur Ladekapazität oder der noch verbleibenden Betriebsdauer, sie zeichnen ein präzises, tief gehendes und differenziertes Bild des Innenlebens der Batterie. Daraus lässt sich auch die mögliche Lebensdauer der Batteriezelle individuell vorhersagen. Denn im Vergleich zu Anzeigen des Batterieladestands, die bei E-Autos in der Fahrzeugelektronik integriert sind und auch fortlaufend während der Nutzung messen, reagiert das neue Verfahren deutlich schneller und ist genauer.

Dazu wird dem Entlade- bzw. Ladestrom ein Mehrfrequenz-Prüfsignal überlagert. Die unterschiedlichen Frequenzen erlauben Rückschlüsse auf den Status bestimmter Komponenten oder Prozesse in der Batterie. Das Antwortsignal von Strom und Spannung wird

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bis zu einer Million Mal pro Sekunde gemessen. Alle Daten aus dem hochauflösenden Messverfahren fliessen in eine simultan ablaufende Datenverarbeitung. Daraus berechnet eine Software den Verlauf der Impedanzwerte und schliesst auf den Zustand der jeweiligen Batteriezelle. Um trotz der enormen anfallenden Datenmenge die Ergebnisse in Echtzeit zu erhalten, haben die Fraunhofer-Forschenden einen Kniff angewandt: «Wir haben Algorithmen entwickelt, die die Datenmengen vor der Analyse deutlich reduzieren, ohne dabei die Informationen zu verfälschen», sagt Projektleiter Dr. Hermann Pleteit.

Zelltemperatur-«Messung»

Aus der Impedanz lassen sich auch Rückschlüsse auf die Temperatur innerhalb der Zelle gewinnen. So könnten Batteriemanagementsysteme während der Fahrt im E-Auto sofort registrieren, wenn eine Zelle sich lokal stark erhitzt. Dann könnte die Zelle abgeschaltet oder die Leistung gedrosselt werden. Herkömmliche Temperaturfühler, die sich sowieso auf der Aussenhülle der Batterie befinden und thermische Probleme nur mit Verzögerung erfassen, würden damit überflüssig.

Wie das Fraunhofer IFAM erklärt, sei die dynamische Impedanzspektroskopie nicht nur für Li-Ionen-Akkus geeignet, sie könne auch für Batterietypen auf Feststoff-, Natrium-Ionenoder Lithium-Schwefel-Basis oder weitere zukünftige Technologien angewendet werden.

Die Grafik zeigt, wie sich die Impedanzkurven während eines Ladezyklus dynamisch verändern. Der Verlauf der Kurven gibt Aufschluss über die physikalischen und chemischen Prozesse in der Batteriezelle.

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Kaltgasspritzverfahren

Aufgesprühte Ventilsitze

Nissan kann in einem neuen Turbomotor für den «e-Power»-Antrieb dank Kaltgasspritzverfahren auf die herkömmlichen eingepressten Einlassventilsitze verzichten. Dadurch kann die Luftführung in den Brennraum mit Blick auf eine starke Tumble-Strömung optimiert werden. Text: Stefan

Nissan hat sein serielles Hybridantriebssystem «e-Power» überarbeitet und setzt einen neuen 1.5-l-Turbomotor (Motorkennung ZR15DDTe) für den Generatorantrieb ein. Dieser nutzt das «STARC»-Verbrennungskonzept (Strong Tumble & Appropriately stretched Robust ignition Channel), das für eine hohe thermische Effizienz sorgt und von Nissan im Jahr 2021 vorgestellt wurde. Wie der Name schon andeutet, erzeugt «STARC» eine starke TumbleStrömung – und die Minimierung von Turbulenzen im Ansaugluftstrom spielt dabei eine wichtige Rolle. Dermassen ausgestattet erreicht der Dreizylindermotor, der ausschliesslich den Generator antreibt und deshalb stets in optimalen Betriebspunkten arbeiten kann, einen thermischen Wirkungsgrad von 42 %.

Beschichtung als Ventilsitz

Bisher liessen sich die Einlasskanäle nicht optimal auslegen, da ihre Form durch die eingepressten gesinterten Ventilsitze eingeschränkt wurde. Nissan konnte dieses Problem nun mit der Entwicklung eines neuen Ventilsitzes, der im Kaltgasspritzverfahren gefertigt wird, lösen. Dabei wird die Beschichtung direkt auf den Zylinderkopf aufgebracht, so dass kein separater Ventilsitz mehr erforderlich ist und eine optimierte Geometrie der Einlasskanäle erreicht wird. Aufgrund seiner höheren Wärmeleitfähigkeit bietet das Verfahren zudem eine verbesserte Kühlleistung im Bereich der Ventile. Zur Fertigung des neuen Ventilsitzes werden unterschiedliche Metallpulver mit Überschallgeschwindigkeit auf die Oberfläche des aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Zylinderkopfs gesprüht. So entsteht eine robuste und langlebige Beschichtung, die stark haftet. Da das Kaltgasspritzverfahren unterhalb der

Fertigung der Ventilsitze:

Im Kaltgasspritzverfahren wird Metallpulver mit Überschallgeschwindigkeit auf die Einlasskanalmündungen im Zylinderkopf gesprüht.

Schmelzpunkte der verwendeten Materialien arbeitet, ermöglicht es die Verbindung unterschiedlicher Metalle ohne deren Aufschmelzen. Dadurch wird die Entstehung übermässiger intermetallischer Verbindungen und Mikroporen verhindert, die bei herkömmlichen Schmelzschweissverfahren häufig auftreten. Kaltgasspritzbeschichtungen zeichnen sich daher durch eine hervorragende Haftung, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit aus – eben gerade Eigenschaften, die für Ventilsitze in Motoren von entscheidender Bedeutung sind.

Novum im Automobilbereich

Zwar wird das Verfahren bereits seit den Nullerjahren in der Luft- und Raumfahrttechnik, der Energie-, Schwermaschinen-, Öl- und Gasindustrie sowie anderen Fertigungsbranchen angewandt und bietet dort Vorteile in Bezug auf Zuverlässigkeit und Qualität; zuletzt

Mit dem im Kaltgasspritzverfahren gefertigten Einlassventilsitz (rechts) lassen sich Turbulenzen im Ansaugluftstrom minimieren, so dass schliesslich eine starke Tumble-Strömung im Brennraum entsteht.

hatte die Technologie durch die Einführung neuer Anwendungsbereiche wie die additive Fertigung für Aufmerksamkeit gesorgt. Der Einsatz der Kaltgasspritzbeschichtung im Automobilbereich nun sei eine Weltneuheit, betont Nissan. Die Japaner können sich dabei auf weitreichende Erfahrungen in den Bereichen Antriebsstrang, Werkstofftechnik und Fertigung stützen: Das Verfahren umfasst eine speziell entwickelte kobaltfreie Kupferlegierung mit herausragender Wärmeleitfähigkeit, eigens entwickelte Düsen, bei deren Herstellung Polierverfahren aus der Schmiedetechnik zur Anwendung kommen, sowie KI-gestützte Qualitätssicherungssysteme.

Integrierte Antriebseinheit

Neben dem neuen 1.5-l-Turbomotor verfügt das «e-Power»-System über eine neu entwickelte, modulare 5-in-1-Antriebseinheit: Sie integriert E-Motor, Generator, Wechselrichter, Untersetzungs- und Übersetzungsgetriebe als kompaktes und leichteres Gesamtpaket in einem Gehäuse. In Kombination mit einer verbesserten Motorkalibrierung und Schalldämmung reduziert das System sowohl Geräusche als auch Vibrationen unter Last.

Der überarbeitete «e-Power»-Antrieb kommt bereits im Nissan Qashqai zum Einsatz, dessen Produktion im Juli im britischen Sunderland angelaufen ist. Daneben wird er in den USA und Kanada in der kommenden Generation des Rogue sowie in Japan im neuen GrossraumMinivan Elgrand eingeführt, der im Geschäftsjahr 2026 auf den Markt kommt.

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Die Abgasgesetzgebung gibt es in der Schweiz seit den 1970er Jahren. Es ging aber einige Jahrzehnte, bis definitiv die EU-Abgasgesetzgebung übernommen wurde. Seither wird in Brüssel bestimmt, welche Emissionen in der Schweiz toleriert werden und welche nicht. Da die Autos aber auch nicht in der Schweiz gebaut werden, ist das für uns ein kleineres Problem. Die Technologiezulieferer müssen entwicklungsmässig den Normen immer um einige Jahre voraus sein. Die deutsche FEV hat schon vor mehreren Jahren einen «ZeroImpact»-Prototyp gebaut und getestet. Einige dieser technischen Lösungen werden jetzt bei den Euro-7-Fahrzeugen eingesetzt.

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