Die Roadmap zum Elektroauto

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Nicole Cathrin Peters
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1 Die Roadmap zum Elektroauto Dr. Stefan Jakubek, Dr. Mario Schweiger Hybrid Powertrain Calibration & Battery Testing Technology

2 AVL The company AVL Powertrain Engineering passenger cars 2-wheelers racing Engineering AVL Advanced Simulation Technologies construction agriculture commercial vehicle locomotive marine power plants Testing AVL Instrumentation and Test Systems

Technologies construction agriculture commercial vehicle

3 Entstehung der Elektrofahrzeuge 1800 erfindet Alessandro Volta die elektrische Batterie 1830 erfindet Joseph Henry den Gleichstrommotor Thomas Davenport baut das erste Elektroauto mit einer nicht wiederaufladbaren Batterie 1847 baut Moses Farmer ein Elektroauto für 2 Passagiere 1859 erfindet Gaston Plante den wiederaufladbaren Blei-Akkumulator 1881 baut M. Gustave Trouvé ein dreirädriges Elektroauto (12 km/h) 1882 erfindet Nikola Tesla mit dem Wechselstrommotor bauen Pedro Salom & Henry G. Morris den "Elektrobat : 25 km/h 1911 entwickelt Charles F. Kettering Gazoline einen elektrischen Anlasser für Verbrennungsmotoren (= micro Hybrid ).

Gaston Plante den wiederaufladbaren Blei-Akkumulator 1881 baut M.

4 Entstehung der Hybrid-Technologie Power Source Fuel consumption Emissions Green House Gasses (GHG) Animal regular manure smell Methane = 20 x CO2 First vehicles various CO, HC, NOx CO2 First Hybrid when needed CO, HC, NOx CO2 1902: F. Porsche won the Exelberg race in Vienna/Austria with the Lohner- Porsche Mixte the first hybrid electric vehicle.

HC, NOx CO2 First Hybrid when needed CO, HC, NOx CO2 1902: F.

5 Die Roadmap zum Elektroauto - Es gibt verschiedene neue" Technologien, die heute durch Kombination von Verbrennungsmotor & Elektromotoren getragen werden. - Benzin und Strom sind keine Primärenergieformen! - Antriebsenergie wird final durch Gasdruck oder Magnetfeld erzeugt.

6 Innovative Antriebstechnologien Fuel Cell Technology Test Infrastructure Research Vehicle Concept Vehicle Test Fleet Hybrid Technology Mild Hybrid Concept Vehicle Full Hybrid Micro Hybrid Single Mode Hybrid Multi Mode Hybrid Series Technology Conventional Combustion Engines Gasoline Direct Injection DeNOx-Catalysator Diesel AdBlue Particlefilter Alternative Fuels New Combustion Processes 2007

Mode Hybrid Multi Mode Hybrid Series Technology Conventional Combustion Engines Gasoline Direct

7 Typische Hybrid-Konfigurationen: Parallel Hybrid E... Electric Motor K... Clutch G... Gearbox B... Battery

8 Typische Hybrid-Konfigurationen: Serial Hybrid E... Electric Motor K... Clutch G... Gearbox B... Battery

9 Typische Hybrid-Konfigurationen: Power-Split Hybrid E... Electric Motor K... Clutch G... Gearbox B... Battery

10 Typische Hybrid-Konfigurationen ICE + - Battery ICE + - Battery T/M Converter T/M Converter E-Motor Front-Wheel-Drive Hybrid vehicle with Front-Wheel-Drive All-Wheel-Drive Hybrid vehicle with All-Wheel-Drive Converter + - Battery ICE + - Battery E-Motor ICE T/M Generator Converter E-Motor Rear-Wheel-Drive Hybrid vehicle with Rear-Wheel-Drive In-Wheel-Drive Hybrid vehicle with In-Wheel-Drive

with All-Wheel-Drive Converter + - Battery ICE + - Battery E-Motor ICE T/M Generator Converter

11 Power-Split Hybrid Combustion Engine Planetary Gearbox Speed Reduction Gearbox Oil pump Central Ring Wheel Transaxle-Damper Motor-Generator 1 Differentialunit Intermediate Shaft Final Drive Motor-Generator 2 Hybrid Synergy Drive (THS)

Transaxle-Damper Motor-Generator 1 Differentialunit

12 Phlegmatisierung der Verbrennungmaschine auf "efficiency sweet spot" n-engine [rpm] 6000 max. n-eng n-mg1 [rpm] 4000 n-vkm [rpm] max. n-mg1 min. n-eng Full Load Acceleration Citycycle Overlandcycle Highwaycycle Coastdown v-vehicle v-fahrzeug [km/h] [km/h] (proportional n-mg2) max. n-mg

13 Atkinson Cycle Quelle: Richard Rusnák

14 Toyota Hybrid System xcu Layout Hybrid drive involves the active control of Engine Speed (operating point) Engine Power E-Torques Battery SoC, Temp. Brake pressure

15 Battery usage patterns: HEV, PHEV & EV

16 Batterietechnologie Battery requirements Energy Costs Power Life time Safety high specific energy: > 200 Wh/kg high specific power: > 1000 W/kg cycle/calender life: km, 10 yrs. temperature range: -30 to +70 C (-22 to 158 F) safety: under any circumstances (use and abuse) costs: 400 to 600 USD / kwh

cycle/calender life: 250.000 km, 10 yrs.

17 Batterietechnologie Source: GM

18 Power Density of new Li-Ion Batteries Source: Nissan

19 Die Roadmap zum Elektroauto % des Primärenergiebedarfs der Haushalte fällt auf Mobilität - Primärenergiebedarf für Fortbewegung ist in etwa gleich, bei gleichem Widerstand! - Strom (Exergie) kommt nicht aus der Steckdose: Weder Benzin noch elektrischer Strom sind Primärenergieformen! - Was passiert, wenn ab morgen nur noch Elektrofahrzeuge unterwegs wären?

20 Primärenergiebedarf deutscher Haushalte Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen, VDEW

21 Primärenergiebedarf deutscher Haushalte Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen, VDEW

22 Vergleich Primärenergiebedarf EV, Otto, Diesel

23 Emissionsvergleich EV, Otto, Diesel Quelle:

24 Individuelle Fahrdistanzen/Mobiliät (täglich, EU) Verbrennungsmotor E-Antrieb & Range Extender Batterie/Elektrisch Gehen/Fahrrad

25 Die Roadmap zum Elektroauto - Ausblick Die Zukunft liegt in der Vielfalt von Antriebsmöglichkeiten, die genauer auf die Bedürfnisse zugeschnitten sind ("Purpose Design"-Fahrzeuge): - Elektroauto mit Batterie & Fuel Cell: Leichtfahrzeuge, city cars - Plug-In Hybrid Electric: Mittlere Fahrzeuge, kleiner Anteil Überland - konventioneller Diesel: Reisefahrzeug

26 Die Roadmap zum Elektroauto - Ende

27 Battery technology Lead adv.: reliable, safe disadv.: heavy, little energy content, bad deep discharge behaviour, limited cycle life, bad deep temperature behaviour conclusion: battery for SLI, but no traction Ni-MH adv.: medium energy content disadv.: costs (Ni-price), medium self dichg. rate, lazy battery effect, bad deep/high temperature behaviour, gassing, limited cycle life conclusion: established technology with shortcomings, HEV battery mainly because of controllable safety issues Li-Ion adv.: high voltage/energy, low self dichg. rate reasonable cost/performance ratio disadv.: bad deep/high temperature behaviour, ageing, cycle life conclusion: will be HEV battery because of power output

28 Risks Recent accidents March 2008: fire at LG Chem Battery Plant (S. Korea) September 2007: fire at Matsushita Battery Industrial Co. battery plant (Japan) 2006: burning laptops (see pictures) Burning laptop at a conference in Osaka, Japan (06/2006, photo: The Inquirer) Burned-out truck due to laptop that caught fire (07/2006, photo: The New York Times) 28

29 Interaction between Engine Management and Brake Management Vehicle Stability (e.g. ESP) Battery Engine + - Gearbox Generator Transmission Converter E-Motor Differential E-4WD Hybrid 29

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