VDI, Osnabrück Hybridtechnologie, RX 400h. Hans-Peter Wandt, Tim Fronzek Toyota Deutschland GmbH

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1 VDI, Osnabrück Hybridtechnologie, RX 400h Hans-Peter Wandt, Tim Fronzek

2 Toyota Weltweit Zweitgrößter Automobilhersteller der Welt 68 Produktionsstandorte in 27 Ländern 7,52 Millionen verkaufte Autos in 2004 (weltweit) In mehr als 140 Ländern

3 Weltweite Standorte Design, R&D und Produktion Produktion 7,55 Millionen Fahrzeuge in 2004

4 Ausgangslage Herausforderungen im Umweltbereich Primärenergie/ Produktionsmenge entsprechend Rohöl in Millionen Tonnen Quelle: NEDO

5 Ausgangslage Entwicklung des Fahrzeugbestands Globaler Bestand (in MillionenFahrzeugen) ,2 MilliardenFahrzeuge im Jahr Jahr Quelle: Handbook of automotive industry 1999

6 Ausgangslage Herausforderungen der Zukunft Luftqualität Klimaveränderung Energiebedarf Bedürfnisse Energiemix 2000 Emissionsreduzierung (NOx, HC, PM, CO) Emissionsstandard CO 2 Reduktion Ausdehnung auf Entwicklungsländer Lebensstandard Öl, Kernenergie, Erdgas, Kohle, erneuerbare Energien Quelle: Toyota Motor Corporation

7 Ausgangslage Anteilige Verkehrsleistung auf deutschen Straßen 79,1 72,7 Landstr. 64,3 29,5 Stadt 40,4 75,5 37,1 Autobahn Autobahn (ohne Tempolimit) 89,9 Quelle: BASt Bevölkerungskonzentration in Ballungsgebieten (in Prozent der Gesamtbevölkerung)

8 Herausforderung Umwelt CO 2 -Entwicklung im Produktlebenszyklus eines Automobils Rohmaterial Herstellung Fahrzeugproduktion Fahrbetrieb Wartung Recycling

9 Vergleich der CO 2 -Emissionen 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Life cycle CO 2 End of life Maintenance Driving Components production Material production 0 Avensis petrol Avensis diesel Prius 2000 Prius 2004

10 Gesamter CO 2 -Ausstoß über den Produktlebenszyklus 0 CO2-Emissionen 1,00 0,67 0,63 0,60-0,80 Benzinmotor automatisches Getriebe Dieselmotor manuelles Getriebe Prius I FCHV Brennstoffzellen- Hybrid Quelle: Toyota Motor Corporation

11 1 Erste Resultate Die Geschichte des Prius I Erstes in Serie produziertes Hybrid-Automobil der Welt 1997 Präsentation in Japan 2000 Präsentation in den USA und in Europa Absatz Weltweit: Einheiten Europa: Einheiten Deutschland: Einheiten

12 Kundenanforderungen an eine Marke 2 Concern for safety Good quality & reliability Reasonably priced Environment Personality and character Technically advanced cars Prestige make Innovative company Good performance Fun to drive Comfortable cars Low running costs Well styled cars Good after sales service Extensive dealer network Recently launched interesting mode Source: AutomarxX

13 Kundenanforderung (Erhebung nach Fahrzeugkauf) 3 Good quality & reliability Well styled cars Good performance Comfortable cars Technically advanced cars Personality and character Innovative company Fun to drive Good after sales service Concern for safety Recently launched interesting models Prestige make Extensive dealer network Environment Reasonably priced Low running costs Source: Car Park Survey 2002

14 Weiterentwicklung von Hybrid Konzepten für den domestic market 4 Coaster Prius I Estima Alphard Crown Dyna Prius II RX 400h

15 5 Klassifikation der Hybride Yaris Eco, Vitz, Toyoace, Citroen C3 Senseo Hybrid Toyota Crown, Honda Civic, Accord, Insight DC/GM Lexus RX/GS, Toyota Estima, Alphard, Prius, Ford Escape Elektrische Fahrt E-Motor unterstützt Regenerative Bremse Motor Abschaltung Start / Stop Micro Hybrid Mild Hybrid Strong Hybrid

16 6 Einsparpotenziale unterschiedlicher Hybridsysteme Verbesserung der Kraftstoffnutzung (%) Mild HVMild HV Strong HV Stadtbetrieb Langstreckenbetrieb Je höher die Batterieleistung im Vergleich zur Motorleistung, desto geringer der Kraftstoffverbrauch Micro Hybrid Mild Hybrid Strong Hybrid 100 Micro HV Abschaltung bei Leerlauf Verhältnis von Verbrennungsmotorzu Gesamtleistung (%)

17 7 Energiemanagement im Hybridsystem + Batterie Energie speichern Energie Beschleunigung Energie Ladestrom Bremsenergie Motorabschaltung rein elektrischer Antrieb Zeit - Benzinmotor arbeitet mit maximalem Wirkungsgrad Verzögerung

18 8 Von THS zu HSD Toyota Hybrid System Prius I Hybrid Synergy Drive Prius II und folgende Umweltverträglichkeit / Kraftstoffverbrauch Fahrdynamik Komfort Nutzwert Umweltverträglichkeit / Kraftstoffverbrauch *Kundenabsicherung durch Garantie

19 9 Vergleich Prius II und Prius I Prius II Prius I Benzinmotor Leistung 57 kw (78 PS) 53 kw (72 PS) Max. Drehmoment 115 Nm (5.000 min -1 ) 111 Nm (4200 min -1 ) Elektromotor Leistung 50 kw (68 PS) 33 kw (44 PS) Max. Drehmoment 400 Nm 350 Nm Gesamtsystem Leistung 82 kw (113 PS) 73 kw (98 PS) Max. Drehmoment 478 Nm 425 Nm Fahrleistung Höchstgeschwindikeit 170 km/h 160 km/h km/h 10,6 s 13,4 s

20 0 Prius Aufbau des Hybridsystems Verbrennungsmotor Batterie Elektromotor & Generator

21 Hybridantriebsstrang (Prius) 1 Benzinmotor Generator Elektromotor Leistungsverzweigung

22 2 Motor Eigenschaften Prius Hubraum [ccm] Bohrung x Hub [mm] Leistung [kw] Drehmoment [Nm] Mechanische Kompression (5000min -1 ) 115 (4000min -1 ) 13.0 : 1 Tatsächliche Kompression 4.8~ 9.3 : 1 Einlaßventil geschlossen Auslaßventil geöffnet 72~ 115 ABDC 34 BBDC 1) Atkinson Zyklus 2) VVT- i 3) Reibungsverminderung Bester spez. Kraftstoffverbrauch 225g/kWh

23 3 Vergleich Diesel Benzin 2,0l D4-D, 190kg, 85kW, 280Nm 1,5l Benzin, 90kg, 58kW, 115Nm

24 4 Vergleich Diesel Benzin Dieselmotor Vorteile: Wirkungsgrad Verbrauch ( g/kwh) CO 2 Emissionen Drehmomentverlauf Nachteile: Kosten/Komplexität Abgas/Kalibrierung Gewicht ( kg 1,9l-2,0l, ~3,0 4,0l kg,) Geräusch Größe Schwere Getriebe (70-100kg A/T ) Benzinmotor Vorteile: Abgas Geräusch Gewicht (90-120kg 1,5-1,8l, 3,3l V6 160 kg, 4,0-5,8l V kg) Größe Einfacher Aufbau/Kosten Nachteile: Verbrauch ( g/kwh) Niedriges Drehmoment

25 5 Verbrennungsmotor Atkinson-Zyklus Atkinson-Zyklus (Verringerung der Ladungswechselverluste durch Einlassventilsteuerung) Reduzierte Verdichtung zum Motorstart und -stop

26 Motor start/stop durch Generator und Ventilsteuerung 6 (m / sec 2 ) Motordrehzahl Beschleunigung (rpm) 1000 Einlassende Früh Einlassende Spät A A' B B' (m / sec 2 ) Beschleunigung Niedrige Geräuschentwicklung Niedrige Fahrzeugvibrationen Zeit [sec]

27 Effekt der schnellen Katalysatorvorwärmungssteuerung 7 Katalysatortemperatur (Grad Celsius) Schnelle Aufwärmung 800 Light Off Temperatur 600 mit Energie Management 400 ohne Energie Management 200 Geschwindigkeit 0 Zeit

28 8 Katalysatortemperatur Katalysatortemperatur (Grad Celsius) Motorstopp 1000 rpm Leerlauf Zeit (min)

29 9 NOx Reduktion bei Schubabschaltung Motor Fahrt Stopp Fahrt Kraftstoff-/ Luftverhältnis ohne Regelung Verhinderung der Abmagerung bei Motorabschaltung Anreicherung nach Wiedereinsetzen NOx NOx-Reduzierung Zeit

30 0 Motor / Generator Motor (Drehstrom synchron) 50 kw ( min -1 ) 400 Nm ( min -1 ) min -1 wassergekühlt Generator (Drehstrom synchron) 34 kw ( min -1 ) 38 Nm ( min -1 ) min -1 wassergekühlt

31 1 Toyota Hybrid System eistungserteilung engine P/G irektes rehmoment des erbrennungsotor Reifen Generator M/G Differential Motor M/G Unterstützendes Drehmoment des Elektromotors Drehmomentverlauf V-Motor ( Kurbelw.winke Gegenmoment mit E-Motor Übersetztung zur Antriebsachse Antriebsachsendrehkraft Verbrennungsmotor Total Ausgleich der ( C Drehmomentschwankungen

32 2 Leistungskurve Benzin- / E-Motor Prius Leistung Benziner Leistung E-Motor Drehmomentverlauf E-Motor Drehmomentverlauf Benziner Motordrehzahl [min -1 ]

33 3 Systemleistungs-/ Drehmomentverlauf Prius Nm max = 478 P max = 82

34 4 Leistungsverzweigung Prius Planetenradträger Ölpumpe E-Motor Sonnenrad Hohlrad Generator Verbrennungsmotor Geräuscharme Kette Übersetzung Differential

35 Leistungsverzweigung Hohlrad (E-Motor/Achsabtrieb) Planetenrad Sonnenrad (Generator) Planetenradträger (Verbrennungsmotor)

36 6 Betriebsarten der Leistungsverzweigung Parken Kaltstart E- Motor/Räder 6000 Aufwärmen EV Fahrt 0 0 Bergauffahrt/ hohe Beladung Motor Generator

37 7 Batterienutzungsdauer Innenwiderstand [mo/module] Laufleistung [km] Prius I Prius II

38 8 Lade/Endladestrategie Normale Akkus Voll NiMH Batterien im Hybrid Leer

39 9 Ladungssteuerung Prius I Prius II? Optimierte SOC-Schätzungsmethode erlaubt Expansion der verfügbaren SOC-Grenzen.

40 0 Batterie Temperatur Kontrolle Prius I Prius II? Verringerte Temperaturveränderungen

41 1 Gewicht Gewichtsersparnis durch Aluminium-Leichtbauteile Einsatz von hochfestem sowie ultrahochfestem Stahl Ultrahochfeste Stahlbleche Hochfeste Stahlbleche Warmgepresstes Material

42 2 Gewicht Komponenten: Generator Elektromotor Differenzial Leistungsverzweigung Entfall von Kupplung, Anlasser und Lichtmaschine Vergleich Leergewichte: Corolla D-4D kg Avensis D-4D kg Prius II kg

43 3 Prius Hybrid Antriebsstrang Drehmoment 478 Nm Leistung 82 kw Gewicht <230kg (inkl. Batterie 39 kg)

44 4 Sicherheit der elektrischen Komponenten Elektrische Anlage wird nach Crash unmittelbar an der Batterie abgeschaltet Batterie und Leitungen befinden sich außerhalb der aufprallgefährdeten Zonen Austritt von Batterie-Gel nur bei Verformung der Batteriemodule von über 80% Gel kann mit Wasser neutralisiert werden Zelle (1,2 V) Modul (6 Zellen) 28 Module

45 5 Sicherheitsausstattung Front and side impact rating Pedestrian rating Fahrer- und Beifahrerairbag (zweistufig), Seitenairbags vorn, Kopfairbags vorn und hinten WIL-Schleudertraumaschutzsystem vorn ISOFIX-Kindersitzbefestigung mit zusätzlichem Befestigungspunkt Child Protection rating Test Scores: Front 14 (88%) Side 18 (100%) Belt Reminder 2 Overall 34 Pedestrian 13 (36%) Child Protection 43 (88%)

46 6 Wirkungsgradverbesserung Anteil an der Wirkungsgradverbesserung Verbrennungsmotor Andere Kraftübertragung Energieregeneration Elektrische Systeme Nebenaggregate Regelung Benzin fahrzeu gprius 1997 Kraftstoff wirkungs grad in % Fahrzeug wirkungs grad in % Gesamtwirkung sgrad in % Prius 2000 Prius HSD Toyota 2003 FCHV FCHV (Ziel)

47 Regeneratives Bremsen 7

48 8 Vergleich der CO 2 -Emissionen CO 2 g/km Benzin Diesel g/km 2008/ Quelle: Toyota MCC Smart VW Lupo 3L Audi A2 3L Prius I Prius II 104 g/km Leergewicht kg

49 9 Vergleich der CO 2 -Emissionen CO2-Emissionen 1,00 0,67 0,63 0,60-0,80 0,57 Benzinmotor Dieselmotor automatisches manuelles Getriebe Getriebe Prius I FCHV Brennstoffzellen- Hybrid Neuer Prius II Quelle: Toyota Motor Corporation

50 0 Vergleich der CO 2 -Emissionen - Modelle Vergleich CO2-Emissionen über den Fahrzeug Lebenszyklus 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Avensis Benzin Avensis Diesel Prius 2000 Prius 2004 Recycling Wartung Fahrbetrieb Fahrzeugproduktion Grundstoff Produktion

51 Gesamter CO 2 -Ausstoß über den Produktlebenszyklus 1 CO2-Emissionen 1,00 0,67 0,63 0,60-0,80 Benzinmotor automatisches Getriebe Dieselmotor manuelles Getriebe Prius I FCHV Brennstoffzellen- Hybrid Quelle: Toyota Motor Corporation

52 Zukünftige Entwicklung der Hybridtechnologie

53 3 Systemaufbau RX 400h Inverter/Konverter V6 Motor -Vorderradantrieb Hybridantrieb (HSD) mit Verbrennungsmotor, Elektromotor und Generator -Variable Leistungsverzweigung Batterie Elektromotor -Stufenlos variable Übersetzung über Planetengetriebe -Vollelektronische Antriebssteuerung Generator / Elektromotor -Hinterradantrieb -Zuschaltbarer Elektromotor, elektronisch gesteuert

54 4 Technische Daten RX 400h V6 Motor Hubraum: 3.3 Liter 4 Ventile pro Zylinder Vier obenliegende Nockenwellen Max. Drehmoment: 288 Nm (4.400 min -1 ) Leistung: 155 kw (211 PS) Generator Max. Drehzahl: min -1 Max. Drehmoment: 18 Nm ( min -1 ) 109 kw (146 PS) Elektromotor vorn Max. Drehzahl: min -1 Max. Drehmoment: 333 Nm ( min -1 ) 123 kw (167 PS)

55 5 Hybrid Antriebsstrang RX 400h Elektromotor hinten: Max. Drehzahl: min -1 Max. Drehmoment: 130 Nm (0 610 min -1 ) 50 kw (68 PS) 50 kg (inkl. Differential) Batterie: Nennspannung: 288 V Maximale Leistung: 45 kw 69 kg 288V 3 Kühllüfter Module im Metallgehäu 3 Batteriepakete 115V 58V 115V

56 6 Vordere Hybrideinheit RX 400h Vorderer Elektromotor Drehstrom, synchron 123 kw (4.500 min -1 ) 333 Nm ( min -1 ) Maximale Drehzahl ~ min -1 Generator Drehstrom, synchron 109 kw min -1 Gesamtgewicht (inkl. Planetenradsätze) 117 kg Drehmoment (Nm) ,000 12,40 Drehzahl (u/min) Mit Untersetzung des Planetenradgetriebes

57 7 Aufbau vordere Hybrideinheit RX 400h Hohlrad (57) Sonnenrad (23) Planetenrad (18) Benzinmotor Generator Elektromotor , 18, 23 : Zähnezahlen Drehmomenterhöhung Planetenradträger Untersetzungsgetrieb E-Motor Leistungsverzweigun

58 8 Fahrleistungen RX 400h Höchstgeschwindigkeit: 200 km/h Max. Anfahrmoment: > 800Nm Beschleunigung km/h: 7,6 s Verbrauch: 8,1 l/100 km (kombiniert) Schadstoffeinstufung: Euro 4 Benzin

59 9 Leistungsentwicklung Elektromotoren Spannung V RX 400h 650 V Leistung kw u/min RX 400h Prius II 500 V RX 400h 123 kw Prius I 273 V Prius II Prius I Prius II Prius I 50 kw 33 kw Gewicht Hybrideinheit / E-Motor / Generator kg

60 0 Grössenvergleich Antriebsstränge Prius RX 400h

61 1 Leistungsentwicklung Batterie kw/v 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0, Maximale Leistungsabgabe 45 kw Gewicht 69 kg Höhe um 22% reduziert ProduktionJoint Venture mit Panasonic EV

62 2 Gewicht zu Leistung (SUV-Segment) Leistung kw 350 Kw 7,3kg/kW 300 Kw 250 Kw 10.3 kg/kw 200 Kw RX 400h 150 Kw RX ,6 kg/kw 100 Kw 50 Kw 0 Kw Gewicht kg Diesel Benzin

63 3 NOx Emissionen zu CO 2 Emissionen (SUV-Segmen 0,7 NOx g/km 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 RX 400h RX Diesel Benzin CO 2 g/km

64 4 CO2 Emissionen zu Beschleunigung (SUV-Segmen CO 2 In g/km RX 400h 9 RX Diesel Beschleunigung in s Benzin

65 5 CO2 Emissionen inner-/außerorts (SUV-Segment) CO2 g/km RX 400h innerorts RX 400h außerorts Innerorts Außerorts Benzin Diesel 0 Gewicht kg

66 6 Schadstoffemissionen Hybridfahrzeuge Entwicklung der Abgasstandards in USA / J / EU PM (g/km) / US Tier-II Bin5 (2007) / US Tier-II Bin8 (2007) 0.14/ Japan (2005) Toyota D-CAT 0.28/0.052 Japan (2000) 0.25/ EURO IV (2005) 0.777/0.062 US EPA Tier-I ( ) 0.50/0.050 EURO III (2000) NOx/PM Diesel NOx Benzin RX 400h Prius Japan (2005) Euro IV Euro III NOx (g/km)

67 RX 400h 7 Inverter/Konverter/Steuereinheit Inhouse Entwicklung und Produktion inkl. Halbleiter Spannungswandlung 650 V? 288 V, 42 V / 12 V Gleichstrom? Wechselstrom Gewicht: 30 kg

68 8 RX 400h Aktive Sicherheit Antriebsmomentaufteilung vorn / hinten 0-100% Traktions- und Stabilitätskontrolle sowie ABS und Bremsassistent sind im VDIM-System (vehicle dynamic integrated management) vernetzt mit Eingriff in die elektrische Servounterstützung der Lenkung Elektrischer Allradantrieb über Elektromotoren (hintere Antriebseinheit)

69 VSC Regelbereich Beschleunigung Lenkeinschlag Fahrzeug VDIM Regelbereich Leichte Übergänge Beschleunigung Lenkeinschlag Lenkeinschlag Verzögerung Lenkeinschlag Verzögerung VSC Regelbereich VDIM Regelbereich 69

70 0

71 1 Zusammenfassung Hybridtechnologie bietet: höchstes CO2-Einsparpotenzial im Lebenszyklus geringste Abgasemissionen (NOx, Partikel, HC, CO) Erfüllung aller Abgasstandards weltweit Fahrspaß und hohe Leistung, ohne hohes Gewicht zu wettbewerbsfähigen Kosten

72 Vision von Toyota zur CO2 Reduktion 2

73 3 Ausgaben für Forschung/ Entwicklung Mio. Euro Quelle: Toyota Financial Reports F+E Ausgaben Gewinn nach Steuern (im Vergleich Ausgaben der gesamten deutschen Automobilindustrie inkl. Zulieferer in 2004 : 15,7 Mrd. (VDA))

74 4 Ausblick Das ultimative ökologisch verträgliche Automobil FCHV Brennstoffzellen-Hybrid Hybridtechnologie Gas / GTL D-CAT Benzin- Direkteinspritzung EV Elektroantrieb Diesel- Direkteinspritzung VVT-i Schichtladung Alternative Kraftstoffe Diesel- Motor Benzin- Motor Elektro- Motor

75 Ausblick Toyota FCHV (Nutzt Plattform RX / Highlander) 5 90kW PEM FC stack Leistungsdichte (>1.2kW/kg) 80kW E-Motor Wasserstoffdrucktanks (350/700 bar) NiMH Batterien aus dem Prius

76 6 Hybridmodelle Coaster Prius I Estima Alphard Crown Dyna Prius II RX 400h Highlander Vitz GS 450h LS h Camry

77 RX 400h Absatzplanung Hybrid Prius I, Coaster 2000 Crown, Estima 2003 Prius II, Alphard, Dyn 2004 Toyoace 2005 RX 400h 2006 GS 450h, Camry 2007 Lexus

78 8 Vergleich Diesel Benzin Dieselmotor Vorteile: Wirkungsgrad Verbrauch ( g/kwh) CO 2 Emissionen Drehmomentverlauf Nachteile: Kosten/Komplexität Abgas/Kalibrierung Gewicht ( kg 1,9l-2,0l, ~3,0-4,0l kg,) Geräusch Größe Schwere Getriebe (80-100kg A/T ) Benzinmotor Vorteile: Abgas Geräusch Gewicht (90-120kg 1,5-1,8l, 3,3l V6 160 kg, 4,0-5,8l V kg) Größe Einfacher Aufbau/Kosten Nachteile: Verbrauch ( g/kwh) Niedriges Drehmoment

79 RX 400h Vergleich Benzin/Diesel 9 Dichte bei 15 C in g/l ,5 Benzin Dichteunterschied 832,5 Diesel in Liter Verbrauchsunterschied bei gleichem CO 2 Ausstoß 1,121 Benzin 1,0 Diesel CO 2 Ausstoß pro Liter Kraftstoff Benzin: 2,356 kg Diesel: 2,642 kg Quelle: UBA

80 0 CO 2 -Emissionen - Antriebskonzepte Vergleich CO2 Emissionen über den Fahrzeug Lebenszyklus 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Benzinmotor automatisches Getriebe Dieselmotor manuelles Getriebe Prius I FCHV Brennstoffzellen-Hybrid Prius II Quelle: Toyota Motor Corporation

81 1 Vergleich Diesel Benzin 2,0l D4-D, 190kg, 85kW, 280Nm 1,5l Benzin, 90kg, 58kW, 115Nm