Elektromobilität - technische und volkswirtschaftliche Rahmenbedingungen. Arno Mathoy, BRUSA Elektronik AG

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1 Elektromobilität - technische und volkswirtschaftliche Rahmenbedingungen Arno Mathoy, BRUSA Elektronik AG Zürich Inhalt Lange Wellen der Konjunktur warum überhaupt elektrisch Technik 197 St. Florian, Atomkraft geht die andern an Was zu tun ist Blei-Panzerplatten Vorwiderstände Reihenschluss 2

2 199 Blei / Ni-Cd f-u Umrichter Asynchronmotor 3 Inhalt 21 Li-Ionen M-Ψ Umrichter komplexe Motoren 4

3 Verkehr einst und heute wie sieht es mit der Effizienz aus? vor 16 Jahren 8% 75% 1%,8 *,75 *,1=,6 heute well to wheel 6% 85% 85% 99% 2%,85 *,85 *,99 *,2 =,144 well to wheel 14% 5 Energieflüsse im Verkehr Verkehr: die größten Verluste entstehen beim Verbraucher Grüner Hebel : wenig Strom ersetzt viel fossile Energie Kohle- und Atomkraft: die größten Verluste enstehen auf der Erzeugerseite 1% E-Verkehr aus fossilen und atomaren Quellen würde ohne flankierende Massnahmen einen Ausbau der Kernkraft um den Faktor 3 4 erfordern. Quelle: Universität München, Institut für Physik 6

4 Fuel from Biomass? Sackgass! Erneuerbar on top? meist ein Flop! Umsetzwirkunsgrad pro Fläche: Pflanze:,1%, PV-Modul:1 % Flächenbedarf moderner Diesel mit Biokraftstoff: Elektrofahrzeug mit PV-Anlage: mit 1% REX Anteil und Biokraftstoff: in m² warum also elektrisch? 8

5 die wichtigsten Eigenschaften und ihre technischen Vorteile hoher Wirkungsgrad, Teillastbetrieb kein Problem Weiter Nutzbereich, variable Untersetzung entfällt Drehmoment bei Stillstand, die Kupplung entfällt Rekuperation, keine Dauerlastfälle an der Bremse 9 6 > 9% 3 Drehzahl [rpm] Effizienz [%] generatorisches Moment [Nm] motorisches vor allem die die Energiedichte des Brennstoffes, und der Sound mittelfristig ökonomisch, voll etablierte Massenfertigungsprozesse und nicht zu vergessen: sehr einfache Heizung der Innenraumluft 9 warum eigentlich elektrisch 1:1 Vergleich im Schubkraftdiagramm Auto: 15 kg Masse Drehmomentkennfeld Schubkraftdiagramm im Fahrzeug 25mm Quelle: Nissan CVT 2. Gang 1:8 (gesamt) M_max /min 1 kw 2 Nm nutzbares Drehzahlband streng limitiert Motorbremse = Verlustbremse Spitzenmoment = Dauerfest kn Dynamikbereich langanhaltender Betrieb 3% 2% 1% 3 km/h Anpassen der Geschwindigkeit Echte Bremsung % -1% -2% -3% komplex, Integrationsaufwand 25mm eine Stufe mit 1: M_max 9% 91% 92% 91% 92% 93% /min Rekuperation =Nutzbremse 1 kw 2 Nm 93% angestrebt: 9% Konstantleistung Spitzenmoment = 2 x Dauermoment kn Dynamikbereich langanhaltender Betrieb 3% 2% 1% 3 km/h Anpassen der Geschwindigkeit Echte Bremsung % -1% -2% -3% einfach, sehr viel Fahrspaß 1

6 die Definition Elektroauto wird möglicherweise zu eng gefasst zwei Antriebsaggregate plug in Bereich ein Antriebsaggregat Kraftstoffe [kw] Entladung Leistung 66 Energie Batterie Generator [kwh] Kraftstoffe 33 woraus die Fahrenergie bereitgestellt wird Verbrenner 1 Antrieb Leistung [kw] Reichweite mit Ø < 12 km/h durch Kraftstoffvorrat begrenzt Elektromotor womit die Räder angetrieben werden [km] Antrieb Leistung [kw] Reichweite mit Ø < 12 km/h durch Kraftstoffvorrat begrenzt 11 Triebstrangarchitekturen EV - Topologien weisen Achsantriebe auf Elektromaschine direkt gekuppelt Verbrenner Verbindung über Summiergetriebe Entladung Batterie Kraftstoffe elektrische Achse Antrieb rein elektrisch Straßenhybrid Dynamik aus der Batterie EV Verbrenner Elektromotor Getriebe E-Motor E-Speicher milde leistungsverzweigte Hybride Straßen Batterie REX Elektrofahrzeuge serielle Hybride 12

7 Batterie? Kein Hindernis mehr aber eine finanzielle Hürde Zellfabrik: 5 M / 5k Autos nur in Asien und USA möglich Batterie = Zellen + Integration Zelle die Hunderter Regel: 1 kg / Tonne Fahrzeug 1 km Reichweite (bei Ø 7 km/h) 1 kw Antriebsleistung / Tonne die unverblümte Kostenwahrheit: 1 / kg 1 / kwh 1 / Tonne Fahrzeug Block Batterie 15 kwh 15 kg Reichweite Batterieproblem Range Extender oder Angst Verdränger Ziele: ALLE Fahrzeuge können elektrisch fahren Generator 25 kw 2 kg ALLE Fahrten werden möglich und die Batterie wird erschwinglich 14

8 Systemanforderung E-antrieb Annahme: 18 kg Gesamtmasse Fahrprofile Schwerpunkte Schwerpunkt km/h Dyn. Stadt -7 hoch Agglomeration -1 hoch Überland 6-1 tief Autobahn 8-16 mittel ECE Zyklus 8 tief Gebirge 4-1 hoch Steigung oder 3 % Beschleunigung.29 g Zeit von 1 km/h 1 s Stadt Agglomeration ECE-Zyklus Gebirge Überland 24 %.23 g 12 s Autobahn 18 %.18 g 15 s 12 %.12 g 22.5 s 6%.6 g 45 s % g s -6% -.6g 45 s -12% -.12g 22.5 s dominierende Verluste -5-18% -.18g Schwerpunkt Verlustquelle s Stadt Bremsen Agglomeration Grundverluste Überland Rollwiderstand -15 Gefälle oder -3% -24% Haft Verzögerung -.29g.23g Autobahn Luftwiderstand grenze Zeit von 1 km/h 1 s 12 s ECE Zyklus Teillastbetrieb -2 Gebirge Bremsen!! kw km/h 15 Nachschub statt Batteriekosten wie der Business Case erreicht wird 2 15 Fahrzeugmasse voll besetzt 18 kg REX 25 kw 4 kg AVL-Range Extender REX 45 kw 7 kg -15 Haft -2 kw grenze km/h 16

9 mit weniger mehr bewegen Wachstumslimit Primärenergie Gedankenexperiment: Benzin verstromen + CO2 85% 85% 99% Erneuerbare, ganz OHNE CO2 Verbrenner 39% Generator 96% Umrichter 98% Gesamt 36% well to wheel 23% 88% Der Elektroantrieb ist nicht der Weg selbst, aber die unabdingbare Voraussetzung zu einer CO 2 -Reduktion 17 Elektrotraktion 18

10 Auslegungsziele Anforderungen an Traktionsmaschinen 2 primäre Auslegungsziele großer Drehzahlbereich konstanter Leistung (Feldschwächbarkeit >1:3) 1 2. im Leerlauf und bei hoher Drehzahl geringe Schleppverluste 5 3. hoher Wirkungsgrad bei hoher Drehzahl auch unter Teillast und 4. Stromeffizienz, das heißt auch unter Teillast sehr guter Leistungsfaktor -5 sicherheitsrelevante Auslegungsziele Beeinflussbarkeit des Luftspaltfeldes 1. keine systemgefährliche -1 Leerlaufspannung bei Höchstdrehzahl 2. kein gefährliches unkontrollierbares Bremsmoment bei Kurzschluss 3. keine Überhitzungsgefahr beim Abschleppen im aktiven Kurzschluss -15 Haft grenze -2 geringe kw 2 oder 4 keine 6 Dauermagnetisierung km/h 19 Einteilung nach Magnetisierung wertbestimmend vor allem im Fehlerfall Erregung ohne Reluktanz, magnetisch Isotrop Statorstrom Rotorstrom Permanentmagnet I S I R I M mit Reluktanz, magnetisch Anisotrop A S A R A M 2

11 Übersicht E-Maschinentypen Kennlinien bei gleicher Baugröße Industriestandard Industriestandard PSM IPM HSM MaR SyR ASM SSM Permanent erregter SynchronMotor Intern Permanent erregter Motor Hybrid- SynchronMotor vormagnetisierter Reluktanzmotor Synchroner Reluktanzmotor AsynchronMotor InduktionsMotor Stromerregter SynchronMotor M-max < 2x Nenn M-max < 1.5x Nenn P n-max 2- Sekunden Leistung strichliert (ohne Umrichterstromlimite) 3- Sekunden Leistung: durchgezogen Beschleunigung, Rekuperation Dauerleistung: punktiert Dauerbetriebsgrenze Leistung n-eck 2x 3x 4x n-eck 2x 3x 4x n-eck 2x 3x 4x n-eck 2x 3x 4x n-eck 2x 3x 4x n-eck 2x 3x 4x n-eck 2x 3x 4x Drehzahl 21 ASM Motoren auf Systemebene Anwendung bestimmt den Motortyp HSM ökonomisch urban und Fun absolut sicher global effizient Vollfahrzeuge eigensicher Hybrid Synchronmaschine stromerregter Synchronmaschine Asynchronmaschine Fahrzeugmasse voll besetzt 18 kg, Allrad SSM magnetfrei Vollfahrzeuge eigensicher Haft -2 kw grenze km/h 22

12 strategische Einflüsse Problematik bei REE bekannt muss es überhaupt eine permanent erregte Maschine sein? : 1 x = 2 kg REO = Rare Earth Oxide 3 x = 6kt = 2% 3 x = 3kt = 1% Asynchron. Wählen Sie daher den Typ, der zu Ihrer Anforderung passt: 23 Arten von Kurzschlüssen beeinflusst den Schweregrad der Auswirkung einsträngiger Kurzschluss zweisträngiger Kurzschluss dreisträngiger Kurzschluss M = f(n), M = f(φ), M pulsierend M = f(n), M f(φ), M = const. Bremsmoment Eckdrehzahl Drehzahl 24

13 Kurzschlussmomentkennlinie Gefährdungspotential hängt vom Typ ab PSM IPM HSM MaR SyR ASM SSM Permanent erregter SynchronMotor Intern Permanent erregter Motor Hybrid- SynchronMotor vormagnetisierter Reluktanzmotor Synchroner Reluktanzmotor AsynchronMotor InduktionsMotor Stromerregter SynchronMotor EV EV nicht kontrollierbares Drehmoment bei Kurzschluss in Windung, Inverter oder Versorgung Drehzahl n-eck 2x 3x 4x n-eck 2x 3x 4x n-eck 2x 3x 4x n-eck 2x 3x 4x n-eck 2x 3x 4x n-eck 2x 3x 4x n-eck 2x 3x 4x Bremsmoment > 1ms 25 Integrationen 26

14 Gleichteileprinzip Ein Antrieb für alle Fahrzeugklassen Nahverkehr Vollfahrzeug Supersportwagen 12 kva Umrichter 12 kva Umrichter 12 kva 12 kva Umrichter Umrichter Transaxle 1:8 Transaxle 1:6.4 Radmotoren 1: kwh Batterie 16 kwh Batterie 16 kwh Batterie 16 kwh Batterie 16 kwh Batterie 16 kwh Batterie Transaxle 1: kva Umrichter Radmotoren 1: kva 12 kva Umrichter Umrichter 27 elektrische Achsen in koaxialer Ausführung von Übersetzungsverhältnis: 1:6.4, 1:8 oder 1:1 Achsdrehmoment: 25 Nm, Motor: 32 Nm Masse Motor und Getriebe beölt: 72 kg Parkbremse direkt auf Vorgelege wirkend große Bremsmomente übertragbar sehr geringe Reibungsverluste 28

15 Realisierung BRUSA Spyder Einzelradantrieb in ASIL-C 29 ASIL-D Anforderung: AMG e-cell Einzelradantrieb an beiden Achsen 3

16 Energie 31 Think global, act local Spannungs-, Erdungs- und Frequenzsysteme CP PP N PE L1 L3 L2 32

17 Attraktivität der Ladezeit wichtig Neue Stecker braucht das Land 1 Ph 3 Ph Normal, mode 1 möglich Beschleunigt 3.7kW, 16A 7.4kW, 32A 11kW 16A 22kW 32A 6-9h 3-5h 2-3h 1-2h CEE plus CEE 16A ,7 2 kw 14 km/h ,7 2 kw 14 km/h ,7 2 kw 14 km/h kw 3, km/h 33 Was man als gegeben betrachtet die Speicherfähigkeit der Primärenergie Speicherebene eon-kraftwerke.com Spiegel.de Umwandlungsebene konzentriert, groß Turbogenerator library.thinkquest.org Verteilebene derwesten.de 34

18 und nur bedingt ersetzen kann durch limitierten Ausbau der Wasserkraft Speicherebene skradde.de Umwandlungsebene konzentriert, groß bauwiki.tugraz.at Verteilebene derwesten.de 35 erwächst zum Kernproblem: Speicher auf der elektrischen Seite erforderlich Speicherebene protoscar.ch skradde.de Umwandlungsebene dezentral, verteilt, klein stadtwerke-bochum.de bauwiki.tugraz.at Verteilebene derwesten.de 36

19 dezentrale Gleichstromsysteme die mit dem Netz kommunizieren Business Case bereits heute gegeben OHNE ELEKTROAUTOS!! Betreibermodelle würden global operierende Mineralölkonzerne begünstigen protoscar.ch 37 Architektur Direktverwendung optimale Verfügbarkeit von Mobilität & Energie Business Case heute noch unsicher, Betreibermodelle würden heutige Netzanbieter begünstigen nur so macht vehicle to grid wirklich Sinn MW - Einheiten, gut steuerbar, lokal begrenzt 38

20 wohin es langfristig gehen muss Eintritt ins 2. Solarzeitalter 3 m² Photovoltaik Zellen reichen für ein Auto = * Energie = Sonnenstunden * installierter Leistung W_solar = 1h *3m² *1W = 3MWh = 1 5 * / Energie = Fahrstrecke * Fahrtwiderstände / Ladewirkungsgrad W_auto = 15km *15Wh/km /,75= 3MWh Angenommen wird ein Systemwirkungsgad von,75 und eine Moduleffizienz, welche bei hohem Sonnenstand um 1% beträgt. 39 Was zu tun ist Die wahre Herausforderung liegt bei der Energiegewinnung. Umstellen dauert sehr lange, jetzt beginnen Auf die Autohersteller kommen große Umwälzungen zu. Die Politik muss hier Farbe bekennen und Ziele festlegen Die CO2 Klassifizierung darf sich nicht an den heutigen Normzyklen orientieren, diese sind nicht realistisch Die heutigen Stromversorger müssen sich ihre privilegierte Rolle aktiver verdienen, sonst entstehen neue Anbieter. 4