Forschungsprojekt e performance

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1 Konzeption eines Elektrofahrzeuges Dr.-Ing. Chr. Allmann, Audi Electronics Venture GmbH

2 Projektdaten Start: heute Ende: Finanzierung: Gesamtprojektvolumen 36. Mio. ca. 10 Mio. Förderung RWTH-Aachen ca. 4 Mio. Beauftragung Hochschulen

3 Herausforderungen Elektrischer Antriebsstrang Multi-E-Maschinen Konzepte Auslegung und Dynamik von E-Maschinen Energiespeicher Batterie Leistungs- und Energiedichte Elektrische Reichweite Crash-Tauglichkeit Thermomanagement (Heizen / Kühlen Innenraum und Komponenten) Einfluss der Innenraumheizung auf die Reichweite Heiz- und Kühlbedarfe des Innenraums Kältekreis für Innenraum- und Batterie-Kühlung Elektrische Nebenaggregate Lenkung,Bremse Klimakompressor Mensch-Maschine-Schnittstelle Bedien- und Anzeigekonzept Ziele: Bearbeitung grundlegender technischer Fragestellungen Know-How-Aufbau in der Industrie und den Hochschulen War for talents Aufbau der Fachkräfte von morgen

4 Ausgangssituation Aufgaben: Analyse der Konzeptanforderungen Erstellung von Konzepten zur Bewertung (und Umsetzung) Detaillierte technische (und finanzielle) Bewertung Ziel: Modulare Verwendbarkeit von Komponenten für unterschiedliche Fahrzeugkonzepte Forderungen: Batterie-elektrischer Antrieb Sitzplätze: mind. 2 Anzahl der Räder: 4 Fahrzeugaufbau geschlossen Reichweite > 120 km Projektlaufzeit: 3 Jahre Wünsche Skalierbarer Antriebsstrang Modulares Batteriesystem Fragestellung: Welches Fahrzeugsegment ist prädestiniert für den elektrischen Antrieb? Vorgehensweise: Gegenüberstellung und Bewertung der Segmente mittels Konzept-bestimmender Attribute: Fahrzeugmasse Luftwiderstand, Querspantfläche Elektrische Verbraucher Fahrleistungen: vmax, a, Reichweite Berechnung Energieverbrauch, Batteriegewicht und -energieinhalt Berechnung Betriebskosten, Herstellungskosten, Emissionen, usw.

5 Fortwo ev Ze-0 Oscar BB1 Twizy ZE Smera ecom Evergreen Blitz QUICC! DiVa E-UP E1 X1 e500 Benni Mini E eka Kangoo ZE Cleanova 2 RAV4 ebox EV Lotus Elise Circuit EV Pantila electric coupé Zoe ZE Leaf Focus BEV C30 BEV Aptera 2e R8 e-tron Lampo ichange eruf GT Fluence ZE Quant SLS AMG edrive Forschungsprojekt e performance Gesamtfahrzeug Technische und wirtschaftliche Bewertung Vorauswahl Zielplattform Benchmark heutiger E-Fahrzeuge Trendanalyse (SOP 2020) Fahrzeughöhe [mm] Serie Prototyp Fahrzeuglänge [mm] Packagekonzepte Antriebskonzepte Änderung der Batteriekapazität 240% NEDC Reichweite Fahrzeugmasse 200% Luftwiderstand Elektr. Verbraucher 160% 120% Basis 80% 40% 50% 75% 100% 125% 150% 175% 200% Parametervariation Definition Zielkonzept Ergebnis 10/2010: Gesamtkonzept Anforderungskatalog Batteriekonzepte Batteriekosten [ ] Realistisch 2020 Pro EV Auslegungsreichweite [km]

6 HMI - Kundennutzungsverhalten USA: 80% fahren maximal 80 km / Tag (Quelle dt. Bank) UK: 93% fahren maximal 40 km / Tag (Quelle dt. Bank) D: 63% fahren maximal 50 km / Tag (Quelle fka) EU: 70% fahren maximal 40 km / Tag (Quelle Bain&Company)

7 HMI - Interior

8 Akustik Ziele: Transiente Drehschwingungssimulationsmodell des gesamten Antriebsstrangs unter Berücksichtigung des Gesamtfahrzeugs Fahrzeuglängsruckeln Bonanza -Effekt Untersuchung kritischer Momentenrampen Simulation von Luft- und Körperschallabstrahlung der Antriebsaggregate Vorhersage des NVH-Verhaltens Gute Schwingungsisolierung der Antriebsaggregate (Lagerungskonzept Antriebsstrang) Kapselung und Dämmung von Aggregaten bei Bedarf Untersuchung der subjektiven Wahrnehmung Innengeräusch Außengeräusch Aktives Sounddesign

9 Thermomanagement Ziele: Identifikation von Auslegungsszenarien für Antriebsstrang und Batterie zur Ableitung von Effizienz-steigernden Thermomanagementkonzepten durch Simulation Reduzierung von Kälte- und Wärmebedarf des Fahrzeuginnenraums und Ableitung alternativer Verfahren zur Kälte- und Wärmeerzeugung durch Simulation alternativer Klimatisierungskonzepte Kopplung von Thermomanagement und Klimatisierung zur Steigerung der Gesamtsystemeffizienz

10 Gesamtfahrzeugsimulation - Thermomanagement Reichweite [%] Reichweitenreduktion durch Innenraumheizen Moskau Hammerfest durch Innenraumkühlen Frankfurt Beijing Bombay Consumer Industrie heute: 200 Wh/kg In den nächsten 5-8 Jahren sind Energiedichten bis zu 170 Wh/kg für Automotive zu erwarten Bei hohem Volumen sind für Energiezellen Kosten von /kwh möglich Innovationstreiber bleibt die Consumer Industrie aufgrund des Wettbewerbs/Marktvolumen Mittlere Temperaturen [ C] Beispiel Elektrofahrzeug ausgelegt mit 140 Wh/Kg (BOL = Begin of life) NEFZ heute NEFZ ab Wh/kg 170 Wh/kg 140Wh/kg 170Wh/kg 230 km 280 km Ableiten von Energiebedarf, Fahr- und Verlustleistungen Optimierung des Energieverbrauchs durch domänenübergreifende Simulation Unterstützung der Antriebsstrang- und Kühlkreisauslegung Unterstützung bei der Entwicklung von Betriebsstrategie und Energiemanagement

11 Gesamtfahrzeugsimulation Ø 30 km Ø 20 km Ø 10 km Ziele: Restreichweitenanzeige Effiziente Regelung der Nebenverbraucher Effizienzhinweise in Abhängigkeit des Fahrverhaltens Flughafen Tegel Hotel Adlon Unter den Linden Flughafen Tempelhof Flughafen Schönefeld

12 Antriebsstrang - Modulbaukasten e-family Modularität e-city e-sport

13 Antriebsstrang - Modulbaukasten ecity Zentralmotor-Achse efamily Twinmotor-Achse esport Zentralmotor-Achse & Twinmotor-Achse GS AC DC DC DC DC AC DC DC GS

14 Batterie Auswahl Zellgeometrie? Consumer-Zelle Austauschbarkeit durch standardisierte Zellgeometrie Zellen unterschiedlichster Zellchemie und Hersteller erhältlich. Markante Unterschiede in der Qualität und Sicherheit Geringe Kosten und konstante Qualität bei Produktion in hohen Stückzahlen Auswahl Zelltyp Durchführung von Schnellcharakterisierungstests am ISEA Vermessung von Kapazität und Leistungsfähigkeit in verschiedenen Betriebsbereichen

15 Batterie Modulares Batteriesystem DC DC/DC/ DC DC DC/DC/ DC efamily 36 kwh 117 kw Peak ecity 24 kwh / 60 kw Peak DC DC/DC / DC DC DC/DC/ DC esport 48 kwh / 175 kw Peak

16 Leistungselektronik für verschiedene Fahrzeugsegmente Hochsicher Hochskalierbar Redundanz Ausfall eines Batteriepacks kompensierbar Notbetrieb mit einem Antrieb möglich Batteriepakete unabhängig voneinander belastbar verschiedene Zelltechnologien können eingesetzt werden mögliche HV- Verbraucher 12 V Verbraucher 12 V Batterie HV-Batterie HV-Batterie V DC/DC Wandler 12 V DC/DC Wandler HV DC/DC Wandler HV Ladegerät Antriebsumrichter Antriebsumrichter Antriebsumrichter V V eff Netz Maschine Maschine Maschine E-Antriebsstrang auf E-Fahrzeuge kleinerer Leistung oder Hybridfahrzeuge übertragbar

17 Funktionale Sicherheit Antrieb Airbag Lenkung Klassische Entwicklung: Funktionsbezogen in der Regel unterschiedliche Aktoren für unterschiedliche Funktionen Kommunikation über festgelegte Schnittstellen ESP Bremse Torque-Vectoring Funktionsintegration E-Fahrzeug: Keine klare Trennung der Fahrzeugfunktionen auf verschiedene Aktoren starke Verzahnung der verschiedenen Funktionen Viele neue, für Automobilbauer unbekannte Fehlermöglichkeiten Betrachtung auf Gesamtfahrzeugebene erforderlich für effektives und widerspruchsfreies Sicherheitskonzept Antrieb Bremse / Rekuperation Laden Torque-Vectoring

18 Technik im Demonstrator Forschungsfahrzeug 2012 Fahrzeugkonzept Baureihenübergreifender Modul-Baukasten Optimierte Leichtbaukarosserie Batteriesystem Crashaktives Batteriepack Multivariable Batterieauslegung Variable Spannungsebenen Demokratisierte Batterietechnologie Antriebskonzept/Leistungselektronik Technologieunabhängige Systemkonzept Elektrisches Schalten Energiemanagement (thermisch/elektrisch) Adaptives Wärmepumpenkonzept Optimierte Betriebsstrategie Fahrwerk Adaptives Brems- und Rekuperationkonzept Elektrik/Elektronik Skalierbare Leistungsmodule (DC/DC) Komplexitätsreduzierte Vernetzung Modulares Sicherheitskonzept

19 Unser Dank gilt: M. Wein, A. Muigg, F. Engelhard, K. Müller, S. Ginsberg, D. van Treek, M. Felden, C. Schäper, M. Bösing, R. Abl, T. Hillers, P. Jeck, Chr. Rebinger, B. Mohrmann, P. Bütterling, K. Simon, F. Sellmaier, J. Badhorn, D. Leitner, J. Bader, K-H Meitinger, Chr. Westermaier, D. Hirschmann, H. Staats, N. Stüber, J. Ungermann und allen andern Projektbeteiligten Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Martin Schüssler, I/EB-11

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