Das intelligente Elektrofahrzeug: Opel Ampera und Opel Meriva (MeRegio)

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1 Das intelligente Elektrofahrzeug: Opel Ampera und Opel Meriva (MeRegio) Roland Matthé Adam Opel AG Informations-und Kommunikationstechnologien (IKT) in der Elektromobilität Veranstaltung der Hessen Agentur Darmstadt, 01. Dezember 2011

2 Inhalt Motivation für elektrische Antriebe Antriebssystem und Funktionen des Opel Ampera Opel Meriva EV im MeREGIO Projekt Kommunikation Fahrzeug - Infrastruktur Ausblick

3 Steigende Energienachfrage weltweit Heute: 900 Mio. Autos weltweit 98% fossile Kraftstoffe 2020: 1,1 Mrd. Fahrzeuge

4 Das Erdöl-Zeitalter: Weltweite Produktion nach Quellen 120 Unsicherheit über Verfügbarkeit 100 Unkonventionelles Öl Millionen Barrel pro Tag Jahr Flüssiges Gas Rohöl: unentdeckte Ölfelder Rohöl: unausgebaute Ölfelder Rohöl: derzeit produktive Ölfelder Quelle: World Energy Outlook International Energy Agency, 2010

5 Das Erdöl-Zeitalter Like a Candle in the Night Millionen Barrel pro Tag Jahr

6 Strategie Fossile Kraftstoffe ersetzen durch Energieeffizienz und Energiediversifikation

7 Opel-Antriebsstrategie Reduktion von Verbrauch und Emissionen Ersatz von Benzin/Diesel Optimierung von Verbrennungsmotoren und Getrieben Hybrid-elektrische Fahrzeuge (inkl. Plug-in HEV) Wasserstoff- Brennstoffzellen- Fahrzeuge Batterie-elektrische Fahrzeuge / E-REV Elektrifizierung des Antriebsstrangs Energievielfalt Benzin/Diesel Alternative Kraftstoffe (CNG, LPG) Elektrizität Wasserstof f

8 Entwicklung elektrischer Antriebsysteme 1966 GM Electrovan Neue Materialien 2000 Opel HydroGen Opel HydroGen4 für BZ-Membranen 1972 Mondfahrzeug 1990 Opel Impuls GM EV Chevrolet Volt 2011 Opel Ampera Raumfahrt-Technologie Geringe Leistungsfähigkeit Große Systeme Mangel an geeigneten Materialien E-Fahrzeug Flotten & ZEV Mandate Limitierte Reichweite Geringe Lange Ladezeiten Batterielebensdauer Reichweitenangst Zu teuer Li-Ion Batterien Leistungselektronik Markteinführung

9 Paradigmenwechsel: Die Autos der Zukunft fahren elektrisch Opel RAK e (BEV) Opel Ampera (E-REV) Opel HydroGen4 (FCEV)

10 Typische tägliche Fahrtstrecke 25% 20% 15% 80% der täglichen Fahrten kürzer als 50 km 10% 5% 0% > 100 km Quelle: Mobilität in Deutschland, 2002

11 Opel Ampera Elektrofahrzeug mit verlängerter Reichweite (E-REV) km batterie-elektrische Reichweite > 500 km verlängerte Reichweite

12 Opel Ampera Elektrofahrzeug mit verlängerter Reichweite (E-REV) Leistung: 111 kw Drehmoment: 370 Nm Höchstgeschwindigkeit: 160 km/h Beschleunigung (0-100 km/h): 9 s Energieinhalt (Batterie): 16 kwh Ladezeit: V Reichweite (batterie-elektrisch): km (gesamt): >500 km

13 Antriebssystem des Opel Ampera Motor-/Generator-Einheit Lithium-Ionen-Batterie Elektrischer Antrieb Ladeschnittstelle

14 Antriebsystem des Opel Ampera Kupplungen Generator Achsantrieb Elektrische Antriebseinheit Zwei Elektromotoren Antrieb: 111 kw, 370 Nm Generator: 54 kw Planetengetriebe Achsantrieb Drei Kupplungen Antriebsmotor Planetengetriebe Differenzial

15 Batteriesystem des Opel Ampera Li-Ionen-Technologie, Pouch-Zellen Flüssigkühlung Nennspannung: 360 V Nennenergie: 16 kwh Nennleistung: >115 kw Systemgewicht: 198 kg

16 Elektrische Architektur Charge Cord Charge Port Battery Disconnect Unit Including heater control Rechargeable Energy Storage System Voltage Current Temperature Module Manual Service Disconnect and Fuse AC CM Vehicle 12 V DC HVAC Engine On Board Charge Module Auxiliary Power Module Gen erat or Traction Inverter Mot or Battery Controller VITM Voltage Temp Sub Module Voltage Temp Sub Module Rechargeable Energy Storage System (RESS) Battery Sections Voltage Temp Sub Module Voltage Temp Sub Module

17 Elektrisches Antriebsystem des Opel Ampera Vier verschiedene Betriebszustände: Batterie-elektrisches Fahren niedrige Geschwindigkeit (1 Motor) hohe Geschwindigkeit (2 Motoren) Fahren mit Reichweitenverlängerer niedrige Geschwindigkeit (1 Motor) hohe Geschwindigkeit (2 Motoren) Betriebsstrategie: Maximale batterie-elektrische Reichweite Maximale Effizienz

18 Elektrisches Antriebsystem des Opel Ampera Batterie-elektrisches Fahren (niedrige Geschwindigkeit) Sekundär- Elektromotor/ Generator Hochspannungsbatterie Leistungselektronik Elektrischer Energiefluss Mechanischer Energiefluss Kein Energiefluss Kupplung offen Kupplung geschlossen C 3 Primär-Elektromotor Verbrennungsmotor C 1 C 2 Planetengetriebe

19 Elektrisches Antriebsystem des Opel Ampera Batterie-elektrisches Fahren (hohe Geschwindigkeit) Sekundär- Elektromotor Hochspannungsbatterie Leistungselektronik Elektrischer Energiefluss Mechanischer Energiefluss Kein Energiefluss Kupplung offen Kupplung geschlossen C 3 Primär-Elektromotor Verbrennungsmotor C 1 C 2 Planetengetriebe

20 Elektrisches Antriebsystem des Opel Ampera Vier verschiedene Betriebszustände: Batterie-elektrisches Fahren niedrige Geschwindigkeit (1 Motor) hohe Geschwindigkeit (2 Motoren) Fahren mit Reichweitenverlängerer niedrige Geschwindigkeit (1 Motor) hohe Geschwindigkeit (2 Motoren) Betriebsstrategie: Maximale batterie-elektrische Reichweite Maximale Effizienz

21 Elektrisches Antriebsystem des Opel Ampera Fahren mit Reichweitenverlängerer (niedrige Geschwindigkeit) Generator Hochspannungsbatterie Leistungselektronik Elektrischer Energiefluss Mechanischer Energiefluss Kein Energiefluss Kupplung offen Kupplung geschlossen C 3 Primär-Elektromotor Verbrennungsmotor C 1 C 2 Planetengetriebe

22 Elektrisches Antriebsystem des Opel Ampera Fahren mit Reichweitenverlängerer (hohe Geschwindigkeit) Sekundär- Elektromotor/ Generator Hochspannungsbatterie Leistungselektronik Elektrischer Energiefluss Mechanischer Energiefluss Kein Energiefluss Kupplung offen Kupplung geschlossen C 3 Primär-Elektromotor Verbrennungsmotor C 1 C 2 Planetengetriebe

23 Elektrisches Antriebsystem des Opel Ampera Parken EV-Modus (Motor aus) = Entladung Extended-Range-Modus (Motor/Generator an) = Erhaltung des Ladezustands Lade-Modus Onboard-Ladegerät am Stromnetz Parken 100% Ladezustand (SOC) Regeneratives Bremsen Motor aus zu bestimmten Zeiten Zeit

24 Fahrerinformation und Aktion im Opel Ampera Ladezeit programmieren Fahrmodus wählen

25 Prinzipielle Steuergerätestruktur Elektrofahrzeug Infrastruktur Stro m netz Mobil telefo nnetz Bordladegerät Steuergerät Telefon, Internet Fahrer information Fahrzeug Antrieb- Steuergerät Batterie- Steuergerät Motor- Steuergerät Datenbus 1 Datenbus N Fahrwerk- Steuergerät Fahrzeug- Steuergerät

26 Opel Ampera Intelligentes Elektrofahrzeug Optimierte Antriebsstrategie durch Kommunikation zwischen: Fahrzeug-, Antriebs- und Batteriesteuergeräte Fahreroptionen: Fahrprogramme Ladezeit

27 MeRegioMobil Laufzeit: Juli 2009 Oktober 2011 F&E-Themen: Bi-direktionales Laden Lade-/Abrechnungsmanagement Smart Home Grenzüberschreitendes Roaming

28 Meriva EV für MeRegio Projekt Batterie-Elektrofahrzeug (BEV) Leistung: 60 kw / 80 kw (Eco mode / sport mode) Beschleunigung (0-100 km/h): 11s Höchstgeschwindigkeit: 130 km/h Batterie: Li-ion Gesamtenergie: 16 kwh Reichweite: 64 km (NEDC)

29 Entwicklung intelligente Ladeschnittstelle 3 Prototypen im Betrieb Bidirektionales Lademanagement Kommunikationsschnittstelle zur Infrastruktur entsprechend dem Entwurf für die ISO / IEC Technische Daten Li-Ionen Batterie Ladeleistung Rückspeisung 16 kwh 11 kw 4,2 kw gefördert durch das Bundeswirtschaftsministerium

30 Lademanagement und Kommunikation Lademanagement im Fahrzeug Eingabe der geplanten Abfahrtszeit Leistungslimitierungen Rückspeiseparameter Minimaler Ladezustand zum Beibehalten einer Mindestreichweite Tarife und Preisgrenzen Kommunikation zwischen Fahrzeug und Infrastruktur Fahrzeug sendet Ladeparameter - Abfahrtszeit, Energiebedarf, maximale Ladeleistung, Rückspeisefähigkeit Fahrzeug empfängt Ladeparameter - Zeitabhängige Leistungslimits, Zeiten günstiger Strompreise, Rückspeiseanfragen

31 Mobilität-verfügbarkeit und Ladefreiheitsgrade Mobilitätssicherheit Anreize Ladeparameter Ladefreiheitsgrade Nutzer Anreize Ökologischer Anreiz Grünen Strom Ökonomischer Anreiz günstiger Strom Bedürfnis Mobilität Ladeparameter können die Freiheitsgrade einschränken Sicherheit volle Batterie Spontane Fahrten - Mindestreichweite

32 Ladekurvenberechnung Sofort Laden Lastverschiebung ohne Rückspeisung Bidirektionaler dynamischer Verlauf Die folgenden Verläufe sind Beispiele, die im Rahmen des Forschungsprojekts aufgezeichnet wurden

33 Sofort Laden Sofort Laden Maximale Leistung bis zur Batteriespannungsgr enze

34 Lastverschiebung Sofort Laden Maximale Leistung bis zur Batteriespannungsgr enze Lastverschiebung Laden mit Pausen und variabler Leistung

35 Bidirektional (Rückspeisung) Sofort Laden Maximale Leistung bis zur Batteriespannungsgr enze Lastverschiebung Laden mit Pausen und variabler Leistung Bidirektional Dynamischer Verlauf mit Lade- und Entladephasen

36 Ladezeit und Energiebilanz Ladezeit länger im bidirektionalen Betrieb Benötigte Energiemenge und Batteriebelastung steigt bei Rückspeisung Bidirektionalen Betrieb erfordert neue Validierung der Dauerhaltbarkeit

37 Zusammenfassung und Ausblick Opel Ampera, das erste uneingeschrängt alltagstaugliche Elektrofahrzeug in Serie Kommunikation innerhalb des Fahrzeuges MeRegio Projekt zur optimierten Batterieladung Kommunikation Fahrzeug und Infrastruktur Informationstechnologie ermöglicht neue Funktionen in der Elektromobilität

38 Anwendungsfelder verschiedener Antriebskonzepte Hohe Last Stop-and-Go (Stadtverkehr) Lastprofil Fahrprofil Konstantfahrt (Autobahn) Geringe Last

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