Elektrifizierung des Antriebsstrangs und Mobilitätsentwicklung

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1 1 date 26/03/ page 1 Elektrifizierung des Antriebsstrangs und Mobilitätsentwicklung Regenerative Energien Mittelbaden ev Sasbachwalden Peter Wandt

2 date 26/03/ page 2 Historische Elektro- / Hybridfahrzeuge 1902 Loner Porsche (Austria) Type:Series Motor:2.5PS 2 (Front wheels) Engine:28PS(For generator) 1901 Fisher combination engine (U.S.A) Spec:18- seat bus Type:Series Motor:5kW 2(Rear wheels) Engine:10PS(Permanent 600rpm for generator) 1977 VW Taxi(Germany) Type:Parallel Motor:15kW ( series-wound DC) Engine:25kW (1600cc) 1917 Woods dual power (U.S.A) Spec:4 seater coupe Type:Parallel Motor:5kW 2(Rear wheel) Engine:12PS(1126cc) 1968 GM- Stir-Lec (U.S.A) Type:Series Motor:induction 3 phase Engine:Stirling Audi - Duo (Germany) Type:Parallel Motor:29kW(PM) Battery:Lead(Gel) Engine:1.9L Diesel turbo Sources: FERRY PORSCHE CARS ARE MY LIFE, Development trends of hybrid electric vehicles Toyota museum journal, Motorlexikon.de, TOYOTA MOTOR DYKE S AUTOMOBILE EUROPE and GASOLINE ENGINE ENCYCLOPEDIA

3 date 26/03/ page 3 Elektrofahrzeuge (EV) realistisch als kompakte Stadtfahrzeuge EV Reichweite Ladezeit RAV4-EV E-COM km 6-8 Stunden 100 km 9.5 Stunden

4 date 26/03/ page 4 Herausforderungen der Automobilindustrie Energiediversifizierung CO2 Emissionen Luftverschmutzung Prius - entwickelt mit der Vision einer drastischen Verbrauchsreduzierung -

5 5 date 26/03/ page 5 CO 2 - Emissionen im Produktlebenszyklus Vorprodukte Fahrzeugproduktion Fahrbetrieb Wartung Recycling

6 date 26/03/ page 6 Vergleich der CO 2 -Emissionen unterschiedliche Antriebskonzepte 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Avensis Benzin Avensis Diesel Prius 2000 Prius 2004 Recycling Wartung Fahrbetrieb Fahrzeugproduktion Grundstoff Produktion

7 Wärmebilanz (%) 7 date 26/03/ page 7 Energetischer Wirkungsgrad im Verbrennungsmotor Motor Verluste Reibung Abgas Kühlung Ladungswechsel Verlust Nebenaggregate 100% 80% 60% 40% Wärmebilanz Ottomotor Abgas Mechanik Kühlung 20% Nutzenergie 0% BMEP Pe Antriebsstrangverluste Energie aus dem Kraftstoff Nutzenergie Energie am Rad Antriebsenergie (Rollreibungswiderstand, Luftwiderstand, Massenträgheit)

8 date 26/03/ page 8 Kernkomponenten Hybridsysteme Hybridsteuereinheit Verbrennungsmotor Hybridantriebseinheit Batterie

9 Energie Bremsenergie date 26/03/ page 9 Energiemanagement in Hybridsystemen + - rein elektrischer Antrieb Verbrennungsmotor arbeitet mit hohem Wirkungsgrad Batterie Energie speichern Motorabschaltung Verzögerung Zeit

10 date 26/03/ page 10 Funktionalitäten und Einsparpotentiale von Hybridsystemen CO 2 Einsparpotential 40% 30% 20% 10% 0% Start/Stop Start/Stop Start/Stop Micro-Hybrid Mild-Hybrid Elektr. fahren Motorunterstützung Motorunterstützung Bremsenergie- Rückgewinnung Bremsenergie- Rückgewinnung Bremsenergie- Rückgewinnung Start/Stop Voll-Hybrid

11 date 26/03/ page 11 Powersplit Hybrid operating modes Source: Wikipedia

12 date 26/03/ page 12 Prius III (2009) Verbesserungen im Vergleich zum Vorgänger Systemleistung: +20% auf 98kW Kraftstoffverbrauch/CO2: -15% (jetzt 3,9 l/100km/ 89g/km) Deutliche Verringerung des Verbrauchs auch bei höheren Geschwindigkeiten: -15% Gewichts- und Größenreduktion des Hybridsystems um 17% bzw. 14% Relevante Kostensenkungen der Hybridkomponenten: -40%

13 date 26/03/ page 13 Entwicklungsstufen Toyota Hybrid System Ziel Motor E-Motor E-Motor Drehzahl Batterie (NiMH) 1. Generation (1997) 2. Generation (2003) Prius 3 (2009) Verbrauchs -und Emissionsminderung Generator 1.5L Motor mit Atkinson Zyklus Systemaufbau Leistungsverzweigung 43kW 33kW 21kW Power control unit Batterie Inverter E- Motor Mechanischer Pfad Elektrischer Pfad Leistungssteigerung 57kW 50kW 25kW Boost converter (Max. 500V) Weitere Reduzierung des Verbrauchs 1.8L Atkinson + gekühltes EGR Wärmemanagement Untersetzung (elektrische Wasser Pumpe, Abgaswärme- Rückgewinnung) 73kW 60kW 6,000rpm 6,400rpm 13,500rpm 27kW Boost converter (Max. 650V) E-Motor mit hoher Drehzahl Design

14 date 26/03/ page 14 Motor - Systemübersicht neuer Prius Atkinson Zyklus elektrische Wasserpumpe kein Riementrieb gekühlte Abgasrückführung EGR EGR -Ventil EGR Kühler Abgaswärmerückgewinnung EHR

15 BSFC [g/kwh] EGR step Spark timing [Crank angle before TDC] Power [kw] Catslyst bed temp. [deg.c] date 26/03/ page 15 Motor - gekühlte Abgasrückführung (EGR) Effekt der gekühlten Abgasrückführung: - Zündfrühverstellung - Reduzierte Abgastemperatur Advanced spark timing Improve efficiency EGR gas cooling EGR gas temp. [deg.c] Effizienzsteigerung Sicherung von Emissionen und Leistung - Senkung der Katalysatortemperatur - immer stöchiometrisches Kraftstoff- Luftgemisch Catalyst criteria deg.c Full throttle operation stoichiometric EGR ON w/ EGR w/o EGR Engine speed [rpm]

16 Drehmoment [Nm] date 26/03/ page 16 Motor - Elektrische Wasserpumpe Verbesserung der Kraftstoffeffizienz 1-4% keine Verluste durch Riementrieb verringerte Wartungskosten Verbrauchskennlinie -1% -2% -3% -4% Drehzahl [min-1] -6% -8%

17 Index Kühlmittel Aufwärmzeit von 5 bis +60 C (Motor stoppt). date 26/03/ page 17 Motor - Abgaswärme Rückgewinnung EHR Systemübersicht Motor Catalyst vom Motor Kühlmittelströmung Abgasströmung Wärmetauscher Heizung Exhaust heat recirculation zum Motor Reduzierung der Aufwärmzeit <Test bedingungen> Fahrzyklus : LA#4(U.S.) Umgebungstemperatur : -5 C Heizung : an ohne EHR -57% mit EHR

18 Drehmoment [Nm] Drehmoment [Nm] date 26/03/ page 18 Motor - Hubraumvergrößerung - von 1,5l auf 1,8l Hubraum zur Verringerung des Verbrauchs bei höheren Geschwindigkeiten Motorbetriebspunkt ( ) bei 120km/h konst. Geschwindigkeit (gleicher Fahrwiderstand) Prius 2 (1.5L) : 2,500 rpm Neuer Prius (1.8L): 2,200 rpm -300 rpm Prius kW40kW 20kW 10kW Drehzahl [min-1] Kennlinie 240g/kWh Neuer Prius kW40kW 20kW 10kW Drehzahl [min-1] Kennlinie 240g/kWh

19 19 date 26/03/ page 19 Weiterentwicklung des elektrischen Antriebs

20 date 26/03/ page 20 Weiterentwicklung elektrischer Antrieb Gewichtsreduzierung 35%; Volumenreduzierung 40% Generator Elektromotor Prius 2 konventionell Länge -34% Länge -27% Neuer Prius Wickelkopfverdichtung Max. Drehzahl 6,000rpm +7,500 min-1 13,500rpm Max. Drehmoment 400Nm - 193Nm 207Nm Max. Leistung 50kW +10kW 60kW

21 Drehmoment date 26/03/ page 21 Weiterentwicklung elektrischer Antrieb Untersetzung der E-Maschine Abtrieb Leistungsverzweigung Hohlrad Planetenräder Abtriebsrad Untersetzung E-Maschine Planetenradträger Sonnenrad Downsizing- Konzept der E- Maschine (Größe E-Maschine) größer kleiner E-Maschine mit Untersetzung E-Maschine ohne Untersetzung Konstantleistung Drehzahl

22 Gewicht kg Volumen l date 26/03/ page 22 Weiterentwicklung der Leistungselektronik (PCU) Prius 2 21 kg L Neuer Prius Gewicht -45% kg 11.2 L 10 Volumen -37% 0 0

23 date 26/03/ page 23 Weiterentwicklung der Leistungselektronik Kühlsystem IGBTs neuer Prius im Vergleich zu Prius 2 Aufbau der Kühlung maximale Spannung Prius 2 IGBT Lötschicht Isolierung Lötschicht Wärmesenke (Cu) Wärmeleitpaste Kühlkörper (Al) 500V +150V Neuer Prius Direktkühlung Kühlkörper (Al) 650V Lochplatte

24 date 26/03/ page 24 Weiterentwicklung der Leistungselektronik Verkürzte Schaltzeiten der IGBTs zur Verlustminderung

25 date 26/03/ page 25 Verkleinerung / Integration Komponenten Größenvergleich der Batterien Prius II Prius III 25

26 date 26/03/ page 26 Weiterentwicklung Batterien Größenvergleich Batteriesysteme Prius 2 Kofferaumvolumen Systemintegration Prius 2 (weiss) Neuer Prius Neuer Prius (grau) 415 Liter +30 Liter 445 Liter

27 date 26/03/ page 27 Weiterentwicklung des Batteriesystems durch Integration der Komponenten (Module / Elektronik / Kühlung) Batteriesystem Prius III

28 Volumenindex [%] Masseindex [%] date 26/03/ page 28 Hybrid System Reduzierung von Gewicht und Volumen - Gewichtsreduktion : 13% - Volumenreduktion : 17% Prius 2-13% Neuer Prius Prius 2 Batterie Inverter E- Maschine Hybrideinheit -17% Neuer Prius

29 (verkaufte Einheiten) date 26/03/ page 29 Jahresverkaufszahlen: Hybridfahrzeuge weltweit Oktober 2009: mehr als Hybridfahrzeuge weltweit, davon in Europa 1,000, , , , ,000 Japan Overseas Verkaufsziel in den kommenden Jahren: 1Million Einheiten pro Jahr Langfristiges Ziel: Hybrid Versionen In jeder Modellreihe in den 2020erJahren 0, ~

30 30 date 26/03/ page 30 Auris Hybrid

31 31 date 26/03/ page 31 Lexus LF-Ch Hybrid

32 32 date 26/03/ page 32 Hybridkonzept FT-CH

33 HV Cost increase date 26/03/ page 33 Reduzierung der Hybrid Systemkosten am Beispiel Prius 1. Generation Prius 70 % 2. Generation Prius 40% Prius III Weitere Kostenreduzierung ist notwendig

34 date 26/03/ page 34 Kostensenkung Ni-MH Batterien Batteriesystem Stückkosten Ni-MH Battery Im Vergleich zur ersten Prius Generation konnten die Batteriekosten deutlich gesenkt werden.

35 date 26/03/ page 35 Grenzen der konventionellen BatterietechnologienEner Quelle : SB-Limotive 35

36 date 26/03/ page 36 Anforderungen an Lithium-Ionen Batterien für KFZ Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen klimatischen Bedingungen (extreme Hitze und Kälte) Genauigkeit und Fehlersicherheit des Kontrollsystems Lebensdauer und Zuverlässigkeit Qualität des Produktionsprozesses

37 37 date 26/03/ page 37

38 38 date 26/03/ page 38 Lade/Endladestrategie Normale Akkus Voll NiMH Batterien im Hybridsystem Leer

39 SLadehub date 26/03/ page 39 Einfluß des Ladehubs (SOC) auf die Lebensdauer 100% 0 EV PHV Lebensdauer (Zyklen) Die Lebensdauererhaltung der Batterie hat höchste Priorität und die Lade-/ Entladeregelung muss kontinuierlich weiter verbessert werden

40 date 26/03/ page 40 Prius Plug-in Lithium-Ionen Batterie Zell Spezifikationenen Spannung Kapazität spezifische Leistung Energiedichte Gewicht Abmessungen 3.6 V 5 Ah 73 W/kg 103 Wh/l 245 g 110 mm (L) 14 mm (B) 112 mm (H)

41 date 26/03/ page 41 Lithium-ion Battery Felderprobung Lithium- Ionen Batterien Place :Japan, America, Canada, Germany, Spain Condition :about -30 ~40 Total running distance :about 7.2 million miles Spain Denver Fairbanks

42 date 26/03/ page 42 Prius III Plug-in Hybrid System (PHV) Inverter(Hochspannung) E - Antrieb (wie Prius) Steuergerät Hocheffizientes On-board Ladegerät Lithium - Ionen Batterie Haushaltsstrom Ladeanschluss

43 Energieinhalt (kwh) Replacement date 26/03/ page 43 EV Reichweite in Abhängigkeit von Zusatzgewicht und Raumverlust durch Batterien Prius battery + 100kg Prius battery Prius battery Elektrische Reichweite (km)

44 date 26/03/ page 44 Aufschlüsselung Batteriekosten Ni-MH (3 Zellen *) Produktions prozess TOYOTA Erfahrung Material Li-ion * Ni- MH Zellspannung 1,2 V; Li-Ion Zellspannung 3,6 V Kosten/ Zelle Ziel in naher Zukunft TOYOTA Ziel (Li-ion) (Zielsetzung der jap. Regierung) (Zielsetzung der jap. Regierung) )

45 date 26/03/ page 45 Bewertung unterschiedlicher Batterietypen 1) Kosten: Ni-MH ist im Vorteil 2) Bauraum: Lithium- Ionen hat eine Vorteil für EVs und PHVs, da höhere Energiedichten erforderlich sind Li-ion NiMH Kosten spezifische Energie spezifische Leistung Lebensdauer Sicherheit Wahl von Ni-MH for Prius Wahl von Lithium Ionen für den PHV Zielerrreichung sowohl von maximaler Lebensdauer sowie maximaler Sicherheit

46 Battery Pack Einsatzbereich der unterschiedlichen Batterietechnologien date 26/03/ page 46 Ni-MH Lithium- Ionen RX450 Vitz 09 Prius LS600h Prius PHV Camry HV

47 47 date 26/03/ page 47 Elektrische Mobilität wie und wo?

48 date 26/03/ page 48 Fortschreitende Urbanisierung 48

49 date 26/03/ page 49 Wo wird ein Modal Shift stattfinden können NY US Tokyo & Paris are exceptional cities European Cities

50 date 26/03/ page 50 Bahn Kleinstadt Ist Situation Hohe Energieeffizienz / Personenkilometer Bus Kleinstadt Bahn Großstadt Bus Großstadt Stau, parken Why people use car? Modal Shift to the Public transport is solution for the future? Vergleich der unterschiedlichen Verkehrsträger nach Region PKW Zielerreichung in kürzerer Zeit Mobilitätsqualität(QOM) (Lebensqualität (QOL)

51 date 26/03/ page 51 Bahn Kleinstadt Hohe Energieeffizienz / Personenkilometer Bus Kleinstadt Bahn Großstadt Bus Großstadt Stau, parken Why people use car? Modal Shift to the Public transport is solution for the future? Mögliches Szenario Entwicklung der unterschiedlichen Verkehrsträger nach Region PKW Zukünftiges Auto Verkehrs- Management weiterentwickelter Antrieb Zielerreichung in kürzerer Zeit Mobilitätsqualität(QOM) (Lebensqualität (QOL)

52 52 date 26/03/ page 52 TOYOTA Entwicklungen intelligenter Verkehrssysteme ITS

53 date 26/03/ page 53 Plug-in Hybrid Balance aus Kosten, Reichweitenanforderung und Potential zur CO2 Minderung Kurze Strecken => elektrisch elektrisch Hybrid Lange Strecken => Hybrid

54 Niedrige CO2 Emissionen 54 date 26/03/ page 54 Plug-In Hybrid Emissionsvergleich CO2 [g/km] EV Benzin Petrol CNG LPG Prius Hybrid Europäische Mittelklasse Fahrzeuge Diesel Plug-in Hybrid NOx [g/km] Sehr niedrige NOx Emissionen

55 date 26/03/ page 55 Vergleich Voll-Hybrid (HV) mit PHV und EV CO2 Luftqualität Reichweite Ladezeit Ladeinfrastruktur Verkaufspreis HV (Voll-Hybrid) (Nicht nötig) (Nicht nötig) ++ PHV (Voll-Hybrid) (geringe Anforderungen) + EV /- (Notwendigkeit für Schnellladung) -

56 date 26/03/ page 56 Plug-in Hybrid 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Anteile unterschiedlicher Energiequellen an der Stromproduktion 0% CO2 Reduzierung in Abhängigkeit vom Energiemix Thermal Hydro Nuclear Austria France UK Germany NL Italy Spain Portugal Belgium Sweden Denmark Finland Norway CO2 Emissionen können in Bezug auf Well to Wheel Emissionen besonders stark reduziert werden, wenn nichtfossile Stromquellen eingesetzt werden

57 57 date 26/03/ page 57 Toyota FT- EV Concept als reines EV - basiert auf Toyota iq - Serienfertigung ab 2012 geplant - ca. 80 km Reichweite, Schwerpunkt urbaner Einsatz

58 58 date 26/03/ page 58 Vergleich elektrische Reichweite zu Batterievolumen Batterieleistung (kwh) teuer Tägliche Fahrt Durchschnittl. Fahrtstrecke US:50km FR,JPN: 25km Prius Plug-in EV Reichweite EVs heute e-com Rav4-EV Toyota Erfahrung Toyota Erfahrung Prius Plug-in EV+HV Reichweite charge range (km) weiter 1400

59 59 date 26/03/ page 59 Leichtbau Konzeptstudie 1/X Gewichtsreduzierung als weitere Effizienzmaßnahme Plug-In Hybrid Fahrzeug 500 cm³ Mittelmotor (Benzin) mit Hybridsystem und Heckantrieb Länge: Breite: Höhe: mm mm mm Radstand: mm Sitzplätze: 4 Innenraumvolumen analog Prius Gewicht: 420 kg (Prius 1300kg) Karosserie aus kohlefaserverstärktem Kunststoff Verbrauchsreduzierung 50% im Vergleich zu Prius II

60 date 26/03/ page 60 Innovative Mobilitätskonzepte Toyota I-Real

61 61 date 26/03/ page 61 E Mobilitätskonzept I-Real

62 Toyota Vision nachhaltiger Mobilität date 26/03/ page 62 Fuel Vehicle size Winglet EVs Motorcycles Short-distance commuters i series Electricity HVs & PHVs with internal combustion engine EV Passenger cars PHV Small delivery vehicles HV Route buses FCHV(BUS) FCHVs FCHV Gasoline, diesel, bio-fuels, compressed natural gas, gas to liquids, coal to liquids, etc. Heavy-duty trucks Delivery trucks Hydrogen Regular trains Express trains Driving distance

63 63 date 26/03/ page 63 Ausbau von Forschung und Entwicklung für Next- Generation Batterien

64 date 26/03/ page 64 Vielen Dank! 64