Modulare Konzepte für elektrische Antriebssysteme bei Volkswagen Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG

Transkript

1 Modulare Konzepte für elektrische Antriebssysteme bei Volkswagen

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Elektrische Antriebskomponenten für Elektro- und Hybridfahrzeuge 3. Modularisierung elektrischer Antriebe bei Volkswagen 4. Zusammenfassung Seite 2

3 Mega-Trends Klimawandel und Nachhaltigkeit Endliche Ressourcenverfügbarkeit Uneingeschränkte Mobilität Stadtentwicklung und Mega Citys Globalisierung und Individualisierung Demographischer Wandel Sicherheit und Gesundheit Vielschichtige Anforderungen an die Fahrzeugentwicklung Seite 3

4 Fahrzeugkonzepte Historie EVs HEVs 1970 Typ2 City Taxi 1980 Typ2 Electric Golf I Hybrid 1980 Golf ECO.Power Touareg Hybrid Chico Hybrid Audi Duo Touran TSI Hybrid NCC Hybrid Golf II Hybrid Golf III Hybrid Bora SUVA Hybrid TDI Hybrid L1 XL T3 Electric Electro Van Bora Electric E-UP! Golf blue-e-motion Golf II CitySTROMer Golf I Electric Fahrzeuge auf dem Markt Jetta CitySTROMer Golf III CitySTROMer Golf Electric Space up! blue Milano Taxi Berlin Taxi Volkswagen hat langjährige Erfahrungen mit Hybrid- und Elektrofahrzeugen Seite 4

5 Marktprognosen für das Elektro-Auto (nach Märkten/ EVs & PHEVs) 25 % Marktanteil Roland Berger (D / EV & PHEV) Bain & Company (Welt / EV & PHEV) EV: Elektro-Fahrzeug PHEV: Plug-In-Hybrid 20 % conenergy (D / EV & PHEV) 15 % 10 % 5 % Bosch (Welt / EV) McKinsey (Welt / EV & PHEV) inkrementell \ beschleunigt CAR (EU / EV & PHEV) CAR (EU / EV & PHEV) RWE (D / EV & PHEV) Global Insight (USA / PHEV) Bosch (Welt / EV) Oliver Wyman (D / EV) Bundesumweltministerium (D / EV & PHEV) Boston Consulting Group (EU, USA, Japan, China / EV) Marktentwicklung der Elektromobilität ist unsicher (Faktor 10) Markterfolg abhängig von Marktfähigkeit der Konzepte Jahr Seite 5

6 Gliederung 1. Einleitung 2. Elektrische Antriebskomponenten für Elektro- und Hybridfahrzeuge 3. Modularisierung elektrischer Antriebe bei Volkswagen 4. Zusammenfassung Seite 6

7 Typ Funktion Treiber und Trends der Elektrifizierung Typen und Charakteristika VKM Starten μ-hybrid Start-Stopp (Rekuperation) Mild-Hybrid Start-Stopp Rekuperation (Boost) Full Hybrid Start-Stopp Rekuperation Boost (E-Fahren) Plug-in Hybrid Start-Stopp Rekuperation Boost E-Fahren Elektro- Fahrzeug E-Fahren Treiber und Fokus Senkung CO 2 -Emissionen (Verbrauch) Europa und USA CO 2 - Gesetzgebung Energie- Diversifizierung USA (CA), ZEV-Gesetzgebung Seite 7

8 Elektrifizierung Auslegung der Elektrischen Antriebe Typ VKM μ-hybrid Mild-Hybrid Full Hybrid Plug-in Hybrid Elektro- Fahrzeug Funktion el. Leistung Spannung Starten Start-Stopp (Rekuperation) Start-Stopp Rekuperation (Boost) Start-Stopp Rekuperation Boost (E-drive) Start-Stopp Rekuperation Boost E-drive ~ 2 kw ~ 6 kw ~ 15 kw ~ 30 kw ~ 60 kw 12 V < 60 V > 60 V >> 60 V E-drive ~ 85 kw Technologie DC-Starter Klauenpol PSM Scheibenbauformen PSM Kompaktformen FSM, ASM, PSM Seite 8

9 Hybridfahrzeug Touareg Hybrid Fahrzeugkonzept Full-Hybridfahrzeug Parallelhybrid mit Trennkupplung Schlüsselkomponenten Verbrennungsmotor Automatikgetriebe Elektromotor Batterie NiMH 245kW 440Nm 8-Gang 34kW 300Nm 288V 6Ah Fahrleistungen Verbrauch Geschwindigkeit max. <9,0 l / 100 km 240 km/h km/h <6,8 sec Seite 9

10 Hybridfahrzeug Touareg Hybrid Was wirklich drinsteckt, macht jedoch der mächtige Schub klar, wenn TSI und E- Motor sich vereinen, um das Auto mit Nachdruck anzuschieben Dank elektrischer Unterstützung bietet der VW Touareg Hybrid Achtzylinder-Leistung bei Sechszylinder-Verbrauch Seite 10

11 Hybridfahrzeugkonzept Volkswagen XL1 Fahrzeugkonzept Plug-In-Hybrid-Fahrzeug, Karosserie größtenteils CFK, Leergewicht 795 kg Schlüsselkomponenten Verbrennungsmotor Leistung Hybridunterstützung Getriebe Karosserie Aerodynamik, cw Fahrleistungen Verbrauch CO2-Emissionen Reichweite E-Antrieb km/h Geschwindigkeit max. 0,8L TDI 35 kw E-Motor 7-Gang DSG 230 kg 0,312 0,9 l/100km 24 g/km 35 km 11,9 s 160 km/h (abgeriegelt) Seite 11

12 Elektrofahrzeug Volkswagen E-Up! Fahrzeugkonzept Elektrofahrzeug mit Li-Ionen-Batterie, Leergewicht 1085kg Schlüsselkomponenten Antrieb Peakleistung Dauerleistung Bauweise Batterie E-Motor 60 kw 210Nm 40 kw Kompakter Integralantrieb Li-Ionen 18kWh Fahrleistungen Reichweite Geschwindigkeit max. 130 km 135 km/h km/h 11,3 sec Seite 12

13 Elektrofahrzeug Volkswagen Golf blue-e-motion Fahrzeugkonzept Leergewicht 1545 kg Komponenten Elektromotor (VW-Kassel) Leistungselektronik Getriebe (VW-Kassel) Batterie Li-Ion Zellen System (VW-BS) Ladegerät 85 kw 270 Nm 450 A 1-Gang 26,5 kwh 180 Zellen 315 kg 9,9 kw Fahrleistungen Elektr. Reichweite Geschwindigkeit max km/h bis zu 150 km 135 km/h 11,8 sec Seite 13

14 Elektrofahrzeug Volkswagen Golf blue-e-motion Über den Berg: E-Auto-Rallye im Silvretta Schnell, leise, sauber Das Aggregat seinerseits unterhält dagegen die Insassen mit der für Elektroautos typischen stürmischen Leistungsentfaltung. Das Auto fährt sich grandios Fazit: Ich will Spaß, ich geb'... Strom! Seite 14

15 Kundenanforderungen an das Fahrzeug Sicherheit Information/ Kommunikation Design Umwelt Komfort Alltagstauglichkeit Geländetauglichkeit Fahrdynamik Preis/ Unterhaltskosten Qualität Verbrauch Konzepte unter Berücksichtung aller Anforderungen Entscheidend: Erfolgreiche Einbindung der Schlüsselkomponenten Seite 15

16 E-Antriebskomponenten Auslegungskriterien Moment Dynamik, Gewicht, Volumen, Package Kosten Marktakzeptanz, Materialien Leistung Performance, hohe Temperaturen, Wirkungsgrad Funktionen Steuerung, Strategie Sicherheit Lebensdauer thermische und mechanische Bedingungen, Zuverlässigkeit Seite 16

17 Wettbewerbsvergleich: Spezifische Leistung Wettbewerber 1 Wettbewerber 2 Spezifische Peak- Leistung [kw/liter] Spezifisches Peak- Drehmoment [10Nm/liter] Touareg Hybrid Parallel-Hybride in Serienproduktion 5 10 Bauraumrestriktion in Full Hybriden erfordert hohe volumenspezifische Eigenschaften Lebensdauer- und Funktionsanforderungen sind zu erfüllen Hauptherausforderung: Kostenreduktion Seite 17

18 EV E-Maschine: Spezifische Leistung 2013 eup! (Serie) 1-Gang Gen. 3 1-Gang (heute) Spezifische Dauer- Leistung [kw/kg] Spezifische Dauer- Drehmoment [Nm/kg] Gen. 2 1-Gang 1995 City-Stromer (Serie) 5-Gang Elektrofahrzeug verlangt hohe Dauerleistung Hauptherausforderung: Kostenreduktion Seite 18

19 EV E-Maschine: Wirkungsgradoptimierung 100 Auto - Motor -Sport 60 HYZEM-urban 80 v(t) in km/h 60 v(t) in km/h v(t) in km/h v(t) in km/h 100 UDDS NEDC - EFZG time in s v(t) in 100 km/h v(t) in km/h 100 Fahrzeugprämissen Verluste der Komponenten HYZEM-rural HYZEM-highway time in s Wirkungsgrad NEFZ Artemis Urban FTP Generation Lastkollektive und Fahrzyklen sind etablierte Bewertungstechniken Wirkungsgradsteigerungen mit jeder Generation Seite 19

20 EV E-Maschine: Akustik-Optimierung Erster Baustand, ohne Akustik-Optimierung Zweiter Baustand, mit Akustik-Optimierung Frequenz Schallpegel Frequenz Schallpegel Zeit Zeit Beschleunigung Konstantfahrt Bremsen Beschleunigung Konstantfahrt Bremsen Deutlichen Einfluss auf das akustischen Verhalten einer E-Maschine haben die Magnetkreisauslegung und Optimierung der Übertragungspfade sowie Dämpfungsmaßnahmen Akustische Unauffälligkeit ist ein wichtiges Auslegungskriterium zur Steigerung der Kundenakzeptanz Seite 20

21 Kosten [%] Kostengesichtspunkte Einzelkosten Batterie Elektroden Separator Electrolyte Zellmantel Zellmontage Batteriesystem Blechpaket Kupfer Magnete Produktion Diverses Halbleiter Kondensatoren 3-13 Sensoren Kommunikation 12 Stecker 30 Diverses Kupferpreisentwicklung: Anstieg um Faktor 6 Sorgfältige Kostenanalyse ist wesentlich für die Technologiebewertung Price [US$ per ton] Price [$US/kg] 12000, , , , , , Kosten [%] E-Maschine Kosten [%] Leistungselektronik Copper copper Aluminum aluminum Zinc zinc Lead lead Prices of Rare Earth Oxides Lanthanum Oxide Cerium Oxide Neodymium Oxide Praseodymium Oxide Samarium Oxide Prices of Metals 0, source: LME Historical Prices \ lynascorp Seite 21

22 Herausforderungen Elektrofahrzeug Gewicht Kosten mech. Wirkungsgrad Aerodynamik electr. Wirkungsgrad Rollwiderstand Verbrauch Seite 22

23 Gliederung 1. Einleitung 2. Elektrische Antriebskomponenten für Elektro- und Hybridfahrzeuge 3. Modularisierung elektrischer Antriebe bei Volkswagen 4. Zusammenfassung Seite 23

24 Modularisierung mit Antriebs-Baukästen von Volkswagen Ottomotoren Elektrotraktion Dieselmotoren Brennstoffzelle Getriebe Biokraftstoffe Hybrid Seite 24

25 Modularisierung, Kostenreduktion und Varianten Den Erbauern der chinesischen TerraCotta-Armee war bereits bekannt: Standardisierte Teile Produktvielfalt 8 Bartarten 24 Körperarten Mit indivieduellen Gesichtszügen Source: Balzan Stifung Seite 25

26 E-Antriebskomponenten - Übersicht Leistungselektronik E-Maschine Spannungen & Ströme Stator Rotor (Kupplung) Kräfte Kräfte Temperatursensor Lagesensor Verluste, Erwärmung Spannungen & Ströme Ansteuerung, CAN-Anbindung Kühlung Schwingungen, Körperschall, Luftschall Komplexes System mit vielfältigen Wechselwirkungen Drehmoment Seite 26

27 Modularisierung E-Antriebssysteme Leistungselektronik Hochleistung Leistungselektronik Hochenergie Motorsteuergerät Micro- Hybrid/ Start Stop Mild- Hybrid Full-Hybrid (HEV) Plug In Hybrid (PHEV) Range Extender BEV Brennstoffz. Fzg (FCEV) H2 + + Seite 27

28 Modularisierung - Varianten durch Bestückung Leistungselektronik Basistechnologien Ansteuerung Treiber Kühlung Software Quelle: Infineon.com Seite 28

29 Modularisierung - Varianten durch Bestückung Produktspezifische Technologien Stromsensoren Kondensatoren Halbleiter Stromführung Stromklasse Genauigkeit Leistungselektronik Spannungsklasse Spannungsrippel Spannungsklasse Stromklasse Stromklasse Geometrie Quelle: Infineon.com, Wima.com, Lem.com, Semkron.com, hans-buecker-gmbh.de Seite 29

30 Modularisierung - Varianten durch Bestückung Leistungselektronik Basistechnologien Satz von projektübergreifenden Standardtechnologien + Produktspezifische Technologien Anpassung unterschiedlicher Einbausituationen Diversifizierung Produkte Individualisierung des Antriebs =... Seite 30

31 Modularisierung E-Antriebssysteme Leistungselektronik Hochleistung Leistungselektronik Hochenergie E-Maschine Hochdrehmoment E-Maschine Hochdrehzahl Motorsteuergerät Micro- Hybrid/ Start Stop Mild- Hybrid Full-Hybrid (HEV) Plug In Hybrid (PHEV) Range Extender BEV Brennstoffz. Fzg (FCEV) H2 + + Seite 31

32 Modularisierung - Varianten durch Bestückung E-Maschine Technologiebaukasten 1 Technologiebaukasten 2 Lagesensor Wicklung Lagesensor Wicklung Quelle: Toyota Blechschnitt Isolation Blechschnitt Isolation Seite 32

33 Modularisierung - Varianten durch Bestückung E-Maschine Produktspezifische Technologien Anschluss der 3- Phasen-Leitung Beispiel: Touareg Hybrid Aufnahme des Rotorblechpakets Integration der E- Maschine Realisierung der Kühlung Lagerung des Rotors Abstützung des Stators Seite 33

34 Modularisierung - Varianten durch Bestückung E-Maschine Technologiebaukasten 1 Satz von harmonisierenden Technologien Technologiebaukasten 2 Satz von harmonisierenden Technologien Produkte + + Produktspezifische Technologien Anpassung unterschiedlicher Einbausituationen Diversifizierung Individualisierung des Antriebs = Seite 34

35 Gliederung 1. Einleitung 2. Elektrische Antriebskomponenten für Elektro- und Hybridfahrzeuge 3. Modularisierung elektrischer Antriebe bei Volkswagen 4. Zusammenfassung Seite 35

36 Zusammenfassung Zielsetzung der Volkswagen AG: Sicherstellung der erschwinglichen und nachhaltigen Mobilität Die Volkswagen AG hat jahrelange Erfahrungen mit Hybridisierung und Elektrifizierung Der konventionelle und alternative Antriebstrang wird unter Einflussnahme zahlreicher Kriterien ausgelegt. Begleitend wird dieser ganzheitlich und kontinuierlich optimiert Das Konzept der Modulstrategie von Leistungselektronik und E- Maschine wurde dargestellt. Seite 36

37 Vielen Dank