Hybridfahrzeuge Technik und Möglichkeiten alternativer Antriebskonzepte

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1 Hybridfahrzeuge Technik und Möglichkeiten alternativer Antriebskonzepte Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG Technische Universität Liberec, 19. November 2008 Seite 1

2 Konsequenzen der weltweit wachsenden Mobilität Seite 2

3 Motivation Gesetzgeber Emissionsgesetzgebung Verbrauchsvorschriften Incentives / Steuervorteile Fahrverbote, Limitierungen, lokale Gebühren (London), ZEV-Gesetz (Kalifornien) Gesellschaft Steigendes Bewusstsein bzgl. Kosten und Umwelt Öffentliche Diskussion um Klimaveränderungen Lobbyisten/Verbände Wettbewerb Zunehmende Aktivitäten der Wettbewerber bei alternativen Antrieben Positionierung Hybrid Energiewirtschaft Kraftstoffverfügbarkeit und Abhängigkeit von wenigen Förderländern. Verknappung der Vorräte Rückgang Erdölfördermenge Der Druck auf das Automobil seitens Kunde, Wettbewerb, Gesetzgebung und Energiewirtschaft bezüglich Kraftstoffverbrauch und Emissionen wächst stetig. Seite 3

4 Umweltrelevante Herausforderungen der Automobilindustrie Energie Treibhausgase CO 2 Abgasemissionen CO, NO X, HC, PM Seite 4

5 Verfügbarkeit nicht erneuerbarer Energien Quelle: BGR 2002 Erdöl (konventionell und nicht konventionell) Erdgas (konventionell und nicht konventionell) Kohle Reserve Ressource Braunkohle Uran >200 >1000 Jahre Seite 5

6 CO 2 -Emissionen 400 CO 2 -Emissions [g/100km] NEDC Gasoline, all Industry Diesel, all Industry Hybrid, all Industry, 8 models VW Gasoline VW Diesel Passat BlueMotion Golf TSI 7G DSG Golf BlueMotion Polo BlueMotion 3L Lupo mass [kg] VW Triebstränge sind hoch effizient source: Kraftfahrtbundesamt 2007, 2008 Seite 6

7 Volkswagen Kraftstoff- und Antriebsstrategie Seite 7

8 VW Elektro- und Hybridfahrzeuge Chico Hybrid Audi Duo Bora SUVA Hybrid EVs HEVs Typ2 Electric Typ2 City Taxi Golf I Electric Golf I Hybrid Golf I CitySTROMer T2 Electric Golf II Hybrid Jetta CitySTROMer Golf III Hybrid Electro Van Golf III CitySTROMer Golf Electric Golf ECO.Power Bora Electric Touran TSI Hybrid Space up! blue Seite 8

9 VW Elektro- und Hybridfahrzeuge in Kundenhand Golf Hybrid Golf CitySTROMer Audi duo Kategorie: Plug-in Hybrid Elektro-Fahrzeug Plug-in Hybrid Jahr: Fahrzeug: VW Golf A2 VW Golf A3 Audi A4 Avant VKM: CAT-Diesel 44 kw TDI-Diesel 66 kw E-Motor: ASM 7 / 9 kw PSM 18 / 25 kw PSM 21 / 29 kw Batterie: PbA, NiCd, NaS Pb-Gel Pb-Vlies 72 V 70, 55, 110 Ah 96V 180 Ah 264 V 36 Ah Aktivität: 2-Jahre Flottentest in 4-Jahre Leasing 4-Jahre Leasing Zürich, Schweiz an VW Kunden an Audi Kunden Seite 9

10 Zero Emission Vehicle (ZEV) Requirement Map MY 2010 and later Seite 10

11 Alternative Antriebe Typen und Charakteristika Typ konv. Fzg. Micro Hybrid Mild Hybrid Full Hybrid Plug-In Hybrid Elektro- Fzg. Funktion Starten Start-Stopp (Rekuperation) Treiber und Fokus Start-Stopp Rekuperation (Boost) Senkung CO 2 -Emissionen (Verbrauch) Start-Stopp Rekuperation Boost (E-Drive, 2 km) Start-Stopp Rekuperation Boost E-Drive, 20 km E-Drive > 100 km Energie- Diversifizierung Europa und USA CO 2 - Gesetzgebung USA (CA), ZEV-Gesetzgebung Seite 11

12 Anforderungen und Technologien Energiespeicher Typ Funktion konv. Fzg. Starten Energiespeicher Mild Hybrid el. Leistung ~ 2 kw ~ 6 kw ~ 15 kw (typisch) Full Hybrid Elektro- Fzg. ~ 30 kw ~75 kw Spannung 12 V < 60 V > 60 V >> 60 V (typisch) Start-Stopp (Rekuperation) Start-Stopp Rekuperation (Boost) Start-Stopp Rekuperation Boost (E-Drive, 2 km) E-Drive > 100 km Lebensdauer 5 Jahre 8-10 Jahre >10 Jahre (gefordert) Technologie Blei-Säure SuperCaps Micro Hybrid Nickel-Metallhydrid Lithium-Ion Plug-In Hybrid Start-Stopp Rekuperation Boost E-Drive, 20 km Seite 12

13 Anforderungen und Technologien E-Maschine Typ konv. Fzg. Micro Hybrid Funktion Starten Start-Stopp (Rekuperation) Mild Hybrid Start-Stopp Rekuperation (Boost) E-Maschinen el. Leistung ~ 2 kw ~ 6 kw ~ 15 Full Hybrid Start-Stopp Rekuperation Boost (E-Drive, 2 km) Plug-In Hybrid Start-Stopp Rekuperation Boost E-Drive, 20 km Elektro- Fzg. E-Drive > 100 km kw ~ 30 kw ~75 kw Spannung 12 V < 60 V >60 V >> 60 V Technologie DC-Starter Klauenpol PSM Scheibenbauformen PSM Kompaktformen ASM, PSM Seite 13

14 Hybridfahrzeug - Definition Ein Hybridfahrzeug ist ein Fahrzeug, in dem mindestens zwei Energiewandler und zwei Energiespeicher vorhanden sind und zum Antrieb des Fahrzeugs beitragen. Beispiel Energiewandler: Verbrennungsmotor Elektromotor Beispiel Energiespeicher: Benzin, Diesel Traktionsbatterie Seite 14

15 Hybridkonzepte CO2 Reduzierungspotential Seite 15

16 Hybridantrieb - Konfigurationen Hybridantrieb Drehzahl -addition Paralleler Hybrid Momentenaddition Einwellen Zweiwellen Zugkraft -addition Serieller Hybrid Split Hybrid Leistungs -verzweigt Kombiniert n+ M+ n+ M+ Seite 16

17 Komponenten eines Hybridfahrzeugs Verbrennungsmotor Kupplung Elektro Motor Getriebe Elektro Kompressor für Klimaanlage (Hoch Volt) EM PWR DC/DC PWR HV-Batterie Komponenten 12V Bordnetz Bordnetz System & 12V-Batterie Leistungs- Elektronik Hoch Volt Bus System Hoch Volt Batteriesystem Seite 17 PWR = Pulswechselrichter

18 Komponenten eines Hybridfahrzeugs El. Klimakompressor El. Wasserpumpe HV-Kabel HV-Batteriesystem Zellen Batteriemanager Leistungselektronik Controller DCDC-Wandler Controller Hybridsteuerung Bordnetzsteuerung Bremssystem Unterdruckpumpe Hybridmodul Trennkupplung E-Maschine Seite 18

19 Zusammenfassung Seite 19

20 Funktion und Wechselwirkung eines Hybridfahrzeugs Hybridfunktionen haben weitreichende Wechselwirkungen mit anderen Funktionen und Komponenten im Fahrzeug. Die hybridspezifischen Antriebskomponenten sind immer betroffen. Hybridfunktionen Start-Stopp Boosten Rekuperieren elektrisch Fahren Wechselwirkungen Antriebsmanagement Schaltstrategie Fahrdynamikregelung Energiemanagement Bedienkonzept Komfortfunktionen Sicherheitsfunktionen Seite 20

21 Energiemanagement eines Hybridfahrzeugs Klima bis 5 kw Komfort 100% Leistung Batterie 100% Leistung (20 C - 30 C) < 50% Leistung (-10 C, +45 C) Bordnetz bis 3 kw Antrieb 100% Leistung (EM) Funktion Fahrspass Verbrauch Sicherheit Funktion Komfort Seite 21

22 Batterietechnologie Vergleich der spezifischen Energie 200 spezifische Energie [ Wh/kg] PbA NiMH Li-Ion DLC Schokolade Benzin LH2 Seite 22

23 Batterietechnologie Vergleich der spezifischen Energie Wh/kg spezifische Energie [ Wh/kg] PbA NiMH Li-Ion DLC Schokolade Benzin LH2 Seite 23

24 Komponentenumfeld Anforderungen aus Zulassungszyklen Region USA (für Berechnung des Verbrauchs auf Window- Sticker bis MJ 2007) USA (zusätzlich für Berechnung des Verbrauchs auf Window- Sticker ab MJ 2008) Europa Japan Zyklus FTP (Tu=25 C) HWFET FTP kalt (Tu= -6.7 C) US06 SC03 ECE EUDC NEDC 10 Mode 15 Mode Mode Kommentar Innerstädtisches Fahren (Tu=25 C, 75 F, Kaltstart) Autobahnfahrt (Tu= 25 C, Warmstart) Innerstädtisches Fahren mit Heizung (Tu= C, Kaltstart) Schnelles und aggressives Fahren (Tu= 25 C, Warmstart) Fahren mit Klimaanlage (Tu= 35 C, 95 F, Warmstart) Stadtzyklus Hochgeschwindigkeitszyklus Kombination aus 4 x ECE und 1 x EUDC, Beginne im Kaltstart Stadtzyklus Überlandzyklus Kombination aus 10 Mode und 15 Mode, Beginn im Kaltstart, Abfolge: Mode mit der Betriebsstrategie werden die Belastungsprofile der Komponenten abgeleitet Quelle: EPA, Fuel Economy Labeling of Motor Vehicle Revisions to Improve Calculation of Fuel Economy Estimates, 2006 Seite 24

25 Kriterien Technologiebewertung Verfügbarkeit und elektrische Reichweite Energie Zellebene Tests durch Entwickler und Hersteller Kosten Ökonomie Markt Lebensdauer Zyklen, Standzeit Sicherheit Leistung Performance Dynamik Fehler, Unfall Missbrauch, Wartung Modulebene Tests durch Entwickler und Hersteller unter Führung eines OEM Batterieebene Tests durch einen OEM 3-stufige Bewertung für alle diese Kriterien Internationale Standards: USABC, EUCAR, VDA Seite 25

26 Batterietechnologien Seite 26

27 Aufbau einer Batteriezelle Pluspol Minuspol, Zellbecher Rundzelle Überdruckventil Deckel Dichtung Anode Separator Kathode Prismatische Zelle Folienzelle Minuspol Überdruckventil Pluspol Dichtung Anode Zellgefäß Separator Separator Anode Kathode Laminierte Folie Kathode Pluspol Minuspol Leistungsvolumen Zelle / System Dichtheit / Sicherheit Isolierscheibe ++ / o + + / / + - Fertigung ++ + o Seite 27

28 Performancetests von Hochvoltbatterien Energie und Kapazitätstests, bei konstanten Entladeströmen (1C, 10C, 20C) Leistungs- und Innenwiderstandstests, verschiedene Strom- und Spannungs-Profile Energieeffizienztests, bei verschiedenen SOCs (35%, 50%, 65%) Kaltstartprüfung bei -25 C / -30 C und verschiedenen SOC Selbstentladungstests, Messung nach 1h, 6h, 24h, 168h, 336h Seite 28 Leistung Li-Ion Ni-MH Ladeleistung Entladeleistung 0% 100% SOC Widerstand -30 C 0 C 20 C 40 C 0% 100% SOC

29 Zellauslegung: Energie vs. Leistung Hochenergiezellen Marathonläufer Hohe spezifische Energie Geringe spezifische Leistung Dicke, dichte Elektroden Hochleistungszellen 100-Meter Sprinter Hohe spezifische Leistung Geringe spezifische Energie Dünne, poröse Elektroden Elektrofahrzeug Plug-In Hybrid Hybrid Zelldaten (typisch): Zelldaten (typisch): Kapazität: Masse/Volumen: spez. Energie: spez. Leistung: 50 Ah 1.2 kg / 750 cm³ 150 Wh/kg 700 W/kg Kapazität: Masse/Volumen: spez. Energie: spez. Leistung: 5 Ah 0.25 kg, 125 cm³ 80 Wh/kg > 2000 W/kg Seite 29

30 Ragone-Diagramm Li-Ion Zellen für Automotive Hochleistung Leistung/Energie 25 Li-Ionen-Batterien 2. Generation (~ 2015) Theoretisches Limit für die spezifische Energie der heutigen Li-Ionen Technologie, Zeithorizont 2020, Quelle: METI Li-Ionen-Batterien 1. Generation (~2010) High-Power (HP) Zellen für Hybrid typisch 3-6 Ah spez. Leistung (Zelle) [ W/kg ] Hochenergie Leistung/Energie < 6 Herstellerangaben Plug-In (PI) Zellen für Plug-In typisch Ah High-Energy (HE) Zellen für Elektrofahrzeug typisch > 40 Ah spezifische Energie (Zelle) [ Wh/kg ] Höhere spezifische Leistung/Energie führt zu kleineren Bauformen Seite 30

31 Lebensdauertests von Hochvoltbatterien Beschleunigter Lebensdauertest, Umgebungstemperatur 60 C 25 Energie-Testzyklus, SOC neutral Entladen Lebensdauertest, wiederholtes Abfahren eines Strom-Zeit- Verlaufs C-Stufen 0 SOC = 20% Laden Zeit in s Seite 31

32 Sicherheitstests von Hochvoltbatterien Minimale Sicherheitstests auf Modullevel: Kurzschlusstest Überladungstest mit schnellem Laden Deformationstest Thermischer / Feuer Test Hazard Level Kein Effekt Passive Sicherung Defekt, Schaden Leck Abblasen Feuer / Flamme Bruch Explosion Klassifikation, Effekt kein Effekt, keine Funktionsbeeinträchtigung Zelle reversibel beschädigt, Reparatur nötig Zelle irreversibel beschädigt, Reparatur nötig langsamer Austritt von Elektrolyt, Gewichtsverlust des Elektrolyts >50% z.t. sprühender Austritt von Elektrolyt, Gewichtsverlust des Elektrolyts >50% Brand Fliegende Teile, Abbrechen fester Teile Explosion der Zelle Seite 32

33 Aufbauprinzip Hochvoltbatterien Prinzip Leistungsverschaltung Leistungs- Anschluss Bordnetz- Anschluss Beispiel Service Plug Battery Management System (BMS) Batterie Management System Lüftungssystem Luft ein Luft aus Batterie Modul Batterie Modul Zellen, Kühlkanäle, Sensorik Batteriegehäuse Lüftungssystem Leistungsverschaltung Seite 33

34 Kostenprognose Lithium-Ionen versus Nickel-Metalhydrid System: Zellkosten ca. 80 % BMS Zellen Mechanik & Kühlung Elektrik Zelle: Materialkosten ca. 75% Elektroden Fertigung Separator Elektrolyt Zellgefäß und sonst. Quelle: SAFT 2004, diverse weitere Seite 34

35 Zulassungsvorschriften Hybrid Hoch-Volt Sicherheit Europa ECE R100 Uniform provisions concerning the approval of battery electric vehicles with regard to specific requirements for the construction and functional safety (Feb 2002) Anmerkung: Aktuell in Überarbeitung mit Ziel Anwendung auf alle Fahrzeuge unabhängig von Antriebsart, sobald Spannungen gemäss Klasse B im Fahrzeug vorhanden sind. USA FMVSS 305 Electric powered vehicles: Electrolyte spillage and electrical shock protection (Aug 2004) Anmerkung: Aktuell in Überarbeitung Japan Attachment 110 Technical standard concerning the protection of occupants from high voltage etc. of electrical vehicles and electrical hybrid vehicles (Jun 2007) Seite 35

36 VW Strategie Vom Verbrennungsmotor zur Elektrifizierung Seite 36

37 Zusammenfassung Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs ist Teil der VW- Antriebsstrategie Neue Komponenten und Technologien kommen in der Automobilindustrie zum Einsatz Die Technologiebewertung und die Konzeptentwicklung sind etablierte Prozesse Im Fahrzeugumfeld stellen sich vielfältige Anforderungen an die Elektrokomponenten Die Aufgabe ist die Darstellung der Performance und Lebensdauer im automotiven Umfeld Sicherheit ist ein Muß Kosten sind die Herausforderung Seite 37

38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Seite 38