Hybridtechnologie für Verbrennungsmotoren- und zukünftige Brennstoffzellenantriebe

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1 Hybridtechnologie für Verbrennungsmotoren- und zukünftige Brennstoffzellenantriebe Mobilitätssymposium Auto und Energie 1.September 2006 Gerald Killmann, TOYOTA MOTOR EUROPE

2 2 Herausforderung Umwelt Luftqualität Klimawandel Steigende Emissionen (NOx, CO, HC) Anstieg des CO 2 Emissions-Standard Expansion in Entwicklungsländer Lebensstandard Energiebedarf und -reserven Erforderliche Energiequellen Öl, Kernenergie, Erdgas, Kohle, erneuerbare Energie Quelle: Toyota Motor Corporation

3 Markterfordernisse für ein umweltfreundliches Auto Wie für jedes andere Auto Komfort Beständigkeit Fahrleistung Sicherheit Attraktiver Preis + Umweltfreundlichkeit Niedriger Kraftstoffverbrauch Niedrige Emissionswerte 3

4 4 Was ist unter einem Hybridsystem zu verstehen? Rückgewinnung von Bremsenergie und deren Wiederverwendung für die Fahrt Fahrt mit Elektromotor Rückgewinnung von Bremsenergie Elektromotor unterstützung Rückgewinnung von Bremsenergie Elektromotor unterstützung Rückgewinnung von Bremsenergie Stop & Start Stop & Start Stop & Start Stop & Start «Milder Hybrid» «Starker Hybrid»

5 CO 2 Reduktion: Ansatzpunkte Fahren Bremsen Kraftstoffenergie Antrieb Wärmeverluste Wärmeverluste - Kühlmittel - Heisse Abgase - Mechanische Reibung - Luftwiderstand - Rollwiderstand - Bremsen 5

6 CO2 Reduzierung: Hybridtechnology Fahren Bremsen Batterie Batterie Antrieb Wärmeverluste Kraftstoffenergie Wärmeverluste Energie Regenerierung - Kühlmittel - Heisse Abgase - Mechanische Reibung - Luftwiderstand - Rollwiderstand - Bremsen 6

7 Klassifizierung von Hybridsystemen «milder Hybrid» «starker Hybrid / Voll-Hybrid» Typ parallel Typ seriell Batterie Batterie Batterie Wechselrichter Elektromotor Thermomotor Thermomotor Wechselrichter Wechselrichter Thermomotor Elektromotor Elektromotor/ Generator Getriebe Generator Schaltkreis Mechanik Schaltkreis Strom

8 8 Das Hybridsystem von TOYOTA Verbrennungsmotor Leistungsverteiler (Planetenrad) Generator Batterie Wechselrichter Elektromotor Stillstand des Verbrennungsmotors im EV-modus oder bei Anhalten des Fahrzeugs Leistungssteigerung Optimale Nutzung des Verbrennungsmotor Energierückgewinnung beim Bremsen Ohne Kupplung, ohne Drehmomentwandler => minimaler Verlust an mechanischer Energie

9 9 Toyota Hybrid System: Losfahren und Stadtverkehr Generator Leistungsverteiler Batterie Wechselrichter Motor E-Motor Mechanisch Elektrisch

10 10 Toyota Hybrid System: Stadtverkehr bis Hochgeschwindigkeit Leistungsverteiler Generator Batterie Wechselrichter Motor E-Motor Mechanisch Elektrisch

11 11 Toyota Hybrid System: Bremsen = Batterieladen Generator Leistungsverteiler Batterie Wechselrichter Motor E-Motor Mechanisch Elektrisch

12 Umweltfreundlichkeit Tiefer Kraftstoffverbrauch = Hohe Energieeffizienz - Reduktion der CO2-Emission - Energienachhaltigkeit Äusserst effizienter Motor Optimierte Fahrzeug- / Systemleistung Regeneratives Bremsen

13 Verbrennungsmotoroptimierung für minimalen Kraftstoffverbrauch Beispiel Prius 1,5L Motor 57kW Min. BSFC 225g/kWh Drehmoment [Nm] THS Betriebsbereich (Beispiel 97Prius) Temperatur ( o C) Motordrehzahl (U/min)

14 14 RX400h-Motor V6: 3.3l-Benzinmotor 155kW / 288Nm kein Anlasser, kein Generator kein Keilriemen

15 Hoher Wirkungsgrad => niedriges CO2 Thermischer Wirkungsgrad Hybrid B A Durchschnitt Durchschnitt Konventionelles Fahrzeug A; Optimierter Motorenbetriebspunkt durch Leistungsverteiler (CVT Funktion) B; Verbesserter Motor-Wirkungsgrad Motorleistung

16 16 Vorderantrieb beim RX400h Benzinmotor Generator Planetenrad zur Leistungsverteilung Vorderer Elektromotor Sun ( 23 ) Ring ( 57 ) Pinion ( 1 8 ) Ca rrie r Planetengetriebe zur Umsetzung der Motordrehzahl Drehmomentverhältnis 1:2,478

17 17 Leistung: Spannungsänderung im elektrischen System Prius: Batteriespannung 201,6V Motorspannung und Genaratorspannung ~ 500V

18 Hochspannungssystem [ THS II ] 2. Prius 500VDC 202VDC Motor Generator Verstärker Batterie [ THS II ] RX400h 650VDC 288VDC Motor Generator Verstärker Batterie 18

19 Leistung durch variable Spannung Leistung = Spannung x Stromstärke Verluste proportional Quadrat der Stromstärke => Gleiche Leistung durch doppelte Spannung => ¼ Verluste 600 System voltage command 500 Voltage[V DC] System voltage Motor rpm 100 Motor rpm 0 Volllastbeschleunigung time (sec) 19

20 Hybrid-Getriebe Elektromotoren: Entwicklungstrend Leistung durch hohe Drehzahl und niedriges Drehmoment MOTOR Typ Max. Leistung Max. Drehmoment Max. Drehzahl Übersetzungsgetriebe Max. Drehmoment Motor Gewicht (einschliesslich ATF) RX 400h Synchron- AC-Motor 123kW 333Nm U/min. 2, Nm 125kg Prius Synchron- AC-Motor 50kW 400Nm U/min Nm 109kg Drehmomentverstärkung durch Übersetzungsgetriebe: 333x2,478 = 825Nm 20

21 Elektromotorenwirkungsgrad Permanent-Magnet- Aufbau des Rotors Verlustarme Konstruktion - Statormaterial (neuer dünner Silikonstahl) - Optimierung vom Magnetfeld Eisenverlust Kupferverlust Eisenverlust Kupferverlust Geschwindigkeit (U/min) Rippe Frequenzdiagramm im Autobahn-Betriebsmodus 21

22 Regeneratives Bremssystem THS ECU Regenerative Bremse Generator Wechselrichter Batterie Benzinmotor Hydraulische Leistungs- einstellung Elekto- motor Hydraulikbremse Leistungs- verteiler Haupt- Brems- zylinder ECU Bremse Heck Front

23 CO 2 versus Leistung CO2- Emission (g/km) '00 Prius '03 Prius Benzin Diesel 50 Hybrid Quelle: KBA Leistung (kw) 23

24 24 Verbesserung beim Kraftstoffverbrauch Index für den Kraftstoffverbrauch [%] Auch beim Hybridfahrzeug spielt die Motorentechnologie eine zentrale Rolle Benzin Automat (AT) Stadt Optimierter Motor Motorbetrieb Start / Stopp Regeneration Autobahn Hybrid (THS) THS :Toyota Hybrid-System

25 25 Elektrisch angetriebener Klima-Kompressor Einsparung von mehr als 10% des Zusatzkraftstoffverbrauches für die Klimaanlage ä Testmodus: Stadt- Modus Generatoreffizienz 0,85 Fahrzeug: Prius Kompressor mit AC/DC-Wandler ü ä ä

26 Umweltverträgliche Fahrzeuge Hohe Energieeffizienz Geringe Abgase - CO,NOx,HC,PM: lokale Luftqualität - NOx, HC: Bodenozon - NOx: Saurer Regen Fahren mit Elektomotor (Null-Emission) Traktionsunterstützung tzung durch Elektomotor Start / Stop des Verbrennungsmotors durch E-MotorE

27 27 Komfort: Modus Elektrofahrzeug Fahren mit Null-Emission: Elektromotorbetrieb in der Stadt Batterie Verbrennungsmotor Elektromotor

28 28 Schnelle Katalysatoraufwärmung durch Verwendung des Motorantriebs Verzögerungssteuerung Schnelle Katalysatoraufwärmung =1 sehr schnell nach Kaltstart des Motors Antrieb Elektormotor Anspringen des Katalysators LA4 Zeit [Sekunden]

29 29 NOx-Minderung Trieb- werk NOx Vermeidung von NOx-Emissionen beim Neustart des Triebwerks durch Triebwerkssteuerung 0 an aus NOx-Minderung an Zeit [Sekunden] LA4-Modus Triebwerksgeschwindigkeit [U/min] Zündung Nachlaufzeit des Triebwerks Verzögerte Kraftstoffzufuhr aus Verkürzung rzung der Nach- laufzeit durch Einsatz der Elektromotor Zeit [Sekunden]

30 30 Emissionsergebnis Äusserst tiefe Emissionswerte NOx(g/km) 0,3 0,2 0,1 Diesel EU4- Norm Benzin EU4- Norm Prius RX400h GS450h 0 1,0 0,5 0 0,1 0,2 0,3 0,4 CO(g/km) HC(g/km) Interne Daten

31 Umweltverträgliche Fahrzeuge Hohe Energieleistung geringe Abgase und attraktiv für den Kunden Beschleunigung Zuverlässigkeit, Langlebigkeit hoher Komfort

32 32 Motorleistung und Kraftstoffverbrauch Kraftstoffverbrauch (NEDC-Zyklus [L/100km]) Besser V8 Benzin V6 Benzin Diesel 8, RX 400h Beschleunigung (0-100 km/h) [Sekunden]

33 33 NiMH-Batterie Stetige Weiterentwicklung der Batterietechnologie 04 Prius 05 RX400h Zellenanzahl 6 8 Spannung Kapazität Gehäuse use- material Gewicht Abmessungen 7,2 V 6,5 Ah Kunststoff 1040 g 275mm(L) 19,6mm(B) 106mm(H) 9,6 V 6,5 Ah Metall 1510 g 382mm(L) 18,4mm(B) 86mm(H) spezifische Leistungs [W/kg) leicht 04 Prius 05 RX400h 00 Prius +30% 97 Prius Compact spezifische Leistung(W/L)

34 Batterie-Ladesteuerung Schlüssel für höchste Batterie-Lebensdauer Lade- zu- stand Ladung zu hoch Obergrenze Angestrebter Ladezustand Untergrenze Ladung zu tief aktueller Ladezustand Zeit Innenwiderstand [m /Modul] 1. Prius 2. Prius Entfernung [x 1000km]

35 Komfort: Start/Stop des Motors durch Generator (m / s 2 ) 10 Motordrehzahl Beschleunigung 0-10 (U/min) Einlass- schliessen 120 o ABDC Einlass- schliessen 90 o ABDC -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Zeit [Sekunden] (m / s 2 ) Beschleunigung Geringe Vibration durch niedrige Kompression bei Motorstart Diesel: Hybrid-LKW Dyna in Japan

36 36 Innovation durch Hybrid Lexus GS450h Brennstoffzellen- hybrid Versuchs- fahrzeuge Hybrid auf dem japanischen Markt 2003 Lexus RX400h Premium- SUV-Hybrid Beginn der Forschung Toyota Prius Toyota Sports serienmässige Gasturbinen- Hybrid-Prototyp 1997 Produktion von Hybridfahrzeugen 2000 Toyota Prius Markteinführung in Europa Toyota Prius-II 2005 Auto des Jahres

37 Entwicklung der Hybridtechnologie Heutige Hybridfahrzeuge und zukünftige Fahrzeuge mit Brennstoffzellen nutzen ähnliche Technologien Erleichterung beim Technologietransfer Hybridfahrzeug Fahrzeug mit Brennstoffzellen Heutige Hybridtechnologie Brennstoffzellen-Technologie Gemeinsame Technologien Elektromotor, Wechselrichter, Batterie, Steuerungssysteme, Regeneratives Bremsen, 37

38 38 Toyotas Weg hin zum ultimativen Öko- Fahrzeug Ultimatives Öko-Fahrzeug CO2 BTL Diesel HV THS FCHV Hybrid-Technologie Energiesicherheit Emissionen CNG GTL DPNR Diesel DI D-4 VVT EV Alternative Energie Benzin- motor Diesel- motor Elektro- Fahrzeug

39 EuroNcap Mehr als Toyota/Lexus Hybridfahrzeuge verkauft 39

40 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 40

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