Markt- und Technologiestudie Leistungselektronik Automotive 2015

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1 Markt- und Technologiestudie Leistungselektronik Automotive 2015 Ergebnisse September 2005

2 Agenda A Studieninhalt Marktübersicht Leistungselektronik Trends in der Automobilelektronik Motor- & Nebenaggregate Alternative Antriebe Energiemanagement Bordnetze Fahrdynamik Komfort Getriebe Anhang 1

3 Studieninhalt 1 Die Studie befasst sich mit dem zukünftigen Einsatz von Leistungselektronik in der Automobiltechnik Komfort Sitzsysteme Fahrzeugklimatisierung Bordnetze Bussysteme Architektur Alternative Antriebe Hybridantrieb Brennstoffzellenantrieb Motor& Nebenaggregate Ansteuerung Pumpen Ansteuerung Lüfter Abgasturbolader Vollvariables Schaltsaugrohr Ventilsteuerung Fahrdynamik Aktivlenkung Fahrwerksregelung Fahrerassistenzsysteme Energiemanagement Energiespeichertechnologie Batteriemanagement Generatormanagement Last- und Ruhestrommanagement Getriebe Autom. Schaltgetriebe Doppelkupplungsgetriebe 2

5 Marktübersicht Leistungselektronik 2 Bis 2015 wird die Leistungselektronik eine bedeutende Rolle in sämtlichen Industriesektoren spielen Entwicklung des Absatzmarktes für Leistungselektronik KOMPONENTENEBENE 2006 wird das Gesamtmarktvolumen für Kernkomponenten der Leistungselektronik auf 17 Mrd. $ ansteigen SYSTEMEBENE Leistungselektronische Subsysteme, werden 2006 ein Marktvolumen von 183 Mrd. $ erreichen PRODUKTEBENE Produkte, die leistungselektronischen Subsysteme enthalten, werden 2006 einen Umsatz von 3 Billionen $ erzielen Quelle: tms Institut für technik & markt strategien 4

6 Marktübersicht Leistungselektronik 2 Mit einer jährlichen Wachstumsrate von 15,5 % ist der Automotive-Sektor der am stärksten wachsende Markt Wachstumsrate Leistungselektronik im Automobilsektor Computer & Office 26% Kommunikation 17% Konsumelektronik 18% Automotive 13% 10.2 Industrie & Energie 26% 12.2 Absatzmärkte von Kernkomponenten der Leistungselektronik jährliche Wachstumsraten 10.3 Mit 13 % ist der Anteil am Gesamtmarkt für Leistungselektronik eher noch gering, aber mit einer Wachstumsrate von 15,5 % p.a. ist der Automotive- Sektor einer der zukunftsträchtigsten Märkte Der Markt wird nicht durch die Zunahme an produzierten Kraftfahrzeugen getrieben, sondern dadurch, dass immer mehr mechanische Systeme durch mechatronische Systeme ersetzt bzw. die bestehenden Systeme erweitert werden Daher wächst der Wertanteil der Elektroniksysteme je Fahrzeug von heute 25 % (2.700 $) bis 2010 auf 35 % (4.300 $) an Automotive Industrie & Energie Konsumelektronik Kommunikation Computer & Office Quelle: tms Institut für technik & markt strategien 5

7 Marktübersicht Leistungselektronik 2 Komplexe Anforderungen der Automobilindustrie beinflussen die weitere Entwicklung von leistungselektronischen Systemen Aufgabe der Leistungselektronik im Automobil Umwandlung und Steuerung elektrischer Leistung für eine Vielzahl von automobile Anwendungen Anforderungen an ein zukünftiges System ergeben sich als Schnittmenge aus den Bereichen Elektronik / Software / Mechanik / Wärme niedrige Kosten hohe Systemzuverlässigkeit Betrieb unter extremen Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit, Vibration, EMV) höhere Leistungsdichte der Systeme zunehmende Miniaturisierung Integration zusätzlicher Funktionen Intelligente Kühlungs- bzw. Wärmeabfluss- Konzepte Packaging-Problematik Einsatz innovativer Fertigungstechnologien Verwendung neuer Materialien (Kohlenstoff-Nanoröhrchen, SiC) 6

8 Marktübersicht Leistungselektronik Einsatz im Kraftfahrzeug 2 Ein Hauptgrund für das vermehrte Aufkommen an Leistungselektronik ist die steigende Anzahl an Verbrauchern im Kraftfahrzeug Steigende Anzahl der elektrischen Verbraucher im Kfz Türmodule Klimaanlage Motorsteuerung Infotainment Beleuchtung Kombinierte Lenksysteme Das heutige Weltmarktvolumen von ca Mrd. $ für Elektronikkomponenten im Automotive-Bereich wird 2010 auf 3.83 Mrd. $ ansteigen Ein wesentlicher Grund für den rasanten Anstieg ist die Zunahme an Verbrauchern für Komfort, Sicherheit und Kommunikation im Fahrzeug Ein weiteres wichtiges Wachstumssegment Stellt der Markt der alternativen Antriebe Getriebe ABS/ESP Dämpfungssysteme Sensorik Airbag Türmodule dar. Markttreiber sind hier vor allem die gesetzlichen Bestimmungen für die Reduzierung der CO2- Emmisionswerte Quelle: tms Institut für technik & markt strategien 7

10 Trends in der Automobilindustrie Mega-Trends 3 Fünf Mega-Trends der Automobil-Elektronik werden die Automobil-Industrie drastisch beeinflussen 1 Entwicklung neuer Fahrzeugkonzepte mit regionalem Fokus Zukünftige Fahrzeugkonzepte werden verstärkt nach regionalen Markttrends und Kundenanforderungen erarbeitet (Localization-Konzepte) Sonderausstattungen werden zu Serienausstattung und führen zur Reduzierung der derzeitigen Vielfalt an Modellvarianten Hybrid-Konzepte forcieren die Zunahme des Leistungselektronik-Anteils im Antriebsstrang Mechatronisierung von Fahrzeugkomponenten Elektrifizierung der riemengetriebenen Nebenaggegate Zukünftige innovative Bordnetz- Architekturen und intelligente Energiemanagement-Konzepte Zunehmende Etablierung temporärer Netzwerkorganisationen während der Produktentwicklung Einsatz innovativer Technologien und Fertigungsprozesse (Hybridtechnologie), sowie der zunehmende Einsatz von software-basierten Funktionen führt verstärkt zur Mechatronisierung von Systemkomponenten Angleichen der Produkt-Lebenszyklen der Automobilbranche mit dem Zyklus der Elektronik- Industrie stellt eine Herausforderung für die nächsten 5 Jahre dar Ersatz der riemengetriebenen Nebenaggregate (Pumpen, Lüfter, etc.) durch EC-Motorenbasierte Komponenten für zu Kraftstoffeinsparungspotentialen Zunehmender Anteil an Leistungselektronik-Komponenten durch vollständige Elektrifizierung des Antriebsstrangs Komplexe Zweikreis-Netze werden zukünftig über intelligentes sofware-basiertes Power Management gesteuert Zukünftiger Einsatz von ca. 5-7 zentralen Body Control Units führt zur Reduzierung der Anzahl der Steuergeräte trotz weiterer Zunahme von Funktionen Zunehmende Dezentralisierung von Intelligenz: Einsatz von intelligenten Sensoren und intelligenten Aktuatoren inkl. Signalvorberarbeitung vor Ort Aufbau & Steuerung temporärer Wertschöpfungsnetze Zusätzliche Schlüsselkompetenzen bei Tier-1 aus den Bereichen Mechatronik, Software, Systemintegration, Partner-Management & Logistik erforderlich 9

11 Agenda 3 Trends in der Automobilelektronik Trends Antriebstechnik Wertschöpfungsstrukturen Entwicklungsprozesse in der Mechatronik Innovationsroadmap Leistungselektronik 10

12 Trends in der Automobilindustrie Trends Antriebstechnik 3.1 Die konventionellen Antriebe werden bis 2030 eine klar dominierende Rolle bei zukünftigen Power-Train-Konzepten einnehmen Entwicklung der Antriebsarten Future Share of Engines (Passenger Cars) Market Share (%) Internal Combustion Engine starter/battery IDI Diesel Hybrid Fuel Cell Quelle: Siemens VDO +supercharging Convetional (MPI) +Starter/generator DIand VVA Gasoline Gasoline and/or VCR and combinations w/o CAI Gasoline/ Diesel Engine with starter/ generator with CAI with HCCI +supercharging +Starter/generator DI-Diesel and VVA/ multiple injection w/o HCCI Fuels Oil based fuels Improved fuels Clean fuels Designed fuels Gas based fuels CNG GTL fuels Bio-fuels Hydrogen Year 2020 Aus der Sichtweise von europäischen Automobilherstellern wird der Markt bis 2030 mit 83% von den konventionellen Antriebstechniken Benzin und Diesel beherrscht werden. Das verbleibende Marktsegment von 17% wird zwischen den alternativen Antrieben aufgeteilt. Der Hybridantrieb wird mit 15% die Marktführerschaft übernehmen. Die verbleibenden 2% werden von Fahrzeugen mit Brennstoffzellentechnik abgedeckt werden. 11

13 Trends in der Automobilindustrie Trends Antriebstechnik 3.1 Vor allem die umweltpolitischen Rahmenbedingungen treiben derzeit die Entwicklung von alternativen Antrieben in Europa, USA und Japan voran Politische Rahmenbedingungen politische Markttreiber in Europa: Reduktion des CO2-Ausstoßes (ab 2006 Flottenverbrauchsreduzierung auf 140 g CO2/km) politische Markttreiber in USA Verbesserung der Luftqualität Reduzierung von Ölimporten staatliche Förderung von alternativen Antrieben in den USA -> z.b. Steuererleichterung für den Endkunden politische Markttreiber in Japan: Reduktion des CO2-Ausstoßes (ab 2009 Verbrauchsreduzierung auf 140g CO2/km) erhöhtes Individualverkehrsaufkommen in China staatliche Förderung von alternativen Antrieben -> z.b. Steuererleichterung für den Endkunden *Quelle: Dietrich Naunin Hybrid-, Batterie- und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge 12

14 Trends in der Automobilindustrie Trends Antriebstechnik 3.1 Die gesetzlichen Regelungen weltweit führen zur drastischen Reduktion der Emissionswerte EU NEFZ US EPA FTP75 NOx PM NOx PM EU2 EU3 EU4 EU5 (Vorschlag) 1,45 (g/mi) 0,9 (g/km) 0,1 (g/km) 0,16 (g/km) Tier 1 NLEV Tier 2 Phase In Tier 2 1,0 (g/mi) 0,62 (g/km) 0,05 (g/km) 0,08 (g/km) 0,8 (g/mi) 0,5 (g/km) 0,05 (g/km) 0,08 (g/km) 0,6 (g/mi) 0,37 (g/km) 0,05 (g/km) 0,08 (g/km) 0,4 (g/mi) 0,25 (g/km) 0,025 (g/km) 0,04 (g/km) 0,128 (g/mi) 0,08 (g/km) 0,01 (g/km) 0,016 (g/km) 0,14 (g/mi) 0,087 (g/km) 0,012 (g/km) 0,02 (g/km) Tier 1/LEV LEV 1Phase Out LEV Strengere gesetzliche Regelungen führen weltweit zur Adaption der Powertrain-Portfolios von OEMS Kalifornien(USA) gilt weiterhin weltweit als Vorreiter der Abgasgesetzgebung US CARB FTP75 Japan 10.15mode NOx PM NOx PM 1,0 (g/mi) 0,62 (g/km) 0,05 (g/km) 0,08 (g/km) 0,88 (g/mi) 0,55 (g/km) 0,14 (g/km) 0,225 (g/km) 0,64 (g/mi) 0,4 (g/km) 0,08 (g/km) 0,13 (g/km) 0,2 (g/mi) 0,124 (g/km) 0,05 (g/km) 0,08 (g/km) 0,48 (g/mi) 0,3 (g/km) 0,056 (g/km) 0,09 (g/km) 0,05 (g/mi) 0,031 (g/km) 0,006 (g/km) 0,01 (g/km) 0,24 (g/mi) 0,15 (g/km) 0,028 (g/km) 0,045 (g/km) (Vorschlag) Hybrid-Fahrzeugkonzepte entwickeln sich derzeit zur festen Größe im Portfolio der Antriebskonzepte der OEMs 13

15 Trends in der Automobilindustrie Trends Antriebstechnik 3.1 Hybridkonzepte weisen Potentiale hinsichtlich Emissionswerte und Kraftstoffverbrauch auf und etablieren sich zukünftig neben konventionellen Antrieben im Antriebsportfolio der OEMs Reduktionspotential für Emissionwerte und Kraftstoffersparnis Reduktionspotential Electric driving Downsizing of the combustion engine Regenerative Braking Stop-start function (Based on NEDC) CO 2 Reduktion (%) % Micro Hybrid 5 kw 15% Mild Hybrid 15 kw Optimale Betriebspunkte für Hybrid-Systeme 5 0 Kosten/Nutzen-Optimum für Klein-/Mittleres Segment Mild Hybrid (15 kw) 23% Full Hybrid > 30 kw Performance-Optimum für SUV/Premium- Segment Full Hybrid (> 30 kw) Abhängig vom angewendeten Hybrid-konzept ergibt sich ein unterschiedliches Reduktionspotential der CO 2 - Menge Full-Hybrid-Systeme werden vor allem SUV- Segment an den Markt kommen Mild Hybrid-Systeme finden bei Kleinwagen bzw. mittleren Fahrzeugsegment Anwendung Quelle: Continental, ADL Research 14

16 Trends in der Automobilindustrie Trends Antriebstechnik 3.1 Der Hybridantrieb ist keine Übergangstechnologie zum Brennstoffzellenantrieb; bei den OEMs werden weltweit parallele Entwicklungspfade mit unterschiedlichen Schwerpunkten beschritten Parallele Entwicklungspfade Alternative Antriebskonzepte VM... 1 Konventioneller Antrieb mit Generator/Batterie 3 2 VM EM... Mild Hybrid 2004 VM EM... Full Hybrid 2008 H2 BZ... EM Brennstoffzellen- Hybrid-System 2015 Legende H2 BZ VM EM... H2 BZ Brennstoffzellen- Direkt-Antrieb Wasserstoff-Tank Brennstoffzelle V-Motor E-Motor BenzinTank Energiespeicher Getriebe 2020 Der Mild-Hybrid zeichnet sich durch einen zusätzlichen kleinen E-Motor Das Full-Hybrid-Konzept weist neben einem leistungsstärkeren E-Motor auch komplexe Energiespeicher-Konzepte auf Brennstoffzellen-Hybrid- System: Freiwerden der elektrischen Energie wird über Batterie-systeme gespeichert und dem E-Motor bei Bedarf zur Verfügung gestellt Im Brennstoffzellen- Direktantrieb reagieren Wasserstoff und Sauerstoff elektrochemisch zu Wasser - dabei wird Energie frei, welche dann direkt auf das Getriebe wirkt 15

18 Trends Wertschöpfungsdesign in der Automobilindustrie Wertschöpfungsstrukturen 3.2 Die Automotive-Industrie unterliegt weiterhin einem massivem Veränderungsprozess OEMs OEM-Zulieferer Zulieferer 80er Breite Ähnlichkeit der Geschäftsmodelle Vertikale Integration Diversifizierung der Produkt- Segmente Globalisierung Konfrontation Klar definierte Grenzen zwischen OEM und Supplier Traditionelle Arbeitstrennung Existenz ähmlicher Geschäftsmodelle Einkaufsvolumen = Power Klare Einschränkung der Möglichkeiten 90er Vertikale Disintegration Outsourcing von Non-Core-Aeras Business Konsolidierung / Mergeraktivitäten von OEMs Von Konfrontation zu Kooperation Fokus der Beziehung: Effizienz Beginn einer Neudefinition von Value Chains Zunahme von Engineering- Kompetenzen VonTeile-/Komponentenhersteller zu Modul- und Systemanbeiter Zunehmende IT-Fähigkeiten und Qualitätsaspekte gefordert Bildung neuer, auch temporärer, Wertschöpfungsnetzwerke Verstärkte Konzentration auf Zulieferer, zunehmende Differenzierung der Geschäftspartner Neu-Einsteiger von anderen Industrien (IT: Architekturen & Software) Neue Definition der Rollen von Projektbeteiligten Vertikale und horizontale Netzwerkstrukturen Neue Triebkräfte 17

19 Trends in der Automobilindustrie Wertschöpfungsstrukturen Mechatronik 3.2 Bei der Entwicklung innovativer mechatronischer Komponenten werden Netzwerkstrukturen noch stärker im Vordergrund stehen als bisher Zunehmender Trend zur Bildung von Entwicklungsnetzwerken im Bereich Mechatronik EMS Dienstleister OEM Zulieferer Software- Lieferant Mechanikspezialist Markenzentrierter OEM Entwicklungsnetzwerke sind keine dauerhaften Beziehungsgeflechte, sondern etablieren sich temporär für spezifische Entwicklungsprojekte Teilelieferant Integrator Mechatronik-Netzwerke Lieferant mechan. Komponenten HW-Elektronik- Unternehmen Supply Network Manager E-Entwicklungsdienstleister Entwicklungsdienstleister (CAD, DMU,Simulation) Mit dem Einzug von mechatronischen Komponenten im Fahrzeug ergeben sich neuartige Anforderungen der OEMs an die Zulieferunternehmen Der Mechatronik-Trend forciert Unternehmen zur Bündelung komplementärer Kompetenzen (Software/Elektronik/Mechanik/ Wärmeübertragung/Hydraulik). Unternehmensgrenzen werden bei der Herstellung von innovativen Mechatronik-Produkte neu definiert Zukünftige Mechatronik - Netzwerke bedienen sich einer Vielzahl von Unternehmen mit Spezial-Know-How 18

20 Trends in der Automobilindustrie Wertschöpfungsstrukturen Ein Großteil der mechanik-basierten Funktionen wird mittelfristig durch software-basierte Funktionen in mechatronischen Produkten ersetzt E-Kosten/Gesamtproduktionskosten Anzahl integrierter Fahrzeugfunktionen Anteil der Elektronik an den gesamten Produktionskosten (%) Quelle: ZVEI; Innovationsreport 11/2004 Leistungsfähigkeit in Anzahl integrierter Fahrzeugfunktionen Quelle: BMW Status heute Mechanik-basierte Funktionen Elektronik-basierte Funktionen Software-basierte Funktionen Jeweils kumulierter F&E-Aufwand Entwicklung Anzahl Steuergeräte Bemerkungen Number of ECU's 80 Merc.-B. 60 BMW Audi 40 VW 7er 5er S-Klasse C-Klasse 7er 20 8er S-Klasse C-Klasse Golf 4 MP E-Klasse 0 A4 Passat 5 A2 A Quelle: VW; ADL Recherche 3er A8 Phaeton year Der Anteil der Elektronik an den Gesamtproduktionskosten wird % betragen Entwicklungsschwerpunkte in den nächsten Jahren sind: - Einsatz von modul-basierten Software-Plattformen - Konsolidierung der Anzahl Steuergeräte trotz gleichbleibender bzw. leicht steigender Anzahl an Funktionen 19

22 Trends in der Automobilindustrie Entwicklungsprozesse in der Mechatronik 3.3 Die Definition von Standards für Software-Entwicklungsvorhaben und Hardware-Engineering sind derzeit in der Umsetzung oder bereits etabliert Herausforderung: Standardisierung eines mechatronischer Entwicklungsprozess CMMI Anwendungsbereich: Process Engineering Produktlinien-Ansatz Anwendungsbereich: Software-Entwicklung Initial Managed Defined Quantitatively Managed Optimizing Product Process Establish Context What to build Process Definition Establish Production capability Each Asset Product Parts Assembly Line Operate Product Line Product Builder Organization Cold start In Motions Monitor SPICE/ISO15504 & Automotive SPICE Anwendungsbereich: Prozessbasiertes Lieferanten-Assessment Informs V-Modell Anwendungsbereich: Systementwicklung Adoption Factory Pattern Spiralmodell Anwendungsbereich: Software-Entwicklung Inception Elaboration Construction Transition System Requirements System Test Software Process Improvement and Capability Determination Subsystem Specification Component Design Implementation/ (Production) Integration Test Module Test Idea Architecture Beta Releases Products Life Cycle Objective (LCO) Life Cycle Architecture (LCA) Initial Operational Capability (IOC) Eine Methodik bzw. die Standardisierung des Entwicklungsprozesses für Mechatronik-Produkte mit definierten Q-Gates steckt derzeit in der Automobilindustrie noch in den Kinderschuhen 21

24 Trends in der Automobilindustrie Innovationsroadmap Leistungselektronik 3.4 Vor allem Wettbewerbs- und Kostendruck zwingt die Automobilindustrie kontinuierlich zu technologischen Innovationen Drivetrain Chassis Safety Comfort Power + Wiring Information 12V Radio Quelle: ADL Research Ignition intervall Wiper Fuel Injection Trip computer ABS CAN elektr. Wasserpumpe Enginecontrol Otto FSI elektromagn.ventile Valve control elektr. Motorkühler Diesel pump Pumpe-Düse-ECU 32 bit Controller Slip control Hybrid Wasserstoff ESP Bremsassistent MOST,LIN TTP/Flexray Starter Generator APU Sound systems TV Infotainment Satellite radio DAB GSM Bluetooth UMTS GPS Navigation Internet heute D2B elektron. ZE ESP2 elektrohydr. Bremse brake-by-wire autonom Autom. Cruise Control intervenierende Systeme Lenkhilfe Stop+go-Systeme Überlagerungslenkung steer-by-wire hydraul. Dämpfungssystem elektr. Luftfedersysteme automat. Wankausgleich Spurwechsel Airbag Park- Fußgängerschutz Seiten- Assistent Airbag byteflight Precrash Umfeld Sensorik Sensorik Climate control Keyless Entry Kurvenlicht Notbremsfunktion Frontscheibenheizung Xenon LED Beispiele für elektrisch betriebene Motornebenaggregate: Veh.-Veh.- Comm. Innovationen werden in erster Linie durch den vermehrten Einsatz von Elektronik in bisher rein mechanischen Systemen realisiert Elektr. Wasserpumpe Elektr. Motorkühlung, Beispiele Lenksysteme: Lenkwinkelunterstützung Aktivlenkung 23

26 Agenda 4 Motor- & Nebenaggregate Trends Ansteuerung Pumpen Ansteuerung Lüfter Abgasturbolader Vollvariables Schaltsaugrohr & AGR-Ventil Ventilsteuerung 25

27 Motor- & Nebenaggregate Trends 4.1 Der Bedarf an Hochtemperaturelektronik, vor allem hochtemperaturstabile Schaltungen über 140 o C, wird durch Einsatz neuer Fertigungsverfahren und entsprechender Materialen in den nächsten 5 Jahren stark anwachsen Temperaturen im Motorraum Bedarfsverteilung Hochtemperatur-Elektronik Einlass 120 o C Drosselklappe 200 o C Armaturenbrett 110 o C Dachknoten 85 o C Jährliche Bedarfsverteilung an Hochtemperatur-Elektronik bezogen auf unterschiedliche Temperaturbereiche Jahr Temperaturbereich T<200 C 200 C<T<300 C T>300 C Quelle: ZVEI 97% 2% 1% Bedarfsverteilung 91% 7% 2% 88% 9% 3% Kommentar Abgasturbolader 1050 o C Bild: BMW AG Getriebe 145 o C Antriebsstrang 175 o C Auspuff 650 o C Motormanagement, ABS/ESP-Systeme, sowie Verbundsysteme der Fahrdynamik stellen die komplexesten Elektronik-Anwendungen im Fahrzeug dar Die Verbauung der Steuerungselektronik findet zunehmend direkt in unmittelbarer Motorumgebung statt (Systemintegration) 26

28 Motor- & Nebenaggregate Trends 4.1 Vor allem die steigenden Anforderungen bzgl. der Temperatur werden die künftigen Entwicklungen in der Leistungselektronik prägen Steigende Temperaturanforderung an die LE im Kfz Erläuterung Umgebungstemperatur [ C] Automotive 125 C Consumer Entwicklungsschwerpunkte der Industrie für die kommenden Jahre: Aufbau- und Verbindungstechnik im Bereich > 200 C Hochtemperatur-Leistungselektronik (Si oder SiC) Hochtemperatur-Regelungselektronik (µcontroller, Sensoren) Hochtemperaturfähige Kondensatoren (Polymer) Innovative Entwärmungskonzepte Systemintegration Quelle: Bosch, Siemens VDO 27

29 Motor- & Nebenaggregate Trends 4.1 Je nach Einsatzort bzw. Betriebsbedingungen sind neben Einsatz neuer Werkstoffe auch spezielle Leiterplatten-/Bestückungstechnologien notwendig Durch zunehmende Sytemintegration ergeben sich steigende Temperaturanforderung an die Leistungselektronik-Bauteile Umgebungstemperatur Quelle: Bosch [ C] ABS/ ESP EM PCB EPS PCB on Metal TC EM PECU µ Hybrid Vibration g (Sinus) Erläuterung Leistungselektronik-Systeme werden zunehmend direkt in das System integriert. Daraus resultieren zunehmend höhere Anforderungen an Temperatur, Vibration, sowie EM- Verträglichkeit EM = Engine Management TC = Transmission Control EPS = Electrical Power Steering PECU = Pump Electronic Control Unit 28

31 Motor- & Nebenaggregate Ansteuerung Pumpen 4.2 Die keilriemengetriebene Ansteuerung der Nebenaggregate wird bis 2010 durch elektromechanische Antriebe ersetzt werden Möglichkeiten für die elektrische Ansteuerung von Fahrzeugmodulen elektrisch gesteuerte Kühlmittelpumpe Lüfter E-Booster Quelle: Pierburg, ebmpapst EC-Motor Langlebigkeit, Geräuscharmut und geringe Abmessungen ermöglichen es dem EC-Motor sich gegenüber dem Riemenantrieb durchzusetzen 30

32 Motor- & Nebenaggregate Ansteuerung Pumpen 4.2 EC-betriebene Wasserpumpen werden sich kurzfristig in allen Fahrzeugklassen durchsetzen EC-betriebene Wasserpumpe Befindet sich bereits im BMW 5-er Serie in Einsatz Aktuell wird ein komplettes Spektrum unterschiedlicher Leistungsklassen von Wasserpumpen aufgebaut Mittelfristig ( ) sind Wasserpumpen mit EC-Motoransteuerung im BMW der 3er und 7er Serie angedacht Längerfristig (ab 2010) sollen damit sämtliche Fahrzeugklassen ausgestattet werden Quelle: Pierburg, BMW 31

33 Motor- & Nebenaggregate Ansteuerung Pumpen 4.2 Vor allem im Bereich der Pumpensteuerung stieg der Einsatz von Halbleitern in den vergangenen Jahren rasant an Wasserpumpen-Steuerung mit EC-Antrieb Brücken Treiber A Low-Side Treiber Treiber-ASIC Quelle: Elmos High-Side Treiber Brücken Treiber B Low-Side Treiber High-Side Treiber Brücken Treiber C Low-Side Treiber High-Side Treiber Charge-Pump Transisitor für Shuntmessung Spannungs- Versorgung (12V/42V ) Ford Focus FCV BSDInterface PWM-Interface Temperatur- Messung 5 Bit Eingabe Oszil lator Watch- Dog ROM Steuer-ASIC 8 (10) bit A/D Wandler 8 Bit up Kern Timer Strommes. Shuntmes. Phasen-Signal- Erkennung PWM-Modul PWM-Modul PWM-Modul RAM ASICs Substrat Alu- Kühlk. Kreiselpumpe mit dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor als Antrieb Keine Sensoren zur Rotorpositionsbestimmung, keine ext. Shunt Widerstände Kommunikation über BSD-BUS oder PWM-Ansteuerung Chipinterner Oszillator mit Synchronisationsfähigkeit auf BSD- Master-Protokolle PWM-Ansteuerung von 3 externen NMOS Halbbrücken Komparatoren zum Vergleich der Spulenspannungen mit Mitten-Potenzial 6 Bit DAC zur Vorgabe der Überstrom- Abschaltschwelle 8 Bit A/D Wandler mit Multiplexer 8 Bit µp mit Hardwaredivisionseinheit Aufbau als Hybrid 32

34 Motor- & Nebenaggregate Ansteuerung Pumpen 4.2 Mit der von Pierburg bereits 2004 vorgestellten stufenlosen Ölpumpe können Ölwechsel-Intervalle verlängert werden Variable Ölpumpe variable Flügelzellenpumpen von Pierburg Der Schmiermittelbedarf steigt in den neuen Fahrzeugklassen stark an. Eine optimale Versorgung kann durch die eine stufenlose Ölpumpe erreicht werden. Das Fördervolumen wird flexibel an den Schmiermittelbedarf angepasst. Im höheren Drehzahlbereich zeichnen sich die Pumpen durch eine geringere Verlustleistung aus. Die Belastung und Alterung des Öls wird somit verringert. Ölwechsel-Intervalle verlängern sich Kostenersparnisse für den Endverbraucher Quelle: Pierburg 33

36 Motor- & Nebenaggregate Ansteuerung von Lüfter 4.3 EC-Motoren haben sich auch für die Ansteuerung von Lüftern als vorteilhaft erwiesen und werden den Markt weiterhin durchdringen Kühlerlüfter + EC-Motor mit Steuerelektronik Quelle: ebm papst Boostergebläse zur Kühlung und Heizung des Frontbereichs im Kfz Radiallüfter für die Elektronikkühlung Lüftungssysteme zum Einbau in die Rückenlehne und Sitzfläche Die steigende Anzahl an elektronischen Geräten auf engem Bauraum erfordert ein gutes Lüftersystem. Anwendungsfelder, sind z.b. Elektronikkühlung, Motorkühlung, Sitzklimatisierung bis hin zur Kühlung von Infotainmentgeräten in der Instrumententafel Im Kfz kommen spezielle Ausführungen von Lüftern zum Einsatz, die die Hauptforderungen Langlebigkeit, Geräuschlosigkeit und Leistungsstärke erfüllen. Für die präzise Steuerung von Drehzahl- und moment sorgen EC-Motoren mit der dazugehörigen Steuerelektronik. Durch Temperaturen bis zu 175 C und Vibrationen folgen hohe Anforderungen an die Steuereinheit der EC- Motoren. Die Montage der Ansteuerungselektronik erfolgt direkt an den Motoren. -> optimale Bauraumnutzung Hoher Wirkungsgrad, hohe Lebensdauer (bis zu Betriebsstunden), erweiterter Temperaturbereich machen den EC-Motor zur optimalen Antriebseinheit bei den Lüftern 35

37 Motor- & Nebenaggregate Ansteuerung von Lüfter 4.3 Die neue Generation von EC-Motoren nach dem Innenläuferprinzip erschließt den Automobilherstellern neue Integrationsmöglichkeiten im Fahrzeug- Frontend EC-Motor nach Innenläuferprinzip Die bürstenlosen Lüftermotoren arbeiten nach Innenläuferprinzip Daraus ergeben sich Vorteile bezüglich Leistung, Lebensdauer und Lautstärke Die eingesetzte Mikroelektronik minimiert den Energieverbrauch Aus Bauform und größe ergeben sich neue Möglichkeiten bei der Integration in den Fahrzeugfrontend beispielsweise zur Verbrennungsmotorkühlung Quelle: Siemens VDO 36

38 Motor- & Nebenaggregate Ansteuerung von Lüfter 4.3 Die Lüftergebläseansteuerung stellt auch die Verbindung zum Bussystem sicher Lüftergebläse-Ansteuerung Controller für EC-Motoren, Logik für variable Flankenansteuerung, PWM, Ansteuerung für Leistungstreiber, + 42 V VBat Auswertung von Hall-Sensoren, + 12 V + 5 V B6/C4 Fail Safe Hall µc 10 Step Down Converter wake Motor Control Logic Internal Supply Drain Voltage Sense Gate Drive Current Sense 4 4 C4 EC-Motor Hall L1 L2 L3 L4 Stromüberwachung, Notlauf-Funktion, LIN-Bus, DC-DC-Konverter LIN-Bus LIN Interface Motor Current Rslewrate Gnd Quelle:Elmos 37

40 Motor- & Nebenaggregate Abgasturbolader 4.4 In Verbindung mit Downsizing-Tendenzen werden und Turboladern mit zweistufiger Aufladung (R2S) zunehmend auch Turboladern mit variablen Turbinengeometrie diskutiert Abgasturboladerkonzept - VTG Abgasturbo-Lader mit variabler Turbinengeometrie (VTG) ermöglicht ein effektives Arbeiten auch im Teillastbereich Bei Turbolader mit VTG erfolgt die Geometrieänderung durch Verstellen der Turbinenleitschaufeln Vorteil ist hier, dass der volle Massenstrom über die Turbine geleitet wird und zur Leistungsumsetzung herangezogen wird Spezielle thermische Anforderungen ergeben sich bei der Otto-Aufladung in der Turbine (1050 o C) Die Steuerung des elektromotorischen Verstellmechanismus des VTG erfolgt über Leistungselektronikkomponenten Quelle: BorgWarner / KKK 39

41 Motor- & Nebenaggregate Abgasturbolader 4.4 Ausnutzung von Elektronik und Elektrik führt auch zu Vorteilen bei der Aufladung von Ottomotoren Abgasturboladerkonzept E-Booster Das Konzept der elektrischen Aufladung umfasst das zusätzliche Anbringen eines Elektromotors an die Antriebswelle des Turboladers Der E-Booster wird dem eigentlichen Abgasturbolader vor- oder nachgeschaltet. Er zieht eine Spitzenleistung von ca 2.4 kw, welche das heutige 14V-Bordnetz noch nicht zur Verfügung stellt Ab 2008 geht das System in Serie Der E-Booster wird mit einem durch Leistungselektronik geregelten Elektromotor angetrieben BorgWarner hat den Lader in Kooperation mit EBM Pabst (Motor) und Fujikura (Bordnetz) entwickelt Quelle: BorgWarner / KKK 40

42 Motor- & Nebenaggregate Abgasturbolader 4.4 Abgasturbolader mit elektrischer Unterstützung (E-Booster) gehen ab 2008 in Serie Prinzip ATL mit elektrischer Unterstützung Wegen Komplexität und zu hoher Bordnetzbelastung ist der Serieneinsatz der Kombination des E-Boosters mit einem ATL noch nicht erfolgt Elektrisch unterstützte Abgasturbolader können prinzipbedingt nur einen kleinen Bereich des gesamten Motorkennfeldes verbessern Vor allem im Anfahrtsbereich wird das Motorkennfeld verbessert Quelle: BMW 41

43 Motor- & Nebenaggregate Abgasturbolader 4.4 Durch Stufenaufladung erreicht der Turbolader auch bei niedrigen Drehzahlen genügend Ladedruck Abgasturboladerkonzept Stufenaufladung Die Stufenaufladung, die laut BMW bisher nur von Hochleistungsbootsmotoren bekannt ist, soll dabei nicht nur die Leistung erhöhen sondern auch das Turboloch reduzieren Zwei Turbolader können entweder hintereinandergeschaltet werden oder durch klappengesteuerte Bypässe umgangen werden BMW 535d ist das erste V6 Serienfahrzeug mit Stufenaufladung und erreicht eine Leistungssteigerung um 25% Die Klappen werden pneumatisch betätigt und elektrisch gesteuert Die Leistungselektronik regelt das Zusammenspiel der beiden Turbolader Quelle: BMW / Opel 42

45 Motor- & Nebenaggregate Vollvariables Schaltsaugrohr 4.5 Das vollvariable Schaltsaugrohr ermöglicht dem Motormanagement die stufenlose Synchronisation der Saugrohrlänge mit der aktuellen Motordrehzahl und ist bereits bei BMW (5-er und 7-er) in Serie Vollvariables Schaltsaugrohr Ein Elektromotor positioniert die Läuferringe in weniger als einer Sekunde auf die notwendige Saugrohrlänge Das Ergebnis und der Vorteil gegenüber anderen Systemen sind die optimalen Leistungs- und Drehmomentwerte bei gleichem Kraftstoffverbrauch Anwendung findet das System mittlerweile beim BMW der 5-er und 7-er Serie Quelle: Pierburg, BMW 44

46 Motor- & Nebenaggregate AGR-Ventil 4.5 Mit einer elektronisch geregelten Abgasrückführung können auch zukünftige weiter verschärfte Emissionsgrenzwerte mit modernen PKW-Motoren eingehalten werden Elektronisch geregeltes Abgasrückführventil AGR-Ventil v on Pierburg AGR Einlass Ford Focus FCV AGR- Auslass AGR-Ventil von Siemens VDO Das elektronisch geregelte Abgasrückführsystem leistet einen entscheidenden Beitrag zur Reduzierung der ausgestoßenen Schadstoffe in der Luft. Das elektronisch geregelte Abgasrückführventil arbeitet unabhängig vom Unterdruck Daraus leitet sich sowohl eine stärkere Reduzierung des Stickoxydausstoßes als auch eine Minimierung des Kraftstoffverbrauchs ab elektronisches Diesel-AGR mit Lagerückmeldung Quelle: Pierburg, SiemensVDO 45

48 Motor- & Nebenaggregate Ventilansteuerung 4.6 Die elektrohydraulische Ventilsteuerung optimiert Kraftstoffverbrauch, Momentverlauf und Schadstoffemission Elektrohydraulische Ventilsteuerung Die elektrohydraulische Ventilsteuerung ermöglicht die freie Ansteuerbarkeit der einzelnen Ventile im Motor Die Nockenwelle wird durch eine elektronisch ansteuerbare Aktuatorik ersetzt Dadurch wird eine vollständige Zu- und Abführung der an der Verbrennung beteiligten Gase möglich Damit werden Kraftstoffersparnis, Momentverlauf und Schadstoffemission optimiert. Gegenüber dem nockenwellenbetriebenen System können Einsparungen bis zu 10% erzielt werden elektrisch ansteuerbare Aktuatorik Quelle: MTZ, DaimlerChrysler AG 47