Elektro- und Hybridantrieb: Strategien, Energiefluss, Hybridantrieb

Transkript

1 Elektro- und Hybridantrieb: Strategien, Energiefluss, Hybridantrieb Guo Lu Florian Schwertmann Daniél Fritsche Benjamin Brinkmann Osnabrück - 1 -

2 Inhaltsübersicht 1. Historie 2. Hybridantrieb 3. Elektroantrieb 4. Stand der Technik/Praxisbeispiele/Zukünftige Modelle Osnabrück - 2 -

3 Historie Das wesentlichste Element eines Elektroautos, der Motor nämlich, beruht auf der Entdeckung des Elektromagnetismus durch den dänischen Physiker und Chemiker Hans Oersted Auf Faraday geht denn auch die erste erfolgreiche Präsentation eines Elektromotors im Jahr 1821 zurück. Osnabrück - 3 -

4 Der Amerikaner Thomas Davenport baute das erste Elektroauto mit einer nicht wieder aufladbaren Batterie sogar schon Das erste Elektrofahrzeug mit einer wiederaufladbaren Batterie wurde im Jahre 1839 von Robert Anderson in Aberdeen, Schottland gebaut. Das erste offiziell anerkannte Elektrofahrzeug stammt von M. Gustave Trouvé in Paris aus dem Jahr Osnabrück - 4 -

5 Daimler-Benz präsentiert 1972 das Versuchsfahrzeug LE 306, den ersten Elektro-Transporter mit Batteriewechseltechnik. BMW präsentiert auf der IAA im September ein völlig neu entwickeltes Elektrofahrzeug E1 mit Bremsenergierückgewinnung Osnabrück - 5 -

6 Elektrofahrzeuge heute: Citroën C-ZERO Mia BredaMenarinibus ZEUS M 200 E Osnabrück - 6 -

7 Hybridantrieb: Es wird angenommen, dass der erste Schritt in Richtung eines Hybrid-Fahrzeugs durch den Jesuiten Ferdinand Verbiest unternommen wurde, der im Jahre 1665 (o. 1672) an Plänen für ein einfaches fünfrädriges Fahrzeug arbeitete, das mit Dampf betrieben oder von einem Pferd gezogen werden kann. Osnabrück - 7 -

8 Auf der IAA 1969 wird mit dem OE302 von Mercedes-Benz der erste Hybridbus der Welt öffentlich präsentiert. Im Frühjahr 1990 werden auf dem Genfer Autosalon auch Fahrzeuge mit Hybrid-Antrieb vorgestellt. VW zeigt einen Hybrid-Golf sowie einen Audi Duo Osnabrück - 8 -

9 Toyota Prius Die erste Generation dieses Fahrzeugs kam in Japan Ende 1997 auf den Markt und war im Marktsegment der Kompaktklasse angesiedelt. Die größere und mit Schrägheck gestaltete zweite Generation wurde Ende 2003 vorgestellt und zählt zur unteren Mittelklasse. Seit Frühjahr 2009 wird er weltweit in der dritten Modellgeneration verkauft. Osnabrück - 9 -

10 Warum brauchen wir heute Hybridantrieb? Osnabrück

11 Osnabrück

12 Hybridantrieb Osnabrück

13 Hybridantrieb Ein Hybridfahrzeug verwendet zum Antrieb einen Verbrennungsmotor und mindestens einen Elektromotor. Klassifizierung nach dem Grad der Hybridisierung und der absoluten elektrischen Antriebsleistung - Mikro-Hybrid P EM 2-3 kw - Mild-Hybrid P EM kw - Voll-Hybrid P EM > 15 kw - Plug-In-Hybrid P EM >50 kw Osnabrück

14 Mikro-Hybrid - Leistung des Elektromotors 2-3 kw - Spannungsniveau 12 V - Verbrauchseinsparung 5-10% Start-Stop-Automatik für eine Kraftstoffeinsparung z.b. beim Warten an einer Ampel. Intelligentes Energiemanagement z.b. zum Entlasten des Verbrennungsmotors beim Beschleunigen. Elektromotor dient als optimierter Starter für die Start-Stop-Automatik und ist nicht für den direkten Antrieb gedacht. BMW 1er Eigenschaften Intelligentes Energiemanagement Start-Stopp-Automatik Regeneratives Bremsen Boost-Betrieb Rein elektrisches Fahren Externes Aufladen des Energiespeichers Osnabrück

15 Mild-Hybrid - Leistung des Elektromotors kw - Spannungsniveau V - Verbrauchseinsparung 15-20% Zusätzlich zur Start-Stop-Automatik und einem intelligenten Energiemanagement findet eine Rückgewinnung von Energie beim Bremsen statt. Der Elektromotor unterstützt den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen. Mercedes S400 BlueHybrid Eigenschaften Intelligentes Energiemanagement Start-Stopp-Automatik Regeneratives Bremsen Boost-Betrieb Rein elektrisches Fahren Externes Aufladen des Energiespeichers Osnabrück

16 Voll-Hybrid - Leistung des Elektromotors >15 kw - Spannungsniveau >150 V - Verbrauchseinsparung >20% Kann im Gegensatz zum Mild-Hybrid Strecken rein elektrisch zurücklegen. Diese Strecken sind jedoch nur wenige Kilometer lang. Osnabrück Toyota Prius Eigenschaften Intelligentes Energiemanagement Start-Stopp-Automatik Regeneratives Bremsen Boost-Betrieb Rein elektrisches Fahren Externes Aufladen des Energiespeichers

17 Plug-In-Hybrid - Leistung des Elektromotors >50 kw - Spannungsniveau >150 V - Verbrauchseinsparung >20% Im Prinzip der gleiche Aufbau wie beim Voll-Hybrid. Jedoch kann hier zusätzlich die Batterie extern über ein Ladegerät Aufgeladen werden. Durch Verwendung größerer Energiespeicher kann ein rein elektrisches Fahren ermöglicht werden, Verbrennungsmotor nur als Range- Extender. Opel Ampera Eigenschaften Intelligentes Energiemanagement Start-Stopp-Automatik Regeneratives Bremsen Boost-Betrieb Rein elektrisches Fahren Externes Aufladen des Energiespeichers Osnabrück

18 Verbrauchseinsparungen nach Fahrzyklen Osnabrück

19 Antriebskonfigurationen - Paralleler Hybridantrieb -> Verbrennungsmotor hat direkte Verbindung zu den Antriebsrädern - Serieller Hybridantrieb -> Verbrennungsmotor hat keine direkte Verbindung zu den Antriebsrädern - Leistungsverzweigter Hybridantrieb -> Leistung des Verbrennungsmotors wird in einen elektrischen und mechanischen Pfad aufgeteilt - Two-Mode Hybridantrieb -> verschiedene Betriebsmodi realisiert durch ein elektronisch geregeltes, stufenloses Getriebe mit vorgeschaltetem Planetengetriebe - Through-The-Road Hybridantrieb -> Eine Antriebsachse elektrisch und eine durch einen Verbrennungsmotor angetrieben Osnabrück

20 Antriebskonfigurationen - Leistungsverzweigtger Hybrid - Through-The-Road Hybrid - Two-Mode Hybrid Osnabrück

21 Paralleler Hybridantrieb - Beide Antriebe wirken auf die Antriebsräder - Trennkupplung um Rekuperation ohne Motorschleppmoment zu ermöglichen - Kann auch rein konventionell Betrieben werden Osnabrück

22 Serieller Hybridantrieb - Nur Elektromotor als direkter Antrieb in Verwendung - Verbrennungsmotor im wirkungsgradoptimalen Bereich als Antrieb für den ersten E-Motor - Erzeugte elektrische Energie steht für den als Antrieb dienenden zweiten E-Motor zur Verfügung - Lange Kette hat negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad Osnabrück

23 Betriebszustände Hybridisches Fahren -> Elektro- und Verbrennungsmotor sorgen für den Antrieb Rein elektrisches Fahren -> Abkopplung des Verbrennungsmotors und längeres elektrisches Fahren Generatorbetrieb -> Verbrennungsmotor wird in einem auf das Laden des Energiespeichers zugeschnittenen Bereich betrieben und dient als Antriebskomponente Osnabrück

24 Betriebszustände Boosten -> Maximales Vortriebsmoment von Elektro- und Verbrennungsmotor Regeneratives Bremsen -> Generatorisches Bremsmoment des Elektromotors zum Aufladen des Energiespeichers Osnabrück

25 Elektroantrieb Osnabrück

26 Definition Elektroantrieb Allein die E-Maschine treibt das Fahrzeug an; dadurch kann das Fahrzeug emissionslos und nahezu lautlos fahren. Während dieser Betriebsphase wird elektrische Energie aus dem Energiespeicher benötigt. Prototypen: ca.60 Fahrzeuge Serie: ca.15 Fahrzeuge Osnabrück

27 Osnabrück

28 Ladevorgang Standardladung (Wall-Box, 400V) Notladung (230V) Schnellladung (400V) Quickdrop-System Reichweite 6-8h km Durchschnitt 160km ca. 2,8 auf 100km Osnabrück min

29 Hauptkomponenten Batterie: SuperCaps (Zweischichtkondensatoren) Lithium-Ionen Nickel-Metallhydrid Elektromotor: permanent erregte Synchronmaschinen (PSM) elektrisch erregte Maschinen (ESM) Leistungselektronik: DC/DC-Wandler AC/DC-Wandler Osnabrück

30 Antriebskonzepte Zentral-Motor Radnabenmotor ein Elektromotor pro Achse ein Elektromotor pro Rad Osnabrück

31 Schema eines Elektroantriebs: Osnabrück

32 Stand der Technik Praxisbeispiele Zukünftige Modelle Osnabrück

33 Werden Leute die sich nicht für Autos interessieren gefragt welche Elektrofahrzeuge es gibt sind es z.b. diese hier. Kleine Autos die keiner gebrauchen kann. CityEL Renault_Twizy Osnabrück

34 Elektrofahrzeug: SLS AMG Coupé Electric Drive Das Ergebnis dieser Entwicklung ist, dass der SLS AMG Coupé Electric Drive der stärkste Wagen ist den AMG je gebaut hat. Des Weiteren gehört der SLS AMG Coupé Electric Drive zu den schnellsten Elektrofahrzeugen weltweit. Osnabrück

35 Aufbau: Osnabrück

36 Daten Motor: Motor: 4 x Permanent-Magnet-Synchron-Elektromotor je 45 kg KW/PS: 552/751 min^-1: Nm: Km/h: 3,9s Reichweite: 250 km (nach NEFZ gefahren) Kühlung: 2 separate Niedertemperatur-Kühlkreisläufe Osnabrück

37 Daten Batterie: Batterie: Module: Batterie Leistung: Batteriespannung: Batteriegewicht Kühlung: Lithium-Ionen-Hochvoltbatterie 12 mit je 72 Lithium-Ionen-Zellen 60 kwh 400V 548 kg 1Niedertemperatur-Kreislauf Osnabrück

38 Elektrofahrzeug: Tesla Roadster - Akkusätze von Tesla haben angeblich die höchste Energiedichte in der Industrie. - Bei der Entwicklung der Batterie wurde darauf geachtet, dass Sie weder Schwermetalle noch giftige Materialien enthält. - Desweiteren hat Tesla eine Recycling- Strategie entwickelt, bei der über 60% des Akkus wiederverwendet oder recycelt werden können. Osnabrück

39 Daten Motor: Motor: KW/PS: 225/302 min^-1: Luftgekühlter 375-Volt-dreiphasigen Wechselstrom- Induktionsmotor mit variabler Frequenz Nm: 370 bei Km/h: 3,7s Reichweite: 340 km Kühlung: In das Gehäuse integrierte Kühlrippen ( spezielle Entwicklung ) Osnabrück

40 Daten Batterie: Batterie: Module: Speicher: Liefert: Batteriegewicht Kühlung: Mikroprozessorgesteuerter Lithium-Ionen-Akku 6831 Zellen 56 kwh Bis zu 215 kwh 408 kg flüssigkeitsgekühlten Paket Osnabrück

41 Hybridfahrzeug: Toyota Prius - Den Toyota Prius gibt es seit 12 Jahren - Das derzeitige Modell ist die dritte Generation - Der Prius wurde bis jetzt ca mal verkauft. Osnabrück

42 Daten : Motortechnik: Hybrid-Synergy-Drive /VVT-i/Elektro Voll-Hybrid Benzine Motor KW/PS: VVT-i-Benzinmotor 73 (99) Elektromotor KW/ PS: 60 (82) Systemleistung Hybrid- Synergy-Drive KW/PS: Benzin Motor Nm: Elektromotor Nm: 100 (136) 142 Nm bei min Nm Osnabrück

43 Daten : Beschleunigung 0-100km/h: 10,4s Höchstgeschwindigkeit in km/h: 180 Hochleistungs-Hybrid-Batterie in V: 201,6 Bordnetz-Batterie in V/Ah 12/45 Osnabrück

44 Hybridfahrzeug: Volkswagen Jetta Hybrid 2012 Der Volkswagen Jetta Hybrid 2012 ist ein Prototyp der erst in den USA und Kanada auf den Markt soll. Hier soll der Jetta Hybrid später ca mit Vollausstattung kosten und ist somit genauso teuer wie der normale Jetta. Osnabrück

45 Daten Motor : Benzin Motor kw/ps: TSI 110/150 Benzin Motor Nm/ min^1: 250 / 3500 Elektromotor kw/ Nm: 27 / 150 Elektromotor und Benzin Motor kw/ps: 125 kw / 170 PS Osnabrück

46 Daten Batterie : Batterie: Lithium-Ionen Zellen 60 je 5 Ah Volt: 220 Kapazität in kwh 1,1 Gewicht kg 35,8 Osnabrück

47 Sonstige: ZERO X Motorcycles Mercedes-Benz Citaro G BlueTec Hybrid Suzuki e-let s Osnabrück MAN TGL Hybrid

48 Literatur und Quellen: - Alternative Antriebe für Automobile; Cornel Stan; ISBN Hybridfahrzeuge; Peter Hofmann; ISBN Konventioneller Antriebsstrang und Hybridantriebe; Konrad Reif; ISBN Reinhard F. Hüttl, Dieter Spath; Elektromobilität; acatech Diskutiert Osnabrück

49 Literatur und Quellen: Osnabrück

50 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Gibt es noch Fragen? Osnabrück