Hybridisierung und Elektrifizierung des Antriebsstrangs - Entwicklungsstand und Potentiale

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Dominik Richter
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1 1 date 15/04/ page 1 Hybridisierung und Elektrifizierung des Antriebsstrangs - Entwicklungsstand und Potentiale Antriebe Mobilität Innovationen was treibt uns morgen an? 2. Internationaler AMI Kongress 13. April 2010, Leipzig Peter Wandt Toyota Motor Europe

Mobilität Innovationen was treibt uns morgen an? 2.

2 (verkaufte Einheiten) date 15/04/ page 2 Verkaufszahlen: Toyota / Lexus Hybridfahrzeuge weltweit Dezember 2009: mehr als Hybridfahrzeuge weltweit, über in Europa 1,000, ,000 Produktion 2010: 1Million Einheiten pro Jahr 600,000 Japan 400,000 Langfristiges Ziel: Hybrid Versionen in jeder Modellreihe in den 2020er Jahren 200,000 Overseas 0, ~

000 in Europa 1,000,000 800,000 Produktion 2010: 1Million Einheiten pro Jahr 600,000 Japan 400,000

3 date 15/04/ page 3 Prius III (2009) im Vergleich zum Vorgänger Prius 2 ( ) Systemleistung: +20% auf 98kW Kraftstoffverbrauch/CO2: -15% (jetzt 3,9 l/100km/ 89g/km) Deutliche Verringerung des Verbrauchs auch bei höheren Geschwindigkeiten: -15% Gewichts- und Größenreduktion des Hybridsystems um 17% bzw. 14% Relevante Kostensenkungen der Hybridkomponenten: -40%

Deutliche Verringerung des Verbrauchs auch bei höheren Geschwindigkeiten: -15% Gewichts- und

4 date 15/04/ page 4 Kernkomponenten Hybridsysteme Batterie Hybridsteuereinheit Verbrennungsmotor Hybridantriebseinheit

5 date 15/04/ page 5 Entwicklungsstufen Toyota Hybrid System Ziel Motor E-Motor E-Motor Drehzahl Batterie (NiMH) 1. Generation (1997) 2. Generation (2003) Prius 3 (2009) Verbrauchs -und Emissionsminderung Generator 1.5L Motor mit Atkinson Zyklus Systemaufbau Leistungsverzweigung 43kW 33kW 21kW Power control unit Batterie Inverter E- Motor Mechanischer Pfad Elektrischer Pfad Leistungssteigerung 57kW 50kW 25kW Boost converter (Max. 500V) Weitere Reduzierung des Verbrauchs 1.8L Atkinson + gekühltes EGR Wärmemanagement Untersetzung (elektrische Wasserpumpe, Abgaswärme- Rückgewinnung) 73kW 60kW 6,000rpm 6,400rpm 13,500rpm 27kW Boost converter (Max. 650V) E-Motor mit hoher Drehzahl Design

5L Motor mit Atkinson Zyklus Systemaufbau Leistungsverzweigung 43kW 33kW 21kW Power control unit Batterie Inverter E- Motor Mechanischer Pfad Elektrischer Pfad

6 Energie Bremsenergie date 15/04/ page 6 Energiemanagement in Hybridsystemen + Batterie Energie speichern Motorabschaltung - rein elektrischer Antrieb Verbrennungsmotor arbeitet mit hohem Wirkungsgrad Verzögerung Zeit

speichern Motorabschaltung - rein elektrischer Antrieb

7 date 15/04/ page 7 Motor - Systemübersicht neuer Prius Atkinson Zyklus gekühlte Abgasrückführung EGR elektrische Wasserpumpe EGR -Ventil EGR Kühler kein Riementrieb Abgaswärmerückgewinnung EHR

8 BSFC [g/kwh] EGR step Spark timing [Crank angle before TDC] Power [kw] Catslyst bed temp. [deg.c] date 15/04/ page 8 Motor - gekühlte Abgasrückführung (EGR) Effekt der gekühlten Abgasrückführung: - Zündfrühverstellung - Reduzierte Abgastemperatur Advanced spark timing Improve efficiency EGR gas cooling EGR gas temp. [deg.c] Effizienzsteigerung Sicherung von Emissionen und Leistung - Senkung der Katalysatortemperatur - immer stöchiometrisches Kraftstoff- Luftgemisch Full throttle operation stoichiometric Catalyst criteria 25 deg.c EGR ON w/ EGR w/o EGR Engine speed [rpm]

20 230 228 226 224 222 220 50 Advanced spark timing Improve efficiency EGR gas cooling 100 150 200 250 300 EGR gas temp. [deg.

9 Drehmoment [Nm] date 15/04/ page 9 Motor - Elektrische Wasserpumpe 150 Verbrauchskennlinie 100-1% -2% -3% -4% Verbesserung der Kraftstoffeffizienz 1-4% 50-6% -8% keine Verluste durch Riementrieb verringerte Wartungskosten Drehzahl [min-1]

Verbesserung der Kraftstoffeffizienz 1-4% 50-6% -8% keine

10 Index Kühlmittel Aufwärmzeit von 5 bis +60 C (Motor stoppt). date 15/04/ page 10 Motor - Abgaswärme Rückgewinnung EHR Systemübersicht Motor Kühlmittelströmung Abgasströmung Wärmetauscher Heizung Reduzierung der Aufwärmzeit 120 <Test bedingungen> Fahrzyklus : LA#4(U.S.) Umgebungstemperatur : -5 C Heizung : an 100 Catalyst Exhaust heat recirculation 80-57% zum Motor vom Motor 20 0 ohne EHR mit EHR

Kühlmittelströmung Abgasströmung Wärmetauscher Heizung Reduzierung der Aufwärmzeit 120 <Test

11 Drehmoment [Nm] Drehmoment [Nm] date 15/04/ page 11 Motor - Hubraumvergrößerung - von 1,5l auf 1,8l Hubraum zur Verringerung des Verbrauchs bei höheren Geschwindigkeiten Motorbetriebspunkt ( ) bei 120km/h konst. Geschwindigkeit (gleicher Fahrwiderstand) Prius 2 (1.5L) : 2,500 rpm Neuer Prius (1.8L): 2,200 rpm -300 rpm Prius 2 30kW40kW 20kW 10kW Neuer Prius 30kW40kW 20kW 10kW Kennlinie Kennlinie 240g/kWh g/kWh Drehzahl [min-1] Drehzahl [min-1]

Geschwindigkeit (gleicher Fahrwiderstand) Prius 2 (1.5L) : 2,500 rpm Neuer Prius (1.

12 date 15/04/ page 12 Weiterentwicklung elektrischer Antrieb Gewichtsreduzierung 35%; Volumenreduzierung 40% Prius 2 Neuer Prius Generator separate Spulen Länge -34% Elektromotor konventionell Windungsverdichtung Länge -27% Max. Drehzahl 6,000rpm +7,500 min-1 13,500rpm Max. Drehmoment 400Nm - 193Nm 207Nm Max. Leistung 50kW +10kW 60kW

Elektromotor konventionell Windungsverdichtung Länge -27% Max.

Drehmoment date 15/04/2010 - page 13 Weiterentwicklung elektrischer Antrieb Untersetzung der E-Maschine Downsizing- Konzept der E- Maschine Leistungsverzweigung Hohlrad Planetenräder

13 Drehmoment date 15/04/ page 13 Weiterentwicklung elektrischer Antrieb Untersetzung der E-Maschine Downsizing- Konzept der E- Maschine Leistungsverzweigung Hohlrad Planetenräder Planetenradträger (Größe E-Maschine) größer E-Maschine mit Untersetzung E-Maschine ohne Untersetzung Konstantleistung Abtriebsrad Sonnenrad Abtrieb Untersetzung E-Maschine kleiner Drehzahl

Planetenradträger (Größe E-Maschine) größer E-Maschine mit Untersetzung E-Maschine ohne

14 Gewicht kg Volumen l date 15/04/ page 14 Weiterentwicklung der Leistungselektronik (PCU) Prius 2 Neuer Prius 21 kg L 13.5 kg 11.2 L Gewicht -45% Volumen -37% 0 0

(PCU) Prius 2 Neuer Prius 21 kg 20 20 17.

15 date 15/04/ page 15 Weiterentwicklung der Leistungselektronik Kühlsystem IGBTs neuer Prius im Vergleich zu Prius 2 Prius 2 Neuer Prius Aufbau der Kühlung Isolierung IGBT Lötschicht Direktkühlung Lötschicht Lochplatte Wärmesenke (Cu) Wärmeleitpaste Kühlkörper (Al) Kühlkörper (Al) maximale Spannung 500V +150V 650V

Kühlung Isolierung IGBT Lötschicht Direktkühlung Lötschicht Lochplatte

16 date 15/04/ page 16 Weiterentwicklung der Leistungselektronik Verkürzte Schaltzeiten der IGBTs zur Verlustminderung

date 15/04/2010 - page 17 Weiterentwicklung

Neuer Prius Systemintegration Prius 2 (weiss) Neuer

17 date 15/04/ page 17 Weiterentwicklung Batterien Größenvergleich Batteriesysteme Prius 2 Neuer Prius Systemintegration Prius 2 (weiss) Neuer Prius (grau) Kofferaumvolumen 415 Liter +30 Liter 445 Liter

18 date 15/04/ page 18 Weiterentwicklung des Batteriesystems durch Integration der Komponenten (Module / Elektronik / Kühlung) Batteriesystem Prius III

19 Volumenindex [%] Masseindex [%] date 15/04/ page 19 Hybrid System Reduzierung von Gewicht und Volumen - Gewichtsreduktion : 13% - Volumenreduktion : 17% Batterie Inverter E- Maschine Hybrideinheit % % Prius 2 Neuer Prius 0 Prius 2 Neuer Prius

Volumenreduktion : 17% Batterie Inverter E- Maschine Hybrideinheit 120

20 Hybrid Systemkosten date 15/04/ page 20 Reduzierung der Hybrid Systemkosten am Beispiel Prius 70 % 40% 1. Generation Prius 2. Generation Prius Prius III Weitere Kostenreduzierung ist notwendig

21 date 15/04/ page 21 Kostensenkung Ni-MH Batterien Batteriesystem Stückkosten Ni-MH Battery Im Vergleich zur ersten Prius Generation konnten die Batteriekosten deutlich gesenkt werden.

22 22 date 15/04/ page 22 Auris Hybrid

23 23 date 15/04/ page 23 Lexus CT200h

24 24 date 15/04/ page 24 Hybridkonzept FT-CH

25 date 15/04/ page 25 Battery Pack Einsatzbereiche der unterschiedlichen Batterietechnologien Ni-MH RX Prius LS600h Camry HV Lithium- Ionen Vitz Prius PHV

26 26 date 15/04/ page 26 Prius Plug-in Hybrid

27 date 15/04/ page 27 Prius PHV Projektphasen Phase 1: Versuche ( ) Phase 2: Demonstrationsprojekt ( ) Phase 3: Serienproduktion/ Vermarktung

28 Prius PHV Spezifikationen date 15/04/ page 28 Motor Hubraum, Leistung Elektromotor Leistung EV Höchstgeschwindigkeit 1,496cm3, 56kW/ 5,200min-1 50kW ca. 100km/h 1,798cm3, 73kW /5,200min-1 60 kw ca. 100km/h Batterietyp Nickel-Metall-Hydrid (NiMh) Lithium-Ionen (Li-Ion) EV Reichweite bis zu 10km bis zu 20km Ladeinfrastruktur Haushaltssteckdose oder öffentliche Ladestation Haushaltssteckdose oder öffentliche Ladestation Ladezeit Stunden bei V Stunden bei V

29 date 15/04/ page 29 Lithium-Ionen Batterie Zell Spezifikationen Spannung Kapazität spezifische Leistung Energiedichte Gewicht Abmessungen 3.6 V 5 Ah 73 W/kg 103 Wh/l 245 g 110 mm (L) 14 mm (B) 112 mm (H) Copyright (C)2009,TOYOTA MOTOR CORP. All Rights

date 15/04/2010 - page 30 Lithium-ion Battery Felderprobung Lithium- Ionen Batterien Place :Japan, America,

30 date 15/04/ page 30 Lithium-ion Battery Felderprobung Lithium- Ionen Batterien Place :Japan, America, Canada, Germany, Spain Condition :about -30 ~40 Total running distance :about 7.2 million miles Fairbanks Spain Denver

date 15/04/2010 - page 31 Batteriekosten Status und Potentiale Kosten auf Zellniveau Produktions prozess Ziel in naher Zukunft Material TOYOTA Erfahrung Ni-MH (3 Zellen *)

31 date 15/04/ page 31 Batteriekosten Status und Potentiale Kosten auf Zellniveau Produktions prozess Ziel in naher Zukunft Material TOYOTA Erfahrung Ni-MH (3 Zellen *) Li-Ion TOYOTA Li-Ion (Zielsetzung der jap. Regierung) (Zielsetzung der jap. Regierung) * Ni- MH Zellspannung 1,2 V; Li-Ion Zellspannung 3,6 V

32 date 15/04/ page 32 Vergleich Voll-Hybrid (HV) mit PHV und EV HV (Voll-Hybrid) PHV (Voll-Hybrid) EV CO Luftqualität Reichweite Ladezeit (Nicht nötig) + - Ladeinfrastruktur (Nicht nötig) ++ (geringe Anforderungen) +/- (Notwendigkeit für Schnellladung) Verkaufspreis

33 33 date 15/04/ page 33 Systemvergleich AER (All Electric Range) mit Range Extender / PHV (Plug-in Hybrid)

34 date 15/04/2010 - page 34 Toyota FT- EV Concept reines Elektrofahrzeug EV - basiert auf

34 34 date 15/04/ page 34 Toyota FT- EV Concept reines Elektrofahrzeug EV - basiert auf Toyota iq - Serienfertigung ab 2012 geplant - ca. 80 km Reichweite, Schwerpunkt urbaner Einsatz

35 date 15/04/ page 35 Zukünftige Nutzung von Fahrzeug- / Antriebssystemen Durchschnittsgeschwindigkeit Motorrad HV & PHV Bereich PKW Hybridfahrzeug FCHV Bereich TOYOTA FCHV-adv Schwerlast-LKW FCHV-BUS Linienbus EV Bereich Kurzstrecken Pendler FT-EV TOYOTA PHV Auslieferungs-LKW Kleinauslieferung Kraftstoff: Elektrizität Benzin, Diesel, Biokraftstoff CNG, GTL/CTL, etc. Wasserstoff Fahrstrecke Hybrid und Plug-in Hybridantriebe werden weite Mobilitätsbereiche abdecken Elektroantriebe werden im Bereich der Kurzstreckenmobilität eingesetzt Bei großen Reichweiten und großen Transportmassen wird die Brennstoffzellen -Technologie eingesetzt Copyright (C)2009, TOYOTA MOTOR CORP. All Rights Reserved.

36 date 15/04/ page 36 Ausbau von Forschung und Entwicklung für Next- Generation Batterien

37 date 15/04/ page 37 Innovative Mobilitätskonzepte Toyota I-Real Vielen Dank

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