Elektromobilität : aktuelle Herausforderungen, Lösungsansätze und Umsetzungsperspektiven

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1 Elektromobilität : aktuelle Herausforderungen, Lösungsansätze und Umsetzungsperspektiven Prof. Dr.-Ing. Nicolas Lewkowicz Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand VDI / VDE-IT Berlin,

2 Aktuelle Herausforderung: Akzeptanz Pro Positives Image Lautlosigkeit Contra Batteriekosten pro gefahrener Kilometer in Abhängigkeit von ( Batteriepreis, Zyklenzahl, Verbrauch) k = 500 kw h kw h 100 km ct kw h = ct kw h 100 km km Batteriekosten pro Reichweite (BEV) x = kw h 12 kw h 100 km = 60 km Sicherheit 3

3 LiTec GmbH Herausforderung Batteriekosten Optimierungsmöglichkeiten entlang der Wertschöpfungskette Batteriesystem Continental Zellenblock Continental Batteriezelle Elektrochemie 4

4 Batterie: Kosten und Trends in der Kostenreduktion Schematische Kostenstruktur einer Elektrofahrzeugbatterie Verminderung des Ausschusses durch verbesserte Automatisation Veredelung der Oberflächen, Nanoskalierung der Materialien Fertigung Zelle Fertigung Batterie Material Vermeidung seltener Elemente wie Kobalt Steigerung der Auslastung der Fertigungsanlagen durch Modularisierung und Standardisierung 5

5 Herausforderung Zyklenzahl Batterielebenszyklenzahl als Maß der Batterienutzung Batterie altert über der Zeit mehr als über den Zyklen Vergleich zyklischer und kalendarischer Alterung Quelle: Gertler und Lewkowicz, Kalendarische und zyklische Alterung von Li-Ionen-Batterien, DGES Jahrestagung

6 Lösungsmöglichkeiten Batterienutzung Erhöhung der Zyklenzahl der Batterienutzung im Fahrzeug Elektrofahrzeug unterwegs nachladen mit induktiver Schnellladung, Ladeleitsystem Reichweiten-downsizing mit SoC-Erkennung, PHEV, Routenplanung im Ladeleitsystem Personenbindung lösen Mehrfachnutzung im IKT-gestützten multimodalen Verkehrsverbund smart-grid stationäre Nutzung der Batterie im geparkten Fahrzeug 7

7 Effizienz des Fahrzeugs Reduktion des Energiebedarfs während der Fahrt 1% Wirkungsgraderhöhung => 1% Batteriekostenreduktion Lösungsansätze Leichtbau Thermomanagement Isolierung der Fahrgastzelle Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen Ergänzende Latentwärmespeicher Verlustoptimierung der Antriebssysteme im Lastkollektiv Durch angepasste Maschinenkonzepte Durch neuartige batterieschonende Umrichterkonzepte 8

8 Summenspannung aller Batteriezellen U [V] Effizienz: Umrichter Verluste verschiedener Umrichtertopologien Verlustoptimierung im Schaltelement Niederspannungs-MOSFETs überlegen gegenüber IGBTs bei kleiner Stromdichte Verlustoptimierung in der Umrichtertopolgiewahl Neue Umrichtertopo-logien erlauben MOSFET-Einsatz auch bei hohen Batteriespannungen Stromdichte im Halbleiterchip J [A/cm²] Quelle: Lewkowicz, Simulationsgestützte Untersuchung verschiedener Umrichtertopologien im mechatronischen Verbund hybridelektrischer Straßenfahrzeugantriebe, Shaker Verlag

9 Umsetzungsperspektiven Mittelstand Energiespeicher Fertigungstechnologien und -anlagen Batterieüberwachungs- und Testsysteme Antriebsmotoren Integrierte Antriebssysteme hoher Drehzahl Fertigungstechnologien z.b. Kupferkäfig (ASM), Füllfaktoroptimierung Umrichter Anwendung der SiC-Technik Multilevelansätze zum Einsatz von MOSFET-Elementen Fahrzeugkonzept und Leichtbau Fertigungstechnologien neue Werkstoffe Neue Fahrzeugkonzepte vs. Konversionsfahrzeuge Ladekonzepte Schnellladungssysteme Ladeschnittstellensysteme Infrastruktur und IKT Billing Ladeleitsysteme Smart-Grid-Integration 12

10 Kontaktdaten Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Nicolas Lewkowicz Fachbereich VII, Elektrotechnik, Mechatronik und Optometrie Beuth Hochschule für Technik Luxemburgerstr Berlin