Golf Blue-e-Motion. Der elektrische Volkswagen

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Katarina Althaus
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Der elektrische Volkswagen Bericht vom 33. Internationalen Wiener Motoren-Symposium 2012: Volkswagen AG, Wolfsburg Prof. Dr.-Ing. Jens Hadler, Dr.-Ing. Heinz-Jakob Neußer, Dipl.

1 Der elektrische Volkswagen Bericht vom 33. Internationalen Wiener Motoren-Symposium 2012: Volkswagen AG, Wolfsburg Prof. Dr.-Ing. Jens Hadler, Dr.-Ing. Heinz-Jakob Neußer, Dipl.-Ing. Hanno Jelden, Dipl.-Ing. Peter Lück, Dipl.-Ing. Jonas Tousen Vorgestellt von: Antje Klemichen, HAW Hamburg Masterstudiengang: Nachhaltige Energiesysteme

2 Gliederung 1. Einleitung 1.1 Motivation für die Elektrifizierung 1.2 Anforderungen an elektrische Fahrzeuge 2. Modulstrategie für Elektro- und Hybridfahrzeuge 3. Elektrischer Antrieb des 3.1 Aufbau und Wirkungsweise 3.2 Anforderungen an den elektrischen Antrieb 3.3 Optimierung des elektrischen Antriebs 4. Human-Machine-Interfacing (HMI) 5. Ergebnis: Das Gesamtfahrzeug Antje Klemichen / 15

3 1. Einleitung Motivation für die Elektrifizierung 1. Einleitung 1.1 Motivation für die Elektrifizierung Treibende Kräfte in der Automobilindustrie führen zu neuen Zielen bei Volkswagen Sicherstellung einer nachhaltigen individuellen Mobilität unter Berücksichtigung der Nutzung nichtfossiler Energieträger kontinuierliche Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und des CO 2 -Ausstoßs Antje Klemichen / 15

4 1. Einleitung Anforderungen an Elektrofahrzeuge 1.2 Anforderungen an Elektrofahrzeuge Anforderungen an die Alltagstauglichkeit gleiche Anforderungen wie bei Verbrennungsmotoren Neue zusätzliche Herausforderungen Elektrische Antriebssysteme in standardisierter modularer Bauweise gleiche Anforderungen wie bei Verbrennungsmotoren Neue zusätzliche Herausforderungen Realisierung der Anforderungen mit besonderem Fokus auf den Antriebsstrang Antje Klemichen / 15

5 2. Modulstrategie für Elektro- und Hybridfahrzeug 2. Modulstrategie für Elektro- und Hybridfahrzeug Modularisierung nach Elektrifizierungsgrad der Fahrzeuge HEV Leistungselektronik xev E-Maschine High Torque E-Maschine High Speed Motorsteuerung Modularisierung des elektrischen Antriebs in Hybrid- und Elektrofahrzeugen High Torque High Speed HEV Leistungselektronik xev 20kW 40kW 80kW 60 kw 80kW Bildung von Modulfamilien im Bereich der Leistungselektronik und den elektrischen Motoren für universellen Einsatz Antje Klemichen / 15

6 3. Elektrischer Antrieb des Aufbau und Wirkungsweise 3. Elektrischer Antrieb des 3.1 Aufbau und Wirkungsweise Genereller Aufbau Elektrische Energie Motorbetrieb Generatorbetrieb Energieaufnahme Rekuperation Energiebereitstellung Mechanische Energie Kinetische Energie Traktionsbatterie Einbau quer zur Fahrrichtung und Antrieb der Vorderräder Flüssigkeitskühlung der elektrischen Antriebskomponenten in einem gemeinsamen Kühlkreislauf Antje Klemichen / 15

3. Elektrischer Antrieb des Aufbau und Wirkungsweise Elektrische Maschine Permanentmagneterregte Synchronmaschine (PSM) Hohe Drehmomentendichte Ausgezeichnetes Wirkungsgradkennfeld aufgrund der

7 3. Elektrischer Antrieb des Aufbau und Wirkungsweise Elektrische Maschine Permanentmagneterregte Synchronmaschine (PSM) Hohe Drehmomentendichte Ausgezeichnetes Wirkungsgradkennfeld aufgrund der Permanentmagnete Vier-Quadranten-Betrieb möglich (4) Kühlung zur Abführung der Verlustwärme aus dem Magnetkreis und den Kupferwindungen (5) Rotorwelle Aufnahme des Drehmoments Funktionsweise Bestromung der Wicklungen des Stators im Betrieb über Antrieb (motorischer Betrieb) oder durch Abbremsen des Fahrzeuges (Generatorbetrieb, Rekuperation) Ausbildung eines wechselnden Magnetfeldes über den Umfang des Rotors durch die in Reihe unterschiedlich gepolten angebrachten Permanentmagnete Leistungselektronik stellt Phasenströme bereit und erzeugt ein rotierendes Drehfeld mit der Wicklung Interaktion von Stator- und Rotorfeld erzeugt Drehmoment an der Rotorwelle (2) Stator mit verteilter (3) Kupferwicklung Technische Daten E-Maschine Max. Leistung Dauerleistung Max. Drehmoment Dauermoment Max. Drehzahl Gewicht (1) Rotor mit eingebetteten Permanentmagneten 85 kw 50 kw 270 Nm 160 Nm U/min 68 kg Antje Klemichen / 15

Rotorwelle der E-Maschine direkt über Abtrieb des Differenzials und den Achswellen mit den Rädern verbunden Mechanische Parksperre Technische Daten Getriebe Untersetzungsverhältnis 9,81 Max.

8 3. Elektrischer Antrieb des Aufbau und Wirkungsweise Getriebe 2-Stufiges 1-Gang Getriebe mit Differenzial, d.h. Rotorwelle der E-Maschine direkt über Abtrieb des Differenzials und den Achswellen mit den Rädern verbunden Mechanische Parksperre Technische Daten Getriebe Untersetzungsverhältnis 9,81 Max. Drehzahl U/min Gewicht 33 kg Leistungselektronik Motor Umwandlung des Gleichstroms der Traktionsbatterie in 3-Phasigen Wechselstrom mit Variabler Frequenz Variabler Amplitude zur Erzeugung von Drehzahl und Drehmoment der E-Maschine Betrieb Generator Gleichrichtung des erzeugten Wechselstroms zum Laden der Traktionsbatterie Ladegerät Ladung der Traktionsbatterie bei Herstellung einer Verbindung von Ladesteckdose des Fahrzeugs über Ladekabel zum stationären elektrischen Versorgungsnetz Leistung: 3,3 kw (Erhöhung der Ladeleistung durch Einsatz mehrerer Ladegeräte) Antje Klemichen / 15

festgelegten Fahrzeugparametern Beschleunigungsvorgänge Zugkraft und Geschwindigkeit Vorgabe 1) 0 80km/h in 8 s 4)

9 3. Elektrischer Antrieb des Anforderungen an elektrischen Antrieb 3.2 Anforderungen an elektrischen Antrieb Grundanforderungen bei verschiedenen Belastungen in Abhängigkeit von festgelegten Fahrzeugparametern Beschleunigungsvorgänge Zugkraft und Geschwindigkeit Vorgabe 1) 0 80km/h in 8 s 4) Höchstgeschwindigkeit von 135km/h 2) 0 100km/h < 12 s 5) Steigfähigkeit von 6% bei 80km/h 3) km/h in 10 s 6) Steigfähigkeit von 30% bei Dauerbelastung Antje Klemichen / 15

3. Elektrischer Antrieb des Optimierung des elektrischen Antriebs 3.3 Optimierung des elektrischen Antriebs Getriebeauswahl Wirkungsgradkennfeld von E-Maschine und Leistungselektronik zzgl.

Permanentmagnete in den Rotor Reduzierter Materialeinsatz Kontinuierlicher Preisanstieg bei Metallen und Seltene Erden Begrenzte Abbaugebiete für Seltene Erden NEFZ: Neuer Europäischer

10 3. Elektrischer Antrieb des Optimierung des elektrischen Antriebs 3.3 Optimierung des elektrischen Antriebs Getriebeauswahl Wirkungsgradkennfeld von E-Maschine und Leistungselektronik zzgl. Arbeitspunkte des 1-Gang-Getriebes Magnetanordnung der elektrischen Maschine Eigenschaften der E-Maschine beeinflusst durch Auswahl der Anordnung der Permanentmagnete Integration der Permanentmagnete in den Rotor Reduzierter Materialeinsatz Kontinuierlicher Preisanstieg bei Metallen und Seltene Erden Begrenzte Abbaugebiete für Seltene Erden NEFZ: Neuer Europäischer Fahrzyklus -> Ermittlung des Kraftstoffverbrauchs in der EU ARTEMIS: Assessment and Reliability of Transport Emission Models and Inventory Systems -> Stadt-, Landstraßen-, Autobahnanteil Antje Klemichen / 15

3. Elektrischer Antrieb des Optimierung des elektrischen Antriebs Bewertung von Antriebssystemen durch das Lastkollektiv der Bewertungsmatrix Effizienz des Antriebes als Maß für die Reichweite des

11 3. Elektrischer Antrieb des Optimierung des elektrischen Antriebs Bewertung von Antriebssystemen durch das Lastkollektiv der Bewertungsmatrix Effizienz des Antriebes als Maß für die Reichweite des Elektrofahrzeugs (Anstieg mit Energiegehalt aus Batterie) Bewertung vieler Einsatzprofile zur Berücksichtigung weiterer Fahrzyklen neben den relevanten Zulassungszyklen (Kundenfahrstile) systematische Auswertung führt zu einer stetigen Verbesserung der Wirkungsgrade über die betrachteten Fahrzyklen mechanisch Wirkungsgradoptimierung elektrisch Reduzierung der Lagerreibung Reduzierung der Anzahl der Lager durch Integration von E-Maschine und Getriebe Reduzierung der Wirbelstromverluste durch Verringerung der Einzelblechdicken und spezifischen Legierungen Kompromiss zwischen hoher Widerstandsfähigkeit, Zugfestigkeit, Gewichtsreduzierung bei hohem Drehzahlniveau (hohe Fliehkräfte) Antje Klemichen / 15

3. Elektrischer Antrieb des Optimierung des elektrischen Antriebs Akustik Betriebspunkte 1 Beschleunigung 2 konstante Geschwindigkeit 3 Bremsen

12 3. Elektrischer Antrieb des Optimierung des elektrischen Antriebs Akustik Betriebspunkte 1 Beschleunigung 2 konstante Geschwindigkeit 3 Bremsen Reduzierung der Resonanzen durch Verbesserte Sensorik, Applikationsqualität Ansteuerung unter Sinusbestromung etc. Antje Klemichen / 15

aus Komfort und Effizienz Range+ Begrenzung des Motors auf 50kW Dauerleistung und Nebenverbraucher arbeiten mit verbrauchminimierter Leistung Leistungs- und Readyanzeige

13 4. Human-Machine-Interfacing 4. Human-Machine-Interfacing (HMI) Verbrauchsregulierung durch den Fahrer Energiemodi Comfort + Nutzung aller Verbraucher mit vollster Leistung Normal Optimaler Kompromiss aus Komfort und Effizienz Range+ Begrenzung des Motors auf 50kW Dauerleistung und Nebenverbraucher arbeiten mit verbrauchminimierter Leistung Leistungs- und Readyanzeige Verbleibende Reichweite Geschwindigkeit Energiefluss im Antrieb Ladezustand Batterie Rekuperationsstufen 1-2 : Angepasste elektrische Bremsleistung auf das jeweilige Fahrverhältnis 3 : Bergabfahrten durch stark bremsende Wirkung Segeln: Fahrzeug rollt ohne aktives Bremsmoment Antje Klemichen / 15

14 5. Ergebnis: Das Gesamtfahrzeug 5. Ergebnis: Das Gesamtfahrzeug Fahrzeugdaten Gewicht 1545 kg Erhöhte Kundenakzeptanz Erhöhte gesellschaftliche Akzeptanz Maße L/B/H Getriebe Kofferraumvolumen 4199/1786/1480 mm 1-Gang-Getriebe 237 l Erhöhter Fahrkomfort Erhöhtes Marktpotential Höchstgeschwindigkeit Beschleunigung (0 100km/h) Elektrische Reichweite 135 km/h 11,8 s Bis zu 150 km Beschleunigung 0 100km/h in 11,8s Fahrzeug für den Stadtverkehr Volles Drehmoment ab der ersten Sekunde Antrieb E-Maschine Batterie Spannung Drehmoment 85 kw/115 PS 26,5 KWh (Li-Ion) 324 V 270 Nm Antje Klemichen / 15

15 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Antje Klemichen / 15

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