Antriebssysteme für elektrisch angetriebene Fahrzeuge

Transkript

1 Antriebssysteme für elektrisch angetriebene Fahrzeuge Energiespeichersymposium Stuttgart 2012 Dr. J. Wind, Daimler AG P. Froeschle / Daimler AG 1

2 Die Mobilität von Morgen Unterschiedliche Mobilitätsszenarien Langstrecke Überlandverkehr Stadtverkehr E 250 CDI BlueEFFICIENCY Effiziente Verbrennungsmotoren S 400 HYBRID Hybridantriebe Concept BlueZERO E-CELL PLUS Plug-In / Range Extender smart fortwo electric drive Elektrofahrzeuge mit Batterie B-Klasse F-CELL Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzelle Verbrennungsantrieb Emissionsfreie Mobilität 2

3 Zukünftige Mobilität ist durch die Elektrifizierung des Antriebstrangs gekennzeichnet Verbrennungsmotor (Benzin / Diesel) Hybride Elektroantrieb emissionsfrei Grad der Elektrifizierung Start/ Stop (RSG) Mild Hybrid Full Hybrid Plug-In Hybrid (parallel) Plug-In Hybrid (seriell/ Range Ext.) Brennstoffzelle Batterie 0% 100% A-Klasse BlueEfficiency S 400 Hybrid ML 450 Hybrid S 500 Plug-in Concept B-Class E-CELL Plus B-Klasse F-CELL smart electric drive 3

4 Mild-Hybrid-Batterie: S400 Hybrid Technische Daten Batterie Anzahl Zellen 35 Zell-Kapazität 6,5 Ah Kapazität 0,82 kwh Spannung 126 V Max. Leistung 24 kw Spez. Leistungsdichte 35 Wh/kg Volumen 12,4 l Gewicht 23,5 kg Kühlmodul Lithium-Ionen- Zellen Batteriemanagmentsystem Kältemittelanschluss Hochvoltanschluss Zellspannungsüberwachung 4

5 Schlüsselkomponenten von BZ-Fahrzeugen Brennstoffzellenstack Batterie Elektromotor H 2 Drucktanks Brennstoffzellensystem Brennstoffzellensystem H2 Drucktanks Energiesteuerungsgerät Batterie Leistung: 80/90kW Kaltstartfähigkeit: - 25 C Zellen: 396 Druck: 70 MPa Kapazität: 3,7 kg H 2 Betankungszeit: ~ 3 min (SAE J2601 A70) Technologie: Li-Ion Leistungsabgabe: 30/34 kw Energiegehalt: 1,4 kwh 5

6 Wesentliche Sicherheitstests mit Wasserstoff-Tanks Ambient Temperature Pressure Cycle Test Boss Torque Test Burst Test Vibration Test Permeation Test Hydrogen Gas Cycling Test Ambient Temperature Pressure Cycle Test Accelerated Stress Rupture Test Leak-Before-Break Performance Test Extreme Temperature Pressure Cycling Test Penetration Test Leak Test Chemical Exposure Test Impact Damage Test Composite Tolerance Test 6

7 Entwicklungsfortschritte B-Klasse F-CELL Brennstoffzellenfahrzeug der nächsten Generation Nächste Generation des Höhere Stacklebensdauer (>2000h) Leistungssteigerung Höhere Zuverlässigkeit Kaltstartfähigkeit Li-Ionen Batterie BZ-Antriebs: A-Klasse F-Cell Technische Daten Reichweite +135% Verbrauch - 16% B-Klasse F-CELL Technische Daten Fahrzeugtyp Mercedes-Benz A-Klasse Fahrzeugtyp Mercedes-Benz B-Klasse BZ-System PEM, 69 kw (94 PS) BZ-System PEM, max. 90 kw (122 PS) Antrieb Kraftstoff Reichweite Höchstgeschw. Elektro-Asynchron Motor Leistung (konst. / max.): 45 kw / 65 kw (87 PS) Max. Drehmoment: 210 Nm Wasserstoff (350 bar) 170 km (NEDC) 140 km/h [km] Größe - 40% [l/100km Leistung +30% Antrieb Kraftstoff Reichweite Höchstgeschw. Permanenterregte Synchron-Motor Leistung (konst. / max.): 70 kw / 100 kw (136 PS) Max. Drehmoment: 290 Nm Wasserstoff (700 bar) ca. 400 km (NEFZ) 170 km/h [kw] Batterie NiMh, Leistung (min.): 20 kw (27 PS); Kapazität: 6 Ah, 1.2 kwh Batterie Li-Ion, Leistung (min.): 24 kw / 30 kw (40 PS); Kapazität 6.8 Ah, 1.4 kwh 7

8 Mercedes-Benz F-CELL World Drive Tage 14 Länder Über km 4 Kontinente Konvoi mit 24 Fahrzeugen 2 Tank-Stopps am Tag Längste Etappe: 330km mit einer Tankfüllung Erste Weltumrundung mit Brennstoffzellenfahrzeugen. Mit dem F-CELL World Drive demonstriert Mercedes-Benz (MB) die technische Reife und Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellentechnologie und zeigt deren Potenziale für eine nachhaltige Mobilität auf. Die B-Klasse F-CELL steht bei MB stellvertretend für die Neuerfindung des Automobils. Die B-Klasse F-CELL ist voll alltagstauglich: sie ermöglicht eine große lokal emissionsfreie Reichweite in Kombination mit kurzer Betankungszeit. Mit dem F-CELL World Drive appelliert MB an alle Beteiligten, den Ausbau der Wasserstoff-Infrastruktur zu forcieren. 8

9 Die Zukunft der Brennstoffzellentechnologie Das Mercedes-Benz Forschungsfahrzeug F 125! zeigt das Potential der Brennstoffzellentechnologie Durch eine weitere Modularisierung der BZ-spezifischen Komponenten wird das Packaging zukünftiger Generationen von BZ-Fzgen vereinfacht The fuel-cell system can be placed in fully below the front hood 1,000 km emission-free driving Future generation hydrogen storage- and battery technology Packaging Konzept Li-Ion Batterie Elektromotor Brennstoffzelle Wasserstofftanks Heute in Zukunft 9

10 Technischer Aufbau einer Wasserstofftankstelle Aktueller technischer Stand der Wasserstoff-Tankstellen: Vorkühlung auf -40 Celsius Abgabedruck Wasserstoff 350 und 700 bar Infrarot-Schnittstelle zur Datenkommunikation Standard: SAE J2601, SAE J2799 Betankungszeit: ca. 3 Minuten für die B-Klasse F-CELL (ca. 4 kg Wasserstoff) Modularisierter Aufbau / skalierbar 10

11 Initiative H 2 -Mobility Deutschland als Vorreiter in Europa für die Wasserstoff-Infrastruktur Eine starke Partnerschaft motivierter Teilnehmer Deutschland als Vorreiter in Europa Deutsche Initiative H 2 -Mobility Führende Industrieunternehmen wollen einen Aufbauplan für eine flächendeckende Wasserstoffinfrastruktur Bedeutende Ausweitung des Wasserstofftankstellen-Netzwerkes Wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu emissionsfreier Mobilität Durchführung der Maßnahmen in zwei Phasen Phase 1: Entwicklung eines Business Plans und Joint Venture Verhandlungen. Das Ziel ist ein Aufbauplan für eine flächendeckende Wasserstoff-Infrastruktur. Phase 2: Gründung eines Konsortiums und Aktionsplans für den Aufbau eines Wasserstofftankstellen-Netzwerks Involvierte Firmen und Organisationen 11

12 Daimlers Entwicklungs-Historie von Batteriefahrzeugen Konzept- und Machbarkeitstudien Flottentests Kleinserie Serie Personenkraftwagen A-Klasse E-CELL W123 T-Modell W er W202 C-Klasse Vision A93 W168 A-Klasse smart ev Concept smart ev 1. Gen. smart ev 2. Gen. smart ev 3. Gen LE 306 electro transporter BR 307E Elektrotransporter BR 308 MB100 Sprinter MB 410E Vito 108E T1 308E Transporter Vito W639 12

13 e-mobility Berlin-Hamburg A-Klasse E-CELL Das weltweit größte Gemeinschaftsprojekt für klimafreundliches Fahren mit Elektroautos 200 Elektrofahrzeugen der Marken Mercedes-Benz und smart im Einsatz Wichtiger Meilenstein zur Erlangung von serienfähigen Batteriefahrzeugen Analyse des Kundennutzungsverhalten, des Fahrzeugs, der Infrastruktur, der Kommunikation und der Abrechnung smart electric drive Phase 2 Technische Daten Fahrzeug smart fortwo electric drive A-Klasse E-CELL Motor Leistung: 30 kw (41 PS) Max. Drehmoment: 120 Nm Reichweite 135 km 255 km Geschwindigkeit 100 km/h (begrenzt) 150 km/h Leistung: 70kW (95 PS) Max. Drehmoment: 290 Nm Batterie Li-Ion, Kapazität: 16,5 kwh Li-Ion, Kapazität: 35,5 kwh Daimler vertreibt ab 2012 mit der Markteinführung des smart fortwo electric drive der dritten Generation Elektrofahrzeuge mit Batterie kommerziell 13

14 Flottenerprobung des Elektro-Vitos bei ausgewählten Kunden ab 2010 Technische Daten Auslieferung von über 100 Vito E-CELL an 20 Kunden (Firmenkunden und öffentliche Institutionen) im Laufe des Jahres 2010 Einsatzgebiet: Innerstädtischer Lieferverkehr mit maximal 80 Kilometer Fahrleistung pro Tag Keine Einschränkungen des Innenraums Planung von weiteren 2000 Vito E-CELL im nächsten Schritt Fahrzeug Motor Höchstgeschw. Reichweite Lebensdauer Batterie Vito E-CELL Leistung: max. 90 kw (122 PS) Max. Drehmoment: 280 Nm 80 km/h (begrenzt) 130 km (NEFZ) 4 Jahre Kapazität: 16 Ah, 32 kwh 14

15 Weltweiter Flottenbetrieb mit Daimler Batteriefahrzeugen Weltweiter Flottenbetrieb in verschiedenen Demonstrationsprojekten in Nordamerika, Europa und Asien seit 2010 Einsatz von 2000 smart fortwo electric drive, 500 Mercedes-Benz A-Klasse E-CELLs und 450 Vito E-CELL Ab 2012 wird der smart fortwo electric drive (der dritten Generation) das erste kommerziell vertriebene Elektrofahrzeug von Daimler sein smart ed (Phase 2) A-Klasse E-CELL Technische Daten Fahrzeug smart fortwo electric drive (Phase 2) A-Klasse E-CELL Vito E-CELL Motor Output: 30 kw (41 PS) Drehmoment: 120 Nm Output: 70kW (95 PS) Drehmoment : 290 Nm Output: 90 kw (122 PS) Drehmoment : 280 Nm Reichweite 135 km 255 km 130 km Höchstgeschw. 100 km/h (limited) 150 km/h 80 km/h (limited) Vito E-CELL Batterie Lithium-Ionen-Batterie, Kapazität: 16,5 kwh Lithium-Ionen-Batterie, Kapazität : 35,5 kwh Lithium-Ionen-Batterie, Kapazität : 32 kwh Daimler hat das Ziel Elektrofahrzeuge in absehbarer Zeit kommerziell zu vertreiben 15

16 Ladeinfrastruktur Ladung Ein- oder Dreiphasig Ladeleistung bis 43 kw Verschiedene Steckerstandards in USA und Europa zu erwarten Kommunikation: Erdung und Ladeleistungsbegrenzung durch Pulsweitenmodulation Kosten pro Ladestation in der Anfangsphase etwa Ladezeiten (ca. 30 kw): - zu Hause (1-phasig / 7 kw): ca. 6 Stunden - öffentl. Ladestationen (3-phasig / 22 kw): 2-3 Stunden - öffentl. Ladestationen (3-phasig / 43 kw): ca. 1,5 Stunden 16

17 Modulstrategie als Voraussetzung für Wirtschaftlichkeit smart electric drive 1x Hochenergie-Batterie 16,5 kwh / 30 kw Onboard-Ladegerät 3,3 kw 2x A-Klasse E-CELL Weitere Gleichteile Hauptkühler Citaro FuelCELL-Hybrid 1x Integrierter Antriebsstrang (IPT) E-Motor, Getriebe, Leistungselektronik 100 kw / 290 Nm Kühlpumpe 2x BZS Brennstoffzellensystem (BZS) 80 kw 1x B-Klasse F-CELL Klimakompressor Wasserstoff-Tanksystem Größenanpassung (4kg / 35kg) 17

18 Eigenschaften der Batterie- und BZ-Fahrzeuge Batteriefahrzeuge Brennstoffzellenfahrzeuge Gemeinsame Stärken Nutzungsprofil Lokal emissionsfreies Stadtfahrzeug mit sehr niedrigen Betriebskosten und ausreichenden Fahrleistungen Reduzierung von Treibhausgasen durch null Emissionen Fahrzeuge Effiziente Nutzung von Energie Unabhängigkeit von Erdöl Geringe steuerliche Belastung Sehr niedrige Betriebskosten Dynamik und Komfort mit dem Elektroantrieb Geringe Geräuschentwicklung Nutzungsprofil Lokal emissionsfreies Fahrzeug mit hoher Ladekapazität, großer Reich-weite und guten Fahrleistungen Beste Energieeffizienz und geringsten Emissionen aller Antriebsmethoden Lange Ladezeiten Hohe Batteriekosten Lebensdauer und Kapazität der Batterie Ladeinfrastruktur nicht vorhanden Stärken Heraus-forderungen Kurze Betankungszeiten und hohe Reichweite Brennstoffzellenantrieb auch für größere PKW und Nutzfahrzeuge anwendbar Hohe Komponentenkosten Lebensdauer Brennstoffzelle Umweltfreundliche Herstellung von Wasserstoff H2-Infrastruktur noch nicht vorhanden Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeuge ergänzen sich in ihren Eigenschaftsprofilen und erfüllen dadurch sämtliche Mobilitätsanforderungen 18

19 Überblick E-Drive Varianten Masse and Volumen des Antriebsstrangs für eine Reichweite von 500km 1) Diesel Plug-In Hybrid BEV 2) FCV 3) Packaging Energiespeicherung (Art + Gewicht) Tank 45 kg Tank, Batterie (14,6 kwh) E-Range 70 km 180 kg Batterie (100kWh) 830 kg E-Range 500 km H 2 -Tank, Batterie (1,4 kwh) E-Range 2-5 km 131 kg Energieübertragung (Art + Gewicht) ICE Transmission 215 kg E-Motor, Getriebe, Konverter ICE, Generator, Konverter 275 kg E-Motor, Getriebe, Konverter 147 kg E-Motor, Getriebe, Konverter, HV DC/DC FC System 276 kg Gewicht Antriebsstrang (AS) 260 kg 455 kg 977 kg 407 kg Volumen AS 125 l 319 l 760 l 480 l Aus Gewichtsgründen können BEVs mit einer Reichweite von 500 km nicht realisiert werden 1) B-Klasse in NEDC 2) BEV: Battery Electric Vehicle 3) FCV: Fuel Cell Vehicle 19

20 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 20