EDAG Elektromobilität. Technische Herausforderungen

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1 EDAG Elektromobilität Technische Herausforderungen

2 Agenda 1 2 Einstieg Elektromobilität - Warum spielt Elektromobilität eine Rolle? - Sichtweise der Energieversorger und Automobilindustrie Elektromobilität - Der Systemansatz 3 Herausforderungen Elektromobilität - Antriebstechnik - Energiespeichertechnik - Leistungselektronik 4 Zusammenfassung Folie 2

3 Rahmenbedingungen für zukünftige individuelle Mobilität Reduzierung Reduzierung von von CO2- CO2- Emissionen Emissionen EU EU 120g/km 120g/km (2012); (2012); USA USA 35mpg 35mpg (2020); (2020); Japan Japan g/km g/km (2015) (2015) Ausbau Ausbau Erneuerbare Erneuerbare Energien Energien Bundesregierung Bundesregierung Klimagipfel Klimagipfel Technischer Technischer Fortschritt Fortschritt Entwicklung Entwicklung von von Schlüsseltechnologien Schlüsseltechnologien Global Global Oil Oil Peak, Peak, Abhnängigkeit Abhnängigkeit vom vom Öl, Öl, steigende steigende Nachfrage Nachfrage in in BRIC BRIC Staaten Staaten Versorgungssicherheit, Versorgungssicherheit, Herausforderungen Herausforderungen an an Infrastruktur Infrastruktur durch durch Integration Integration erneuerbare erneuerbare Energien Energien Elektromobilität Verfügbarkeit Verfügbarkeit von von Öl, Öl, Öl Öl in in politisch politisch instabilen instabilen Regionen Regionen Steuerstaffelung, Steuerstaffelung, Zulassungsgebühren Zulassungsgebühren Urbanisierung, Urbanisierung, Feinstaubproblematik, Feinstaubproblematik, Einfahrbeschränkungen Einfahrbeschränkungen in in Städten Städten Folie 3

4 Marktbetrachtung Elektromobilität der Automobilhersteller Parallelhybrid S400 ML Hybrid E-Klasse Hybrid Honda Insight Lexus RX450 Plug-In Hybrid BYD f3dm Fisker Karma Toyota Prius S500 Plugin Serieller Hybrid Chevy Volt Opel Ampera E-Fahrzeug Tesla Roadster Focus BEV Nissan Leaf Smart ED Renault Fluence BYD e6 Mitsubishi imiev Project i VW e-up Audi A2 BMW City Fuel Cell Honda FCX Daimler Blue Zero Daimler F Quelle: offizielle Produktbilder, Des OEMs Folie 4

5 Auszug: derzeit verfügbarer e-fahrzeuge Fahrzeug/ Hersteller Kaufpreis Kosten vergleich- Bares Fahrzeug Batterietyp Batteriekapazität/ -leistung Verfügbarkeit Quelle: FhG IAO, eigene Darstellung Folie 5

7 Systemansatz Elektromobilität Anforderungen des des Kunden (Mobilitätsbedürfnis) Anforderungen der der Energieversorgung Anforderungen des des Energieverbrauchers (fahrzeugspezifisch) Folie 7

8 EDAG im Umfeld Elektromobilität Folie 8

10 Handlungsfelder in der Elektromobilität - Elektrotraktion E/E-Architektur E/E-Architektur Fahrzeugsicherheit Fahrzeugsicherheit Leistungselektronik Leistungselektronik Karosserie Karosserie Leichtbau Leichtbau Energiespeicher Energiespeicher Range Range Extender Extender Komfort Komfort E Antrieb Antrieb HMI HMI Energiemanagement Energiemanagement Test Test und und Validierung Validierung Folie 10

11 Elektrische Antriebe für Fahrzeuge Folie 11

12 Warum überhaupt Elektromotoren? Elektromotor Vorteile: Wirkungsgrad 95% Max. Moment bei 0 U/min Rückspeisefähig Weiter Drehzahlbereich Geräuscharm Vibrationsarm Hohe Lebensdauer Geringe Wartung Guter Teillastbereich Keine Abgase vor Ort Nachteile Problem: Mobile Energie Zusatzheizung notwendig Niedrige Kühltemperatur Verbrennungsmotor Vorteile: Mobile Energie verfügbar Ausreichend Heizwärme Hohe Kühltemperatur Nachteile: Wirkungsgrad nur ca. 42% Kein Moment bei 0 U/min Fehlende Rückspeisefähig Mäßiger Drehzahlbereich Mittlere Geräusche Hohe Vibrationen Mäßige Lebensdauer Regelmäßige Wartung Schlechter Teillastbereich Abgase vor Ort Quelle: Oswald Motoren Folie 12

13 Anordnung und Anforderungen für Einsatz im PKW Generelle Anforderungen: Kompakte Bauweise Geringes Gewicht (hohe Leistungsdichte Einfache Steuerbarkeit in einem weiten Drehzahl- und Drehmomentbereich Überlastfähigkeit Geringe Geräuschentwicklung Niedrige Kosten Geringer Wartungsbedarf Hohe Lebensdauer Gute Materialverfügbarkeit Gute Absicherung Geringe Beeinflussung bei Ausfall Anordnungsmöglichkeiten der E-Maschine im Fahrzeug: Quelle: Hofer Powertrain Folie 13

14 Überblick möglicher Antriebsmaschinen Think, Mini E Fazit Einsatz bei Komfort- Fuktionen möglich Sehr positive Eigenschaften Sehr positive Eigenschaften bereits weite Verbreitung Interessante Alternative geringer Entwicklungsstand Nicht großserienreif Quelle: IAO (2010) BWe mobil Folie 14

15 Rohstoffproblematik Seltene Erden Derzeit Abhängigkeit von China (97%) Knappheit an Seltenen Erden in ca. 5 Jahren beendet Entdeckung einer Lagerstätte bis zur Ausbeutung Die Abhängigkeit basiert nicht auf einem außergewöhnlichen Reichtum an Bodenschätzen, sondern wesentlich auf niedrigen Lohnkosten und geringen Umweltschutzkosten in China, sowie dem politisch-strategischen Willen der Regierung heimische Rohstoffe zu nutzen. An der kurzfristigen Abhängigkeit ändert das nichts. Quelle: FAZ, 31. Oktober 2010 Folie 15

16 Impulse für die Hochschulen Fokus auf die Weiterentwicklung der E-Maschine für den mobilen Einsatz Optimierung aus das Gesamtsystem Fahrzeug Hochintegration der einzelnen Komponenten: Motor Getriebe - Leistungselektronik Quelle: Wittenstein, Folie 16

17 Impulse für die Hochschulen Methodenkompetenz in den Berechnungsverfahren Qualifikation Interdisziplinäre Ansätze Folie 17

18 Energiespeicher Folie 18

19 Übersicht Speicher für elektrische Energie Folie 19

20 Übersicht Leistungsdaten Energiespeicher Typ Theoretische Zellspannung [V] Theoretische Energiedichte [Wh/kg] Praktische Energiedichte [Wh/kg] Praktische Leistungsdichte [W/kg] Zyklen Kosten [$/kwh] Ultracaps 2, >1 Mio. n.a. Blei-Säure NiMH 1, NaNiCl2 2, Li-Ion 3, >200 > Li-Luft 2,96 > n.a. n.a. Forschungsprojekte Zn-Luft (Primärzelle mit Aufwand auch Sekundärzelle) 1,65 n.a. 333 n.a ? Quelle: TU Berlin, IBM Research, DBM Energy Folie 20

21 Hybridkonzepte Energiespeichertechnik Hybridisierung Micro Hybrid Energiespeicher 0,5 1 kwh Leistung 2 kw Anwendungen Start/Stop Automatik Regeneratives Bremsen zeitl. Abschaltung Nebenaggregate Mild Hybrid Full Hybrid Full HEV 1 kwh 1 2 kwh 5 20 kw kw Start/Stop Automatik Regeneratives Bremsen Unterstützung Beschleunigung zeitl. Abschaltung Nebenaggregate Start/Stop Automatik Regeneratives Bremsen elektrisch Fahren Plug-in Hybrid PHEV E-Fahrzeug BEV 3 12 kwh kwh kw kw Start/Stop Automatik Regeneratives Bremsen elektrisch Fahren Extern Laden Regeneratives Bremsen elektrisch Fahren 100% emissionsfrei (lokal) Folie 21

22 Gesamtaufbau Zelle Modul Batteriesystem Zellen Modul Batterie-Pack Zellmantel/ Gehäuse/ Folie Kontaktierung Ableiter Elektrische Isolation Separator Elektrodenmaterial Integration der Komponenen Thermodynamische Simulation Thermisches Management innerhalb Zelle, Auslegung der Wärmesenken Ventile Thermisches Management des Moduls Kühlkomponenten Kühl- bzw. Verdampferplatte, Kühlbleche Belüftungskomponenten Kontaktierung Wärmeleitung zwischen Zellen Wärmeleitung im Modul Zellverbund Rahmen Isolation Schaltung Batteriemodul Fahrzeugkühlsystem Kühlkreisauslegung, Pumpen Verdampfer, Rückkühler Wärmeträgerflüssigkeit Packaging Ansteuerung/Kommunikation mit Fahrzeugelektronik Batteriemanagementsystem Zellspannungsüberwachung Hochvoltanschluss Kältemittelanschluss Folie 22

23 Batterie im Gesamtsystem Fahrzeug Batterie: 2 baugleiche Batterien à 9 Modulen bestehend aus je 90 Rundzellen (=>180 Zellen) Der Batterieboden schließt den Bauraum unter dem Hauptboden => steifer Sandwichboden Zellen: Lithium Eisen Phosphat (3,2V; 38Ah; 122Wh) alternativ: Lithium Polymer; Faktor 1,6 Niedriger Innenwiderstand => geringe Wärmeleistung, geringer Kühlaufwand Masse 380 kg Kapazität 22 kwh, Reichweite ca. 135 km Hauptboden Batteriemodul Schweller Batterieboden Folie 23 Prinzipschnitt Sandwichboden

24 Rohstoffproblematik Lithium Folie 24

25 Impulse für die Hochschulen - Energiespeicher Grundlagenforschung bei elektrischen Energiespeichern für den stationären und mobilen Einsatz Gesamtsystembetrachtung: Entwicklung - Verwendung Second Life - Recycling Folie 25

26 Leistungselektronik Folie 26

27 Anforderungen an das intelligente Laden von E-Fahrzeugen Energieversorgung Nutzer Fahrzeug Folie 27

28 Intelligentes automotive On-Board Ladegerät 10 kw Anforderungen Automotive Ladegerät mit geringen Abmessungen und Gewicht Unterstützung der bestehenden Standards für die Energie- (Wechselstrom) und Kommunikationsschnittstelle weltweit Modulares System für 1- bis 3-phasigen Betrieb (Applizierung 3,3 kw; 10 kw; 22 kw) Integrierte Intelligenz / Kommunikation zur Anforderungsvernetzung zwischen Energieversorgung, Fahrzeug und Nutzer (automatisierte Legitimation, Auswahl von individuellen Tarifen, Batterieschutz, geregelte Energiezufuhr) Ausfalltolerantes und sicheres System Anbindung an die Fahrzeugarchitektur unter Berücksichtigung der Vorgaben des Fahrzeugherstellers Schnittstelle für 3rd Party- Dienste Folie 28

30 Elektrofahrzeuge im Purpose Design LightCar Open Source Genf 2009 LightCar Open Source Genf 2010 Vision urbaner Mobilität im Jahr 2025 Konzept urbaner Mobilität im Jahr 2012 Kompromisslose Leichtbau-Konstruktion, bestehend aus faserverstärkten Strukturelementen Skalierbare und kosteneffiziente Plattform, Verwendung innovativer Metall- und KunststoffTechnologien Folie 30

31 Innovationen und Produkte Induktives Laden Induktives Laden Alle Vorteile des kabelgebundenen Ladens - zusätzlich mehr Komfort, da kein manueller Eingriff erforderlich Optimierung der fahrzeugseitigen leistungselektronischen Komponenten auf das neue (induktive) Ladekonzept Nutzung von Bauteilsynergien Beachtung aller gesetzlicher Anforderungen für kabellose Systeme Folie 31

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Folie 32