Stand und Perspektiven bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen - Elektromobilität - das Fahrzeug neu denken

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Lothar Acker
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1 Stand und Perspektiven bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen - oder Elektromobilität - das Fahrzeug neu denken 1

2 1. Geschichtlicher Hintergrund 2. Forderungen an Elektroautomobile 3. Akkumulatoren Übersicht der Systeme 4. Anwendungen Fahrzeuge 5. Weitere Entwicklung Elektroauto-Hype IAA2009 2

3 1. Geschichtlicher Hintergrund 1886 Erstes Auto mit VKM (Carl Benz) 1886 Erstes Auto mit Batterie (in London) zuvor : Oberleitungsbus in Königstein (Sachsen) (ca. 1880) 1899: Camille Jenatzy im Rekordelektroauto La Jamais Contente (Geschwindigkeitsrekord betrug 105 km/h)

4 1900 Um Jahrhundertwende mehr E-Autos als VKM (Otto)-Autos: da leise und ohne Hilfskräfte zu bedienen (Anlasser erst ab 1915) Lohner-Porsche 1903 E-Auto wird in Frankreich Rennsieger, dann Siegeszug der VKM(Otto und später Diesel) größere Reichweite, lange Ladedauer bei Batterien hohe Kosten für Batterien 4

E-Auto wird in Frankreich Rennsieger, dann Siegeszug der VKM(Otto und später

5 Entwicklung / Auslöser zum Elektro- und Hybridautomobil: 1. Schritt: Ölkrise 1974 (OPEC) Alternative Antriebsquellen, Autobahnen frei 2. Schritt: Umweltforderungen 80/90er Schadstoffe senken, CO 2 -Minimierung, am Ort abgasfrei und lärmarm 3. Schritt: 2008/09 Preisentwicklung / Resorcenverknappung 1 Barrel Öl: ca. 170 $ Alternative Antriebssysteme (Elektrosysteme / Akkus) Problematik Fahrzeugbestand: Deutschland 2005: 45 Mio. Automobile USA: 700 Autos auf 1000 Einwohner.Autos

Schritt: Umweltforderungen 80/90er Schadstoffe senken, CO 2 -Minimierung, am Ort abgasfrei und lärmarm 3.

6 2. Forderungen an Elektroautomobile Umweltforderungen Gesetzgebung in Kalifornien 1996 Impulse für emissionsfreie Fahrzeuge LEV: Low Emission Vehicle CARB: California Air Resources Board mit AQMP: Air Quality Management Plan U LEV: Ultra Low Emission Vehicle ZEV: Zero Emission Vehicle E-Fahrzeuge: GM: EV 1 (Plan ab % später 10% aller Fahrzeuge eines Herstellers)

Resources Board mit AQMP: Air Quality Management Plan U LEV: Ultra Low Emission Vehicle ZEV:

7 % V. Ungarisch-Sächsischer Wirtschaftstag Fahraufkommen und Fahrleistung Fahraufkommen Fahrleistung km 70% aller Fahrten liegen unter 10 km dabei werden 20% aller km bewältigt Fahraufkommen Fahrleistung Energiebedarf: 0,14 Wh/km kg d.h. 14 kwh/100km bei 1000kg Fzg.

km 70% aller Fahrten liegen unter 10 km dabei werden 20% aller km bewältigt

8 Fahrzeugtechnische Anforderungen an Batteriesysteme Spannungsbereich 100 V historisch 400 V gegenwärtige Ausführungen Lebensdauer 10 Jahre bzw km, geringere Werte: Wartungsrelevanz Thermische Anforderungen ISO : Straßenfahrzeuge Umgebungsbedingungen und Prüfung von elektrischer und elektronischer Ausrüstung - Auslegung der Elektrik für -40 C.85 C 8

000 km, geringere Werte: Wartungsrelevanz Thermische Anforderungen ISO 16750-4:

9 Mechanische Anforderungen ISO : Auslegung gegenüber Stößen und Schwingungen Prüfung auf Shakern DIN VDE : Batteriegehäuse, Sicherheitsanforderungen an LIA EMV DIN : EMV in Straßenfahrzeugen 2005/49/EG: EMV von Kraftfahrzeugen, zul. Grenzwerte bei Störaussendung und äußere Strahlung 9

Sicherheitsanforderungen an LIA EMV DIN 40839-1: EMV in Straßenfahrzeugen

10 Chemische Anforderungen / Dichtigkeit ISO : Straßenfahrzeuge Umgebungsbedingungen und Prüfung von elektrischer und elektronischer Ausrüstung Chemische Beanspruchung DIN und DIN : Abdichtung und IP-Schutzklassen Elektrische Sicherheit / Isolation DIN VDE und DIN VDE 0100: Schutz gegen elektrischen Schlag / Schutzklassen ECE-R 100: Einheitliche Bedingungen für die Genehmigung der batteriebetriebenen Elektrofahrzeuge hinsichtlich der besonderen Anforderungen an Bauweise und Betriebsicherheit 10

Sicherheit / Isolation DIN VDE 0510-11 und DIN VDE 0100: Schutz gegen elektrischen Schlag / Schutzklassen ECE-R 100: Einheitliche

11 Personenschutz DIN : Elektrisch angetriebene Straßenfahrzeuge Besondere Festlegungen für die Sicherheit: Bordeigene Energiespeicher / Austritt von Gasen / Elektrolytaustritt Anforderungen an Umweltschutz RoHS: Restriction of Hazardous Substances 2002/95/EG WEEE: Waste Electrical and Electronic Equipment 2002/96/EG Europäische Altautorichtlinie 2000/53/EG 11

Anforderungen an Umweltschutz RoHS: Restriction of Hazardous Substances 2002/95/EG WEEE:

12 3. Akkumulatoren Übersicht der Systeme System Blei/ Säure Nickel/ Cadmium Nickel/ Me- Hydrid Natrium/ Schwefel Na/ NiCl 2 Zebra Li/ FeS LAIS Zn/ Br Li-Ion 2 positive Elektr. PbO 2 NiOOH NiOOH S NiCl 2 FeS Br (gelöst) LixHnO2 3 negative Elektr. Pb Cd H 2 Na Na Li (Al) Zn Li x C 4 Elektrolyt verdünnte H2So4 verdünnte KOH verdünnte KOH ß-Al2O3 ß-Al 2 O 3 NaAlCl 4 LiF, LiCl, LiBr, KX, MgO ZnBr + Polybrom Komplex organisch 5 Betriebstemperatur C -10 bis bis bis bis 70 Raumtemp. 6 Ruhespannung / V 2 1,3 1,3 2,1 2,58 1,35 1,82 3,6 7 Speicherfähigkeit Wh/kg Theorie > 450 Praxis 20 bis bis bis bis bis bis Energiedichte Wh/l in der Praxis 60 bis bis bis bis bis bis

Pb Cd H 2 Na Na Li (Al) Zn Li x C 4 Elektrolyt verdünnte H2So4 verdünnte KOH verdünnte KOH ß-Al2O3 ß-Al 2 O 3 NaAlCl 4 LiF, LiCl, LiBr, KX, MgO ZnBr + Polybrom Komplex organisch 5 Betriebstemperatur

13 Speicherfähigkeit Akku-Systeme : Kraftstofftank theoretische Energiedichte praktische Energiedichte in Wh/kg Blei NiCd NiMH ZEBRA Li-Ion Kraftst.-Tank

14 Energiedichte Ragone-Diagramm

15 4. Anwendungen Fahrzeuge Smart fortwo London-Versuch 2007 Zebra - Akku von Mes-Dea Kapazität 15,5 kwh Vmax = 120 km/h Reichweite 112 km Leistung = 30 kw Gewicht =929 kg Lebensdauer Akku: km

16 ZEBRA x -Batterie x: Zero Emission Battery Research Aktivity bzw Zeolite Battery Rsearch Africa Projekt (J. Coetzer) 1: Stahlgehäuse 2: neg. Elektrode: Natrium 3: Festelektrolyte 4: Schmelzelektrolyte NaAlCl 4 5: Nickel-Ableitkontakt 6: Positive Elektrode Nickelclorid/Nickel

17 Funktionsweise ZEBRA Prinzip Laden ZEBRA Prinzip Entladen ZEBRA

18 BMW Mini E Flottenversuch Berlin 2009 Li-Ionenbatterie Kalifornien (A123 ) Kapazität: 35 kwh Reichweite 240 km Vmax = 152 km/h Leistung = 150 kw Gewicht =1456 kg Ausstattung:nur 2 Sitzer Drehmoment = 220 Nm

19 Lithium-Ionen-Akkumulator - Funktionsprinzip Separator aus..separion (Evonik) 19

20 Smart fortwo Berlin-Versuch 2009 Zellenaufbau HEI 40 High Energy Zelle

21 Kennlinien Li-Ionenakkus /Li-Tec

22 Li-Ionen Sony Typ18650 Tesla Roadster Kapazität 43 kwh Vmax : 200 km/h Reichweite :390 km Leistung : 185 kw Gewicht :1238 kg Drehmoment : 375 Nm Ende 2009 / Stück 22

23 RUF- Porsche Li-Ionen (Axeon) 96 Zellen (je 5,6kg) Kapazität 51 kwh Reichweite 250 km Vmax 250 km/h Leistung 150 kw Gewicht 1637 kg Drehmoment 650 Nm Ende

24 Chevrolet Volt GM 2008 Ampera Opel D ab 2010 Li-Ionenbatterie A123 Reichweite 55 km rein elektrisch 1,3 Liter Dieselmotor Generator mit 53 kw Spitzenleistung Elektromotor 120 kw. 24

25 Mitsubishi - i MiEV Li-Ionenbatterie Reichweite 144 km Kapazität 16 kwh Vmax 130 km/h Leistung 47 kw Gewicht 1080 kg Ausstattung 4 Sitzer Ende 2010 /

26 Trabant nt - Studie Reichweite 160 km Vmax: 130 km/h Leistung : 47 kw Gewicht :1050 kg Ausstattung : 4 Sitzer 2012 (?)

27 5. Weitere Entwicklung Elektroauto-Hype IAA /10 Preisentwicklung / Resourcenverknappung 1 Barrel Öl: < 100 $ (s.o. 3. Schritt) Alternative Antriebssysteme (Elektrosysteme / Akkus) Bundesregierung fördert mit 500 Mio. 1. Hybridautos als Plug-In-Hybride (Steckdose aufladen z.b. Prius, Twin Drive) mit High-Power Zellen HPA 6: 6 Ah und 400 A bei 288 V 115 kw (150 PS) 2. Elektroautos zur Marktreife bringen mit High-Energy Zellen HEA 40: 40 Ah und 144 Wh/kg 1000 /kwh 3. Ganzheitliche territoriale Lösungen: Better place (Agassi)

28 Gründung des Forums Elektrische Mobilität am in Berlin Bündelung der Aktivitäten, denn bis zur breiten Elektrifizierung wird noch Zeit vergehen (Fehrenbach, Bosch): 2015 für Fahrzeuge der Golfklasse Batterie mit 8000 bis Investitionen Stromanschlüsse ca.7000 je Säule und 150 Wartung, bei täglich 3 Kunden und 1200 Jahresumsatz, d.h. Parkgebühr für Stellplatz ist höher als Energiekosten Zweitwagen in Berlin als E-Fahrzeuge steigern Elektroenergieverbrauch um 2 % Elektroautomobile als Zwischenspeicher für Energie werden interessant

29 Neues von der IAA Kittihawk

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 30

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