Eine ganzheitliche elektrische Antriebsstranglösung für Elektrofahrzeuge

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1 5. Int. Kongress für Elektro- und Hybrid-Mobilität München, 16. Oktober 2013 Eine ganzheitliche elektrische Antriebsstranglösung für Elektrofahrzeuge 1

2 Philosophie Ganzheitlicher Ansatz statt Baukasten aus gerade am Markt verfügbaren Komponenten! Welche Funktionalität wird tatsächlich benötigt? Wie lässt sich diese im Rahmen eines Gesamtsystemansatzes am effizientesten und kostengünstigsten umsetzen? Wie lassen sich Synergieeffekte (z.b. durch Mehrfachnutzung einzelner Systemkomponenten) erschließen? und dabei aktuelle Mainstream -Ansätze auch mal hinterfragen 2

3 Basisfahrzeug Artega GT 1) Gitterrohrrahmen erlaubt einfache Chassis-Modifikationen Leichtes Aluminium-Spaceframe (100 kg) Attraktives Design Beengte Platzverhältnisse als Herausforderung für Systemintegration: Wenn s da reinpasst, ist die Lösung für jeden anderen Fahrzeugtyp auch geeignet! 1) kein Fraunhofer FRECC0 3

4 Fahrzeugarchitektur Kontaktloses Laden Smart Battery System AC AC Antriebseinheit Minimierung der Systemkomplexität durch intelligente Zentralkomponenten: Intelligente Antriebseinheit Intelligentes Batteriesystem AC-Laden + -Schnellladen 4

5 Antriebsarchitektur Einzelrad-Zentralantrieb Flexible Skalierbarkeit bzgl. Leistung und Drehmoment 1) Entspannte Umgebungsbedingungen 1) Kein mechanisches Differential Freies Torque-vectoring Leistungselektronik für Einzelradantrieb in integrierter Form nur unwesentlich teurer als für eine Zentralmaschine bei gleicher Gesamtleistung 1) insbesondere gegenüber Radnabenmotoren 5

6 Antriebseinheit Ziele Hoher Wirkungsgrad in den Fahrzyklustypischen Kennfeldbereichen Hohe Momenten- und Leistungsdichte Integrierte Leistungselektronik (modular und skalierbar) Lösungsansatz Maßgeschneiderte PM-Synchron-Maschinen (2x 30(80) kw, 2x 800(2.000) Nm) Max.-drehzahl: /min; Übersetzung: 7:1 -Versorgung: 400 Volt; 160(550) A Wirkungsgrad 1) : > 90% Intelligente Umrichterbausteine an Stelle klassischer Umrichtertechnik 1) Antrieb incl. Umrichter und Getriebe 6

7 Architekturen und Systemtechnik für Elektromobilität Systemintegration Modularer Umrichter aus»smart Inverter Building Blocks«Inverter Building Block Inverter Building Block Building Block Konzept Leistungshalbleiter integriert Zwischenkreiskondensator 1) integriert Ansteuerelektronik integriert Stromsensor integriert Direktgekühlte Pin-fin Bodenplatte Mehr als nur ein Leistungsmodul! Vorteile Vereinfachtes Systemdesign durch unkritische Leistungs-, Signal- und Entwärmungsschnittstellen Standardisierbar (economies of scales) 1) 110 µf / 450 Volt, PP-Film 7

8 System CAN E-Drive Bus Datenbus Zellüberwachung und Ladungsausgleich Zellenstack Eine ganzheitliche elektrische Antriebsstranglösung für Elektrofahrzeuge Intelligentes Batteriesystem Manueller Servicestecker Hauptschalter Traktionsspannungswandler Zwischenkreisvor- und entladung I bat, V bat, T Zellenheizung Aux-Relais S-Bat CAN CAN isolation AC 14V Bordnetz 1) AC Laden + Schnellladen Batterie Management System (BMS) Kühlsystem, thermisches Management Kühlmedium Elektrische Isolation Elektr. Isolationsüberwachung Thermische Isolation E-Car Controller Fahrzeugkontur 1) Mobile Netzsteckdose 8

9 Elektrische Isolation Thermische Isolation Zellüberwachung Batterie Management (BMS) Eine ganzheitliche elektrische Antriebsstranglösung für Elektrofahrzeuge Intelligentes Batteriesystem Ziele Reduzierung von Kosten, Bauvolumen und Gesamtgewicht auf Systemebene Einsparung an passsiven Komponenten (EMV-Filter, Zwischenkreiskondensatoren, ) Erhöhte Funktionalität gegenüber Einzelkomponenten 1) Effektives thermisches Management (incl. Abwärmenutzung und Vorkonditionierung) Integration umfassender Sicherheits-, Schutzund Diagnosefunktionen HV-/-Wandler Einsparung an Cu-Gewicht im HV-Kabelbaum Erhöhung des Antriebswirkungsgrads Unterstützung verteilter Batteriesysteme Einsparung eines -Schnellladegeräts(!) HV Bordnetz Schnellladen 14 V Bordnetz AC Netz Smart Battery System 160 kw 3 kw CAN isolation 3 kw AC Kostenreduzierung durch Systemintegration Kühlmedium CAN 1) z.b. kein Dead-lock ohne 14V Batterie 9

10 14V Bordnetzversorgung Extrem kompakt Hoch effizient (auch im Ladebetrieb) vernachlässigbarer Einfluß auf Batterievolumen einfache Kühlung, hohe Lebensdauer 2,5 kw Hauptwandler Bordnetz-Spannungswandler (3 kw) Zwei parallele Wandler (2,5 + 0,5 kw) für höchsten Teillastwirkungsgrad Wirkungsgrad: >92% (3 120 A) Spitzenwirkungsgrad: 96% Leistungsdichte: 10 kw/dm³ Eingangsspannungsbereich: V Volldigitale Regelung, CAN-Interface 500 W Hilfswandler 10

11 Intelligentes Batteriesystem Platzierung im crashgeschützten Fahrzeugbereich Einfacher Ein-/Ausbau (in/aus Fahrzeug) Integrierte, hermetisch getrennte Wasserkühlung Spannungswandler, Ladegerät(e), Sicherheitstechnik integriert Parallelschaltbar (unterstützt verteilte Batteriesysteme) Batteriemodul Zellen: Kokam (NMC), 12 in Serie Volumen: 11,7 dm³ Gewicht: 16 kg Energieinhalt: 1,8 kwh 11

12 Fahrzeugintegration 12

13 (ungeregelte) Gleichspannung Eine ganzheitliche elektrische Antriebsstranglösung für Elektrofahrzeuge -Schnellladen ohne Schnellladegerät Die Nebennutzung des HV-/-Wandlers minimiert Systemkosten und Zusatzgewicht im Fahrzeug (kein explizites Schnellladegerät erforderlich), erlaubt präzises individuelles Lademanagement im Fahrzeug (vorteilhaft bzgl. Haftungsfragen, IP-Schutz, etc.), ermöglicht besonders kostengünstige Schnellladepunkte (erhebliche Systemkostenreduzierung insbesondere bei hoher Anzahl an Ladepunkten (Parkhäuser, Großparkplätze, etc.)). Zentraler Netzgleichrichter 13

14 Das Tankszenario von heute für die Autos von morgen? Schnellladepunkte das heißt: täglicher Zeitverlust für s Anfahren, hohe Energiekosten 1) und eine teure, aufwändige Batteriekühlung nur für den Ladebetrieb, deutliche Einbußen an Batterielebensdauer, insbesondere bei Schockladen 2), Inkompatibilität zu nahezu allen Netzdienstleistungen (V2G), immenser, kaum refinanzierbarer Investitionsaufwand für die letzte Netzmeile, für Netz- und Ladeinfrastruktur. Schnellladen wird eine Nischenanwendung bleiben! 3) Warum neuen Wein in alte Schläuche...? Tanken neu denken! 1) der Ladewirkungsgrad sinkt mit steigendem Ladestrom erheblich 2) mit größer 6C, d.h. für < 10 min. Vollladezeit 3) z.b. für Autobahnrastplätze oder als Notretter 14

15 Tanken neu denken! Der Schlüssel: ein ubiquitärer Netzzugang zu Hause beim Einkaufen am Arbeitsplatz Vorteile Minimale Infrastrukturkosten 1) Maximierung von Ladewirkungsgrad und Batterielebensdauer Möglichkeit zur Vorkonditionierung von Fahrzeugbatterie und -innenraum Umfangreiche Netzdienstleistungen realisierbar (V2G) 1) intelligente 230V-Steckdose genügt besser Fraunhofer IISB Inductive Charging System 15

16 Laden über Kabel? Im Alltag keine wirkliche Option! Ausgesprochen unkomfortables Handling bei Nässe Kälte Dunkelheit Kurzzeitparkstops Anfällig gegen Vandalismus und Diebstahl Stolperfalle (Haftungsrisiko) 16

17 Kontaktloses Laden Platzierungsoption Unterboden Pick-up Batterie Primärspule Pick-up Batterie Primärspule Fahrzeugseitige Adaption des Pick-up Erhebliche Fahrzeug-Zusatzkosten Hohe Beschädigungs- und Korrosionsgefahr für die Positioniermechanik Einschränkungen im Unterbodendesign Fahrbahnseitige Adaption des Pick-up Sehr hohe Infrastrukturkosten Kritisch gegenüber Witterungseinfüssen (Vereisung, Überflutung) Mech. Belastungen (z.b. Überfahren mit LKW) Ohne Adaption: Nicht für alle Fahrzeugtypen, Sicherheitsprobleme, Dimensionen des Spulensystems 17

18 Kontaktloses Laden Fraunhofer IISB Inductive Charging Concept Orthogonaler Spulensatz im Bereich des Frontkennzeichens und am Parkplatz Nur sich gegenüberliegende Spulen sind aktiv Parkassistent für automatisierte Endannäherung des Fahrzeugs auf Wandkontakt Vorteile Höchste Toleranz gegenüber unterschiedlichen Fahrzeughöhen und seitlicher Fehlplatzierung Keinerlei bewegliche, verschleißbehaftete Teile Kein zugänglicher Luftspalt, geringes magnetisches Streufeld Geringes Zusatzgewicht Hoher Energieübertragungswirkungsgrad Niedrige Systemkosten 18

19 Kontaktloses Laden Technische Daten Pick-up: 9 Spulen 1) Übertragungsleistung: 3 kw Frequenz: ca. 100 khz Wirkungsgrad: 93% 1) für 1-zeiliges Eurokennzeichen (520 x 110 mm 2 ) 19

20 Kontaktloses Laden muß nicht teuer sein! Beispiele Low-cost Induktionskochfelder, Reiskocher Anschluß: 230 V AC Leistung: Watt Endverkaufspreis: ab 30,- Euro 1) Bildquelle: LIDL Kontaktloser Ladepunkt Einsparung teuerer Elektromechanik (2x Ladestecker und -steckdose, Ladekabel, ) In Großserie werden kontaktlose Ladepunkte zu vergleichbaren Kosten wie konventionelle Ladepunkte realisierbar sein! 1) z.b. Angebot LIDL, September 2013: Euro 32,99 20

21 5. Int. Kongress für Elektro- und Hybrid-Mobilität München, 16. Oktober % Fraunhofer IISB ecar-technologie inside Ihr kompetenter Partner in allen Fragen der Leistungselektronik und Fahrzeugintegration Dr.-Ing. Bernd Eckardt Schottkystrasse 10, Erlangen Tel.: 09131/