Fit für die E-Mobilität? Teil 1: Markt- und Technologieüberblick E-Fahrzeug Gummersbach, 25. Mai 2011
Institut für Fahrzeugtechnik der FH Köln Profil Struktur der Themenfelder des Instituts 850 Studenten Bachelor Master 20 Professoren 30 wiss. Mitarbeiter Labore 4C CAD-CAM- Center Cologne Antriebstechnik und Kolbenmasch. Fahrzeug -systemtechnik Mechatronics Fzg-meßtechnik + Elektronk NVH.Lab Thermo und Fluiddynamik Fahrwerk und Simul.- technik Karosserieleichtbau Kooperationen mit internationalen Hochschulen Drittmittelforschung Industrieprojekte Weitere Arbeitsgebiete Fahrzeugsicherheit Virtuelle Produktentwicklung CAD/ CAE/ CAM Nutzfahrzeugtechnik Wertschöpfungsstrukturen Prozesskosten Simulation Geführte Verkehrsmittel Sachverständigenwesen
Trends Automobilindustrie Marktüberblick E-Mobilität Produktbeschreibung E-Fahrzeug Zulieferstruktur und -anteile E-Fahrzeug
Trends Automobilindustrie Fragestellung Ausgangssituation Die Automobilindustrie steht vor großen Veränderungen, die sowohl die Technik des Automobils als auch die Wertschöpfungsmodelle bei dessen Herstellung betreffen Diese Veränderungen werden sich auch auf die Zulieferindustrie auswirken Fragestellung Welche Anpassungen bzw. Veränderungen müssen bei den Zulieferfirmen vollzogen werden, um den Trends in der Automobilindustrie gerecht zu werden? Ziel des Vortrags Informieren Strukturieren und Sortieren Handlungfelder Skizzieren
Trends Automobilindustrie Trends in der Automobilindustrie Vier Treiber führen zu markanten Änderungen am Produkt und in der Wertschöpfung des Automobils 1 E-Mobilität 2 Emissionsreduzierung V-Motor Der E-Antrieb wird den Verbrennungsmotor langfristig ersetzen Die E-Mobilität wird duch den Staat gefördert Die nächsten Jahre werden zeigen, welches Konzept der Energieeinspeisung für den E-Motor sich am Markt durchsetzen wird Gesetzliche Begrenzung des CO 2 - und Schadstoff-Ausstoßes beim Verbrennungsmotor Vielfältige Antriebsvarianten möglich: von optimiertem Verbrennungsmotor bis Hybrid-Mischformen Limitierte Zufahrtsberechtigung City durch restriktive Euro-Normen 3 Variantenvielfalt 4 Stellenwert der Mobilität Globalisierung führt zur Zunahme der länderspezifischen Varianten Zunehmende Nischenmärkte führen zur Erhöhung der Baureihenvielfalt Kundenindividuelle Fahrzeuge mit kurzen Lieferzeiten benötigen hochflexible Wertschöpfungsketten Ganzheitliche Mobilität wird wichtiger, das Automobil wird verstärkt im Kontext mit anderen Mobilitätsnetzen gesehen Megacities stellen besondere Anforderungen an Mobilität Das Fahrzeug wird Teil des vernetzten Lebens
Trends Automobilindustrie Vortrag: Fit für die E-Mobilität? Der Trend E-Mobilität fordert von den Zulieferern auf ganz spezifischen Feldern konkrete Weichenstellungen E-Mobilität Fragen der Zulieferer Treiber der E-Mobilität Nachfrage nach Zero-Emission-Fzg. Staatliche Förderung Veränderung der Fahrzeug-Anwendung Batterie / Brennstoffzelle Tankstelle / Batt-Wechsel /... Innovative Produkttechnologie Komponenten (Batterie, BreZell, Motor) Neue Materialien Anpassung der Wertschöpfungskette Arbeitsteilung OEM-Zulieferer Innovationsdruck / Kostendruck Was verändert sich am Automobil? Muss ich mein Produktspektrum erweitern bzw. meine Wertschöpfungsanteile verändern? Soll ich jetzt einsteigen oder noch abwarten? Wie sichere ich die Rentabilität ab?
Trends Automobilindustrie Marktüberblick E-Mobilität Fahrzeugkonzepte mit E-Antrieb Marktentwicklung Förderung Produktbeschreibung E-Fahrzeug Zulieferstruktur und -anteile E-Fahrzeug
Marktüberblick E-Mobilität Fahrzeugkonzepte mit E-Antrieb Die unterschiedlichen Fahrzeugkonzepte sind ein wichtiger Treiber der Variantenvielfalt Mild Hybrid Voll Hybrid Plug-In Hybrid E-Fahrzeug E-Fahrzeug Parallelbetrieb von V- und E-Motor Getrennter Betrieb von V- und E-Motor E-Antrieb mit V-Motor als Range Extender E-Antrieb mit Batterie E-Antrieb mit Brennstoffzelle E-Motor 14 kw Batterie 0,6 kwh Reichweite 800 km E-Motor 50 kw Batterie 1,3 kwh Reichweite 800 km E-Motor 111 kw Batterie 16 kwh Reichweite 800 km E-Motor 80 kw Batterie 24 kwh Reichweite 160 km E-Motor 80 kw Batterie?? kwh Reichweite 500 km Beispiel MB S400 Blue Hybrid Beispiel Toyota Prius THS III Beispiel Citroen Saxo Dynavolt (1998) Beispiel Smart fortwo ED Mitsubishi i-miev Beispiel Mercedes B-Klasse (2013)
Marktüberblick E-Mobilität Prognose: Anteil der Antriebstechnologien bis 2030 Obwohl der alleinige E-Antrieb erst 2030 einen 10%-igen Marktanteil erreichen wird, sind E-Antriebe in relevanten Anteilen schon vorher in den Hybridantrieben integriert Marktanteile Kernaussagen Der Verbrennungsmotor wird im Jahr 2030 noch in 90% der Fahrzeuge eingesetzt (siehe ) Parallel dazu werden die Antriebe durch den E-Motor verstärkt (alle Hybride) Reichweitenangst führt zu überproportionalem Anstieg von Plug-in-Hybrid (PHEV) ICE HEV PHEV BEV FCV Verbrennungsmotor (Otto und Diesel) als dominanter Antrieb (inkl. Mild Hybrid = Parallelität von V- und E-Motor) Voll-Hybrid (Ständig wechselnder Antrieb zwischen V- und E-Motor) Plug-In-Hybrid (E-Antrieb inkl. Range Extender) E-Antrieb mit Batterie E-Antrieb mit Brennstoffzelle Quelle: IFA Reutlingen Reine Battrie- bzw. Brennstoffzellen-betriebene Fahrzeuge mit relevantem Anteil erst ab >2020 (BEV, FCV)
Marktüberblick E-Mobilität Prognose: Marktvolumen Welt 2020 für E-Antrieb Die Regionen NAFTA, EU und China sind Vorreiter in der E-Mobilität 4,5 Marktvolumen Hybrid und E-Antrieb Kernaussagen 4,0 3,5 BEV FCV Das Marktvolumen Welt 2020 beträgt ca. 82 Mio. PKWs PKW Verkaufszahlen in Mio. 3,0 2,5 2,0 1,5 PHEV Full Die für europäische OEMs erreichbaren Schwerpunkte liegen in den Regionen: NAFTA, EU, China. Hybrid-Antriebe haben einen Anteil von ca. 9,5 Mio. PKWs 1,0 0,5 Gesamt- Stückzahl 0 Mild NAFTA EU China Brazil India Japan 21 Mio 18 Mio 21 Mio 6 Mio 6 Mio 5 Mio Quelle: AVL Schrick Reine E-Antriebe (inkl. PHEV) haben einen Anteil von ca. 6,8 Mio. PKWs (Batterie + BreZell = 2,7 Mio)
Marktüberblick E-Mobilität Markteinführung E-Fahrzeuge In den nächsten Jahren kommen viele E-Fahrzeuge auf den Markt, als Plug-In-Hybrid, batteriebetrieben oder mit Brennstoffzelle Elektroautos: Was kommt wann?
Marktüberblick E-Mobilität Förderung E-Mobilität E-Mobilität wird intensiv gefördert. Auch KMU s können partizipieren. Der Ablauf ist: Innovation Projekt-Idee Förderungsbedarf Förderungsantrag (Kurzbeschreibung) Subventionen Elektroautos in Deutschland Förderungsebenen Quellen von Fördermitteln - EU / Bund / Land / Kreis /... - Stadtwerke / Betreiber /... - Modellregoin / Industriecluster /... -... Förderungsobjekte - Produktkauf (z.b. Prämie) - Produktbetrieb (z.b. Zuschuss Infrastruktur) - Herstellfirmen (z.b. Innovationen, Kooperationen, Betreibermodelle,...) Prinzip der Förderquoten < 100% für Grundlagenforschung < 50% für Industrielle Forschung < 25% für Experimentielle Entwicklung
Trends Automobilindustrie Marktüberblick E-Mobilität Produktbeschreibung E-Fahrzeug Innovative Produkttechnologie Leichtbau Zulieferstruktur und -anteile E-Fahrzeug
Fahrzeugkonzepte E-Fahrzeug Steigender Innovationsgrad bei Fahrzeugen mit E-Antrieb Mit zunehmender Entfernung des Antriebskonzeptes vom herkömmlichen Verbrennungsmotor nimmt die Notwendigkeit nach Entwicklung und Integration innovativer Antriebs-Komponenten zu Integrierter E-Motor Leichtbau... Autarker E-Motor Leichtbau Steigender Innovationsgrad... Angepasster V-Motor Steuerungselektronik Steuerungselektronik Steuerungselektronik Autarker E-Motor Leichtbau... Steuerungselektronik Hoch-Volt- Technik Batterie / BreZell Getriebe Leistungselektronik Radnaben- Motoren Fahrzeugstrukturen Autarker E-Motor Leichtbau Mild Hybrid Voll Hybrid Plug-In Hybrid E- Fahrzeug
Innovative Produkttechnologie E-Fahrzeug Hybridtechnologie Mild Hybrid Durch parallele Nutzung von V- und E-Motor wird der Wirkungsgrad des gesamten Antriebsstrangs erhöht AVL s demo-vehicle ECO TARGET AVL Turbohybrid (downsizing & downspeeding) Honda Civic (Integrated Motor Mercedes-Benz S400 Blue Hybrid Assist) Innovative Produktanpassungen Steuerungselektronik Autarker Elektromotor Li-Ionen Batterie (Hochvolt: 120 V) Booster in vorhandenem Antriebsstrang Quelle: AVL-Schrick
Innovative Produkttechnologie E-Fahrzeug Hybridtechnologie Mild Hybrid Anwendungsbeispiel: MB S 400H, BMW 750iH Leistungsfähige Zulieferer übernehmen bei den wichtigen Modulen die Systemführerschaft Produktdetails Dynastart von ZF Großer Luftspalt zum Ausgleich der Taumelbewegung von rotierenden Massen vor allem auf der Kurbelwelle Kurze axiale Baulänge Hohe Leistungs- und Momentendichte zur Einhaltung der Packaging-Vorgaben Felderreung durch NdFeB-Magnete Wirkung / Nutzen Magnetkreisdesign ermöglicht kostengünstige Großserienfertigung Kleine elektrische Leistung / kleine Batterie Kompakt / Robust / Modulfähig Quelle: ZF
Innovative Produkttechnologie E-Fahrzeug Hybridtechnologie Voll Hybrid Durch getrennte Nutzung des E-Motors kann das Fahrzeug partiell ohne V-Motor bewegt werden Toyota Prius THS II Lexus GS 450h Two mode Chevy Tahoe Innovative Produktanpassungen Autarker Elektromotor Getriebe / Trennung der Antriebe Integrierter Elektromotor innerhalb Getriebe Quelle: AVL-Schrick
Innovative Produkttechnologie E-Fahrzeug Hybridtechnologie Voll Hybrid Anwendungsbeispiel: Versuchsfahrzeug ZF Leistungsfähige Zulieferer übernehmen bei den wichtigen Modulen die Systemführerschaft Produktdetails 8-Gang-Automatikgetriebe mit integriertem Hybridmodul Vollständige Integration des Elektromotors in das Automatikgetriebe Rein elektrisches Fahren möglich Geringes Mehrgewicht gegenüber Basisgetriebe Direkte Anbindung an gängige Verbrennungsmotoren Wirkung / Nutzen Bauraumneutralität / Vollständige Modularität der Komponenten Mittlere elektrische Leistung / Moderate Batteriegröße Kompakte Bauweise des Gesamtsystems Quelle: ZF
Innovative Produkttechnologie E-Fahrzeug Range Extender Konzeptdarstellung Der Range Extender ermöglicht dem alleinigen E-Antrieb auch eine Nutzung auf der Langstrecke Herkömmliches Antriebskonzept V-Motor Batterie Innovative Produktanpassungen Angepasstes Motorkonzept (Downsizing / Wankelmotor /...) E-Motor (Micro-Hybrid) E-Motor V-Motor (Range Extender) Steuerungselektronik Batterie Li-Ionen Batterie E-Fahrzeug mit Range Extender Heizung / Klima Thermomanagement Quelle: AVL-Schrick
Innovative Produkttechnologie E-Fahrzeug Reines Elektrofahrzeug: Batterie versus Brennstoffzelle Der Markt wird langfristig über Durchbruch von batterie- bzw. brennstoffzellen-betriebenen Elektrofahrzeugen entscheiden Nutzungskonzepte Fahrzeug mit Batterie Innovative Produktanpassungen Fahrzeug mit Batterie Viele Modelle ab 2011 kaufbar Reichweite beschränkt / Ladevorgang langwierig Technologischer Sprung > 2025 Fahrzeug mit Brennstoffzelle Kaufbar ab 2013 (MB B-Klasse) Reichweite analog Benziner / Ladevorgang analog LPG Quelle: Daimler Marktselektion Beide Arten der Energiebreitstellung benötigen angepasste Tankstellen Wirkungsgrad des Gesamtsystems Automobil - Fzg. mit Batterie: ca. 60-65% - Fzg. mit Brennstoffzelle: ca. 35-40% Fahrzeug mit Brennstoffzelle Heizung / Klima Thermomanagement Hochvoltbatterie Wasserstoffspeicherung Brennstoffzelle Steuerungselektronik
Innovative Produkttechnologie E-Fahrzeug Antriebsstrang E-Fahrzeug: Zentralantrieb versus Radantrieb Das Elektrofahrzeug lässt mehrere Varianten im Antriebsstrang zu Quelle: FAG Schaefler
Innovative Produkttechnologie E-Fahrzeug Antriebsstrang E-Fahrzeug Anwendungsbeispiel: Radnabenmotor Leistungsfähige Zulieferer übernehmen bei den wichtigen Modulen die Systemführerschaft Beispiel: Fa. Michelin Beispiel: Fa. Schaefler Innovative Produktanpassungen Feder-Dämpfer- Einheit max. Leistung 30 kw Kombination aus Antriebs-, Brems- und Fahrwerkstechnologie Angepasstes E-Motor-Konzept Quelle: xx max. Leistung 30 kw max. Drehmoment 600 NM Radaufhängung
Leichtbau E-Fahrzeug Leichtbau bei Elektrofahrzeugen Durch Leichtbau werden u.a. die hohen Zusatzgewichte der Batterie gemildert. Details zum Leichtbaukonzept Anwendung der Leichbau-Strategie Leichtbau besonders im Bereich Antrieb, Exterieur und Karosserie Erfolgsmaximierung durch mehrdimensionale und vernetzte Vorgehensweise. (s.a. Grafik zur Leichtbau-Strategie) Fachliche Mehrdimensionalität bedingt Zusammenarbeit innerhalb der OEM- Zulieferstruktur Wirkung / Nutzen Senkung des Energieverbrauchs (geringere Betriebskosten, Umweltaspekt) Steigerung der Fahrdynamik Kompensation von Gewichtszunahme durch Sicherheitssysteme,... Quelle: IKA RWTH Aachen
Trends Automobilindustrie (Technologie Roadmap?) Marktüberblick E-Mobilität Produktbeschreibung E-Fahrzeug Zulieferstruktur und -anteile E-Fahrzeug
Zulieferstruktur und -anteile E-Fahrzeug Marktstruktur E-Mobilität Die veränderte Marktstruktur E-Mobilität verlangt Anstrengungen von allen Marktteilnehmern Änderungen der Marktstruktur Marktstruktur E-Mobilität Änderungen auf allen Ebenen des Marktes: Rohstoffbeschaffung, Zulieferung, Fahrzeugherstellung, Energiebereitstellung, Dienstleistungsmodelle Herstellung und Nutzung betroffen Automobilstandort Deutschland wird mobilitätsfreundlich bleiben und muss sich international zum Leitmarkt entwickeln Umstiegs- und Einstiegs-Chancen Staat, Industrie und Gesellschaft müssen sich den Veränderungen stellen Neue Komponenten erstetzen die alten, wegfallenden Volumina und erschließen neue und weiterführende Geschäfte
Zulieferstruktur und -anteile E-Fahrzeug Zulieferstruktur Die Zuliefererstruktur für das E-Fahrzeug wird sich nachhaltig verändern Änderungen der Zulieferstruktur Wertschöpfungsanteile OEM / Zulieferer Neue Produkttechnologien erfordern neue, auch branchenübergreifende Kompetenzen Einstieg in neue High-Tech-Komponenten erfordern einen hohen Einsatz bei den Ressourcen Steigende Anteile der Zulieferer an der Wertschöpfung sind realistisch Wirkung / Nutzen OEM und Zulieferer definieren ein neues Gleichgewicht in der Zusammenarbeit In der Zusammenarbeit entstehen neue, modulbezogene Allianzen über alle Zuliefer-Ebenen hinweg
Zulieferstruktur und -anteile E-Fahrzeug Modulstruktur E-Fahrzeug Es werden neue Module beim E-Fahrzeug benötigt Änderungen der Zulieferstruktur Neue Module im E-Fahrzeug Tier-1-Zulieferer haben wichtige Weichen in Richtung der neuen Module gestellt (z.b. Bosch, ZF, AVL-Schrick,...) Zulieferer aus der zweiten und dritten Reihe halten sich bisher zurück, da diese sich eher auf auftragsbezogene Aktivitäten fokusieren Risiko Chancen / Risiken Kompetenzaufbau zu spät und zu gering Chance Vom Leitmarkt E-Mobilität zum internationalen Leitanbieter Auslastung der leistungsfähigen Ressourcen auch zukünftig Quelle: Fraunhofer IAO