Modulare Antriebskonzepte Bezahlbare elektrische Reichweite durch Modularität 20. November 2014 Projekt BEREIT Dipl.-Ing. Andreas Lange
Gliederung 1. Einleitung & Motivation 2. Modulare Antriebskonzepte 3. Konzeptbewertung 4. Zusammenfassung 2
Kosten für elektrifizierte Antriebe Aufpreis Elektrifizierung [Tsd. ] 16 14 12 10 8 6 4 2 0 10 20 30 40 50 60 70 Preis konventionelles Fahrzeug [Tsd. ] 3
Kosten für elektrifizierte Antriebe Aufpreis Elektrifizierung [Tsd. ] 16 14 12 10 8 6 4 2 0 HEV E 250 BlueTec Hybrid Toyota Yaris Hybrid 10 20 30 40 50 60 70 Preis konventionelles Fahrzeug [Tsd. ] Quelle: Daimler, Toyota 4
Kosten für elektrifizierte Antriebe Aufpreis Elektrifizierung [Tsd. ] 16 14 12 10 8 6 4 2 0 PHEV HEV Volvo V60 Plug-In-Hybrid Toyota Prius Plug-In E 250 BlueTec Hybrid Toyota Yaris Hybrid 10 20 30 40 50 60 70 Preis konventionelles Fahrzeug [Tsd. ] Quelle: Daimler, Toyota, Volvo 5
Kosten für elektrifizierte Antriebe Aufpreis Elektrifizierung [Tsd. ] 16 14 12 10 8 6 4 2 0 BEV Nissan Leaf PHEV HEV Volvo V60 Plug-In-Hybrid Toyota Prius Plug-In E 250 BlueTec Hybrid Toyota Yaris Hybrid 10 20 30 40 50 60 70 Preis konventionelles Fahrzeug [Tsd. ] Quelle: Daimler, Toyota, Volvo, Nissan 6
Kosten für elektrifizierte Antriebe Aufpreis Elektrifizierung [Tsd. ] 16 14 12 10 8 6 4 2 0 BEV Nissan Leaf PHEV HEV Volvo V60 Plug-In-Hybrid Toyota Prius Plug-In Toyota Yaris Hybrid E 250 BlueTec Hybrid 10 20 30 40 50 60 70 Preis konventionelles Fahrzeug [Tsd. ] Quelle: Daimler, Toyota, Volvo, Nissan Zunehmende Elektrifizierung 7
Projekt BEREIT Ziel: Identifikation eines modularen Baukastensystems für Plug-In-Hybrid-Fahrzeuge Randbedingungen: - 50 km elektrische Reichweite (NEFZ) - Nur eine EM als Traktionsmotor - Parallele Hybrid-Topologie Quellen: Volvo, Bosch, Daimler, ZF, LUH, TUD, TUBS 8
Parallele Hybridtopologien VKM K 0 Getriebe EM P1 P2 P3 EM-Getriebe AS * *Axle Split 9
Gliederung 1. Einleitung & Motivation 2. Modulare Antriebskonzepte 3. Konzeptbewertung 4. Zusammenfassung 10
Elektrifizierte Flotte Ziel: Bezahlbare Elektromobilität Kleinstwagen Quelle: Daimler 11
Elektrifizierte Flotte Ziel: Bezahlbare Elektromobilität Kompaktklasse Kleinstwagen Quelle: Daimler 12
Elektrifizierte Flotte Ziel: Bezahlbare Elektromobilität Kompaktklasse + Kleinstwagen Quelle: Daimler 13
Elektrifizierte Flotte Ziel: Bezahlbare Elektromobilität Kompaktklasse + Kleinstwagen Quelle: Daimler 14
Elektrifizierte Flotte Ziel: Bezahlbare Elektromobilität Kompaktklasse + Kleinstwagen Quelle: Daimler 15
Modulares EM - Konzept 30 kw 16
Modulares EM - Konzept 30 kw 60 kw 90 kw Längenskalierung bei gleichem Durchmesser (Baureihe) 17
Modulares EM - Konzept 30 kw 60 kw 90 kw LE 30 kw LE 60 kw LE 90 kw Die Leistungselektronik ist nicht modular aufbaut LE: Leistungselektronik 18
Modulares EM - Konzept 30 kw 60 kw 90 kw LE 30 kw LE 60 kw LE 90 kw Die Leistungselektronik ist nicht modular aufbaut IAL-Konzept: Mehrsträngigkeit LE: Leistungselektronik 19
Modulares EM + LE - Konzept 30 kw LE 30 kw Quelle: IAL LUH LE: Leistungselektronik 20
Modulares EM + LE - Konzept 30 kw 60 kw 90 kw LE 30 kw LE 2 30 kw LE 3 30 kw Quelle: IAL LUH LE: Leistungselektronik 21
Modulares EM + LE - Konzept 30 kw 60 kw 90 kw LE 30 kw LE 2 30 kw LE 3 30 kw Aufteilung in 30 kw Aktivteile 30 kw: 3 Stränge 60 kw: 6 Stränge 90 kw: 9 Stränge Quelle: IAL LUH LE: Leistungselektronik 22
Entwurf modulare Getriebekonzepte Getriebesynthese 23
Entwurf modulare Getriebekonzepte Getriebesynthese Top-Down Quelle: Daimler 24
Entwurf modulare Getriebekonzepte Getriebesynthese Top-Down Bottom-Up Quelle: Daimler 25
Entwurf modulare Getriebekonzepte Getriebesynthese Bottom-Up Variantenvielfalt steigt mit Ganganzahl Bottum-Up Ansatz 26
1-Gang Elektroantrieb 60 kw PR AG LE 2 30 kw i 0 =3 1-Gang Getriebe i AG =3,3 Quelle: Daimler PR: Planetenradsatz 27
2-Gang Elektroantrieb 2x SE 90 kw PR PR AG LE 3 30 kw i 0 =3 i 0 =-1,7 2-Gang Getriebe i AG =3,3 Quelle: Daimler PR: Planetenradsatz SE: Schaltelement 28
2-Gang Elektroantrieb mit seriellem REX 2x SE 30 kw 30 kw 90 kw PR PR AG LE 3 30 kw i 0 =3 i 0 =-1,7 2-Gang Getriebe i AG =3,3 Quelle: Daimler PR: Planetenradsatz SE: Schaltelement 29
4-Gang REX-Konzept 2x SE 2x SE PR PR PR AG i 0 =-2,5 i 0 =3 i 0 =-1,7 4-Gang Getriebe i AG =3,3 Quelle: Daimler PR: Planetenradsatz SE: Schaltelement 30
4-Gang REX-Konzept K 0,VKM K 1 2x SE 2x SE 60 kw 90 kw PR PR PR AG LE 3 30 kw i 0 =-2,5 i 0 =3 i 0 =-1,7 4-Gang Getriebe i AG =3,3 Quelle: Daimler PR: Planetenradsatz SE: Schaltelement 31
6-Gang PHEV-Antrieb K 0,VKM K 1 2x SE 2x SE 2x SE 90 kw 60 kw PR PR PR AG LE 2 30 kw i 0 =-2,5 i 0 =3 i 0 =-1,7 6-Gang Getriebe i AG =3,3 Quelle: Daimler PR: Planetenradsatz SE: Schaltelement 32
6-Gang HEV-Antrieb K 0,VKM K 1 2x SE 2x SE 2x SE 120 kw 30 kw PR PR PR AG LE 30 kw i 0 =-2,5 i 0 =3 i 0 =-1,7 6-Gang Getriebe i AG =3,3 Quelle: Daimler PR: Planetenradsatz SE: Schaltelement 33
Modulare Beziehungen Getriebe 1-Gang Getriebe PR i 0 =3 34
Modulare Beziehungen Getriebe 2-Gang Getriebe 2x SE PR i 0 =-1,7 1-Gang Getriebe PR i 0 =3 35
Modulare Beziehungen Getriebe 4-Gang Getriebe 2x SE PR i 0 =-2,5 2-Gang Getriebe 2x SE PR 1-Gang Getriebe i 0 =-1,7 PR i 0 =3 36
Modulare Beziehungen Getriebe 6-Gang Getriebe 2x SE 4-Gang Getriebe 2x SE PR i 0 =-2,5 2-Gang Getriebe 2x SE PR 1-Gang Getriebe i 0 =-1,7 PR i 0 =3 37
Gliederung 1. Einleitung & Motivation 2. Modulare Antriebskonzepte 3. Konzeptbewertung 4. Zusammenfassung 38
Vergleich paralleler und serieller REX VS Paralleler REX Serieller REX Kompaktklasse Fahrzeugparameter REX m [kg] 1600 c W x A [m²] 0,59 1 + m rot / m [-] 1,03 F Reib [N] 45 f R [-] 0,008 Quelle: Daimler 39
Verbrauchssimulation im WLTP Geschwindigkeit [km/h] 140 120 100 80 60 40 20 0 0 500 1000 1500 2000 Zeit [s] 40
Verbrauchssimulation im WLTP Geschwindigkeit [km/h] Paralleler REX (4-Gang) Serieller REX (2-Gang) 140 120 13,4 100 13,3 80 60 40 20 Elektrischer Verbrauch (CD*) 0 [kwh/100 km] 0 500 1000 1500 2000 Zeit [s] CD: Charge Depleting CS: Charge Sustaining 41
Verbrauchssimulation im WLTP Geschwindigkeit [km/h] Paralleler REX (4-Gang) Serieller REX (2-Gang) 140 120 13,4 100 13,3 80 60 40 20 η EM =91% η 4G =93% η EM =90% η 2G =95% Elektrischer Verbrauch (CD*) 0 [kwh/100 km] 0 500 1000 1500 2000 Zeit [s] CD: Charge Depleting CS: Charge Sustaining 42
Verbrauchssimulation im WLTP Geschwindigkeit [km/h] Paralleler REX (4-Gang) Serieller REX (2-Gang) 140 120 13,4 100 13,3 3,9 80 60 40 20 η EM =91% η 4G =93% η EM =90% η 2G =95% Elektrischer Verbrauch (CD*) 0 [kwh/100 km] [l/100 km] 0 500 1000 1500 2000 Zeit [s] +10% 4,3 Kraftstoffverbrauch (CS*) CD: Charge Depleting CS: Charge Sustaining 43
Verbrauchssimulation im WLTP Geschwindigkeit [km/h] Paralleler REX (4-Gang) Serieller REX (2-Gang) 140 120 13,4 100 13,3 3,9 80 60 40 20 η EM =91% η 4G =93% Elektrischer Verbrauch (CD*) 0 [kwh/100 km] [l/100 km] 0 500 1000 1500 2000 Zeit [s] +10% 4,3 η EM =90% η VKM =35% η VKM =36% η 2G =95% Kraftstoffverbrauch (CS*) CD: Charge Depleting CS: Charge Sustaining 44
Verbrauchssimulation im WLTP Geschwindigkeit [km/h] Paralleler REX (4-Gang) Serieller REX (2-Gang) 140 120 13,4 100 13,3 3,9 80 60 40 20 η EM =91% η 4G =93% Elektrischer Verbrauch (CD*) +10% 4,3 η EM =90% η VKM =35% η VKM =36% η 2G =95% Kraftstoffverbrauch (CS*) 0 [kwh/100 km] [l/100 km] 0 500 1000 1500 2000 Zeit [s] Hohe Wandlungsverluste im seriellen System CD: Charge Depleting CS: Charge Sustaining 45
Stückzahlabhängiges Kostenmodell Stückkosten K Material K Herstellung N Bezug Stückzahl 46
Stückzahlabhängiges Kostenmodell Stückkosten K Material K Herstellung K Material K Herstellung N Bezug B N Bezug Stückzahl 47
Stückzahlabhängiges Kostenmodell Stückkosten K Material K Herstellung K Material K Herstellung Annahmen: A = 0,2 B = 2 N Bezug B N Bezug Stückzahl 48
Elektrifizierte Flotte Ziel: Bezahlbare Elektromobilität Kompaktklasse + Kleinstwagen Quelle: Daimler 49
Szenario: Elektrifizierte Flotte Ziel: Bezahlbare Elektromobilität Kompaktklasse + N EREV,B =10.000 N EV,B =10.000 Kleinstwagen N EV,A =10.000 N PHEV,B =25.000 Quelle: Daimler N HEV,B =50.000 50
Stückzahleinfluss 1-Gang Getriebe 100 % Herstellungskosten N EV,A 10.000 Stückzahl 51
Stückzahleinfluss 1-Gang Getriebe 100 % -53 % Herstellungskosten 47 % N EV,A 10.000 N PR,1-Gang 105.000 Stückzahl 52
Gliederung 1. Einleitung & Motivation 2. Modulare Antriebskonzepte 3. Konzeptbewertung 4. Zusammenfassung 53
Zusammenfassung 54
Zusammenfassung 55
Zusammenfassung 56
Zusammenfassung 57
Zusammenfassung 58
Kontakt Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Andreas Lange Institut für Fahrzeugtechnik TU Braunschweig Hans-Sommer-Str. 4 38106 Braunschweig Tel.: +49 (0)531 391-7790 an.lange@tu-bs.de http://www.iff.tu-bs.de 59
Backup Backup 60
Übersetzung 1-Gang Getriebe Geschwindigkeit [km/h] 140 120 100 80 60 40 20 0 0 i 1 =3,00 i AG =3,3 2000 4000 6000 8000 10000 12000 EM-Drehzahl [1/min] 61
Übersetzungen 2-Gang Getriebe 250 Geschwindigkeit [km/h] 200 150 100 50 i 1 =3,00 i 2 =1,74 i AG =3,3 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 EM-Drehzahl [1/min] 62
Übersetzungen 4-Gang Getriebe 350 Geschwindigkeit [km/h] 300 250 200 150 100 50 i 1 =4,41 i 2 =1,97 i 3 =1,00 i 4 =0,61 i AG =3,3 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 VKM-Drehzahl [1/min] 63
Übersetzungen 6-Gang Getriebe 400 Geschwindigkeit [km/h] 350 300 250 200 150 100 50 i 1 =4,41 i 2 =1,97 i 3 =1,24 i 4 =1,00 i 5 =0,71 i 6 =0,51 i AG =3,3 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 VKM-Drehzahl [1/min] 64