Elektrische Straßenfahrzeuge Stand der Technik und Perspektiven Prof. Dr.-Ing. Johannes Teigelkötter ZeWiS Zentrum für wissenschaftliche Services und Transfer Hochschule Aschaffenburg Gliederung 1. Vorstellung 2. Einleitung / Vorstellung ZeWiS 3. Antriebskonzepte 4. Elektrische Maschinen 5. Elektrische Energiespeicher 6. Kosten für Energiespeicher 7. Forschungsprojekt EMS 8. Fahrzeuge 9. Auto der Zukunft 10.Zusammenfassung Seite 2 1
ZeWiS Zentrum für wissenschaftliche Services und Transfer Abteilungen 1. Materials 2. Automotive 3. Intelligente Systeme und Automatisierung 4. Energieeffizienz 5. Informationstechnologie und -systeme 6. Gestaltungsorientierte Forschung Design Science Research Stadt Erlenbach am Main Flächen: ca. 1000 qm am ICO (Forschungsgebäude Wa) Seite 3 Energieeffizienter intelligenter modularer Hochleistungs- Stromrichter für hochdynamische Antriebe, Energieerzeugung und Energiespeicherung Modularer Umrichter Phasenbaustein Zwischenkreismodul Betriebsdaten: Skalierbare Leistung je nach Anzahl der Phasenbausteine P=50kW 500kW, Wasserkühlung Anwendung: Traktions- und Industrieanlagen, Regenerative Energieerzeugung, Flexibler und modularer Aufbau Standard Gehäuseform für alle Phasenbausteine Verschiedene Spannungs- und Leistungsklassen Hoher Wirkungsgrad Standard Komponenten Kosteneffizient für kleine Stückzahlen Tiefsetzsteller Vierquadrantensteller Spannungszwischenkreisumrichter Seite 4 2
Dienstleistungen Seminare für Unternehmen Rechtssichere Organisation in der Elektrotechnik Weiterbildung (Verantwortliche) Elektrofachkraft Prüfung von elektrischen Anlagen und Betriebsmittel Arbeiten unter Spannung Qualifizierung für Arbeiten an Hochvolt-Elektrofahrzeugen entsprechend BGI 8686 Energieeffiziente elektrische Antriebe und Leistungselektronik Technische Dienstleistungen Entwicklung von Hard- und Softwarekomponenten für die Antriebstechnik Optimierung der Energieeffizienz von elektrischen Systemen Prüfung von Leistungshalbleitern, Lebensdauertests Batterieprüfstände: Hochspannung/Hochstrom; Motorprüfstände 10.000U/min / 2000Nm Qualifizierung der Norm-Konformität (z.b. Niederspannungsrichtlinie) Seite 5 Energieeffizienz Hochschule Aschaffenburg, Würzburger Str. 45, D - 63743 Aschaffenburg Labor für Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe Prof. Dr.-Ing. J. Teigelkötter e-mail: johannes.teigel koetter@h-ab.de Tel.: 06021/4206-809 Fax: 06021/4206-801 M. Reis e-mail: michael.reis@h-ab.de Tel.: 06021/4206-839 Fax: 06021/4206-898 Dipl.-Ing.(FH) R. Mann e-mail: ruediger.mann@h-ab.de Tel.: 06021/4206-824 Fax: 06021/4206-898 M. Eng. Dipl.-Ing.(FH) Thomas Kowalski e-mail: thomas.kowalski@h-ab.de Tel.: 06021/4206-837 Fax: 06021/4206-898 Seite 6 3
Systemprüfstand für Elektrofahrzeuge Maschinensatz Messtechnik: Power Analyser Drehmoment Drehzahl Leistungsdaten: 100kW, 8000 min -1 Temperiereinrichtung: -40 bis 150 C Stromrichter mit Ankopplung an das Prototyping -System von dspace Seite 7 Die Geschichte der Elektroautos Vier Radnabenmotoren mit je 25 PS machten den Lohner-Porsche-Rennwagen zum ersten allradgetriebenen Fahrzeug Bei den Olympischen Spielen 1972 fuhr eine Flotte von BMW 1602 mit batteriebetriebenen Elektromotoren auf Münchens Straßen Seite 8 4
Vielfalt elektromobiler Antriebskonzepte Quelle: Strukturstudie BWe mobil Seite 9 Aufbauprinzipien elektrischer Maschinen Reluktanzmaschine: Die Erregerwicklungen rufen ein Magnetfeld unter den Polschuhen hervor. Dieses Magnetfeld wirkt auf die Rotor- Zähne und zieht diese unter die Polschuhe. Asynchronmaschine: die Wicklungen im Stator werden so bestromt, dass ein rotierendes Magnetfeld, ein sogenanntes Drehfeld, entsteht. Dieses Drehfeld bildet mit den Leiterströmen im Rotor Drehkräfte aus. Quelle: Johannes Oswald, Oswald Elektromotoren GmbH Synchronmaschine: Die Wicklungen im Stator werden so bestromt, so dass ein magnetisches Drehfeld entsteht. Dieses Drehfeld bildet mit den Permanentmagneten im Rotor Drehkräfte aus. Gleichstrommaschine: stillstehendes Magnetfeld wird durch die Erregerwicklung im Stator hervorgerufen. Auf die stromführenden Leiter im Rotor wird eine Seite 10 Kraft ausgeübt. 5
Energiespeicher für Elektrofahrzeuge Energiedichte Energiespeicher Chemische Elektrische Mechanische Magnetische 30Wh/kg Blei-Batterie 80 Wh/kg Nickel-Metall Hydrid Batterie 245 Wh/kg Li-Ionen Batterie 5Wh/kg Doppelschichtkondensatoren 5Wh/kg Schwungräder 1Wh/kg Supraleitender Magnetsicher Energiespeicher (SMES) Zum Vergleich: Kraftstoff 10000Wh/kg Diesel Seite 11 Umfrage zum Elektroauto > 100 km 60-100 km 20-60 km Strecke am Tag 96% fahren täglich weniger als 100 km, aber nur 2% akzeptieren eine Reichweite von weniger als 100 km < 20 km 0% 10% 20% 30% 40% 50% n = 418 (ohne ka; ka = 3) An der Hochschule Aschaffenburg wurde eine Umfrage zum Thema Elektroauto durchgeführt. Daran beteiligten sich 421 Studenten aus den Studiengängen BWL, ETI, WI und MT 500 km und mehr < 500 km < 400 km < 300 km < 200 km < 100 km Akzeptierte Reichweite beim Elektroauto 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% n = 419 (ohne ka; ka = 2) Seite 12 6
Technische Daten eines Elektrofahrtzeuges Summenhäufigkeit der ermittelten Pkw-Tagesfahrleistungen Tagesstrecke in km Anforderungen Energiedaten Fahrzeugdaten Reichweite: 100km, Energiebedarf: 12,5kWh 200 Wh/ kg 0,4 /Wh 0,21 /kwh CO 2 508 g/kwh 63 kg Gewicht der Batterie 5000 Anschaffungskosten 2,63 Energiekosten /100km 64g/km CO 2 -Emissionen Seite 13 Bauformen Li-Ionen Zellen - + Prismatische Zelle, (Pouch- Zelle, Coffee bag type ) Vorteile: hohe Kapazität bei kleinem Volumen hohe Strombelastung große Oberfläche zur Kühlung Kokam SLPB80460330H (455mmx325mmx8,1mm) 100Ah, 3,7VNom, 5C-Dauer, 8C-Spitze Rundzellen Vorteile: stabiles Gehäuse genormte Abmessung A123 ANR26650 (Ø25 mm x 65 mm) 2.3 Ah, 3,3V Nom., 70A-Dauer, 120A Spitze Gute Kontaktierung über Schraub oder Schweißverbindung Seite 14 7
Fahrzeugbatterie für Hybridfahrzeug Kühlung Rundzellen Batteriemanagement Kühlmittelanschluss Hochspannungsanschluss Überwachung der Zellspannung Quelle: Spiegel.de Hybrid-Variante der S-Klasse besitzt eine Lithium-Ionen-Batterie. (28kg, 35 Zellen, 120V, 0.9kWh) Seite 15 Anforderungen an Energiespeicher im Fahrzeug Hohe Energie- und Leistungsdichte Hochstrombelastbarkeit Lebensdauer Betriebstemperaturbereich Sicherheit in Extremsituationen Externe Einflüsse (Unfall, Hitze) Interne Einflüsse (Zellenschluss) Kosten komplexer Auswahlprozess Seite 16 8
Überladung von Zellen Seite 17 Forschungsprojekt: EMS Energiemanagementsystem mit mehreren Energiespeichern für Fahrzeuge mit elektrischen Fahrantrieben Projektziel : Energiemanagementsystem für Hochleistungsspeicher Energiespeicher I (z.b. Li-Ionen-Akku) Überwachung und Symmetrierung Leistungselektronisches Stellglied I I I II U I U II Energiespeicher II Ströme (z.b Doppelschichtkondensator) Überwachung und Symmetrierung Spannungen Temperaturen Steuergerät (Mikrocontroller) Bus (CAN) Verbraucher 2 I L = 3~ M 3~ = 3~ M 3~ DC/DC- Wandler für weitere Verbraucher Projektträger : KMU Technologien für Ressourcen und Energieeffizienz / BMBF Fördersumme : 480.000,- EUR Laufzeit : 36 Monate Projektpartner : BMZ Batterien-Montage-Zentrum GmbH Linde Material Handling GmbH Seite 18 9
Submoduldesign Aufbaumerkmale: Sehr robustes und flexibles Design Möglichkeit der Zelltemperierung jeder Einzelzelle Sehr niederinduktiver Aufbau Zellhalterkonstruktion für verschiedene Technologien Flexible Anpassung an vorhandene Kühlsysteme Kein zusätzliches Gehäuse notwendig Seite 19 Zellenprüfstand Quelle/Senke Einheit: + 1200A, -1200A (Dauer) Steuerung mittels Labview und FPGA Seite 20 10
Prüfung der Batterien Spannungsverlauf an den Batteriezellen beim Entladen mit 10C IR-Aufnahme mit einer Wärmebildkamera Seite 21 Elektrofahrzeuge Entwicklungsschritte Seite 22 11
HHF HYBRID CONCEPT CAR Hybrid Concept Car von Heinz Harald Frentzen auf der EMA 2008 Motoren: Hinterachse: V8-Zylinder-Hubraum: 3.292 cm 3, Nennleistung: 382 kw / 520 PS bei 7.000 U/min max. Drehmoment: 580 Nm bei 4.000 U/min Vorderachse: Synchron-Motor, Nennleistung: 100 kw / 136 PS, max. Drehmoment: 220 Nm Batterie Kapazität ca. 9 kwh, Batteriegewicht: netto 90kg Leergewicht (trocken): 1.300 kg Höchstgeschwindigkeit: 300 km/h Seite 23 Das Auto der Zukunft inmitten eines großen Netzes Mobilität Carsharing Car2go intermodale Konzepte Information & Kommunikation Elektrofahrzeug Energie Energiespeicherung, Netzmanagement, Smart Grid Smartphones, Mobile Datendienste Fernwartung Car to Car Car to X Wohnen Gebäudetechnik, Haushaltsgeräte Seite 24 12
KompetenzNetz Elektromobilität Bayerischer Untermain Plattform für Meinungs- und Erfahrungsaustausch Seit vielen Jahren betreiben Hochschule AB und regionale Unternehmen F&E-Tätigkeit. Unternehmen ebenso wie die Hochschule Aschaffenburg haben Kompetenzen aufgebaut. Das Netzwerk ist mit der Metropolregion Frankfurt Rhein Main vernetzt und beobachtet die Aktivitäten überregional. Weitere Infos: http://www.elektromobilitaet-untermain.de/ Seite 25 25 Zusammenfassung /Ausblick Es werden auch zukünftig verschiedene Antriebstechnologie in PKW eingesetzt (Verbrennungsmotor, Hybrid, Elektro). Technik für Elektroauto ist bekannt und wird prinzipiell beherrscht (Elektrostapler). Kosten und Zuverlässigkeit der Antriebskomponenten, insbesondere die Energiespeicher, müssen noch weiter optimiert werden. Lithium-Zellen mit unterschiedlichen Eigenschaften sind am Markt verfügbar. Für die jeweilige Applikation sind geeigneten Zellen auszuwählen. Dazu steht an der Hochschule Aschaffenburg ein leistungsfähiger Batterieprüfstand zur Verfügung. Elektrofahrzeuge werden in verschiedene Netze eingebunden sein. (Energienetz, Internet, Smarthome ) Neue internetbasierte Dienstleistungen werden entstehen. (Energiespeicher, Carsharing) Seite 26 13
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Seite 27 Laborausstattung Elektrische Maschinen Gleichstrommaschinen 5-20kW Asynchronmaschinen 60W-60kW Synchrongenerator 20kW Linearantrieb 400N, 200cm Leistungselektronik Thyristorstromrichter 20kW IGBT- Wechselrichter 10kW-50kW Hochstrom-Pulsquelle bis 100kA Antriebstechnik Maschinensätze Systemprüfstand Energiespeicher Zellenprüfstand 400A / 20V Batterieprüfstand (400A /500V) Prototypingsysteme für die Regelung von Umrichter DS 1103 von dspace DS 1104 von dspace Messtechnik Leistungsmessgeräte Oszilloskope Strom/Spannungsmessung (100MHz) Drehmomentmesswellen, Drehzahlsensoren Seite 28 14