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Drive-E-Akademie am 10.03.2010 in Erlangen Christian Dick, Hauke van Hoek Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Univ.-Prof. Dr. ir. R. W. De Doncker - ein modulares e-Fahrzeugkonzept 10.03.2010 Christian Dick StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 2 Elektromobilität an der RWTH Geschäftsstelle Elektromobilität

- ein modulares e-Fahrzeugkonzept · Smart fortwo Toyota IQ Fiat Phylla Think City Tata Nano Fiat 500 VW SpaceUp VW Fox Opel Corsa Magna Steyr Mila VW Polo Ford Fiesta EDAG LightCar

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Drive-E-Akademie am 10.03.2010 in Erlangen

Christian Dick, Hauke van Hoek

Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA)Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

Univ.-Prof. Dr. ir. R. W. De Doncker

- ein modulares

e-Fahrzeugkonzept

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 2

Elektromobilität an der RWTH

GeschäftsstelleElektromobilität

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 3

Forschungsschwerpunkte ika und ISEA zum Thema Elektromobilität

Fahrzeugkonzepte

Antriebsstrang

Batteriepack

Karosserie

Fahrwerk

Thermomanagement

Elektrische Antriebe

Leistungselektronik

Leistungselektronische Bauelemente

Batteriespeicher

Batteriemanagement

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 4

Elektr. Speichersysteme

Elektrische AntriebeLeistungselektronik

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 5

Gliederung - Fahrzeugkonzept

Marktsegment

Energiespeichersystem und Ladekonzept

Antriebsstrangtopologie

Aktuelle Probleme und Herausforderungen bei der Entwicklung von Elektroautos

Fazit

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 6

Gliederung

Marktsegment

Energiespeichersystem und Ladekonzept

Antriebsstrangtopologie

Aktuelle Probleme und Herausforderungen bei der Entwicklung von Elektroautos

Fazit

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 7

RahmenbedingungenBegrenzter Aktionsradius der reinen ElektrofahrzeugeNotwendigkeit der flächendeckenden Infrastruktur

Optimale AnwendungStadtfahrzeuge Kurzstreckenfahrzeuge

Vorteile für StadtverkehrEmissionsfreies FahrenRekuperation der BremsenergieGeringe GeräuschemissionHohes Drehmoment bei stehendem Fahrzeug

Bedingungen für Marktsegmente

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 8

KleinwagenWesentlicher Einsatz in StädtenKlassisches ZweitfahrzeugNennenswerte Emissionsreduktion nur durch großvolumiges Marktsegment

PremiumklasseHöhere Verkaufspreise ↔ Hohe Kosten für technologische Ersteinführungen

Finanzierung innovativer TechnologienImagegewinn der Elektromobilität durch Faszination und Aufmerksamkeit

Leichter Liefer- und TransportverkehrWiederkehrendes Nutzungsprofil bei kurzen TagesstreckenAbendliche Rückkehr zur Basis (Ladestation)

Mögliche Marktsegmente

Quelle: Tesla Motors

Quelle: Think

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 9

Positionierung der Hauptvolumenderivate im Segment „Mini“ und „Kleinwagen“

Positionierung von StreetScooter

Friends CoupéCabrio PickupCompact Work

Compact und Coupé Design-Sketches

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 10

Außenabmessungen – StreetScooter Compact + Friends

Smart fortwo Toyota IQ Fiat Phylla Think City Tata Nano Fiat 500 VW SpaceUp VW Fox Opel Corsa Magna Steyr Mila

VW Polo

Ford Fiesta

EDAG LightCar

BMW 1er

VW Golf VI

Mercedes-Benz A-Klasse

Compact

Mini

Friends Kompakt

Kleinwagen

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 11

Gliederung

Marktsegment

Energiespeichersystem und Ladekonzept

Antriebsstrangtopologie

Aktuelle Probleme und Herausforderungen bei der Entwicklung von Elektroautos

Fazit

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 12

Gravimetrische Leistungsdichte vs. Energiedichte(Leistungs- und Energiedichten spezifischer Produkte aus Datenblättern und eigenen Messungen)

Spezifische Energie in Wh/kg (Zellebene)

Spe

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tung

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0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Blei

Blei „spiralwound“

NiCd

NiMH

LiM-Polymer

SuperCap

NaNiCl2“Zebra”

Li-IonHigh

Energy

Li-IonHigh Power

Li-IonVery High Power

Quelle Ragone Plot: Saft

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 13

Gravimetrische Leistungsdichte vs. Energiedichte(Leistungs- und Energiedichten spezifischer Produkte aus Datenblättern und eigenen Messungen)

Spezifische Energie in Wh/kg (Zellebene)

Spe

zifis

che

Leis

tung

in W

/kg

(Zel

lebe

ne)

1

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1,000

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0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Blei

Blei „spiralwound“

NiCd

NiMH

LiM-Polymer

SuperCap

NaNiCl2“Zebra”

Li-IonHigh

Energy

Li-IonHigh Power

Li-IonVery High Power

Quelle Ragone Plot: Saft

KokamCoffee Bag

GS YuasaLEV 50

A123

Saft VL M

E- One Moli

GAIA LiFePO4

GAIA HE 60 Ah

LiTeCHP 6 Ah

Saft VHP 6 Ah

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 14

Elektrische Leistungsfähigkeit (Li-Ionen-Zellen)

Hochenergie Hochleistung

Leistungsdichte (25°C) 200 – 400 W/kg 2000 – 4000 W/kg

Energiedichte 120 – 160 Wh/kg 70 – 100 Wh/kg

Wirkungsgrad ~ 95% ~ 90%

Selbstentladung < 5%/Monat (25°C) < 5%/Monat (25°C)

Lebensdauer bis 5000 Vollzyklen 106 (3,3% DOD)

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 15

Kosten von Li-Ionen-Batterien

HeuteHochenergiebatterien bei ca. 1000 - 1500 Euro / kWh (Kleinserie)Preisangaben sehr schwierig, da kein echter Markt existiert

Einschätzung bzw. Marktforderung der erreichbaren Kosten bei Massenproduktion

500 €/kWh für Hochleistungsbatterien300 €/kWh für Hochenergiebatterien (Schätzung aus Japan liegen bei 160 €/kWh)

GrundlageKokam liefert bei großen Stückzahlen heute für < 500 €/kWh (HE)Hochenergiebatterien aus China heute schon für 300 €/kWh erhältlich (Markt für Elektrofahrräder)Laptop-Batterien heute bei 220 €/kWh, Kostenreduktion 1995 – 2005 etwa Faktor 5

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 16

Kostenentwicklung Konsumerzellen Bauart 18650 (Standard-Zelle z.B. in Akkus von Laptops)

0

100

200

300

400

500

600

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

spez

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erg

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Wh

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ied

ich

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Wh

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0

0.5

1

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2

2.5

3

Ko

sten

in U

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/ Wh

Energiedichte

spezifische Energie

spezifische Kosten

Source: Institute of Information Technology, AABC 2004, San Francisco

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 17

Elektrifizierung des Individualverkehrs

HybridfahrzeugSpeicher ca. 1 kWh, Ladung nur währendFahrt, Treibstoffeinsparung max. 20%

Plug-in HybridSpeicher 5 – 10 kWh, Ladung aus dem Netz,50 – 70 km Reichweite ohne Treibstoff,volle Reichweite, volle Leistungsfähigkeit

ElektrofahrzeugSpeicher 15 – 40 kWh, Ladung aus dem Netz,100 – 300 km Reichweite ohne Treibstoff,

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 18

Auslegung des Speichers von Plug-in Hybridensehr hohes Kraftstoffeinsparpotential mit kleinen Batterie

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 20 40 60 80 100

All-electric range in km

All-

elec

tric

ope

ratio

n fr

actio

n

Recharging after every trip (GER)

Recharging over night (GER)

Recharging over night (USA)

68%

30 km

45%

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 19

Warum sind langreichweitige reine Elektrofahrzeuge wirtschaftlich schwierig darzustellen?

Größe der Batterie für 200 km elektrische Reichweite: ca. 30 kWhsehr sparende Stadtfahrzeuge ggf. 20 kWh, große Fahrzeuge eher 40 kWh

Kosten der Batterie: ca. 30 x 300 € = 9.000 €Nur Einkaufspreis Batteriesystem durch Automobilhersteller

Mehr als Produktionskosten eines Mittelklassefahrzeugs

Gewicht bei 100 Wh/kg 300 kg

Wichtig: Batterie ist nach 10 bis 15 Jahren kaputt, auch wenn sie nicht genutzt wird.

Bei mittlerer Nutzung von 37 km/Tag stehen sich 80% der Batterie im Wesentlichen kaputt.

Das reine Elektroauto als Massenprodukt bleibt auch auf absehbare Zeit ein Kurzstreckenfahrzeug mit einer sinnvollen Reichweite um100 km.

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 20

Virtuelle Großspeicher durch verteilte Speicher in Fahrzeugen (Plug-in Hybride)

Nutzungsdauer< 4 Stunden / Tag

10 kWh10 kWh=

~

3 kW=

~

3 kW

400 V400 V

10 kV / 20kV10 kV / 20kV

10 kWh=

~

3 kW

400 V

10 kWh=

~

3 kW

400 V

10 kWh=

~

3 kW

400 V

10 kWh=

~

3 kW

400 V

10 kWh=

~

3 kW

400 V

10 kWh=

~

3 kW

400 V

10 kWh=

~

3 kW

400 V

10 kWh=

~

3 kW

400 V

Interessant, weil in Elektroautos im Mittel höchstens 30 – 50% der Zyklenlebensdauer ausgenutzt werden.

Differenzielle Kosten für den Speicher sind daher zunächst null!

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 21

Gestaffeltes Energiemanagementsystem – 3-Ebenen-Modell

1. Ebene: Energiemanagement, das die Interessen des Fahrzeugführers vertritt

2. Ebene: Regelsysteme, das eine Überlastung des lokalen Verteilnetzes vermeidet

3. Ebene: Energiemanagement, das die Interessen des Übertragungsnetzes wahrnimmt (beinhaltet u.a. konventionelle Kraftwerke, Windparks und Strombörse)

Management und Regelstrategien für V2G-Konzepte

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 22

Infrastruktur – Schnellladung

Wem helfen 30 kW-Ladeleistung?(keine echte Schnellladung)

Ladung mit höherer Leistung für kurze Haltezeiten müssen im Bereich von 300 kW liegen

hohe Kosten für Ladegeräte

ersetzt nicht die Haussteckdose

erhöhte Kosten für Batteriepackdesign um ca. 30 bis 50% (Kühlsystem, Auslegung der Zellen) Quelle: www.geocities.com

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 23

0-30 30-60 60-120 120-240 >2400

5

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25

30

Pause time between two trips in min

Ave

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pau

ses

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m

Average distance before pauses

Fraction of pauses

0

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25

30

Fra

ctio

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pau

ses

in %

Dauer der Standzeit korreliert sehr gut mit Fahrdistanz

3 kW Ladeleistung bedeutet etwa 20 km Reichweite pro Stunde

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 24

Fazit – Energiespeicher und Ladekonzept

Schnellladung und Wechselbattriekonzepte suggerieren Nutzung eines Elektroautos wie Fahrzeug mit Verbrennungsmotor

Das ist ökonomisch (und damit auch ökologisch) nicht sinnvoll.

Standardladung (1-phasig, 3,7 kW) wird Regelfall sein.

Elektromobilität muss intelligent eingesetzt und vermarktet werden…

Vollelektrische Fahrzeuge für: Kurze Distanzen („Zweitfahrzeuge“, Stadtverteildienste, Handwerker, etc.)

Teure Oberklassewagen bei denen der Preis keine entscheidende Rolle spielt

Nutzer, die täglich größere Distanzen zurücklegen

Plug-in Hybridfahrzeuge als Ersatz für das heutige Universalfahrzeug(StreetScooter rein elektrisch)

… dann ist auch mit den derzeit verfügbaren Batterien die Wirtschaftlichkeit näher als oft diskutiert wird.

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 25

Modulares Batteriepack bei StreetScooter

Batteriepack wird aus parallel verschalteten Batteriemodulen aufgebaut

Unterscheidung Leistungs- und Energiemodule

Leistung ist durch Hinzufügen weiterer paralleler Module skalierbar

Bei ausgeschaltetem DC/DC-Wandler gibt es keine hohen Spannungen im Fahrzeug

Einfache Montage und einfaches Austauschen einzelner Module

Bei Ausfall eines Moduls kann mit verminderter Leistung weiter gefahren werden

Parallele Strings müssen unabhängig voneinander geladen und entladen werden können

DC/DC-Wandler kann gleichzeitig als Ladegerät arbeiten (Ankopplung des dann einfachen 3,7 kW Netzwechselrichters an den Zwischenkreis)

Leistungs-skalierung

DC/DC

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 26

Gliederung

Marktsegment

Energiespeichersystem und Ladekonzept

AntriebsstrangtopologieMaschine

Leistungselektronik

Gesamtkonzept

Aktuelle Probleme und Herausforderungen bei der Entwicklung von Elektroautos

Fazit

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 27Folie 27

Mögliche Maschinentypen für den Antriebsstrang

Asynchronmaschinenvergleichsweise geringe Energieeffizienz über einen Fahrzyklus

Geschaltete Reluktanzmaschinen kostengünstig und robust aber akustisch genau auzulegen

Permanentmagnetmaschinendurch begrenzte und einseitig verteilte Rohstoffvorkommen nicht massentauglichGefahr im Fehlerfall

Sonderbauformen (Transversalflussmaschine, Radnabenantriebe)Teuer

Asynchronmaschine permanent erregteSynchronmaschine

GeschalteteReluktanzmaschine

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 28

Klassische Topologie – Aufbau

Vorteile: - Geringste Anzahl leistungselektronischer Komponenten

Nachteile: - Zwischenkreisspannung hängt vom Ladezustand und Lastpunkt der Batterie ab

- Maschine muss so ausgelegt werden, dass bei minimaler Spannung die geforderte Leistung erreicht wird

- Kleine Tastgrade bei niedrigen Drehzahlen

Batteriestack Umrichter Maschine

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 29

Klassische Topologie – Antriebsumrichter

Batteriestack Umrichter Maschine

- Erzeugung des sinusförmigen Stroms für die Drehfeldmaschine- Rückspeisung in den Zwischenkreis (rekuperatives Bremsen)

Dreiphasiger Wechselrichter mit PWM

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 30

Topologie – AntriebsumrichterBeispiel alternativer Schaltung

OptimierungVerluste: Doppelte SpannungsausnutzungDynamik: Mehr Freiheitsgrade bei RegelungZuverlässigkeit: Betrieb eingeschränkt auch bei Ausfall einer Phase möglich

Maschine

H-Brücke

Batteriestack Umrichter Maschine

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 31

GR-Maschine

GRM

Umrichter für geschaltete Reluktanzmaschine (GRM)

- Bauteilaufwand wie bei dreiphasigem Wechselrichter- Rückspeisung in den Zwischenkreis (rekuperatives Bremsen)

Topologie – AntriebsumrichterBeispiel mit Geschalteter Reluktanzmaschine

Batteriestack Umrichter

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 32

Topologie mit DC/DC Wandler – Aufbau

Vorteile: - Entkopplung von Batterie- und Maschinenspannung- variable Anpassung der Zwischenkreisspannung an die Drehzahl (Grundfrequenztaktung möglich)

- Reduzierung der Umrichterverluste (Schaltverluste) - Reduzierung der Maschinenverluste (Hystereseverluste)- DC/DC-Wandler kann gleichzeitig als Ladegerät arbeiten

(Ankopplung des dann einfachen Ladegeräts an den Zwischenkreis)

Nachteile: - zusätzliche Komponenten- Verluste im DC/DC-Wandler

Batteriestack MaschineUmrichterDC/DC-Wandler

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 33

Topologie mit DC/DC Wandler – Schaltung

- Einstellung der Eingangsspannung für den Antriebsumrichter- Laden der Batterie- mehrphasige Ausführung: modularer Aufbau und kleine Passive (L,C)

UZK > UBat

Buck Boost

Batteriestack MaschineUmrichterDC/DC-Wandler

Bidirektionaler Gleichstromsteller (galvanisch gekoppelt)

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 34

Aufbau mit mehreren DC/DC-Wandlern

BatteriestackMaschineUmrichter

DC/DC Wandler

Vorteile: - unterschiedliche Energiespeicher kombinierbar- variable Anbindung kleinerer Batteriestacks- Redundanz des Energiespeichers- Leistungsabgabe aller Energiespeicher getrenntregelbar

Nachteile: - Regelungs- und Kommunikationsaufwand- Anstieg der Komponentenzahl (kein Anstieg der

installierten Leistung)

Batteriestack DC/DC WandlerBatteriestack DC/DC Wandler

Batteriestack DC/DC-Wandler

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 35

Umrichter

Aufbau mit mehreren Maschinen

Maschine

Vorteile: - verteilte Anordnung von Umrichtern und Maschinen- Betrieb auch bei Ausfall eines Maschinenstrangs- Radnahe Motoren realisierbar

Nachteile: - Regelungs- und Kommunikationsaufwand- Anstieg der Komponentenzahl (kein Anstieg der

installierten Leistung)

Umrichter MaschineBatteriestack DC/DC-Wandler

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 36Folie 36

Motorenkonfigurationen im Antriebsstrang

Radnabenmotoren– Freiheit bei der Fahrzeuggestaltung

– hohe ungefederte Massen

Zentralmotoren– weniger komplex

– hoher Wirkungsgrad

– keine Redundanz

Hochdrehzahlmotoren mit Getriebe – hohe Leistungsdichten

Einsatz mehrerer Motoren– schafft Redundanz

– ermöglicht neue Regelungsfunktionen (z. B. Torque Vectoring, Sequentieller Einsatz)

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 37

Upgrade-Möglichkeiten

Reichweitenskalierung in zwei Stufen durch Zusatzbatteriepacks

Zusatzpacks sind optimiert auf hohe Energiedichte

Geringere Leistung als HaupttraktionsbatterieSenkung von Kosten und Kühlaufwand pro

kWh

Leistungsskalierung des Speichersystems

Hinzufügen weiterer paralleler Batteriemodule zur Haupttraktionsbatterie

Erweiterung des DC/DC-Wandlers durch zusätzliche Leistungsmodule

Topologie bei StreetScooter – Skalierbarkeit

Leistungs-skalierung

Reichweitenskalierung(Zusatzpacks)

DC/DC

DC-BusDC/DC

DC/DC

Maschine Maschine

DCAC

DCAC

DCAC

DCAC

60 km 95 km 130 km

30 kW 50 kW

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 38

Topologie bei StreetScooter – Maschinenkonzept

Ausgewählt wurde der Antrieb mit zwei radnahen Motoren

Hintere Räder sind einzeln angetrieben

Kein Differenzial nötig (sondern zwei baugleiche Getriebe)

Stabilisierung möglich (evtl. ESP-Funktionmöglich)

DC-DC Wandler entkoppelt Antrieb von Batteriespannung

optimale Antriebsspannung –betriebspunktabhängig

optimale Batteriespannung

Verwendung eines gemeinsamen Gehäuses

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 39

3-phasiger Umrichter (ISEA)

Umrichtertopologie für zwei Antriebe

Topologie bei StreetScooter – AntriebsumrichterAntriebsumrichter besteht aus zwei parallelen integrierten Umrichtern für die beiden Maschinen

Gemeinsamer variabler ZwischenkreisOptimale Spannung abhängig von Betriebspunkt

Minimierung der benötigten ZwischenkreiskapazitätVerzicht auf Elektrolytkondensatoren

Verwendung der Antriebsumrichter auch als Ladegerät

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 40

Gliederung

Marktsegment

Energiespeichersystem und Ladekonzept

Antriebsstrangtopologie

Aktuelle Probleme und Herausforderungen bei der Entwicklung von Elektroautos

Fazit

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 41Folie 41

Herausforderungen für moderne Elektrofahrzeuge

Das Elektrofahrzeug muss bezahlbar und zuverlässig sein (mission reliability).

Zielpreis StreetScooter: 5000 € (exkl. Batterie & MwSt)

Forschung an "etablierten" Technologien mit mittelfristiger Perspektive, damit diese ausreifen (Prototyp zu Produkt)

Innovation: Kontinuierliche Erforschung neuer Ansätze mit langfristigen Perspektiven (neue Prototypen)

Im folgenden Diskussion des Forschungsbedarfs für

Batteriespeichertechnik

Leistungselektronik

Antriebsstrang

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 42Folie 42

Batterietechnologie

Überführung der Ergebnisse von Alterungs-untersuchungen in das Feld

LebensdauerprognosenRückschlüsse aus Untersuchungenauf Materialauswahl und Kühlbedarf

Maximierung der Lebensdauer durchElektrisches und thermisches ManagementLadeausgleichssystemeDiagnostik und SicherheitsmonitoringEntwicklung neuer Materialien

WeiterentwicklungMaximierung von Sicherheit und ZuverlässigkeitReduktion der Kosten durch Materialauswahl und Economy of ScaleOptimierung SystemtechnikErhöhung der Energiedichte

Auswirkungen der Nutzung als Regelreserve imStromnetz auf die Batterielebensdauer

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 43Folie 43

Batteriepackdesign

Langlebigkeit und ZuverlässigkeitAusreichende, kostengünstige Kühlung

Robuste Zellverbindungstechnik

Erhöhte Funktionssicherheit durch Redundanz

Qualifizierung von BatteriepacksIntrinsische Sicherheit

Crashsicherheit

Untersuchung modularer AnsätzeEinsatz einheitlicher Komponentenin unterschiedlichen Fahrzeugen

Normierung

Optimale Integration in die FahrzeugstrukturNeue Ansätze im Packaging

Batterie-management

Batterie

Thermisches Management

Prinzipbild: Conti Temic

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 44Folie 44

Topologiefragestellungen für das Hochvolt-Bordnetz

Flexible Antriebsstrangkonzeptemodulare Systemplattformen

Untersuchung und Optimierung der einzelnen Umrichter- / Wandlertopologien

Wirkungsgrad BauraumProduktionskosten

Standardisierte Spannungsniveausherstellerübergreifend kompatible Haupt- und Nebenaggregatekostengünstige Produktion von Standardkomponenten.

Integration des Ladegeräts in den Antriebsumrichter

Kostenreduktion

Beispiel fürAntriebsstrang

TopologieA

TopologieB

TopologieA

TopologieB

DC/DC-Wandler

Antriebs-umrichter

Maschine

Batteriestack

AuswahlModule

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 45Folie 45

Forschungsfragestellungen für Leistungselektronik in Kraftfahrzeugen

SiC und GaN BauelementeEnergieeffiziente Halbleitertechnologien Produktionskosten müssen sinkenPackagings müssen verbessert werden

KondensatorenHöhere EnergiespeicherdichteHöhere WechselstrombelastbarkeitWeiter Einsatztemperaturbereich

Die Integration von aktiven und passiven Komponenten in die Platine

Steigerung der Zuverlässigkeit Reduzierung des Bauvolumens

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)Neue Herausforderung durch Elektrifizierung des AntriebsstrangsStörungen von Fahrzeug, Umwelt und Passagieren sind auszuschließen.

Quelle: www.visa-projekt.de

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 46Folie 46

Aufbau- und Verbindungstechnik leistungselektronischer Bauelemente

Gängige Halbleiterbauteile weisen trotz hoher Kosten hohe Ausfallraten beim Einsatz in Elektroautos auf.

Eigene, optimierte Halbleiterpackages für Automobilanwendungen sind zu entwickeln.

Durch abgestimmte Produktionsprozesse können Kosten und Zuverlässigkeit in Einklang gebracht werden. Quelle: Lutz, J.: Halbleiterleistungsbauelemente

Lötzinn

geringe Ausdehnung

hohe Ausdehnung

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 47Folie 47

Forschungsthemen für elektrische Antriebe (1)

Fragestellungen zum Gesamtsystem:Welche Elektromotoren sind geeignet?

Welche Motoranordnungen schaffen Mehrwert?

Wie kann das Gesamtsystems effizient optimiert werden?

Untersuchung von in die Maschine integrierter Leistungselektronik

Gewichts- und Kostenreduktion

Erhöhung von Zuverlässigkeit und Redundanz

Thermische Modellierung von Antrieben

Konzept StreetScooter

Erwärmungsmessung

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 48Folie 48

Forschungsthemen für elektrische Antriebe (2)

Vorhersage von Fehlerfällen (Lager, Temperatur, Wicklung, Erregung, Sensor)

Verbesserung der Regelung in Hinsicht auf Effizienz und Spannungsausnutzung

Untersuchung des akustischen Verhaltens im Elektrofahrzeug

Hochlaufspektrogramm

fin

Hz

n in rpm

Lufts

chal

lpeg

elin

dB

Wirkungsgradkennfeld

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 49Folie 49

Kostengünstige Produktion von Komponenten

Autos mit Verbrennungsmotoren haben eine lange Geschichte der Kostenoptimierung hinter sich

Das Elektroauto muss auf Kostenebene schnell konkurrenzfähig werden

Kosteneinsparungspotential durch Skaleneffekte

Fokus auf Produzierbarkeit – Einfacher Montageprozess durch standardisierte Schnittstellen

Massenproduktion von Standardmodulen mit Gleichteilen

Quelle: ECPE Tutorial „Power Electronics Packaging“

Quelle: StreetScooter

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 50

Gliederung

Marktsegment

Energiespeichersystem und Ladekonzept

Antriebsstrangtopologie

Aktuelle Probleme und Herausforderungen bei der Entwicklung von Elektroautos

Fazit

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 51

Fazit - StreetScooter als e-Fahrzeugkonzept

Beispiel für Lösung einiger grundlegenden Probleme bei der Einführung von Elektroautos

Konzept für Marktsegmentplazierung

Modularität mechanischer und elektrischer Komponenten

Optimale Integration von Batteriepack und Leistungselektronik in das Fahrzeugkonzept

Ziel: Nachweis der Machbarkeit eines durchsetzungsfähigen KonzeptsSpezifikationen „Compact“– Verkaufspreis von € 5.000,- (exkl. Batterie & MwSt)

– Gewicht <750 kg (exkl. Batterie), Batteriegewicht <250 kg

– Leistung 30 kW, vmax = 120 km/h, Reichweite 60-130 km, Verbrauch < 15 kWh/100 km

– Diskrete Skalierbarkeit der Fahrzeugabmessungen & -leistung

– Innovative Low-Cost-Fahrerassistenzsysteme

– Modularität zur Darstellung der Derivate und Erreichung der Kostenziele

– Offene Schnittstellen zur Individualisierung

10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 52

Student projectsStudent projects

Kontakt

Dipl.-Ing. Christian DickInstitut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA)Jägerstr. 17/19 52066 Aachen

Telefon: +49 (0)241 80-96922

Email: [email protected]

Internet: www.isea.rwth-aachen.de

Wir suchen wissenschaftliche Mitarbeiter !Sowohl Doktoranden

als auch Studenten

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10.03.2010Christian Dick

StreetScooter - ein modulares e-Fahrzeugkonzept Folie 53

Student projectsStudent projects

Drive-E-Akademie am 10.03.2010 in Erlangen

Christian Dick, Hauke van Hoek

ISEA, RWTH AachenUniv.-Prof. Dr. ir. R. W. De Doncker

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

Vielen Dank für die Zuarbeiten der ISEA - Forschungsgruppen

- ein modulares

e-Fahrzeugkonzept