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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
zifis
che
Leis
tung
in W
/kg
(Zel
lebe
ne)
1
10
100
1,000
10,000
100,000
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
10
100
1,000
10,000
100,000
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
. En
erg
ie in
Wh
/kg
, En
erg
ied
ich
te in
Wh
/l
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Ko
sten
in U
S$
/ 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
10
15
20
25
30
Pause time between two trips in min
Ave
rage
dis
tanc
e be
fore
pau
ses
in k
m
Average distance before pauses
Fraction of pauses
0
5
10
15
20
25
30
Fra
ctio
n of
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
http://www.isea.rwth-aachen.de/portal
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