Gummersbach, 25. Mai 2011
Fit für die E-Mobilität ?Teil 1: Markt- und Technologieüberblick E-Fahrzeug
Institut für Fahrzeugtechnik der FH Köln
Antriebs-technik
und Kolben-masch.
Fahrwerk und
Simul.-technik
Karosserie-leichtbau
Fahrzeug-system-technik
Labo
reNVH.LabMecha-
tronics
Fzg-meß-technik + Elektronk
Thermo und
Fluid-dynamik
4CCAD-CAM-
Center Cologne
Virtuelle Produktent-
wicklungCAD/ CAE/
CAM
Wei
tere
A
rbei
tsge
biet
e
Fahrzeug-sicherheit
Geführte Verkehrs-
mittel
Sachver-ständigen-
wesen
Wert-schöpfungs-strukturen
Prozess-kosten
Simulation
Nutzfahr-zeug-
technik
� 850 Studenten□ Bachelor□ Master
� 20 Professoren
� 30 wiss. Mitarbeiter
� Kooperationen mit internationalen Hochschulen
� Drittmittelforschung
� Industrieprojekte
Profil Struktur der Themenfelder des Instituts
Trends Automobilindustrie
Marktüberblick E-Mobilität
Produktbeschreibung E-Fahrzeug
Zulieferstruktur und -anteile E-Fahrzeug
Fragestellung
� 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
� Welche Anpassungen bzw. Veränderungen müssen bei den Zulieferfirmen vollzogen werden, um den Trends in der Automobilindustrie gerecht zu werden?
Trends Automobilindustrie
■ Informieren
■ Strukturieren undSortieren
■ HandlungfelderSkizzieren
Ziel des VortragsAusgangssituation
Fragestellung
� Der E-Antrieb wird den Verbrennungs-motor langfristig ersetzen
� Die E-Mobilität wird duch den Staat gefördert
� Die nächsten Jahre werden zeigen, welches Konzept der Energieein-speisung für den E-Motor sich am Markt durchsetzen wird
E-Mobilität
Trends in der AutomobilindustrieVier Treiber führen zu markanten Änderungen am Prod ukt und in der Wertschöpfung des Automobils
1
� Ganzheitliche Mobilität wird wichtiger, das Automobil wird verstärkt im Kontext mit anderen Mobilitäts-netzen gesehen
� Megacities stellen besondere Anforderungen an Mobilität
� Das Fahrzeug wird Teil des vernetzten Lebens
Stellenwert der Mobilität 4
Trends Automobilindustrie
� Globalisierung führt zur Zunahme der länderspezifischen Varianten
� Zunehmende Nischenmärkte führen zur Erhöhung der Baureihenvielfalt
� Kundenindividuelle Fahrzeuge mit kurzen Lieferzeiten benötigen hochflexible Wertschöpfungsketten
Variantenvielfalt3
� Gesetzliche Begrenzung des CO2 - und Schadstoff-Ausstoßes beimVerbrennungsmotor
� Vielfältige Antriebsvarianten möglich: von optimiertem Verbrennungsmotor bis Hybrid-Mischformen
� Limitierte Zufahrtsberechtigung Citydurch restriktive Euro-Normen
Emissionsreduzierung V-Motor2
� 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
E-Mobilität
Vortrag: Fit für die E-Mobilität ?Der Trend E-Mobilität fordert von den Zulieferern auf ganz spezifischen F eldern konkrete Weichenstellungen
Trends Automobilindustrie
� Was verändert sich am Automobil ?
� Muss ich mein Produktspektrum erweitern bzw. meine Wertschöpfungsanteile ver-ändern?
� Soll ich jetzt einsteigen oder noch abwarten ?
� Wie sichere ich die Rentabilität ab ?
Fragen der Zulieferer
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-AntriebDie unterschiedlichen Fahrzeugkonzepte sind ein wic htiger Treiber der Variantenvielfalt
Parallelbetrieb von V- und E-Motor
E-Motor 14 kWBatterie 0,6 kWhReichweite 800 km
BeispielMB S400 Blue Hybrid
Mild Hybrid
Getrennter Betrieb von V- und E-Motor
E-Motor 50 kWBatterie 1,3 kWhReichweite 800 km
BeispielToyota Prius THS III
Voll Hybrid
E-Antrieb mit V-Motorals Range Extender
E-Motor 111 kWBatterie 16 kWhReichweite 800 km
BeispielCitroen Saxo Dynavolt (1998)
Plug-In Hybrid
E-Antrieb mit Batterie
E-Motor 80 kWBatterie 24 kWhReichweite 160 km
BeispielSmart fortwo EDMitsubishi i-MiEV
E-Fahrzeug
E-Antrieb mit Brenn-stoffzelle
E-Motor 80 kWBatterie ?? kWhReichweite 500 km
BeispielMercedes B-Klasse(2013)
E-Fahrzeug
Marktüberblick E-Mobilität
Prognose: Anteil der Antriebstechnologien bis 2030Obwohl der alleinige E-Antrieb erst 2030 einen 10%- igen Marktanteil erreichen wird, sind E-Antriebe in relevanten Anteilen schon vorher in den Hybridantri eben integriert
■ 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)
■ Reine Battrie- bzw. Brenn-stoffzellen-betriebene Fahr-zeuge mit relevantem Anteil erst ab >2020 (BEV, FCV)
KernaussagenMarktanteile
Quelle: IFA Reutlingen
ICE Verbrennungsmotor (Otto und Diesel) als dominanter Antrieb (inkl. Mild Hybrid = Parallelität von V- und E-Motor)
HEV Voll-Hybrid (Ständig wechselnder Antrieb zwischen V- und E-Motor)
PHEV Plug-In-Hybrid (E-Antrieb inkl. Range Extender)
BEV E-Antrieb mit Batterie
FCV E-Antrieb mit Brennstoffzelle
Marktüberblick E-Mobilität
■ Das Marktvolumen Welt 2020 beträgt ca. 82 Mio. PKWs
■ Die für europäische OEMs erreichbaren Schwerpunkte liegen in den Regionen: NAFTA, EU, China.
■ Hybrid-Antriebe haben einen Anteil von ca. 9,5 Mio. PKWs
■ Reine E-Antriebe (inkl. PHEV) haben einen Anteil von ca. 6,8 Mio. PKWs(Batterie + BreZell = 2,7 Mio)
KernaussagenMarktvolumen Hybrid und E-Antrieb
Quelle: AVL Schrick
Prognose: Marktvolumen Welt 2020 für E-Antrieb Die Regionen NAFTA, EU und China sind Vorreiter in der E-Mobilität
0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
PK
W V
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Mio
.
NAFTA EU China Brazil India Japan
4,5
Mild
Full
PHEV
BEVFCV
Gesamt-Stückzahl
21 Mio 18 Mio 21 Mio 6 Mio 6 Mio 5 Mio
Marktüberblick E-Mobilität
Markteinführung E-Fahrzeuge In den nächsten Jahren kommen viele E-Fahrzeuge auf den Markt, als Plug-In-Hybrid, batteriebetrieben o der mit Brennstoffzelle
Elektroautos: Was kommt wann ?
Förderung E-MobilitätE-Mobilität wird intensiv gefördert. Auch KMU‘s kön nen partizipieren.Der Ablauf ist: Innovation ���� Projekt-Idee ���� Förderungsbedarf ���� Förderungsantrag (Kurzbeschreibung)
Marktüberblick E-Mobilität
Subventionen Elektroautos in Deutschland
■ Quellen von Fördermitteln- EU / Bund / Land / Kreis / ...- Stadtwerke / Betreiber / ...- Modellregoin / Industriecluster / ...- ...
■ Förderungsobjekte- Produktkauf (z.B. Prämie)- Produktbetrieb (z.B. Zuschuss Infra-
struktur)- Herstellfirmen (z.B. Innovationen,
Kooperationen, Betrei-bermodelle, ...)
■ Prinzip der Förderquoten< 100% für Grundlagenforschung< 50% für Industrielle Forschung< 25% für Experimentielle Entwicklung
Förderungsebenen
Trends Automobilindustrie
Marktüberblick E-Mobilität
Produktbeschreibung E-Fahrzeug□ Innovative Produkttechnologie□ Leichtbau
Zulieferstruktur und -anteile E-Fahrzeug
Steigender Innovationsgrad bei Fahrzeugen mit E-Ant riebMit zunehmender Entfernung des Antriebskonzeptes vo m herkömmlichen Verbrennungsmotor nimmt die Notwendigkeit nach Entwicklung und Integration inno vativer Antriebs-Komponenten zu
MildHybrid
VollHybrid
Plug-InHybrid
E-Fahrzeug
Steuerungs-elektronik
IntegrierterE-Motor
Leichtbau
...
Hoch-Volt-Technik
Batterie /BreZell
Leistungs-elektronik
Getriebe
Radnaben-Motoren
Fahrzeug-strukturen
Steuerungs-elektronik
AutarkerE-Motor
Leichtbau
SteigenderInnovationsgrad
...
Steuerungs-elektronik
AutarkerE-Motor
Leichtbau
...
AngepassterV-Motor
Steuerungs-elektronik
AutarkerE-Motor
Leichtbau
Fahrzeugkonzepte E-Fahrzeug
Hybridtechnologie – Mild HybridDurch parallele Nutzung von V- und E-Motor wird der Wirkungsgrad des gesamten Antriebsstrangs erhöht
Innovative Produktanpassungen
Quelle: AVL-Schrick
Honda Civic (Integrated Motor Assist)
AVL Turbohybrid (downsizing & downspeeding)
AVL´s demo-vehicle ECO TARGET™
Honda Civic (Integrated Motor Assist)
AVL Turbohybrid (downsizing & downspeeding)
AVL´s demo-vehicle ECO TARGET™
Mercedes-Benz S400 Blue HybridMercedes-Benz S400 Blue Hybrid
Steuerungselektronik
„Booster“ in vorhandenem Antriebsstrang
Autarker Elektromotor
Innovative Produkttechnologie E-Fahrzeug
Li-Ionen Batterie(Hochvolt: 120 V)
Hybridtechnologie – Mild Hybrid ���� Anwendungsbeispiel: MB S 400H, BMW 750iHLeistungsfähige Zulieferer übernehmen bei den wicht igen Modulen die Systemführerschaft
Quelle: 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
Produktdetails
■ Magnetkreisdesign ermöglicht kosten-günstige Großserienfertigung
■ Kleine elektrische Leistung / kleine Batterie
■ Kompakt / Robust / Modulfähig
Wirkung / Nutzen
Dynastart von ZF
Innovative Produkttechnologie E-Fahrzeug
Hybridtechnologie – Voll HybridDurch getrennte Nutzung des E-Motors kann das Fahrz eug partiell ohne V-Motor bewegt werden
Innovative Produktanpassungen
Quelle: AVL-Schrick
Two mode Chevy TahoeLexus GS 450hToyota Prius THS II Two mode Chevy TahoeLexus GS 450hToyota Prius THS II
Integrierter Elektromotor
innerhalb Getriebe
Autarker Elektromotor
Getriebe / Trennung der Antriebe
Innovative Produkttechnologie E-Fahrzeug
Hybridtechnologie – Voll Hybrid ���� Anwendungsbeispiel: Versuchsfahrzeug ZFLeistungsfähige Zulieferer übernehmen bei den wicht igen Modulen die Systemführerschaft
Quelle: ZF
■ Vollständige Integration des Elektro-motors in das Automatikgetriebe
■ Rein elektrisches Fahren möglich
■ Geringes Mehrgewicht gegenüber Basisgetriebe
■ Direkte Anbindung an gängige Verbrennungsmotoren
Produktdetails
■ Bauraumneutralität / Vollständige Modularität der Komponenten
■ Mittlere elektrische Leistung / Moderate Batteriegröße
■ Kompakte Bauweise des Gesamtsystems
Wirkung / Nutzen
8-Gang-Automatikgetriebe mit integriertem Hybridmod ul
Innovative Produkttechnologie E-Fahrzeug
Range Extender – KonzeptdarstellungDer Range Extender ermöglicht dem alleinigen E-Antr ieb auch eine Nutzung auf der Langstrecke
Innovative Produktanpassungen
Quelle: AVL-Schrick
AngepasstesMotorkonzept(Downsizing /
Wankelmotor / ...)
Li-Ionen Batterie
V-Motor
E-Motor(Micro-Hybrid)
Batterie
E-Motor
Batterie
V-Motor(Range Extender)
HerkömmlichesAntriebskonzept
E-Fahrzeug mitRange Extender
Steuerungselektronik
Innovative Produkttechnologie E-Fahrzeug
Heizung / KlimaThermomanagement
Reines Elektrofahrzeug: Batterie versus Brennstoffz elleDer Markt wird langfristig über Durchbruch von batt erie- bzw. brennstoffzellen-betriebenen Elektrofahrz eugen entscheiden
Innovative Produktanpassungen
Quelle: Daimler
Fahrzeug mit Batterie
Innovative Produkttechnologie E-Fahrzeug
Hochvoltbatterie
Heizung / KlimaThermomanagement
■ Fahrzeug mit Batterie□ Viele Modelle ab 2011 kaufbar□ Reichweite beschränkt / Lade-
vorgang langwierig □ Technologischer Sprung > 2025
■ Fahrzeug mit Brennstoffzelle□ Kaufbar ab 2013 (MB B-Klasse)□ Reichweite analog Benziner / Lade-
vorgang analog LPG
Nutzungskonzepte
■ Beide Arten der Energiebreitstellung benötigen angepasste „Tankstellen“
■ Wirkungsgrad des Gesamtsystems Automobil- Fzg. mit Batterie: ca. 60-65% - Fzg. mit Brennstoffzelle: ca. 35-40%
Marktselektion
Fahrzeug mit Brennstoffzelle
WasserstoffspeicherungBrennstoffzelle
Steuerungselektronik
Antriebsstrang E-Fahrzeug: Zentralantrieb versus Ra dantriebDas Elektrofahrzeug lässt mehrere Varianten im Antr iebsstrang zu
Quelle: FAG Schaefler
Innovative Produkttechnologie E-Fahrzeug
Antriebsstrang E-Fahrzeug ���� Anwendungsbeispiel: RadnabenmotorLeistungsfähige Zulieferer übernehmen bei den wicht igen Modulen die Systemführerschaft
Innovative Produktanpassungen
Quelle: xx
Innovative Produkttechnologie E-Fahrzeug
max. Leistung 30 kW
Feder-Dämpfer-Einheit
Kombination aus Antriebs-, Brems- undFahrwerkstechnologie
Radaufhängung
AngepasstesE-Motor-Konzept
max. Leistung 30 kWmax. Drehmoment 600 NM
Beispiel: Fa. Michelin Beispiel: Fa. Schaefler
Leichtbau bei ElektrofahrzeugenDurch Leichtbau werden u.a. die hohen Zusatzgewicht e der Batterie gemildert.
Leichtbau E-Fahrzeug
■ Leichtbau besonders im Bereich Antrieb, Exterieur und Karosserie
■ Erfolgsmaximierung durch mehrdimensio-nale und vernetzte Vorgehensweise.(s.a. Grafik zur Leichtbau-Strategie)
■ Fachliche Mehrdimensionalität bedingt Zusammenarbeit innerhalb der OEM-Zulieferstruktur
Details zum Leichtbaukonzept
■ Senkung des Energieverbrauchs(geringere Betriebskosten, Umweltaspekt)
■ Steigerung der Fahrdynamik
■ Kompensation von Gewichtszunahme durch Sicherheitssysteme, ...
Wirkung / Nutzen
Anwendung der Leichbau-Strategie
Quelle: IKA RWTH Aachen
Trends Automobilindustrie (Technologie Roadmap?)
Marktüberblick E-Mobilität
Produktbeschreibung E-Fahrzeug
Zulieferstruktur und -anteile E-Fahrzeug
Marktstruktur E-MobilitätDie veränderte Marktstruktur E-Mobilität verlangt A nstrengungen von allen Marktteilnehmern
Zulieferstruktur und -anteile E-Fahrzeug
■ Änderungen auf allen Ebenen des Marktes: Rohstoffbeschaffung, Zuliefe-rung, Fahrzeugherstellung, Energiebereit-stellung, Dienstleistungsmodelle
� Herstellung und Nutzung betroffen
■ Automobilstandort Deutschland wird mobilitätsfreundlich bleiben und muss sich international zum Leitmarkt entwickeln
Änderungen der Marktstruktur
■ Staat, Industrie und Gesellschaft müssen sich den Veränderungen stellen
■ Neue Komponenten erstetzen die alten, wegfallenden Volumina und erschließen neue und weiterführende Geschäfte
Umstiegs- und Einstiegs-Chancen
Marktstruktur E-Mobilität
ZulieferstrukturDie Zuliefererstruktur für das E-Fahrzeug wird sich nachhaltig verändern
Zulieferstruktur und -anteile E-Fahrzeug
■ Neue Produkttechnologien erfordern neue, auch branchenübergreifende Kompetenzen
■ Einstieg in neue High-Tech-Komponen-ten erfordern einen hohen Einsatz bei den Ressourcen
■ Steigende Anteile der Zulieferer an der Wertschöpfung sind realistisch
Änderungen der Zulieferstruktur
■ OEM und Zulieferer definieren ein neues Gleichgewicht in der Zusammenarbeit
■ In der Zusammenarbeit entstehen neue, modulbezogene Allianzen über alle Zuliefer-Ebenen hinweg
Wirkung / Nutzen
Wertschöpfungsanteile OEM / Zulieferer
Modulstruktur E-FahrzeugEs werden neue Module beim E-Fahrzeug benötigt
Zulieferstruktur und -anteile 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 Aktivi-täten fokusieren
Änderungen der Zulieferstruktur
■ Risiko Kompetenzaufbau zu spät und zu gering
■ Chance Vom Leitmarkt E-Mobilität zuminternationalen Leitanbieter
Auslastung der leistungsfähigen Ressourcen auch zukünftig
Chancen / Risiken
Neue Module im E-Fahrzeug
Quelle: Fraunhofer IAO