© ika 2009 · All rights reserved08.05.2009#90910 · 9AF0055.ppt Folie Nr. 1

Fahrspaß mit Sparspaß:

Effizienz und Effektivität in der Mobilität

Elektromobilität – Die Rückkehr des Elektrofahrzeuges

Wuppertal, 09. Mai 2009

Dr.-Ing. Arndt Freialdenhoven,

Institut für Kraftfahrzeuge

RWTH Aachen University

© ika 2009 · All rights reserved

Elektrofahrzeuge sind nichts neues!

Geschichte der ElektrofahrzeugeThink CityThink City

Tesla RoadsterTesla RoadsterTrouvé, Ayrton

& Perry

Trouvé, Ayrton

& Perry

EV1EV1

ETV-1ETV-1

BattronicBattronic

DetroitDetroit

Jamais ContenteJamais Contente

MorrisonMorrison

1880

1900

1940

1960-70

1996-99

2008

© ika 2009 · All rights reserved

Elektrofahrzeuge sind nichts neues!

Lohner Porsche Elektromobil

• Erstmals vorgestellt auf der Weltausstellung im Jahr 1900

• Reichweite: 50 km

• Geschwindigkeit: 50km/h Spitze

• Je ein Innenpol-Elektromotor in den Radnaben der Vorderräder

(je 110kg inkl Rad)

• 44-zelliger Bleiakkumulator mit 80V Spannung (26,4kWh)

• Gesamtgewicht des Fahrzeugs:

1.000kg, davon 410kg Batterien

© ika 2009 · All rights reserved

Motivation

Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe

0

1

2

3

4

5

6

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090

Pro

du

ctio

n,

Co

nsu

mptio

n [

Gt]

Production

Odell 2000

Campbell 2002

Edwards 2001

Consumption

Prognostiziertes

Produktionsmaximum

© ika 2009 · All rights reserved

Motivation

Volatilität der

Rohölpreise

© ika 2009 · All rights reserved#90910 · 9AF0055.pptFolie Nr. 6 08.05.2009

Motivation

Klimawandel und Luftverschmutzung

Santiago/Chile, 1 hour after rainfallSantiago/Chile, 30 hours after rainfall

© ika 2009 · All rights reserved#90910 · 9AF0055.pptFolie Nr. 7 08.05.2009

Motivation

Emissionsgesetzgebung

0

50

100

150

200

250

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Nox (Stickoxide) [mg/km]

HC

(K

oh

len

wa

ss

ers

toff

e)

[mg

/km

]

Euro 3 Euro 4 Euro 5 LEV ULEV SULEV

© ika 2009 · All rights reserved

Emissionsgesetzgebung

Fokus: USA (Kalifornien)

Gesetzgebung:

• In Amerika werden die Emissionsgrenzwerte auf nationaler Ebene von der

Environmental Protection Agency vorgegeben

• Das „California Air Resources Board“ (Kalifornien) darf darüber hinaus strengere

Richtlinien formulieren

• Die Low Emission Vehicle - Regularien schreiben geringere Emissionsgrenzwerte vor

als die allgemein in den USA geltenden Tier I- und Tier II- Richtlinien

• Die sogenannten „CARB - Bundesstaaten“ Maine, Massachusetts, New York, Oregon,

Vermont und Washington haben die LEV-Richtlinien übernommen

• Ab 2012 müssen OEM, die in Kalifornien Fahrzeuge verkaufen,

mindestens ein Zero-Emission Vehicle in Ihrem Produktportfolio

haben!

© ika 2009 · All rights reserved

Emissionsgesetzgebung

Fokus: USA (Kalifornien)

Carpool Lane:

• High occupancy vehicle lanes (auch Carpool lanes genannt) dienen

der Förderung zur Bildung von Fahrgemeinschaften

• Besonders gekennzeichnete Fahrbahnen, Benutzung ausschließlich

für Fahrzeuge mit einer Mindestanzahl von Insassen

Besonderheit in Kalifornien:

• Nutzung von Carpool Lanes für Hybridfahrzeuge mit einer Person erlaubt

• Vorraussetzung:

- „Clean air sticker“ (seit 2005)

- Vergabe an Hybridfahrzeuge mit einem Benzinverbrauch besser als 45 mpg (6,7 Liter pro 100

km); Gültigkeit bis 1. Januar 2011

• Die Anzahl der Sticker wurde auf 85.000 Stück begrenzt. Diese Stückzahl ist

mittlerweile erreicht.

• Sticker sind an die jeweiligen Fahrzeuge gebunden Ältere Hybridfahrzeuge mit

Sticker werden teilweise teurer gehandelt als Neufahrzeuge des gleichen Modells!

© ika 2009 · All rights reserved

Batteriebetriebenes Elektrofahrzeug

Produktechnologie

Produktbeschreibung:

• Fahrzeug wird allein von einem Elektromotor angetrieben

• Speicherung des Stroms in Batterien

• Verschiedene Batterietypen derzeit in Verwendung, von Bleiakkumulatoren

über Nickel-Cadmium, Metallhydrid bis hin zu Li-Ionen Batterien

• Fahrzeug wird am Stromnetz geladen, entweder über externes oder internes

Ladegerät

• Kleinst- und Leichtfahrzeuge sind im Betrieb, zumeist jedoch

als Flottenfahrzeuge, z.B. auf Werksgeländen

Quelle: ika/fkaQuelle:Tesla Roadster

© ika 2009 · All rights reserved

Batteriebetriebenes Elektrofahrzeug

Vor- und Nachteile

+ emissionsfreier Fahrzeugbetrieb möglich

+ geräuscharmer Betrieb, gute Beschleunigung, hohes Anfahrdrehmoment

+ Umgeht Fahrverbot in Innenstädten und City-Maut

+ Beschränkung auf eine Antriebsquelle

+ Nutzbremsung möglich

– CO2-Bilanz und Nachhaltigkeit nur so gut wie diejenige der Kraftwerke,

in denen der Strom erzeugt wird

– begrenzte Reichweite, lange Aufladezeiten

– Infrastruktur zum Laden der Batterie erforderlich

– derzeit hohe Anschaffungskosten

© ika 2009 · All rights reserved#90910 · 9AF0055.pptFolie Nr. 12 08.05.2009

Batteriebetriebenes Elektrofahrzeug

Antriebstrangstrukturen

(a) (b) (c)

Batterie

E-Maschine

Differential

Getriebe

• Variante (a):

Die elektrische Leistung der Batterie

wird über eine E-Maschine in

mechanische gewandelt und über ein

Differential an die Räder übertragen

• Variante (b):

Zwei E-Maschinen die direkt am Rad

platziert sind (Radnabenmotoren)

• Variante (c):

Je nach gewünschter Fahrzeug-

höchstgeschwindigkeit und Auslegung

der E-Maschinen können weitere

Übersetzungsstufen in Form eines

Getriebes integriert werden

© ika 2009 · All rights reserved

Elektrofahrzeuge

Elementare Komponenten und Systeme

• Batterie

- Batteriezellen

- Batteriemanagement

• Elektromotor

- Zentrale E-Maschine

• Getriebe mit fester Übersetzung

• Differential

- Radnabenmotoren

Motor

Getriebe

Differential

Quelle: RUF

Quelle: RUF

Quelle: Mitsubishi

© ika 2009 · All rights reserved

Elektrofahrzeuge

Elementare Komponenten und Systeme

• Leistungselektronik

• Bordnetz

Quelle: Continental

M G R

Starter 12V- Batterie Generator

mit Spannungsregler

elektr. Verbraucher

La

st

1

La

st

2

La

st

3

Sicherungen

F1 F2 F3

M G R

Starter 12V- Batterie Generator

mit Spannungsregler

elektr. Verbraucher

La

st

1

La

st

2

La

st

3

Sicherungen

F1 F2 F3

© ika 2009 · All rights reserved

Elektrofahrzeuge – Marktbetrachtung

Viele neue Partnerschaften sind enstanden

Batteriezulieferer Energieversorger/Politik

OEM muss Zugang zur Batterietechnik sicherstellen und den Verkauf der Fahrzeuge sowie den

Aufbau der Infarstruktur forcieren; jedoch nicht möglich ohne die Unterstützung der weiteren Akteure

Kooperationsmodell OEM:

• Partnerschaften: Zugang zu

Batterieproduktionskapazi-

täten sicherstellen

• Joint Venture: Exklusiv-

Entwicklung (für individuelle

Modelle)

• Rückwärtsintegration:

Zugang zu Batterie Know-

How verschaffen

Kooperationsmodell OEM:

• Politik: gemeinsam

sinnvolle Regelungen

treffen und Anreize

schaffen, z.B. freies

Parken oder kostenloses

Aufladen der Batterie

• Energieversorgung:

Entwicklung der

notwendigen Infra-

struktur und Abrech-

nungssysteme

Quelle: BCG

© ika 2009 · All rights reserved

Elektrofahrzeuge

Stromerzeugung

Nuklear und Fossil Regenerativ

„CO2-Bilanz und Nachhaltigkeit nur so gut wie diejenige der Kraftwerke, in denen

der Strom erzeugt wird“

© ika 2009 · All rights reserved

Elektrofahrzeuge

notwendiger Infrastrukturaufbau

• Ausstattung öffentlicher Parkplätze mit Ladestationen

• Ausstattung privater und gewerblicher Stellplätze mit

Hochleistungsladestationen zur Schnellaufladung

• Nutzung der E-Fahrzeugflotte als Energiespeicher zur Abdeckung

von Spitzenverbräuchen -> Rückspeisung der Energie ins Stromnetz

(Vehicle to Grid)

• Aufbau von Batteriewechselstationen

BatteriewechselstationBatteriewechselstation

Quelle: Project Better Place, welt.de, DGS

© ika 2009 · All rights reserved

Elektrofahrzeug

Finanzierungsmodelle

• Leasingmodelle für die Batterie

- Der OEM bleibt im Besitz der Batterie

(z.B. TH!NK behält das Eigentum an den Batterien, für monatlich 200 €

wird ein Wartungsservice garantiert)

- Der Energieversorger bleibt im Besitz der Batterie

• Pauschale Abrechnung nach gefahrenen Kilometern, ähnlich

Mobilfunk

bedingt intelligente Zähler im Fahrzeug, deren integriertes

Kommunikationsgerät Daten direkt an den Stromversorger überträgt

(vgl. Smart Grid/Metering)

© ika 2009 · All rights reserved

Elektrofahrzeuge – Entwicklungsansätze

Conversion vs. Purpose Design

• Änderung des Antriebsstrangs

• Keine zusätzlichen Funktionalitäten

• Keine Vorteile durch neues Package

• Keine Vorteile durch neue Ergonomie

• Keine „echten“ Innovationen

Kostengünstigster Entwicklungspfad durch Modifi-

zierung von Serienfahrzeugen und Weiterentwick-

lung bestehender Technologien und Konzepte

Beibehalten bestehender Strukturen

Laufende Prozesse können aufrechterhalten

werden

Conversion Design

• Veränderungen im gesamten Pkw

• Neue Antriebsstrangkonzepte

• Zusätzliche Funktionalitäten

• Mögliche Packagevorteile nutzen

• Neue Ergonomie und Bedienkonzepte

• „Echte“ Innovationen

Teurer Entwicklungspfad durch Entwicklung

neuer Konzepte und Technologien

Flexibles Verhalten etablierter OEM

Neue Hersteller drängen auf den Markt (Think,

Tesla, Lightning, Miles)

Etablierung neuer Kooperationen

Purpose Design

© ika 2009 · All rights reserved

Elektrofahrzeuge

ausgewählte Fahrzeuge

© ika 2009 · All rights reserved

Elektrofahrzeuge

ausgewählte Fahrzeuge

• Hersteller: Tesla Motors

1050 Bing Street, San Carlos,

California (USA)

• Typenbezeichnung: Tesla Roadster - 2008 Model Year

• Verkaufspreis: 109.000 $

(ab ca. Frühjahr 2009 auch in Deutschland zu 99.000 €)

• Elektromotor: Drehstrommotor – 3 Phasen, 4-Pol-Elektromotor, 185 kW

• Batterietyp: Lithium-Ionen Akkus

• Garantie Akku: 3 Jahre oder 60.000 km

• Ladezyklen: ca. 500 – 700

• Passive Sicherheit: Erfüllung der kalifornischen Crashtestnormen

Quelle: Tesla

© ika 2009 · All rights reserved

Elektrofahrzeuge

ausgewählte Fahrzeuge

• Hersteller: Think Global AS

Martin Lingesvei 17, 1376 Snarøya,

Norwegen

• Typenbezeichnung: TH!NK City – Modell A306

• Verkaufspreis: 20.000 €

• Elektromotor: Drehstrommotor – 3-phasiger Asynchronmotor, 17 kW

• Batterietyp: Lithium-Ionen Akkus

• Karosserie: recyclebarer ABS-Kunststoff

Quelle: TH!NK

© ika 2009 · All rights reserved#90910 · 9AF0055.pptFolie Nr. 23 08.05.2009

Elektrofahrzeuge

Überblick „Start of Production“ (SOP)

Kle

inw

age

n /

Inn

ers

täd

tische N

FZ

F

am

ilien

wa

ge

nS

po

rtw

age

n

Tesla Roadster

Th!nk City Mitsubishi MiEV

Phoenix MC SUV

Venturi Fetish

Lightning GT

SOP bereits erfolgt SOP 2009

AC Propulsion

eBox

Subaru R1eFiat Fiorino Electric

Quelle: ika/fka, Roland Berger

SOP 2010

Smart Fortwo EV Duracar Quicc! DiVa Fiat Phylla

Volkswagen UP Nissan Nuvo

GM Volt Toyota Prius PHV

Fisker Karma

© ika 2009 · All rights reserved

Elektrofahrzeuge

Herausforderungen

• Entwicklungen im Bereich der Batterietechnik:

- Steigerung der Lebensdauer

- Erhöhung der Leistungs- und Energiedichte

- Minimierung der Ladedauer (derzeit normal 6-8h; mit Schnellladefunktion 10min)

- Lithium-Ionen-Zellen (ca. ab 2010/2011): Zielkonflikt zwischen Energiedichte und Sicherheit (hoher Li Gehalt: leicht entzündlich) Optimierung des Zellendesign und der Integration im Fahrzeug

- Preise für Hochleistungs-Li-Ionen-Batterien (HL) liegen heute bei ca. 1500 €/kWh in Kleinserienproduktion

- Nach heutigen Einschätzungen können bei Massenproduktion geringere Preise erzielt werden:

• 500 €/kWh für Hochleistungsbatterien (HL)

• 300 €/kWh für Hochenergiebatterien (HE)

• Entwicklungen im Bereich der Energiegewinnung

- Nachhaltigkeit der Energieerzeugung durch Nutzung regenerativer Energien

- Optimierung des Wirkungsgrades regenerativer Energien

Quelle: ika/fka

© ika 2009 · All rights reserved

Elektrofahrzeuge

Ausgewählte F&E-Aktivitäten am Standort NRW

• Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbH Aachen

- in Zusammenarbeit mit verschiedenen Lehrstühlen der RWTH Aachen

(z.B. Institut für Kraftfahrzeuge (ika), Werkzeugmaschinenlabor der RWTH

Aachen (WZL), Institut für Stromrichtertechnik und elektrische Antriebe

(ISEA)) wird ein Demonstrator-Elektrofahrzeug (Basisfahrzeug) bis ca.

2011 aufgebaut

- Ziel ist die Schaffung einer umsetzungsnahen Quasi-Norm für die

Entstehung und Vermarktung von Elektrofahrzeugen

Mögliche Derivate:

Transporter

Coupé (2-Sitzer)

Cabrio (2-Sitzer)

Pick-up (2-Sitzer)

Begleitend während des gesamten Projekts:

Erarbeitung von Finanzierungsmodellen (z.B.

Batterieleasing)

Schaffung der notwendigen Infrastruktur

© ika 2009 · All rights reserved

Dr.-Ing. Arndt Freialdenhoven

Institut für Kraftfahrzeuge

RWTH Aachen University

Steinbachstr. 7

52074 Aachen

Germany

Telefon +49 241 80 25623

Telefax +49 241 80 22147

E-Mail freialdenhoven@ika.rwth-aachen.de

Internet www.ika.rwth-aachen.de

Kontakt