© 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
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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
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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
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Motivation
Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe
0
1
2
3
4
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1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090
Pro
du
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Co
nsu
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Gt]
Production
Odell 2000
Campbell 2002
Edwards 2001
Consumption
Prognostiziertes
Produktionsmaximum
© 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
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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
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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!
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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!
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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
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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
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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
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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
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1
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2
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3
Sicherungen
F1 F2 F3
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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
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Elektrofahrzeuge
Stromerzeugung
Nuklear und Fossil Regenerativ
„CO2-Bilanz und Nachhaltigkeit nur so gut wie diejenige der Kraftwerke, in denen
der Strom erzeugt wird“
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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
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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)
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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 [email protected]
Internet www.ika.rwth-aachen.de
Kontakt
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