Der elektrifizierte Antrieb

Lösungen, Probleme und Konsequenzen

Helmut TschökeProf. Dr.-Ing. Dr. h.c.

Anlässlich des 80. Geburtstages von Dr.-Ing. Manfred Bergmann

Institut für Mobile Systeme (IMS)

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

htttp://www.ovgu.de/ims

helmut.tschoeke@ovgu.de

Helmut TschökeProf. Dr.-Ing. Dr. h. c.

203/2015

INSTITUT

FÜR MOBILE SYSTEME

----------------

KFT von 1951-1999

306/2013

INSTITUT

FÜR MOBILE SYSTEMELEHRSTUHL KOLBENMASCHINEN

Mobilität

Quelle: 33. Internationales Wiener Motorensymposium 2012, L. Eckstein u. A., Institut für Kraftfahrzeuge, RWTH Aachen

Mobilitätskonzepte

??

403/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Heute: Unsere Mobilität ist zu über 95% vom Erdöl abhängig!

Morgen: Ergänzende Kraftstoffe substituieren teilweise das Erdöl

Übermorgen: Neue Antriebskonzepte führen zur Mobilität der Zukunft

Erdölbasiert � Kraftstoffmix � Antriebsmix

Antriebskonzepte heute und in Zukunft

3-Phasen-Strategie

506/2013

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FÜR MOBILE SYSTEMELEHRSTUHL KOLBENMASCHINEN

Alternative KraftstoffeBio, Gas…

Antriebsmix

606/2013

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FÜR MOBILE SYSTEMELEHRSTUHL KOLBENMASCHINEN

Einige Aussagen ......

„Eine vollständige Ablösung desVerbrennungsmotors durch einenbatterieelektrischen Antrieb istderzeit überhaupt nicht abzu-sehen.“ (Scholl, Bosch, 2010)

Beliebtheit der E-Fahrzeuge sinkt:2011: 28 % 2009: 36 %

(Süddeutsche Zeitung 12/2011)

„Die Elektromobilität wird überschätzt“(Samuelsson , Volvo 2013)

„Wir haben bereits seit längeremgesagt, dass die bisherigen Maßnahmen nicht ausreichen, um das von der Regierung angestrebte Ziel zu erreichen“ (Zetsche 2012, ams)

„Das vernetzte Elektroauto istimmer das Beste“ Denner, Bosch 2/15

703/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Range der Prognosen

Produktion Welt

Szenario Fahrzeugantriebe „Produktion“

Reine E-Fahrzeuge (B+BZ) 2030: < 5 - 30%

Quelle: McKinsey, Bosch, Conti, Fraunhofer, Pierburg

803/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Neuzulassungen in Deutschland

Szenario Fahrzeugantriebe „Neuzulassungen“

Quelle: Shell, DLR Stuttgart

Range der Prognosen

903/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Fahrzeugbestand in D: ca. 44,4 Mio Pkw (1.1.2015) >davon:

Benzin Fzg. : 67,2 % <Diesel Fzg. : 31,2 % >Alternative : 1,58 % < ( absolut >)

davon: 18.948 E-Fahrzeuge (0,043%) >

107.754 Hybrid Fahrzeuge (0,24%) >

81.423 Erdgas Fahrzeuge (0,18%) >

494.148 Autogas Fahrzeuge (1,11%) <

▶ Zweit- und Drittfahrzeuge: ca.10 Mio mit ca. ø 30 kmTagesfahrleistung

Hohes Potential für E-Fahrzeuge auch ohne zusätzliche Ladestationen ► Garagensteckdose reicht oft !

Fahrzeugbestand

1003/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

1 Verbrennungsmotor2 Kupplung3 E-Maschine4 Getriebe5 Leistungselektronik

6 Traktionsbatterie 7 Plug-In8 Generator9 Tank10 Planetengetriebe

Mild Hybridantrieb

Serieller Hybrid

Paralleler Hybrid

Axle-SplitHybrid

Leistungs-verzweigter

Hybrid

ElektrofahrzeugFull-/Plug-In Hybridantriebe

• Unterstützung der VKM beim Anfahren

• Kein rein elektrischesFahren üblich

• Rekuperation

• Fahren nur mitE-Motor möglich

• VKM treibt ausschließlichGenerator an

• Rekuperation

• Fahren mit VKM und/oder E-Motor

• Laden der Batterie während der Fahrt möglich

• Rekuperation

(Batterie/Brennstoffzelle)

• Rein elektrisches Fahren

• Rekuperation

• Range Extender(nur bei Batterie-fahrzeugen)

Alternative Fahrzeugantriebe - Übersicht

Definition Hybridantriebe:

Fahrzeug mit mindestens 2 unterschiedlichenEnergieträgern/Energiewandlern für den Fahrantrieb

Quelle: OVGU, IMS-KM

1103/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Quelle: Lindemann, MTZ 11/2012

Blockschaltbild eines Hybridantriebs

1203/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Betriebspunkte und Energieumsatz für Verbrennungsmotor im NEFZ

Quelle: Continental, Antrieb von morgen , 2014

1303/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Beiträge zur CO 2-Reduktion bis 2020/21 am Beispiel der EU

150

140

130

120

110

100

126,7

g/km

Ziel:

95 g/km

Flotte EU*

2013

Flotte EU

2020/21

5 27 ≈ 84%

E-Fahrzeuge

+ PHEV

Fahrzeuge mit

Verbrennungsmotor

CO

2-E

mis

sio

ne

n [

g/k

m]

* D: 131 g/km 12/2014Quelle: Nach Bosch 2011

1403/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Kennwerte der Hybridfahrzeuge

Quelle: OVGU, Bachelor-Arbeit, S. Schneider, 2012

1503/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Reichweite versus Elektrifizierung

Quelle: VW, Antrieb von morgen 2014

1603/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Historie der Elektromobile

1900 : USA Bestand: ca. 34.000 ElektromobileProduktion 4.000 Fahrzeuge /Jahr

davon: 40% Dampfwagen38% Elektromobile22 % Benzinwagen

1990-2000: viele erfolglose Aktivitäten (GM:EV1…)erfolgreicher: Hybridfahrzeuge (Toyota…)

Seit 2005: intensive Entwicklung von E-Antrieben

1703/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Energiedichten im Vergleich

Quelle: 7. MTZ Fachtagung – Der Antrieb von morgen, 0 1/2012, T. Lösche-ter Horst, VW AG

1803/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Prozentualer Anteil der wichtigsten elektrischen Komponenten (2025)

Quelle: Bosch, Antrieb von morgen, 2014

1903/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Aufbau einer Batterie

Quelle: Bosch, Antrieb von morgen 2014

2003/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Quelle: Elektroautos.de

• Hohe Energieeffizienz (Battery to Wheel: 0,53 ... 0,73)

Energieeffizienz von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen

η ≈ 90-65%

2103/2015

INSTITUT

FÜR MOBILE SYSTEME

0

20

40

60

80

100

120

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

0 200 400 600 800 1000 1200

Ges

chw

indi

gkei

t [km

/h]

Ene

rgie

verb

rauc

h [k

Wh]

Zeit [s]

2,0l TDI

Topologie 1

Topologie 3

Topologie 4

NEFZ

≈ Topologie 2

Zeitlicher Verlauf des Energieverbrauchs im NEFZ

Quelle: Uni Magdeburg, IMS 2012

2203/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Range Extender Trailer

http://www.mrsharkey.com/

• Range Extender Modul im Anhänger

Ausgeführte Beispiele

2303/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Elektrofahrzeug mit Brennstoffzelle

-

G

+ -

H2

BZBatterie

E-Maschine

Leistungselektronik

O2

Vorteile:

• hoher Wirkungsgrad (BZ und Antrieb)• keine lokalen Emissionen• große Reichweite• hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen• kurze Betankungszeit• geräuscharmer Gesamtantrieb

Nachteile:

• hohe Kosten (BZ und Wasserstoff)• hohes Leistungsgewicht• großer Bauraum• hohe Anforderungen an H2-Qualität• Langzeitverhalten ?

Quelle: MTZ 3/2013; Noreikat, K. N.

2403/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Abluftsystem

Luftfilter

Wasserstoff-

tank

Kühler

Verdichter

Purge-Ventil

Druckregler

Druckregler

Ladeluft-

kühler

Wasserstoff-

gebläse

Pumpe

Ka

tho

de

Kü

hls

yst

em

BZ-Controller

Leistungs-

elektronik

Hochvolt-

verbraucher

Fahrzeug-

Kontrolle

Bordnetz-

verbraucher

Elektro-

motor

Traktions-

batterie

Wasserstoff

Wasserstoff

Wasserstoff

Kühlwasser

Abluft

Membran-

Elektroden

Einheit (MEA)

Luftbe-

feuchter

An

od

e

Luft

Kondensation

Verdampfung

Brennstoffzellensystem eines Fahrzeuges

Quelle: Noreikat, K. E. , MTZ 4/2013

2503/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

H2-Fahrzeuge in Deutschland

Die nächsten Schritte:

Quelle: TOTAL, EID 2013

CEP: Clean Energie Partnership

2603/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

0 km 250.000 km

HybridBatterieDieselOttoTr

eibh

ausg

ase

(CO

2-Ä

quiv

alen

t)

Bereitstellung(Werkstoffe)

FertigungMontage

Nutzungsphase Recycling

1)

1) Elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen2) Elektrische Energie aus heutigem „D“-Mix

2)

Well to Wheel(ohne Wartung)

CO2-GesamtbilanzLebenszyklusanalyse (Beispiel)

2703/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Vergleich der Außengeräuschemission

Quelle: Genuit. K. ,HEAD acoustics, 2013

2803/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Auswirkungen der Elektrifizierung auf den

Verbrennungsmotor

Kleinwagen

(Stadtwagen)

A/B

Kompaktklasse

B/ C

Mittelklasse

(obere)

D/E

Luxusklasse

E/F

SUV

Reichweiten-

anforderung

gering mittel mittel -hoch hoch hoch

konventionelle

Motorisierung

Otto/Diesel

3-4 Zyl.

Otto/Diesel

4 Zyl.

Otto/Diesel

4-6 Zyl.

Otto/Diesel

6-8 Zyl.

Otto/Diesel

6-8 Zyl.

Elektrifizierung BEV

Mild-Hybrid

Mild-Hybrid

BEV+RE

Voll-Hybrid

Mild-Hybrid

Voll-Hybrid

(P-HEV)

Voll-Hybrid

(P-HEV)

Voll-Hybrid

(P-HEV)

VM in Verbindung

mit Elektromotor

Otto

2-4 Zyl.

Otto

3-4 Zyl.

Zylinder-

abschaltung

Saugrohrein-

spritzung/DI

Aufladung/

Saugmotor

Downsizing

Otto/Diesel

4 Zyl.

Zylinder-

abschaltung

Saugrohrein-

spritzung/DI

Aufladung/

Saugmotor

Downsizing

Otto/Diesel

4-6 Zyl.

Zylinder-

abschaltung

DI

Aufladung

Downsizing

Otto/Diesel

4-6 Zyl.

Zylinder-abschaltung

DI

Aufladung

(Downsizing)

2903/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

2000 20502010 2020 2030 2040

Hybridantriebe, Elektroantriebe – Batterie (Nische)

Elektroantriebe – Brennstoffzelle

Verbrennungsmotoren (Otto/Diesel mit verschiedenen Kraftstoffen)

Alternative Antriebe – Gesamtszenario

Erdölbasiert � Kraftstoffmix � Antriebsmix

Quelle: H. Tschöke, IMS29

3003/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Szenario der Fahrzeugproduktion

Fah

rzeu

gpro

dukt

ion

Mio/Jahr

Jahr0

20

40

60

100

80

120

0

20

40

60

100

80

120

2008 2015 2030

Hybridantriebe/Elektrofahrzeuge

Verbrennungsmotoren(Otto/Diesel/alternative Kraftstoffe)

Szenario der Fahrzeugproduktion

3103/2015

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FÜR MOBILE SYSTEME

Mobilität von morgen