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 TschökeProf. Dr.-Ing. Dr. h. c.
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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Neuzulassungen in Deutschland
Szenario Fahrzeugantriebe „Neuzulassungen“
Quelle: Shell, DLR Stuttgart
Range der Prognosen
903/2015
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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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Quelle: Lindemann, MTZ 11/2012
Blockschaltbild eines Hybridantriebs
1203/2015
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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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Reichweite versus Elektrifizierung
Quelle: VW, Antrieb von morgen 2014
1603/2015
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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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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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Prozentualer Anteil der wichtigsten elektrischen Komponenten (2025)
Quelle: Bosch, Antrieb von morgen, 2014
2003/2015
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Quelle: Elektroautos.de
• Hohe Energieeffizienz (Battery to Wheel: 0,53 ... 0,73)
Energieeffizienz von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen
η ≈ 90-65%
2103/2015
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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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Range Extender Trailer
http://www.mrsharkey.com/
• Range Extender Modul im Anhänger
Ausgeführte Beispiele
2303/2015
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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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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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H2-Fahrzeuge in Deutschland
Die nächsten Schritte:
Quelle: TOTAL, EID 2013
CEP: Clean Energie Partnership
2603/2015
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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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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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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