Modulare Konzepte für elektrische Antriebssysteme bei Volkswagen

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Modulare Konzepte für elektrische
Antriebssysteme bei Volkswagen
Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG
Gliederung
1. Einleitung
2. Elektrische Antriebskomponenten für Elektro- und Hybridfahrzeuge
3. Modularisierung elektrischer Antriebe bei Volkswagen
4. Zusammenfassung
Seite 2
27.04.11
Mega-Trends
Klimawandel und Nachhaltigkeit
Endliche Ressourcenverfügbarkeit
Uneingeschränkte Mobilität
Stadtentwicklung und Mega Citys
Globalisierung und Individualisierung
Demographischer Wandel
Sicherheit und Gesundheit
 Vielschichtige Anforderungen an die Fahrzeugentwicklung
Seite 3
27.04.11
Fahrzeugkonzepte
Historie
HEVs
Golf ECO.Power
Touareg Hybrid
Golf I Hybrid
Chico Hybrid
Audi Duo
Typ2 City Taxi
Touran TSI Hybrid
NCC Hybrid
1980
Golf II Hybrid
Golf III Hybrid
Bora SUVA Hybrid
1970
1980
2000
1990
TDI Hybrid
2009
L1
XL1
2010
2011
T3 Electric
Typ2 Electric
Electro Van
EVs
Bora Electric
Golf blue-e-motion
E-UP!
Golf II CitySTROMer
Golf I Electric
Fahrzeuge auf dem Markt
Golf III
CitySTROMer
Jetta CitySTROMer
Golf Electric
Space up! blue
Milano Taxi
Berlin Taxi
 Volkswagen hat langjährige Erfahrungen mit Hybrid- und Elektrofahrzeugen
Seite 4
Marktprognosen
für das Elektro-Auto (nach Märkten/ EVs & PHEVs)
25 %
Roland Berger (D / EV & PHEV)
Marktanteil
EV: Elektro-Fahrzeug
Bain & Company (Welt / EV & PHEV)
PHEV: Plug-In-Hybrid
20 %
conenergy (D / EV & PHEV)
15 %
CAR (EU / EV & PHEV)
McKinsey (Welt / EV & PHEV)
inkrementell \ beschleunigt
10 %
Bundesumweltministerium
(D / EV & PHEV)
RWE (D / EV & PHEV)
CAR (EU / EV & PHEV)
Global Insight (USA / PHEV)
Bosch
(Welt / EV)
Bosch (Welt / EV)
5%
Oliver Wyman
(D / EV)
2015
Boston Consulting Group (EU, USA, Japan, China / EV)
2020
2025
2030
 Marktentwicklung der Elektromobilität ist unsicher (Faktor 10)
 Markterfolg abhängig von Marktfähigkeit der Konzepte
Seite 5
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Jahr
Gliederung
1. Einleitung
4. Zusammenfassung
Seite 6
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Treiber und Trends der Elektrifizierung
Typen und Charakteristika
Typ
VKM
μ-Hybrid
Mild-Hybrid
Full Hybrid
Plug-in Hybrid
ElektroFahrzeug
Funktion
Treiber
und
Fokus
Starten
Start-Stopp
(Rekuperation)
Start-Stopp
Rekuperation
(Boost)
Start-Stopp
Rekuperation
Boost
(E-Fahren)
Start-Stopp
Rekuperation
Boost
E-Fahren
E-Fahren
Senkung CO2-Emissionen (Verbrauch)
EnergieDiversifizierung
Europa und USA
CO2- Gesetzgebung
USA (CA),
ZEV-Gesetzgebung
Seite 7
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Elektrifizierung
Auslegung der Elektrischen Antriebe
Typ
VKM
μ-Hybrid
Mild-Hybrid
Full Hybrid
Plug-in Hybrid
ElektroFahrzeug
Funktion
el. Leistung
Spannung
Technologie
Starten
~ 2 kW
12 V
DC-Starter
Start-Stopp
Start-Stopp
Start-Stopp
Start-Stopp
(Rekuperation)
Rekuperation
Rekuperation
Rekuperation
(Boost)
Boost
Boost
(E-drive)
E-drive
~ 6 kW
< 60 V
~ 15 kW
> 60 V
Klauenpol PSM
~ 30 kW
~ 60 kW
E-drive
~ 85 kW
>> 60 V
Scheibenbauformen PSM
Kompaktformen FSM, ASM, PSM
Seite 8
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Hybridfahrzeug
Touareg Hybrid
Fahrzeugkonzept
Full-Hybridfahrzeug
Parallelhybrid mit Trennkupplung
Schlüsselkomponenten
Verbrennungsmotor
245kW 440Nm
Automatikgetriebe
8-Gang
Elektromotor
34kW 300Nm
Batterie NiMH
288V
6Ah
Fahrleistungen
Seite 9
27.04.11
Verbrauch
<9,0 l / 100 km
Geschwindigkeit max.
240 km/h
0…100 km/h
<6,8 sec
Hybridfahrzeug
Touareg Hybrid
„Dank elektrischer
Unterstützung bietet der
VW Touareg Hybrid
Achtzylinder-Leistung bei
Sechszylinder-Verbrauch“
Seite 10
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www.autobild.de
„Was wirklich drinsteckt,
macht jedoch der mächtige
Schub klar, wenn TSI und EMotor sich vereinen, um das
Auto mit Nachdruck
anzuschieben“
Hybridfahrzeugkonzept
Volkswagen XL1
Fahrzeugkonzept
Plug-In-Hybrid-Fahrzeug, Karosserie größtenteils
CFK, Leergewicht 795 kg
Verbrennungsmotor
Leistung
Hybridunterstützung
Getriebe
Karosserie
Aerodynamik, cW
0,8L TDI
35 kW
E-Motor
7-Gang DSG
230 kg
0,312
Fahrleistungen
Verbrauch
CO2-Emissionen
Reichweite E-Antrieb
0 - 100 km/h
Seite 11
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0,9 l/100km
24 g/km
35 km
11,9 s
160 km/h
(abgeriegelt)
Elektrofahrzeug
Volkswagen E-Up!
Fahrzeugkonzept
Elektrofahrzeug mit Li-Ionen-Batterie,
Leergewicht 1085kg
Antrieb
E-Motor
Peakleistung
60 kW 210Nm
Dauerleistung
40 kW
Bauweise
Kompakter Integralantrieb
Batterie
Li-Ionen 18kWh
Fahrleistungen
Seite 12
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Reichweite
130 km
135 km/h
0…100 km/h
11,3 sec
Elektrofahrzeug
Volkswagen Golf blue-e-motion
Fahrzeugkonzept
Leergewicht 1545 kg
Komponenten
Elektromotor (VW-Kassel)
85 kW
270 Nm
Leistungselektronik
450 A
Getriebe (VW-Kassel)
1-Gang
Batterie Li-Ion
Zellen
System (VW-BS)
26,5 kWh
180 Zellen
315 kg
Ladegerät
9,9 kW
Fahrleistungen
Seite 13
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Elektr. Reichweite
bis zu 150 km
135 km/h
0…100 km/h
11,8 sec
Elektrofahrzeug
Volkswagen Golf blue-e-motion
„Schnell, leise, sauber„
„Über den Berg:
E-Auto-Rallye im
Silvretta“
„Das Auto fährt
sich grandios“
„Das Aggregat seinerseits
unterhält dagegen die Insassen
mit der für Elektroautos
typischen stürmischen
„Fazit: Ich will Spaß,
Leistungsentfaltung. „
ich geb'... Strom! „
Seite 14
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Kundenanforderungen an das Fahrzeug
Alltagstauglichkeit
Sicherheit
Information/
Kommunikation
Design
Umwelt
Geländetauglichkeit
Komfort
Preis/
Unterhaltskosten
Fahrdynamik
Qualität
Verbrauch
 Konzepte unter Berücksichtung aller Anforderungen
 Entscheidend: Erfolgreiche Einbindung der Schlüsselkomponenten
Seite 15
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E-Antriebskomponenten
Auslegungskriterien
Moment
Dynamik, Gewicht,
Volumen, Package
Kosten
Leistung
Marktakzeptanz,
Materialien
Performance,
hohe Temperaturen,
Wirkungsgrad
Funktionen
Lebensdauer
Steuerung, Strategie
Sicherheit
Seite 16
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thermische und mechanische
Bedingungen, Zuverlässigkeit
Wettbewerbsvergleich: Spezifische Leistung
Spezifische PeakWettbewerber 1
Leistung [kW/liter]
Spezifisches PeakDrehmoment [10Nm/liter]
Parallel-Hybride
in Serienproduktion
Wettbewerber 2
Touareg
Hybrid
5
10
 Bauraumrestriktion in Full Hybriden erfordert hohe volumenspezifische
Eigenschaften
 Lebensdauer- und Funktionsanforderungen sind zu erfüllen
 Hauptherausforderung: Kostenreduktion
Seite 17
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EV E-Maschine: Spezifische Leistung
Spezifische Dauer-
eUp! (Serie)
1-Gang
2013
Leistung [kW/kg]
Gen. 3
1-Gang
(heute)
Spezifische DauerDrehmoment [Nm/kg]
Gen. 2
1-Gang
City-Stromer
(Serie)
5-Gang
1995
0.3
1
0.6
2
0.9
3
 Elektrofahrzeug verlangt hohe Dauerleistung
 Hauptherausforderung: Kostenreduktion
Seite 18
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EV E-Maschine: Wirkungsgradoptimierung
Auto-Motor-Sport
HYZEM-urban
100
60
80
v(t) in km/h
60
v(t) in
km/h40
40
20
20
0
1000
2000
3000
4000
0
5000
0
100
200
UDDS
300
400
500
150
80
v(t) in km/h
60
0.95
v(t) in
100
km/h
40
50
20
0
0
200
400
600
800
1000
1200
0
1400
0
200
NEDC-EFZG
400
600
800
1000
HYZEM-highway
150
150
v(t) in km/h
100
v(t) in km/h
100
50
50
0
0
0
1
600
HYZEM-rural
100
200
400
600
time in s
800
1000
1200
0
500
1000
time in s
1500
2000
Wirkungsgrad
Wirkungsgrad
0
0.9
0.85
0.8
NEFZ
0.75
Artemis Urban
0.7
FTP72
0.65
0.6
Fahrzeugprämissen
Verluste der Komponenten
1
2
Generation
Generation
3
 Lastkollektive und Fahrzyklen sind etablierte Bewertungstechniken
 Wirkungsgradsteigerungen mit jeder Generation
Seite 19
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EV E-Maschine: Akustik-Optimierung
Frequenz
Frequenz
Zeit
Beschleunigung Konstantfahrt
Schallpegel
Zweiter Baustand,
mit Akustik-Optimierung
Schallpegel
Erster Baustand,
ohne Akustik-Optimierung
Zeit
Bremsen
Beschleunigung Konstantfahrt
Bremsen
Deutlichen Einfluss auf das akustischen Verhalten einer E-Maschine haben die
Magnetkreisauslegung
und Optimierung der Übertragungspfade sowie Dämpfungsmaßnahmen
 Akustische Unauffälligkeit ist ein wichtiges Auslegungskriterium
zur Steigerung der Kundenakzeptanz
Seite 20
27.04.11
Kostengesichtspunkte
Einzelkosten
Kosten [%] Batterie
Kosten [%] E-Maschine Kosten [%] Leistungselektronik
Prices of Metals
12000,00
copper
Copper
23 Elektroden
20
Blechpaket
33
10
Separator
33 Halbleiter
10 Kupfer
Price
Price [US$
[US$ per ton]
10000,00
aluminum
Aluminum
zinc
Zinc
lead
Lead
8000,00
6000,00
4000,00
2000,00
Electrolyte
0,00
30 Magnete
1998- 19992000- 20012001- 20022003- 20042004- 20052006- 20072007- 20082009- 20102010- 2011201119981999- 20002002- 20032005- 20062008- 200901-01
01-01 01-01
01-01 01-01
01-01 01-01
01-01 01-01
01-01 01-02
01-02 01-02
01-02 01-01
01-01 01-02
01-02 01-02
01-02 01-03
01-03 01-02
01-02 01-02
01-02 01-03
01-03
23 Kondensatoren
16 Zellmantel
Prices of Rare Earth Oxides
120
Lanthanum Oxide
3-13 Sensoren
20 Zellmontage
Produktion
40
Diverses
20 Batteriesystem
30 Diverses
Neodymium Oxide
Praseodymium Oxide
Samarium Oxide
Price [$US/kg]
Kommunikation
12
Stecker
Cerium Oxide
100
80
60
40
20
0
2007-01- 2007-07- 2008-01- 2008-07- 2009-01- 2009-07- 2010-01- 2010-07- 2011-0101
01
01
01
01
01
01
01
01
 Kupferpreisentwicklung: Anstieg um Faktor 6
 Sorgfältige Kostenanalyse ist wesentlich für die Technologiebewertung
Seite 21
27.04.11
source: LME Historical Prices \ lynascorp
11
Herausforderungen
Elektrofahrzeug
Kosten
mech.
Wirkungsgrad
Gewicht
Aerodynamik
electr.
Wirkungsgrad
Rollwiderstand
Seite 22
27.04.11
Verbrauch
Gliederung
1. Einleitung
4. Zusammenfassung
Seite 23
27.04.11
Modularisierung mit Antriebs-Baukästen von
Volkswagen
Ottomotoren
Elektrotraktion
Dieselmotoren
Brennstoffzelle
Getriebe
Seite 24
27.04.11
Biokraftstoffe
Hybrid
Modularisierung, Kostenreduktion und Varianten
Seite 25
Standardisierte Teile
Produktvielfalt
8 Bartarten
24 Körperarten
…
Mit indivieduellen Gesichtszügen
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Source: Balzan Stifung
Den Erbauern der chinesischen TerraCotta-Armee war bereits bekannt:
E-Antriebskomponenten - Übersicht
Leistungselektronik
E-Maschine
Stator
(Kupplung)
Rotor
Spannungen
&
Ströme
Kräfte
Kräfte
Temperatursensor
Lagesensor
Verluste, Erwärmung
Ansteuerung, CAN-Anbindung
Spannungen & Ströme
Kühlung
Schwingungen,
Körperschall, Luftschall
 Komplexes System mit vielfältigen Wechselwirkungen
Seite 26
27.04.11
Drehmoment
Modularisierung E-Antriebssysteme
Leistungselektronik
Leistungselektronik
„Hochleistung“
„Hochenergie“
Motorsteuergerät
MicroHybrid/
Start Stop
MildHybrid
Full-Hybrid
(HEV)
Plug In
Hybrid
(PHEV)
Range
Extender
+
+
Seite 27
27.04.11
+
+
+
BEV
Brennstoffz.
Fzg
(FCEV)
+
+
H2 +
+
Modularisierung - Varianten durch Bestückung
Leistungselektronik
Basistechnologien
Treiber
0110010100100
1010010110011
1001011001110
0110010100100
Kühlung
Seite 28
27.04.11
Software
Quelle: Infineon.com
Ansteuerung
Leistungselektronik
Produktspezifische Technologien
Stromsensoren
Stromklasse
Genauigkeit
Seite 29
27.04.11
Kondensatoren
Halbleiter
Spannungsklasse Spannungsklasse
Spannungsrippel
Stromklasse
Stromführung
Stromklasse
Geometrie
Quelle: Infineon.com, Wima.com, Lem.com, Semkron.com, hans-buecker-gmbh.de
Leistungselektronik
Basistechnologien
Satz von projektübergreifenden Standardtechnologien
+
• Anpassung unterschiedlicher Einbausituationen
• Diversifizierung
• „Individualisierung“ des Antriebs
=
Produkte
...
Seite 30
27.04.11
Modularisierung E-Antriebssysteme
Leistungselektronik
Leistungselektronik
„Hochleistung“
„Hochenergie“
E-Maschine
E-Maschine
„Hochdrehmoment“
„Hochdrehzahl“
Motorsteuergerät
MicroHybrid/
Start Stop
MildHybrid
Full-Hybrid
(HEV)
Plug In
Hybrid
(PHEV)
Range
Extender
+
+
Seite 31
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+
+
+
BEV
Brennstoffz.
Fzg
(FCEV)
+
+
H2 +
+
E-Maschine
Lagesensor
Blechschnitt
Seite 32
27.04.11
Technologiebaukasten 2
Wicklung
Lagesensor
Wicklung
Isolation
Blechschnitt
Isolation
Quelle: Toyota
E-Maschine
Anschluss der 3Phasen-Leitung
Beispiel: Touareg Hybrid
Aufnahme des
Rotorblechpakets
Integration der EMaschine
Realisierung der
Kühlung
Lagerung des
Rotors
Abstützung des
Stators
Seite 33
27.04.11
E-Maschine
Satz von harmonisierenden Technologien
Satz von harmonisierenden Technologien
+
+
• Anpassung unterschiedlicher Einbausituationen
• Diversifizierung
• „Individualisierung“ des Antriebs
=
Produkte
...
Seite 34
27.04.11
...
Gliederung
1. Einleitung
4. Zusammenfassung
Seite 35
27.04.11
Zusammenfassung
•
Zielsetzung der Volkswagen AG: Sicherstellung der erschwinglichen
und nachhaltigen Mobilität
•
Die Volkswagen AG hat jahrelange Erfahrungen mit Hybridisierung
und Elektrifizierung
•
Der konventionelle und alternative Antriebstrang wird unter
Einflussnahme zahlreicher Kriterien ausgelegt. Begleitend wird dieser
ganzheitlich und kontinuierlich optimiert
•
Das Konzept der Modulstrategie von Leistungselektronik und EMaschine wurde dargestellt.
Seite 36
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Vielen Dank

Modulare Konzepte für elektrische Antriebssysteme bei Volkswagen

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