Modulare Konzepte für elektrische Antriebssysteme bei Volkswagen
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Modulare Konzepte für elektrische Antriebssysteme bei Volkswagen
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 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG 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 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG 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 27.04.11 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG Jahr Gliederung 1. Einleitung 2. Elektrische Antriebskomponenten für Elektro- und Hybridfahrzeuge 3. Modularisierung elektrischer Antriebe bei Volkswagen 4. Zusammenfassung Seite 6 27.04.11 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG 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 27.04.11 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG 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 27.04.11 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG 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 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG Hybridfahrzeug Touareg Hybrid „Dank elektrischer Unterstützung bietet der VW Touareg Hybrid Achtzylinder-Leistung bei Sechszylinder-Verbrauch“ Seite 10 27.04.11 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG 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 Schlüsselkomponenten 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 Geschwindigkeit max. Seite 11 27.04.11 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG 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 Schlüsselkomponenten Antrieb E-Motor Peakleistung 60 kW 210Nm Dauerleistung 40 kW Bauweise Kompakter Integralantrieb Batterie Li-Ionen 18kWh Fahrleistungen Seite 12 27.04.11 Reichweite 130 km Geschwindigkeit max. 135 km/h 0…100 km/h 11,3 sec Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG 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 27.04.11 Elektr. Reichweite bis zu 150 km Geschwindigkeit max. 135 km/h 0…100 km/h 11,8 sec Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG 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 27.04.11 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG 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 27.04.11 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG E-Antriebskomponenten Auslegungskriterien Moment Dynamik, Gewicht, Volumen, Package Kosten Leistung Marktakzeptanz, Materialien Performance, hohe Temperaturen, Wirkungsgrad Funktionen Lebensdauer Steuerung, Strategie Sicherheit Seite 16 27.04.11 thermische und mechanische Bedingungen, Zuverlässigkeit Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG 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 27.04.11 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG 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 27.04.11 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG 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 27.04.11 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG 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 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG 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 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG source: LME Historical Prices \ lynascorp 11 Herausforderungen Elektrofahrzeug Kosten mech. Wirkungsgrad Gewicht Aerodynamik electr. Wirkungsgrad Rollwiderstand Seite 22 27.04.11 Verbrauch Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG Gliederung 1. Einleitung 2. Elektrische Antriebskomponenten für Elektro- und Hybridfahrzeuge 3. Modularisierung elektrischer Antriebe bei Volkswagen 4. Zusammenfassung Seite 23 27.04.11 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG Modularisierung mit Antriebs-Baukästen von Volkswagen Ottomotoren Elektrotraktion Dieselmotoren Brennstoffzelle Getriebe Seite 24 27.04.11 Biokraftstoffe Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG Hybrid Modularisierung, Kostenreduktion und Varianten Seite 25 Standardisierte Teile Produktvielfalt 8 Bartarten 24 Körperarten … Mit indivieduellen Gesichtszügen 27.04.11 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG 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 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG 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 + + + Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG BEV Brennstoffz. Fzg (FCEV) + + H2 + + Modularisierung - Varianten durch Bestückung Leistungselektronik Basistechnologien Treiber 0110010100100 1010010110011 1001011001110 0110010100100 Kühlung Seite 28 27.04.11 Software Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG Quelle: Infineon.com Ansteuerung Leistungselektronik Produktspezifische Technologien Stromsensoren Stromklasse Genauigkeit Seite 29 27.04.11 Kondensatoren Halbleiter Spannungsklasse Spannungsklasse Spannungsrippel Stromklasse Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG Stromführung Stromklasse Geometrie Quelle: Infineon.com, Wima.com, Lem.com, Semkron.com, hans-buecker-gmbh.de Modularisierung - Varianten durch Bestückung Modularisierung - Varianten durch Bestückung Leistungselektronik Basistechnologien Satz von projektübergreifenden Standardtechnologien + Produktspezifische Technologien • Anpassung unterschiedlicher Einbausituationen • Diversifizierung • „Individualisierung“ des Antriebs = Produkte ... Seite 30 27.04.11 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG 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 27.04.11 + + + Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG BEV Brennstoffz. Fzg (FCEV) + + H2 + + Modularisierung - Varianten durch Bestückung E-Maschine Lagesensor Blechschnitt Seite 32 27.04.11 Technologiebaukasten 2 Wicklung Lagesensor Wicklung Isolation Blechschnitt Isolation Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG Quelle: Toyota Technologiebaukasten 1 Modularisierung - Varianten durch Bestückung E-Maschine Produktspezifische Technologien 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 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG Modularisierung - Varianten durch Bestückung E-Maschine Technologiebaukasten 1 Technologiebaukasten 2 Satz von harmonisierenden Technologien Satz von harmonisierenden Technologien + + Produktspezifische Technologien • Anpassung unterschiedlicher Einbausituationen • Diversifizierung • „Individualisierung“ des Antriebs = Produkte ... Seite 34 27.04.11 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG ... Gliederung 1. Einleitung 2. Elektrische Antriebskomponenten für Elektro- und Hybridfahrzeuge 3. Modularisierung elektrischer Antriebe bei Volkswagen 4. Zusammenfassung Seite 35 27.04.11 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG 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 27.04.11 Dr. Jens Hadler, Volkswagen AG Vielen Dank