Ottmar Sirch und Carsten Hoff with co-operation of 106 co-authors 2014, 502 pages., 376 pictures, 34 charts, ISBN: 978-3-8169-3264-2
Vorwort
Hybrid, Plug-In Hybrid and Electric Vehicles are entering the worldwide automotive market and the expectations are that by the middle of this decade there will be a wide range of established OEMs as well as newcomers offering these kinds of vehicles. Forecasts from several market research institutes project a significant increase of annual growth in volumes and revenues. According to ZSW (Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden- Württemberg), the number of registered electric vehicles worldwide has increased at an annual rate of more than 100% over the last three years. At the beginning of 2012, nearly 100,000 of the cars were on the roads worldwide. This sum rose a year later to a total of 200,000, and then again to 405,000 units earlier this year. ZSW projects that, if growth increases at the same rate, there will be more than 1 million electric vehicles on the road by the beginning of 2016. This tally does not include motorcycles, trucks, buses and the now more than 6 million conventional full-hybrid vehicles. The US, Japan and China are leading the market, according to the analysis, followed by France, Holland, Norway and Germany. Japanese and US automotive groups are the leading providers, assisted by strong market incentive programs in their countries. Nissan is the top-seller, followed by GM/Opel and Toyota; Tesla is accelerating rapidly. The batteries for the xEVs come mainly from Japan and South Korea, ZSW noted [1].
After a period of several years which was dominated by Toyota´s hybrids a lot of major players launched their xEVs onto the market and announced strategic approaches to cover a wide spectrum of electric vehicles and to meet the requirements for the next generation products in terms of technical characteristics, costs, production and aftersales. Experts for all product areas – e.g. motors, power electronics and energy storages – have been employed during the last years either in the automotive industry as well as other related branches and are working intensively together to provide appropriate concepts. Analyzing different OEMs we see different approaches for the challenging xEV market: The Volkswagen Group’s MQB modular platform is one of the four main modular toolkits (modulare Baukästen) of the Group: the MQB (transverse), the MLB (longitudinal), the MSB (standard drive), and the NSF (new small family). The platforms standardize many vehicle component parameters across brands and vehicle classes, while at the same time offering access to new technologies, such as alternative drive systems. The new Mark 7 Golf, which is MQB-based, offers gasoline, diesel, natural gas, plug-in hybrid (the GTE), and battery-electric (the e-Golf) versions, all of which can be manufactured bumper-to-bumper on the same assembly line. The MQB spans the A0 to C segment [2].
The Ford Motor Company, in conjunction with GE, will supply electric vehicle charging stations at Ford facilities nationwide, beginning with facilities in and around its headquarters in Detroit. Ford will begin installing the GE WattStation Level 2 charging stations across its North American campuses, developing a workplace charging network at nearly every Ford facility in the United States and Canada using the new charging network, Ford employees commuting to their jobs from up to 21 miles away in plug-in hybrid vehicles – Fusion Energi and C-MAX Energi – may be able to drive entirely on electric power to and from work. Fusion Energi and C-Max Energi have EPA-estimated MPG ratings of 44 mpg US city, 41 highway and 43 combined and have an EPA-estimated range of 21 miles (34 km) electric. Drivers of the electric-only Focus Electric, which has an EPA-estimated range of 76 miles (122 km) on a full charge, will have even more gas-free commuting potential. The Ford charging service will be free to employees for the first four hours of charging each day. By offering free charging, Ford is trying to encourage charging station sharing, enabling twice as many employees to charge at work for free. Ford is also asking employees to use the MyFord Mobile smartphone app to collect driving and charging information to help the company understand driving patterns and potentially influence future product design.
Ford estimates it will cost about 50 cents to fully charge each vehicle. Ford’s WattStation charging station units will be connected together. As a result, the company will be able to gather comprehensive information on electrified vehicle use, such as the number of hours vehicles are charging and the amount of carbon dioxide reduced. It can then use actual station data to plan for additional station installations. Ford plans to install electric vehicle charging stations at more than 60 of its offices, product development campuses and manufacturing facilities. The installation will begin at Ford’s southeast Michigan facilities and roll out across other facilities throughout 2014.
Beside these activities the efforts to improve fuel consumption and CO2 emissions of conventional vehicles with internal combustion engines are an ongoing process. New approaches for energy management, highly sophisticated operating strategies and new technologies are being researched and developed and will be applied soon. These technologies are combined to new powerful systems which are capable of fulfilling the CO2 targets as well as the requirements for new features. Alternatively to today´s established 12 Volt, 48 Volt is establishing itself as a new vehicle power supply voltage, which increases the capability of the conventional vehicles with internal combustion engines in terms of electric power for new features, recuperation, fuel consumption and CO2 emissions to improve its position in the competition with xEVs. The market potential for a 48 V power supply has been evaluated by a number of parties including institutes, OEMs and suppliers. The results show significantly rising volumes in the second half of this decade.
Forecasts in analysts’ figures show a significant market share for 48 Volt beyond 2020. Additionally, for 2025 market research predicts that more than 30% of all vehicles will have an electrified powertrain.
The book in hand was created for the 3rd conference “Electric & Electronic Systems in Hybrid and Electric Vehicles and Electrical Energy Management” organized by Haus der Technik e.V. Essen May 6th and 7th, 2014, in Bamberg. Subjects and articles about the overall system of electrics/electronics of hybrid and electric vehicles and concepts of electrical energy management will be presented and discussed in detail. Solutions for hybrid, plug-in hybrid and electric vehicles and E/E architectures, charging systems, power electronics, and low voltage accumulators will be covered.
We want to thank all the authors and speakers whose interesting technical contributions support the edition of this book. Furthermore, we thank Mr. Bernd Hömberg and his staff from Haus der Technik e.V. in Essen for planning and organizing the event, Mrs. Anita Koranyi and Mr. Matthias Wippler from expert-Verlag in Renningen for publishing the book and Mrs. Dr. Vera Lauer, Mr. Dirk Balzer, Mr. Prof. Dr. Ludwig Brabetz, Mr. Prof. Dr. Stephan Frei, Mr. Friedrich Graf, Mr. Prof. Dr. Hans-Georg Herzog, Mr. Dr. Jan Lichtermann, Mr. Dr. Marc Nalbach, Mr. Dr. Dieter Polenov, Mr. Dr. Hartmut Pröbstle, Mr. Dr. Tomas Reiter, Mr. Prof. Dr. Dirk-Uwe Sauer, Mr. Peter Schmitz and Mr. Richard Schöttle for their support and engagement in the program committee.
Bamberg, May 2014
Ottmar Sirch Dr. Carsten Hoff
Ottmar Sirch und Carsten Hoff: „Elektrik/Elektronik in Hybrid- und Elektrofahrzeugen IV“ unter Mitarbeit von 145 Ko-Autoren 2013, 581 S., 456 Abb., 44 Tab., ISBN-13: 978-3-8169-3213-0
Die Elektromobilität und der ständig steigende Druck zur Verringerung der weltweiten CO2-Emissionen beschäftigen weiterhin die gesamte Automobil- und Zulieferindustrie und die darauf ausgerichtete Forschung und Wissenschaft. Die Konzepte für Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybride, Vollhybride bis hin zu Mikrohybriden und Fahrzeugen mit Start-Stopp-Funktionalitäten nehmen einerseits immer konkretere Formen an, werden aber andererseits hinsichtlich Kosten und Effizienz mit immer höheren Anforderungen konfrontiert. Die unterschiedlichen Hybridfahrzeugkonzepte ebnen den Weg für reine Elektrofahrzeuge. Die Lösungen dazu entstehen bereits heute in den Köpfen der Forscher und Entwickler. Für die neuen Antriebe und die notwendigen Nebenaggregate müssen technisch anspruchsvolle und betriebswirtschaftlich zielführende Konzepte entwickelt und erprobt werden.
In diesem Themenband stellen Experten aus der Forschung und der Entwicklung die neuesten Trends dar.
Inhalt:
Die Interessenten:
Die Beiträge sind wichtig für Führungskräfte und Experten in der Entwicklung Elektrik/Elektronik der Automobilindustrie, bei Zulieferern und Subzulieferern, für die Fachbereiche Qualität, Einkauf und Produktion, für Hochschulen und Forschungsinstitute im Bereich Automobiltechnik, für die Elektronikindustrie mit Aufbau- und Verbindungstechnologien und Bauelementen, für Normierungsgremien, Behörden und der Automobilindustrie nahestehende Fachverbände.
Die Autoren:
Ein hochkarätiges Gremium aus Hochschulprofessoren und aus Führungskräften und Fachexperten der Entwicklungsressorts von Automobilherstellern, Systemlieferanten und Halbleiterherstellern zeichnet sich für die Auswahl der Beiträge verantwortlich
Das Haus der Technik und Bayern Innovativ machen bei der Tagung Elektrik/Elektronik in Hybrid- und Elektrofahrzeugen und elektrisches Energiemanagement gemeinsame Sache! Bayern Innovativ unterstützt die renommierte Tagung mit Know how und Kontakten. Zahlreiche Vortragende und auch Teilnehmer kommen erfahrungsgemäß aus Bayern. Beide Partner rechnen für 2014 mit einer sehr guten Teilnehmerresonanz!
Ausgabe 2012, Expert Verlag, ISBN 978-3-8169-3114-0
Die Themen Hybrid- und Elektrofahrzeuge, Motor-Start-Stopp-Systeme und elektrisches Energiemanagement haben in der Automobilindustrie inzwischen eine große Bedeutung erlangt. Wesentliche Katalysatoren dieser Entwicklung sind Klimawandel, steigende Energiepreise und die ökologische Gesinnung in Politik und Gesellschaft. Die Begriffe Elektromobilität, Elektrifizierung und Energiemanagement sind derzeit in aller Munde. Weltweit arbeiten Hersteller, Zulieferer und Subzulieferer mit Hochdruck an neuen Konzepten und Fahrzeugen. Hybridfahrzeuge verschiedenster Ausprägung ebnen den Weg für reine Elektrofahrzeuge, die aufgrund der Energiespeicherproblematik erst langfristig großflächig zum Einsatz kommen werden. Die Lösungen dazu entstehen aber bereits heute in den Köpfen der Entwickler. Für die neuen Antriebssysteme und Gesamtfahrzeuge muss vieles neu entwickelt und erprobt werden. Die Elektrik und Elektronik spielt darin eine Schlüsselrolle für die Entwicklung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen und bildet die Basis für Motor-Start-Stopp-Systeme und elektrisches Energiemanagement.
Vorwort
Der Klimawandel hat die Mobilität mit Personenkraftfahrzeugen in einen massiven Umbruch getrieben. Die Verringerung des Energieverbrauchs und die Verringerung von Kohlenstoffdioxid-Emissionen haben für zukünftige Verkehrskonzepte eine immense Bedeutung erlangt. Neue Mobilitätskonzepte für die Urbanisierung und geän-derte Nutzungsprofile finden groІe Beachtung in der Öffentlichkeit. Die Elektromobilität ist das beherrschende Thema in der Diskussion um die Zukunft der Mobilität in Ballungsgebieten, der Ausrichtung der Automobilindustrie und der Energiewirtschaft. Das Interesse an und die Bereitschaft zur Nutzung von flexiblen Geschäftsmodellen für Mobilität in der Bevölkerung der GroІstädte haben laut neuesten Studien einen Anteil von bis zu 80 % erreicht. Die Voraussetzungen für den Kauf von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen sind primär mit den Erwartungen verbunden, dass diese Fahrzeuge insgesamt günstiger sind als solche mit herkömmlichen Antrieben. Weitere Vor-aussetzungen sind eine ausreichende Verfügbarkeit von Ladestationen, eine gröІere Reichweite als heute und vergleichbare Standards zu heutigen herkömmlichen Fahr-zeugen hinsichtlich Komfort und Sicherheit. Dabei nehmen die Kunden durchaus höhere Anschaffungskosten für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge in Kauf, erwarten aber in Summe eine günstigere Bilanz durch Kostenvorteile, etwa in Bezug auf geringere Betriebs- und Energiekosten.
Die Entwicklungsaktivitäten für Hybrid- und Elektrofahrzeuge nehmen weiter zu. Auf allen Automobilausstellungen werden Fahrzeuge dieser Art präsentiert und die Serieneinsatztermine angekündigt. Zusätzlich spielen Konzepte für effizientes Energiemanagement eine immer gröІere Rolle. Die Elektrik/Elektronik liefert hier einen wesentlichen Beitrag und eröffnet mit neuen Technologien Potenziale für weitere Optimierung hinsichtlich Kraftstoff- oder Energieverbrauch, CO2-Emissionen und Reichweite.
Als ein wesentlicher Treiber für Hybrid- und Elektrofahrzeuge sowie Verbrauchs-reduktionen durch elektrisches Energiemanagement werden häufig die europäischen CO2-Targets genannt.
Betrachtet man das Thema jedoch ganzheitlich, wird man in Summe vier wichtige Gründe identifizieren:
Neben dem bekannten Target von 95 g/km CO2 für 2020 in der Europäischen Union gibt es auch verbindliche Targets in den USA, China und Japan. Die Absolutwerte der Targets sind mit 157g/km respektive 132g/km und 141g/km nicht so aggressiv
wie in Europa. Die erforderlichen relativen Veränderungen zwischen knapp 20 % in China, ungefär 30 % in den USA und Japan und ca. 40 % Reduktion in Europa lie-gen allerdings nicht mehr so weit auseinander.
Neben der Reduktion der Emissionen in den USA und Europa muss natürlich auch das Thema Neu-Emissionsvermeidung in den Schwellenländern betrachtet werden. In diesen Märkten nimmt die Anzahl der Bewohner mit eigenem Fahrzeug jedes Jahr signifikant zu. Haben heute in Europa ca. 50 % der Bewohner ein eigenes Fahrzeug, sind es in China erst 1,6 % und in Indien nur 0,8 %. Jährliche Wachstumsraten von ungefär 10 % in beiden Regionen sind ökologisch nur mit signifikanten Fortschritten im Flottenverbrauch erreichbar.
Zusätzlich muss die zur Verfügung stehende Menge an Rohöl mit in die Betrachtung aufgenommen werden. Die Еlproduktion hat mit 30 Milliarden Barrel järlich wohl ihren Höhepunkt schon erreicht. Als Ergebnis der steigenden Nachfrage bei konstan-ten Förderquoten erleben wir aktuell in Deutschland ein Allzeithoch der Kraftstoff-preise; in Norwegen hat der Preis für einen Liter Super bereits die Marke von 2 Euro überschritten. Ein Ende dieses Trends ist nicht zu erwarten: Der Bedarf gerade aus den Emerging Markets steigt weiter an; eine Erhöhung der Еlproduktion ist nicht mehr sinnvoll möglich. Und immer wieder wird in diesem Zusammenhang diskutiert, wie lange die Еlvorräte auf der Erde überhaupt noch reichen werden.
Unabhängig von der Rohstoffverfügbarkeit fordert der Trend zur Urbanisierung eine Reduktion von Emissionen in den groІen Ballungszentren weltweit. Gleichzeitig nimmt deren Anzahl kontinuierlich zu: Lebten 1975 noch ca. 37 % der Einwohner in Ballungszentren und groІen Städten, sind es heute schon deutlich mehr als 50 %. Mittlerweile existieren mehr als 30 Mega-Städte mit mehr als 10 Millionen Einwoh-nern – mit den entsprechenden Problemen durch Schadstoffemissionen, aber auch Lärmemissionen des Individualverkehrs.
Welche Beiträge zur Lösung oben genannter Probleme können wir mit kraftstoff-effizienten Fahrzeugen und Hybrid- oder Elektrofahrzeugen in den nächsten Jahren erreichen? Welche Veränderungen können wir erwarten?
Wie schon in der Einleitung bemerkt, nimmt seit Jahren die Zahl der neu vorgestell-ten Hybrid-, Plug-In-Hybrid- und Elektrofahrzeuge zu. Mit dem Chevrolet Volt bzw. dem baugleichen Opel Ampera ist erstmalig ein Elektrofahrzeug mit Range Extender auf den Markt gekommen. Dessen rein elektrische Reichweite ist für die meisten Nutzer im Alltag völlig ausreichend, ebenso ist er auch für eine Urlaubsfahrt geeignet. Im Jahr 2013 wird mit BMW erstmals ein Konzern die Submarke BMW i extra für Elektrofahrzeuge auf den Markt bringen und damit eine neue Form visionärer Mobili-tät anbieten. Die Konzepte i3 und i8 wurden bereits der Еffentlichkeit vorgestellt.
In den nächsten Jahren werden die Aspekte der Preisreduktion und des Reifegrades neben den Themen Reichweite und Sicherheit im Vordergrund der Entwicklung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen stehen. Viele Umfragen zeigen, dass Fahrzeugkäufer nur begrenzt bereit sind, einen signifikanten Mehrpreis für ein Hybrid- und Elektro-fahrzeug zu bezahlen. Vermutlich wird es nur gelingen, Hybrid- und Elektrofahrzeuge in gröІerer Anzahl – ohne Förderprogramme und Subventionen – erfolgreich in den Markt zu bringen, wenn diese zu einem für den Käufer akzeptablen Preis angeboten werden können und gleichzeitig alltagstauglich sind.
Darüber hinaus gibt es aber auch bei den konventionellen Fahrzeugen jedes Jahr signifikante Fortschritte im Kraftstoffverbrauch. Funktionen wie die Intelligente Gene-ratorregelung oder Stopp/Start-Funktion sind mittlerweile von allen groІen Fahr-zeugherstellern für ihre aktuellen Modelle verfügbar. Volkwagen als gröІter deut-scher Automobilhersteller hat verkündet, zukünftig die Stopp/Start-Funktion als Stan-dardausstattung in allen neuen Modellen auszuliefern. Eine MaІnahme, die den Verbrauch im Neuen Europäischen Fahrzyklus um ungefär 0,5l/100km senkt. Mit der Segelfunktion, bei der der Motor in Schubphasen abgestellt wird, wird die nächs-te Erweiterung der Stopp/Start-Funktion in den Markt kommen. Wärend die Ver-brauchsersparnis im Normzyklus eher gering ist, konnte mit ersten Testfahrzeugen gezeigt werden, dass Segeln ein Kraftstoffeinsparpotenzial im typischen Kunden-fahrbetrieb von ungefär 0,5/100km erschließt.
Eine der größten Veränderungen der letzten Jahre im Energiebordnetz werden wir voraussichtlich 2015/16 erstmalig in Fahrzeugen finden: das Zwei-Spannungs-bordnetz mit 48 V und 12 V. Hierbei werden Generator und Verbraucher mit einem hohen Energiebedarf, wie beispielsweise elektrische Lenkunterstützung, Wankstabi-lisierung oder Lüfter, auf der 48-V-Seite des Bordnetzes arbeiten, wärend Steuer-geräte und Sensoren auf der 12-V-Seite verbleiben. Dadurch kann ein gröІerer Teil der im Bordnetz benötigten elektrischen Energie aus der Bewegungsenergie rekupe-riert werden, wodurch eine weitere Verbrauchsreduktion von bis zu 0,5l/100km er-reicht werden kann. Als positiver Nebeneffekt dieser Partitionierung entfällt die Span-nungsstabilisierung auf der 12-V-Ebene, da sich die dynamischen Hochleistungs-verbraucher nicht mehr im 12-V-Teilbordnetz befinden.
Das vorliegende Buch entstand anlässlich der Fachtagung „Elektrik/Elektronik in Hybrid- und Elektrofahrzeugen und elektrisches Energiemanagement“ vom Haus der Technik e.V. Essen am 23. und 24. April 2012 in Miesbach. Es werden die Inhalte und Beiträge zum Gesamtsystem der Elektrik/Elektronik in Hybrid- und Elektrofahr-zeugen und Konzepte zum elektrischen Energiemanagement dargelegt und vertieft. Der thematische Bogen spannt sich von Gesamtsystemansätzen für Hybrid-, Plug-In-Hybrid- und Elektrofahrzeugen und E/E-Architekturen, Ladesystemen über Leis-tungselektronik, elektrisches Energie- und Batteriemanagement bis hin zu Nieder-voltspeichern.
Unser besonderer Dank gilt allen Autoren und Referenten, die mit ihren aktuellen und interessanten Fachbeiträgen dieses Buch ermöglicht haben. Ferner möchten wir Herrn Bernd Hömberg und seinen Mitarbeitern vom Haus der Technik e.V. in Essen für die Planung und Vorbereitung der Veranstaltung, Herrn Dr. Arnulf Krais vom expert verlag in Renningen für die verlegerische Betreuung des Buches und Frau Dr. Vera Lauer, Herrn Professor Dr. Ludwig Brabetz, Herrn Friedrich Graf, Herrn Professor Dr. Hans-Georg Herzog, Herrn Dr. Thorsten Hestermeyer, Herrn Dr. Jan Lichtermann, Herrn Dr. Marc Nalbach, Herr Dr. Dieter Polenov, Herrn Dr. Hartmut Pröbstle, Herrn Tomas Reiter, Herrn Professor Dr. Dirk-Uwe Sauer und Herrn Richard Schöttle für die Arbeit im Programmausschuss danken.
München, im April 2012 Ottmar Sirch
Dr. Carsten Hoff