antriebssysteme für elektrisch angetriebene fahrzeuge · vito 108e vision a93 w168 a-klasse smart...
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1
P. Froeschle / Daimler AG
Antriebssysteme für elektrisch angetriebene
Fahrzeuge
Energiespeichersymposium Stuttgart 2012
Dr. J. Wind, Daimler AG
2 Dr. J. Wind / Daimler AG / 07.03.2012
Langstrecke Überlandverkehr Stadtverkehr
Effiziente Verbrennungsmotoren
Hybridantriebe
Plug-In / Range Extender
Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzelle
Elektrofahrzeuge mit Batterie
B-Klasse F-CELL
smart fortwo electric drive
Concept BlueZERO E-CELL PLUS
S 400 HYBRID
E 250 CDI BlueEFFICIENCY
Unterschiedliche Mobilitätsszenarien
Die Mobilität von Morgen
Emissionsfreie Mobilität Verbrennungsantrieb
3 Dr. J. Wind / Daimler AG / 07.03.2012
Zukünftige Mobilität ist durch die Elektrifizierung des
Antriebstrangs gekennzeichnet
Grad der
Elektrifizierung
Verbrennungsmotor
(Benzin / Diesel)
Elektroantrieb
„emissionsfrei“
100% 0%
Mild Hybrid
Full Hybrid
Batterie Plug-In Hybrid
(parallel)
Plug-In Hybrid (seriell/
Range Ext.)
Brennstoff-zelle
Start/ Stop
(RSG)
S 400
Hybrid
Hybride
A-Klasse
BlueEfficiency
ML 450
Hybrid
S 500
Plug-in B-Klasse F-CELL
smart electric
drive
Concept B-Class
E-CELL Plus
4 Dr. J. Wind / Daimler AG / 07.03.2012
Mild-Hybrid-Batterie: S400 Hybrid
Technische Daten Batterie
Anzahl Zellen 35
Zell-Kapazität 6,5 Ah
Kapazität 0,82 kWh
Spannung 126 V
Max. Leistung 24 kW
Spez. Leistungsdichte 35 Wh/kg
Volumen 12,4 l
Gewicht 23,5 kg
Kühlmodul
Lithium-Ionen-
Zellen
Batteriemanag-
mentsystem
Kältemittel-
anschluss
Hochvolt-
anschluss
Zellspannungs-
überwachung
5 Dr. J. Wind / Daimler AG / 07.03.2012
Schlüsselkomponenten von BZ-Fahrzeugen
Batterie
H2 Drucktanks
Brennstoffzellenstack
Elektromotor
Energiesteuerungs-
gerät Brennstoffzellen-
system
Leistung: 80/90kW
Kaltstartfähigkeit: - 25°C
Zellen: 396
Brennstoffzellensystem
Druck: 70 MPa
Kapazität: 3,7 kg H2
Betankungszeit: ~ 3 min (SAE J2601 A70)
H2 Drucktanks
Technologie: Li-Ion
Leistungsabgabe: 30/34 kW
Energiegehalt: 1,4 kWh
Batterie
6 Dr. J. Wind / Daimler AG / 07.03.2012
Wesentliche Sicherheitstests mit Wasserstoff-Tanks
Burst Test
Ambient Temperature
Pressure Cycle Test Boss Torque Test
Vibration Test
Ambient Temperature
Pressure Cycle Test
Leak-Before-Break
Performance Test
Penetration Test
Chemical Exposure Test
Composite Tolerance
Test
Impact Damage Test
Accelerated Stress
Rupture Test
Extreme Temperature
Pressure Cycling Test
Leak Test
Permeation Test Hydrogen Gas Cycling
Test
7 Dr. J. Wind / Daimler AG / 07.03.2012
B-Klasse F-CELL
Nächste Generation des BZ-Antriebs:
• Höhere Stacklebensdauer (>2000h) • Leistungssteigerung • Höhere Zuverlässigkeit • Kaltstartfähigkeit • Li-Ionen Batterie
Größe - 40%
[l/100k
m
Verbrauch - 16%
[kW]
Leistung +30%
Entwicklungsfortschritte B-Klasse F-CELL –
Brennstoffzellenfahrzeug der nächsten Generation
[km]
Reichweite +135%
Technische Daten
Fahrzeugtyp Mercedes-Benz A-Klasse
BZ-System PEM, 69 kW (94 PS)
Antrieb
Elektro-Asynchron Motor
Leistung (konst. / max.):
45 kW / 65 kW (87 PS)
Max. Drehmoment: 210 Nm
Kraftstoff Wasserstoff (350 bar)
Reichweite 170 km (NEDC)
Höchstgeschw. 140 km/h
Batterie
NiMh, Leistung (min.):
20 kW (27 PS);
Kapazität: 6 Ah, 1.2 kWh
Technische Daten
Fahrzeugtyp Mercedes-Benz B-Klasse
BZ-System PEM, max. 90 kW (122 PS)
Antrieb
Permanenterregte Synchron-Motor
Leistung (konst. / max.):
70 kW / 100 kW (136 PS)
Max. Drehmoment: 290 Nm
Kraftstoff Wasserstoff (700 bar)
Reichweite ca. 400 km (NEFZ)
Höchstgeschw. 170 km/h
Batterie
Li-Ion, Leistung (min.):
24 kW / 30 kW (40 PS);
Kapazität 6.8 Ah, 1.4 kWh
A-Klasse F-Cell
8 Dr. J. Wind / Daimler AG / 07.03.2012
Mercedes-Benz F-CELL World Drive 2011
• 125 Tage
• 14 Länder
• Über 30000 km
• 4 Kontinente
• Erste Weltumrundung mit Brennstoffzellenfahrzeugen.
• Mit dem F-CELL World Drive demonstriert Mercedes-Benz (MB) die technische Reife und Leistungsfähigkeit der
Brennstoffzellentechnologie und zeigt deren Potenziale für eine nachhaltige Mobilität auf.
• Die B-Klasse F-CELL steht bei MB stellvertretend für die Neuerfindung des Automobils.
• Die B-Klasse F-CELL ist voll alltagstauglich: sie ermöglicht eine große lokal emissionsfreie Reichweite in Kombination
mit kurzer Betankungszeit.
• Mit dem F-CELL World Drive appelliert MB an alle Beteiligten, den Ausbau der Wasserstoff-Infrastruktur zu forcieren.
• Konvoi mit 24 Fahrzeugen
• 2 Tank-Stopps am Tag
• Längste Etappe: 330km mit einer
Tankfüllung
9 Dr. J. Wind / Daimler AG / 07.03.2012
Die Zukunft der Brennstoffzellentechnologie
Das Mercedes-Benz Forschungsfahrzeug F 125! zeigt
das Potential der Brennstoffzellentechnologie
Durch eine weitere Modularisierung der BZ-spezi-
fischen Komponenten wird das Packaging zukünf-
tiger Generationen von BZ-Fzgen vereinfacht
Packaging Konzept
Heute … … in Zukunft
Elektromotor
mit Getriebe
Elektromotor Wasserstofftanks
Li-Ion Batterie
Brennstoffzelle
The fuel-cell system can be placed in fully below
the front hood
1,000 km emission-free driving
Future generation hydrogen storage- and battery
technology
10 Dr. J. Wind / Daimler AG / 07.03.2012
Technischer Aufbau einer Wasserstofftankstelle
Aktueller technischer Stand der Wasserstoff-Tankstellen:
Vorkühlung auf -40° Celsius
Abgabedruck Wasserstoff 350 und 700 bar
Infrarot-Schnittstelle zur Datenkommunikation
Standard: SAE J2601, SAE J2799
Betankungszeit: ca. 3 Minuten für die B-Klasse F-CELL (ca. 4 kg Wasserstoff)
Modularisierter Aufbau / skalierbar
11 Dr. J. Wind / Daimler AG / 07.03.2012
Deutsche Initiative “H2-Mobility“
Involvierte Firmen und Organisationen
Durchführung der Maßnahmen in zwei Phasen
Phase 1: 2009 – 2012
Entwicklung eines Business Plans und Joint Venture Verhandlungen. Das Ziel ist ein Aufbauplan für eine
flächendeckende Wasserstoff-Infrastruktur.
Phase 2: 2012+
Gründung eines Konsortiums und Aktionsplans für den Aufbau eines Wasserstofftankstellen-Netzwerks
Eine starke Partnerschaft motivierter Teilnehmer
Deutschland als Vorreiter in Europa
Führende Industrieunternehmen wollen einen Aufbauplan für
eine flächendeckende Wasserstoffinfrastruktur
Bedeutende Ausweitung des Wasserstofftankstellen-Netzwerkes
Wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu emissionsfreier Mobilität
Initiative “H2-Mobility” – Deutschland als Vorreiter in
Europa für die Wasserstoff-Infrastruktur
12 Dr. J. Wind / Daimler AG / 07.03.2012
Daimlers Entwicklungs-Historie von Batteriefahrzeugen
Flotten-
tests
Klein-
serie
1972 1979 1982 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2010
Transporter
Personenkraftwagen
2006 2008
LE 306
„electro
transporter“
BR 307E
„Elektro-
transporter“
W123
T-Modell
BR 308
T1
MB100
W201
190er
W202
C-Klasse
Sprinter
308E
Vito 108E
Vision A93
W168
A-Klasse
MB 410E
smart ev
1. Gen.
smart ev
Concept
smart ev
2. Gen.
A-Klasse
E-CELL
Vito W639
Konzept- und Machbarkeitstudien Serie
2012
smart ev
3. Gen.
13 Dr. J. Wind / Daimler AG / 07.03.2012
„e-mobility Berlin-Hamburg“
• Das weltweit größte Gemeinschaftsprojekt
für klimafreundliches Fahren mit Elektroautos
• 200 Elektrofahrzeugen der Marken
Mercedes-Benz und smart im Einsatz
• Wichtiger Meilenstein zur Erlangung von
serienfähigen Batteriefahrzeugen
• Analyse des Kundennutzungsverhalten, des
Fahrzeugs, der Infrastruktur, der
Kommunikation und der Abrechnung
Technische Daten
Fahrzeug smart fortwo electric drive A-Klasse E-CELL
Motor Leistung: 30 kW (41 PS)
Max. Drehmoment: 120 Nm
Leistung: 70kW (95 PS)
Max. Drehmoment: 290 Nm
Reichweite 135 km 255 km
Geschwindigkeit 100 km/h (begrenzt) 150 km/h
Batterie Li-Ion, Kapazität: 16,5 kWh Li-Ion, Kapazität: 35,5 kWh
smart electric drive Phase 2
A-Klasse E-CELL
Daimler vertreibt ab 2012 mit der Markteinführung des smart fortwo electric drive der dritten
Generation Elektrofahrzeuge mit Batterie kommerziell
14 Dr. J. Wind / Daimler AG / 07.03.2012
Flottenerprobung des Elektro-Vitos bei
ausgewählten Kunden ab 2010
Auslieferung von über 100 Vito E-CELL an 20 Kunden (Firmen-
kunden und öffentliche Institutionen) im Laufe des Jahres 2010
Einsatzgebiet: Innerstädtischer Lieferverkehr mit maximal 80
Kilometer Fahrleistung pro Tag
Keine Einschränkungen des Innenraums
Planung von weiteren 2000 Vito E-CELL im nächsten Schritt
Technische Daten
Fahrzeug Vito E-CELL
Motor Leistung: max. 90 kW (122 PS)
Max. Drehmoment: 280 Nm
Höchstgeschw. 80 km/h (begrenzt)
Reichweite 130 km (NEFZ)
Lebensdauer 4 Jahre
Batterie Kapazität: 16 Ah, 32 kWh
15 Dr. J. Wind / Daimler AG / 07.03.2012
smart ed (Phase 2) A-Klasse E-CELL
Weltweiter Flottenbetrieb in verschiedenen
Demonstrationsprojekten in Nordamerika,
Europa und Asien seit 2010
Einsatz von 2000 smart fortwo electric drive,
500 Mercedes-Benz A-Klasse E-CELLs und
450 Vito E-CELL
Ab 2012 wird der smart fortwo electric drive
(der dritten Generation) das erste
kommerziell vertriebene Elektrofahrzeug
von Daimler sein
Technische Daten
Fahrzeug smart fortwo electric
drive (Phase 2) A-Klasse E-CELL Vito E-CELL
Motor Output: 30 kW (41 PS)
Drehmoment: 120 Nm
Output: 70kW (95 PS)
Drehmoment : 290 Nm
Output: 90 kW (122 PS)
Drehmoment : 280 Nm
Reichweite 135 km 255 km 130 km
Höchstgeschw. 100 km/h (limited) 150 km/h 80 km/h (limited)
Batterie Lithium-Ionen-Batterie,
Kapazität: 16,5 kWh
Lithium-Ionen-Batterie,
Kapazität : 35,5 kWh
Lithium-Ionen-Batterie,
Kapazität : 32 kWh
Daimler hat das Ziel Elektrofahrzeuge in absehbarer Zeit kommerziell zu vertreiben
Vito E-CELL
Weltweiter Flottenbetrieb mit Daimler Batteriefahrzeugen
16 Dr. J. Wind / Daimler AG / 07.03.2012
Ladeinfrastruktur
Ladung Ein- oder Dreiphasig
Ladeleistung bis 43 kW
Verschiedene Steckerstandards in USA und Europa zu erwarten
Kommunikation: Erdung und Ladeleistungsbegrenzung durch Pulsweitenmodulation
Kosten pro Ladestation in der Anfangsphase etwa 3.000 €
Ladezeiten (ca. 30 kW): - zu Hause (1-phasig / 7 kW): ca. 6 Stunden
- öffentl. Ladestationen (3-phasig / 22 kW): 2 - 3 Stunden
- öffentl. Ladestationen (3-phasig / 43 kW): ca. 1,5 Stunden
17 Dr. J. Wind / Daimler AG / 07.03.2012
Modulstrategie als Voraussetzung für Wirtschaftlichkeit
smart electric drive A-Klasse E-CELL
Hochenergie-Batterie
16,5 kWh / 30 kW
Onboard-Ladegerät
3,3 kW
1x 2x
B-Klasse F-CELL
Integrierter
Antriebsstrang (IPT)
E-Motor, Getriebe,
Leistungselektronik
100 kW / 290 Nm
1x
1x
Brennstoffzellensystem (BZS)
80 kW
Wasserstoff-Tanksystem
Größenanpassung (4kg / 35kg)
2x BZS
Citaro FuelCELL-Hybrid
Weitere Gleichteile
Hauptkühler
Kühlpumpe
Klimakompressor
18 Dr. J. Wind / Daimler AG / 07.03.2012
Stärken • Kurze Betankungszeiten und hohe Reichweite • Brennstoffzellenantrieb auch für größere PKW und Nutzfahrzeuge
anwendbar
• Beste Energieeffizienz und geringsten Emissionen aller Antriebsmethoden
• Lange Ladezeiten • Hohe Batteriekosten • Lebensdauer und Kapazität der Batterie • Ladeinfrastruktur nicht vorhanden
• Hohe Komponentenkosten • Lebensdauer Brennstoffzelle • Umweltfreundliche Herstellung von Wasserstoff • H2-Infrastruktur noch nicht vorhanden
Eigenschaften der Batterie- und BZ-Fahrzeuge
Heraus-forderungen
Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeuge ergänzen sich in ihren Eigenschaftsprofilen und erfüllen dadurch sämtliche Mobilitätsanforderungen
Nutzungsprofil Lokal emissionsfreies Stadtfahrzeug mit sehr niedrigen Betriebskosten und ausreichenden
Fahrleistungen
Batteriefahrzeuge Brennstoffzellenfahrzeuge
Nutzungsprofil Lokal emissionsfreies Fahrzeug mit hoher
Ladekapazität, großer Reich-weite und guten Fahrleistungen
Gemeinsame Stärken
• Reduzierung von Treibhausgasen durch null Emissionen Fahrzeuge
• Effiziente Nutzung von Energie • Unabhängigkeit von Erdöl • Geringe steuerliche Belastung • Sehr niedrige Betriebskosten • Dynamik und Komfort mit dem Elektroantrieb • Geringe Geräuschentwicklung
19 Dr. J. Wind / Daimler AG / 07.03.2012
Überblick E-Drive Varianten – Masse and Volumen
des Antriebsstrangs für eine Reichweite von 500km1)
Diesel Plug-In Hybrid BEV 2) FCV 3)
Packaging
Energiespeicher-
ung (Art + Gewicht) Tank 45 kg
Tank,
Batterie (14,6 kWh)
E-Range 70 km
Batterie (100kWh)
E-Range 500 km
180 kg 830 kg H2-Tank,
Batterie (1,4 kWh)
E-Range 2-5 km
131 kg
Energieübertragung
(Art + Gewicht)
ICE
Transmission 215 kg
E-Motor, Getriebe,
Konverter
ICE, Generator,
Konverter
275 kg E-Motor,
Getriebe,
Konverter
147 kg
E-Motor, Getrie-
be, Konverter,
HV DC/DC
FC System
276 kg
Gewicht
Antriebsstrang (AS) 977 kg 407 kg 455 kg 260 kg
Volumen AS 125 l 319 l 760 l 480 l
Aus Gewichtsgründen können BEVs mit einer Reichweite von 500 km nicht realisiert werden
1) B-Klasse in NEDC 2) BEV: Battery Electric Vehicle 3) FCV: Fuel Cell Vehicle
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