Elektrische en elektrisch hybride voertuigen. Stand van zaken anno ir. Patrick Debal Projectleider hybride ontwikkeling Punch Powertrain

Transcriptie

1 Elektrische en elektrisch hybride voertuigen Stand van zaken anno 2011 ir. Patrick Debal Projectleider hybride ontwikkeling Punch Powertrain

2 Geschiedenis Overzicht Definities en begrippen Technologie Knelpunten Ontwikkelingen bij Punch Powertrain Proeftuin EV Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

3 GESCHIEDENIS Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

4 Eerste elektrische en hybride wagens Lohner-Porsche (1899) Henri Pieper (patent, 1905) Detroit Electric (1907) Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

5 Recentere elektrische wagens ( ) Peugeot 106, Peugeot Partner en Renault Clio GM EV Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

6 Recentere elektrische wagens Nissan Leaf (2010) Elektrisch voertuig Motor Batterij Verbruik/bereik Topsnelheid Accelleratie PMAC / 280 Nm / 80 kw 360 V / 24 kwh 173 Wh/km / 175 km 145 km/h 11.9 s (0-100 km/h) Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

7 Recentere elektrische wagens GM Volt/Opel Ampera (2010) Elektrisch voertuig met bereikuitbreiding Va Motor Batterij Verbruik/bereik Topsnelheid Accelleratie PMAC / 370 Nm / 111 kw 360 V / 16 kwh? Wh/km / 65 km (480 km) 160 km/h 9.0 s (0-100 km/h) Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

8 Recentere elektrische wagens Renault Kangoo ZE (2010) Elektrisch voertuig Va excl. BTW Batterij va. 72/mnd. excl. Motor Batterij Verbruik/bereik Topsnelheid Accelleratie PMAC / 226 Nm / 44 kw? V / 22 kwh? Wh/km / 160 km 130 km/h nvt Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

9 Recentere elektrische wagens Ford Transit Connect (2010) Elektrisch voertuig ±45000 Motor Batterij Verbruik/bereik Topsnelheid Accelleratie Inductie / 292 Nm / 105 kw? V / 28 kwh? Wh/km / 128 km 120 km/h nvt Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

10 Recentere elektrische wagens Volvo C30E (2011) Elektrisch voertuig Leasing Motor Batterij Verbruik/bereik Topsnelheid Accelleratie PMAC / 220 Nm / 82 kw 360 V / 24 kwh? Wh/km / 150 km 130 km/h 11 s (0-100 km/h) Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

11 Recente hybride wagens Toyota Prius (1997, 2001, 2003, 2009) Honda Insight (1999), Civic (2001) en Insight (2010) Honda CRZ (2010) Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

12 Waarom 80 jaar tussen de eerste en de volgende marktintroductie(s)? De eerste benzinewagens waren niet gemakkelijk in gebruik: Geen of beperkt aantal versnellingen Starten met een zwengel Benzine was aanvankelijk niet goedkoop en niet gemakkelijk te verkrijgen Maar deze nadelen verdwenen vanaf 1920 Maar nu worden we geconfronteerd met: Klimaatverandering en andere milieufenomenen Overheidsmaatregelen Peak oil fenomeen Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

13 Waarom 10 jaar tussen de tweede en de laatste marktintroductie? De batterij was de voornaamste technische oorzaak: Beperkt bereik Problemen met levensduur, in het bijzonder na verkeerde behandeling Kostprijs bij vervanging Hierdoor een nichevoertuig voor bedrijven die niet graag met niches bezig zijn Maar er bestaan ook verschillende complottheoriën Who Killed the Electric Car? Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

14 Waarom wel hybrides in deze periode? Hybride wagens hebben niet de nadelen van elektrische wagens: Een bereik zoals een klassieke wagen Minder grote batterij (kostprijs) Minder belasting van deze batterij Maar: Ze verbruiken nog steeds brandstof en Ze zijn nog steeds een nicheproduct met een marktaandeel van ongeveer 2% Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

15 DEFINITIES EN BEGRIPPEN Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

16 Elektrisch voertuig Een elektrisch voertuig (EV) of een elektrisch aangedreven voertuig is een voertuig dat aangedreven wordt door één of meerdere elektrische motoren. Bij personenwagens worden de motoren gevoed door batterijen. Alternatieve voedingen zijn leidingen of rails (treinen, trolleybussen, metrostellen,...) Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

17 Verdere begrippen Elektrisch bereik: Afstand die afgelegd kan worden met een volgeladen batterij tot de indicatie van een lege batterij aan gaat Genormeerde test: NEDC cyclus Geen andere elektrische verbruikers Laadtoestand (state-of-charge of SoC): Hoeveelheid lading resterend in de batterij Uitgedrukt in % van het maximum Bruikbaar venster: 100/95% tot 20% Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

18 Elektrisch hybride voertuigen Een hybride is de combinatie van twee verschillende zaken Om een bepaald objectief of doel te bereiken (*) Een elektrisch hybride voertuig (HEV) is een voertuig dat Een verbrandingsmotor en (een) elektrische motor(en) gebruikt om het voertuig aan te drijven (*) Met als doel: Een lager verbruik Lagere emissies (zowel CO 2 als schadelijke emissies) Elektrisch rijden in specifieke situaties (*) Bron: Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

19 Hybride configuraties Serieel hybride Parallel hybride (mogelijke configuratie) Toyota Synergy Drive ICE Bat EG ICE EG EMG ICE Bat Bat EM TM EM Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

20 Hybride configuraties Lading onderhoudend (charge sustaining): Hybride die de batterijlading binnen grenzen houdt waardoor de batterij niet bijgeladen moet worden Oplaadbare hybride (plug-in hybrid): Hybride die aanvankelijk meer elektrische energie zal benutten en dan de batterij op een lage lading zal behouden waardoor de batterij bijgeladen kan worden Bereikuitbreider (range extender): Elektrische aandrijving met de mogelijkheid het rijbereik uit te breiden mits inschakelen van een verbrandingsmotor Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

21 TECHNOLOGIE Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

22 Technologie Verbrandingsmotoren Elektrische motoren Vermogenelektronica Batterijen Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

23 Verbrandingsmotoren Enkel voor hybride voertuigen en range extenders Welk type: Benzinemotoren: nog steeds de meest populaire keuze op wereldvlak, goedkoper per kw Dieselmotoren: enkel populair in Europa, (te) duur voor hybride Alternatieven: Gasturbines: te laag rendement voor dit vermogen Brandstofcel: kostprijs, brandstof (kip en ei?), andere bezwaren Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

24 Elektrische motoren Drie mogelijke technieken voor elektrische motoren: Inductiemotoren Permanent magneetmotoren Gelijkstroom: mechanisch ompolen Wisselstroom: elektronisch gestuurd Geschakelde reluctanciemotoren (switched reluctance of SR) Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

25 Elektrische motoren Technologie PMDC/PMAC Inductie SR Rendement 93% 90% 93% Kostprijs Hoog Laag Gemiddeld Potentieel laag Piek/Nominaal Sp. vermogen (piek) Hoog Laag Hoog Betrouwbaarheid/ Laag (PMDC) Hoog Zeer hoog degelijkheid Gemiddeld (PMAC) Voordelen Rendement Kostprijs Kostprijs Compact Rendement Betrouwbaarheid Nadelen Kostprijs Grootte/massa Complex control Perm. magneten Rendement Niet voor hoge temp Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

26 Vermogenelektronica Voornaamste taken: Gelijkspanning van de batterij omzetten in gepaste stroomprofiel voor de motor Geleverde stroom van de generator omzetten in gelijkstroom om de batterij te laden Stroomprofielen verschillen per motortechnologie: Inductie: wisselstroom aan wisselende frequentie PMAC: specifieke stroomprofielen aan wisselende frequentie SR: nog complexere stroomprofielen in functie van werkingsomstandigheden en aan wisselende frequentie Gebruik van PWM Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

27 Batterijen Vereisten: energiedichtheid Wh/kg & Wh/l vermogensdichtheid W/kg & W/l levensduur: aantal cycli & aantal jaren Verschillende samenstellingen, elk met zijn spanning: Loodzuur, PbAc (2.0 V) Nikkel-cadmium, NiCd (1.2 V) Nikkelmetaalhydride, NiMH (1.2 V) LiIon & LiPolymeer ( V) Li-gebaseerd alternatief: LiFePO 4 ( V) Andere: Nikkel-zout (Zebra, ± 300 C) Supercondensatoren Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

28 Batterijen - Energiedichtheid Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

29 Batterijen Energie- en vermogendichtheid Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

30 Batterijen Source: Sven Bauer, New Lithium Ion Technologies, Performance Characteristics for Different Fields of Applications, Advanced Battery Technologies, July Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

31 KNELPUNTEN Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

32 Waarom (nog) geen doorbraak? Hybride voertuigen: Brandstofprijs nog te laag voor de meerkost Voorlopige concurrentie van de dieselvoertuigen Huidig beperkt aanbod Elektrische voertuigen: Aankoopprijs Bereik, zeker bij gebruik van verwarming/airco, lichten,... Levensduur van de batterijen Prestaties van de batterijen in de winter Beschikbaarheid van de laadpunten Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

33 Waarom (nog) geen doorbraak? Gedragsverandering nodig van de gebruiker: Nu aankoopbeslissing op basis van extreem gebruik van de wagen (bv. met gezin 1x per jaar op vakantie) Gebruik van de wagen (voorbeeld) 80% van de tijd aan 20% van de capaciteit 10% 40% 5% 70% 5% 100% In een bedrijf zou anders geïnvesteerd worden Een gedragsverandering biedt kansen voor EV n Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

34 En de oorsprong van de elektriciteit Rekening houdend met het rendement van de elektriciteitsproductie, het transport, het laadproces en het elektrisch voertuig: Hernieuwbare elektriciteit (wind, water en zon) zijn ideaal Nucleaire elektriciteit geeft geen CO 2 maar wel andere nadelen Elektriciteit uit STEG-centrales is ong. CO 2 neutraal Elektriciteit uit kolencentrales gebruiken in elektrische voertuigen leidt tot meer CO Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

35 ONTWIKKELINGEN BIJ PUNCH POWERTRAIN Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

36 Inleiding Punch Powertrain Onafhankelijk ontwikkelaar en producent van aandrijfsystemen voor personenwagens Punch Powertrain moederbedrijf in België Pionier in CVT transmissies met duwband R & D Applicatie projecten Verkoop (wereld) Productie van complete CVTs Productie van key components (riemschijven & hydraulisch blok) Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

37 Introduction Punch Powertrain Punch Powertrain Nanjing 100% eigendom van Punch Powertrain België Bouwen van complete CVTs Operationeel sinds midden 2008 Reeds10 klanten in China, 13 in totaal Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

38 Strategie Punch Powertrain De klant een volledig gamma aandrijfsystemen aanbieden van conventioneel, over hybride tot zuiver elektrisch met de volgende kenmerken: Energiezuinig Comfortabel Aan een heel competitieve kostprijs: Applicatieproject (= implementeren van de aandrijving) Aandrijfsysteem zelf (tijdens productie) Gebruikskost (onderhoud) Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

39 Strategie Punch Powertrain Conventioneel HEV EV 2006 VT VT3 Proto Proto VT2+ VT HT1 ET Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

40 Hybride concept POWERTRAIN MANAGEMENT HCU BCU CAN ECU TCU MCU BMS ICE EMG + CVT PowEl Bat Punch Powertrain Technology Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

41 Hybride aandrijving: hoofdpunten Hoog rendement: Elektrische motor in POST positie Met de CVT is een diepgaande optimalisatie mogelijk Robuste strategie ontwikkeld Brandstofbesparing voor lading ondersteunende hybrides > 25% Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

42 Hybride aandrijving: hoofdpunten Relatief lage kostprijs: Eenvoudige integratie van de elektrische motor met een ketting Gebruik van veel standaardonderdelen van de VT2 Geschakelde reluctantiemotor (geen perm. magn.) Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

43 Hybride aandrijving: hoofdpunten Relatief eenvoudige integratie in het voertuig: Wijzigingen in het motorcompartiment beperkt Lengte van de aandrijving = identiek aan niet-hybride Hoogte van de aandrijving = identiek aan niet-hybride Smart ForFour engine bay Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

44 Hybride aandrijving: hoofdpunten POWER HYBRID CONVENTIONAL () ECONOMY HYBRID & PLUG-IN EV WITH RANGE EXTENDER Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

45 Elektrische aandrijving Juli 2009 Eerste testen van de hybride demonstrator op de rollenbank in elektrische mode. Uit een mail naar PsiControl mechatronics: Alle rijders waren onder de indruk van de Punch die achter de PsiControl-motor zit Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

46 Elektrische aandrijving Bouw van een elektrische Smart ForFour Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

47 Elektrische aandrijving Bevindingen Smart ForFour EV: Goede trekkracht tot 70 km/h Daarboven onvoldoende trekkracht Nieuwe geluiden (elektrische motor en vermogenelektronica) moet verminderen Goede wagen om Ervaring mee op te doen en Technologie te demonstreren Goede basis voor verdere ontwikkelingen Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

48 Elektrische aandrijving Ontwikkeling van elektrische motoren: Overgenomen van PsiControl mechatronics Geschakelde reluctantie Twee motoren in één bouwgrootte: 300 V: 208 Nm en 30 kw 450 V: 208 Nm en 50 kw Verwachte verbetering: 30% hoger koppel/vermogen binnen zelfde bouwgrootte Verkorten/verlengen ifv. marktvraag Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

49 Elektrische aandrijving Ontwikkeling van EV tandwielkast: Eén vaste ratio Geschikt voor 1 en voor 2 motoren Vermogenbereik van 30 kw tot 100 kw (130 kw) Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

50 Nieuw demonstratievoertuig Elektrische aandrijving Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

51 PROEFTUIN EV Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

52 Proeftuin EV Initiatief van de Vlaamse regering om de introductie van elektrische voertuigen te vergemakkelijken: Platformen = geheel van Infrastructuur: voertuigenparken met bijhorende laadinfrastructuur Gebruikers: instanties die gegevens en ervaringen gebruiken Testpopulatie: chauffeurs van de voertuigen Projecten: onderzoek uitgevoerd op de platformen Punch Powertrain stelt 50 EV bestelwagens ter beschikking in 2 platformen, waaronder EV TecLab Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

53 EV TecLab Platform in de proeftuin EV onder leiding van Punch Powertrain met de meeste Vlaamse bedrijven die onderzoek in en ontwikkeling van elektrische aandrijvingen uitvoeren Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

54 Nuttige websites Productinformatie Publicaties VACATURES vooral in R&D (20+) Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

55 Het hybride onderzoeks- en ontwikkelingsproject geniet de financiële steun van het IWT in het kader van O&O bedrijfsprojecten Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken

56 Elektrische en elektrisch hybride voertuigen - Stand van zaken