De keten van het elektrisch rijden (W102) Eigenschappen van volledig elektrische personenauto s Dr.Ir. Igo Besselink Werktuigbouwkunde, Dynamics and Control Kivi jaarcongres, 6 oktober 2010 Arnhem PAGE 1 Inhoud Van stekker tot wiel: rendementen Energieopslag in batterijen Het laden van de batterijen Actieradius: constante snelheid en ritcycli Motor, versnellingsbak Wrap-up PAGE 2
De elektrische aandrijflijn AC energy usage charger 80 % of nominal capacity battery inverter DC energy usage motor reduction drive shaft wheel 80% efficiency 80% efficiency als eerste benadering lijkt er een 80% vuistregel te gelden... opladen en ontladen van de battery: 80% efficient van electriciteit naar energie aan de wielen: 80% efficient 80% van de nominale battery capaciteit wordt gebruikt PAGE 3 Onderbouwing van de rendementen oplaadapparaat: Brusa NLG 513 (3.3 kw), watergekoeld PAGINA 4
Onderbouwing van de rendementen batterijen: Thundersky LFP90AHA discharge test (alleen ontladen) 90 % PAGINA 5 Onderbouwing van de rendementen elektromotor + inverter: AC propulsion AC-150 < 90 % > 90 % PAGINA 6
De elektrische aandrijflijn AC energy usage charger 80 % of nominal capacity battery inverter DC energy usage motor reduction drive shaft wheel 80% efficiency 80% efficiency als eerste benadering, overall rendement: 0.8*0.8=0.64 rendementen: elektrisch plug-to-wheel : 64% benzine: tank to wheel : 18% diesel: tank-to-wheel : 22% PAGE 7 Onderbouwing van de rendementen Mitsubishi i-miev: plug to wheel efficiency = 66.5% PAGINA 8
Vraagtekens... document over elektrisch vervoer goed opgezet, veel nuttige informatie, maar...??? PAGINA 9 Hoe zwaar wordt de brandstoftank? uitgangspunt: energie aan de wielen energy carrier characteristics 10 kwh at the wheels drive train required energy carrier relative to petrol utilisation efficiency energy mass volume mass volume kwh/kg kwh/l factor - kwh kg L - - petrol 12.10 9.12 1.0 0.18 55.6 4.6 6.1 1.00 1.00 diesel 11.80 9.97 1.0 0.22 45.5 3.9 4.6 0.84 0.75 battery (lead-acid) 0.030 0.06 0.8 0.80 12.5 520.8 260.4 113 43 battery (NiM H) 0.060 0.15 0.8 0.80 12.5 260.4 104.2 57 17 battery (LiFePO4) 0.100 0.15 0.8 0.80 12.5 156.3 104.2 34 17 battery (LiPo/LiCo) 0.135 0.25 0.8 0.80 12.5 115.7 62.5 25 10 bij de huidige stand van de techniek: energieopslag in batterijen is minimaal 25x zo zwaar als benzine het bijbehorende volume is minimaal 10x zo groot PAGINA 10
Oud voorbeeld GM EV-1 (1996-1999) voertuig: 1400 kg, batterijen (loodzuur): 590 kg (18.7 kwh), 42% voertuiggewicht voertuig: 1319 kg, batterijen (NiMH): 481 kg (26.4 kwh), 36% voertuiggewicht PAGINA 11 Modern voorbeeld Tesla Roadster (2008- ) voertuig: 1235 kg, batterijen (Li-ion): 450 kg (53 kwh), 36% voertuiggewicht op basis van Lotus Elise (benzine): 860 kg PAGINA 12
Recent voorbeeld VW Golf Blue-E-motion (2010) voertuig: 1545 kg, batterijen (Li-ion): 315 kg (26.5 kwh), 20% voertuiggewicht benzine: 1117 kg (1.4 16v) PAGINA 13 Totale voertuiggewicht energieopslag in batterijen is minimaal 25x zo zwaar als benzine vuistregel bij ombouw: gewicht van de batterijen optellen bij gewicht benzinevoertuig Lotus Elise R batterijen Tesla Roadster (2008) Mini One Mini E (2009) Mitsubishi i Mitsubishi i-miev (2009) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 voertuiggewicht [kg] PAGE 14
Vraagtekens... Brief van een milieuorganisatie aan minister Cramer??? gewichtsreductie door motor/versnellingsbak: 50-100 kg gewichtstoename t.g.v. batterijen+versterkingen: doorgaans 300 kg of meer PAGINA 15 het kwh gevoel voor petrolheads energy carrier characteristics 10 kwh at the wheels drive train required energy carrier relative to petrol utilisation efficiency energy mass volume mass volume kwh/kg kwh/l factor - kwh kg L - - petrol 12.10 9.12 1.0 0.18 55.6 4.6 6.1 1.00 1.00 diesel 11.80 9.97 1.0 0.22 45.5 3.9 4.6 0.84 0.75 battery (lead-acid) 0.030 0.06 0.8 0.80 12.5 520.8 260.4 113 43 battery (NiM H) 0.060 0.15 0.8 0.80 12.5 260.4 104.2 57 17 battery (LiFePO4) 0.100 0.15 0.8 0.80 12.5 156.3 104.2 34 17 battery (LiPo/LiCo) 0.135 0.25 0.8 0.80 12.5 115.7 62.5 25 10 de efficiency van de aandrijflijn meenemend: met 6.1 L benzine in de tank bereik ik hetzelfde als met 12.5 kwh energie in de batterij. bij benadering: 0.5*E batterij [kwh] = V benzine,eq. [L] van de batterij wordt ca. 80% van de nominale capaciteit gebruikt: 0.4*C batt,nom [kwh] = V benzine,eq. [L] PAGINA 16
Voorbeelden 0.4*C batt,nom [kwh] = V benzine,eq. [L] equivalente tankinhoud: 16 kwh = 6.4 L benzine Mitsubishi i-miev 24 kwh = 9.6 L benzine Nissan Leaf 53 kwh = 21 L benzine Tesla Roadster PAGINA 17 Marketing ieder nadeel heb zijn voordeel......logisch want de tankinhoud is ook erg klein!...in Nederland is elektriciteit relatief duur (in dit voorbeeld kost de volle tank in Nederland 4.60 euro)...maar 4.60 euro voor het equivalent van 6.4 L benzine is voordelig PAGINA 18
Opladen batterij bij benadering: 0.5*E batterij [kwh] = V benzine,eq. [L] totaal rendement bij het laden van de batterij ca. 80% 0.4*P charger [kw] = Q benzine,eq. [L/h] referentie: benzinepomp 40 L per minuut normaal stopcontact (3.6 kw): ca. 1.5 L benzine per uur (1600x langzamer) DC fast charging (50 kw, CHAdeMO): ca. 20 L benzine per uur (120x langzamer) PAGINA 19 Snelladen kenmerkende getallen: 80% bijladen in minder dan 30 minuten. mogelijke nadelen: lagere efficiency verkorting levensduur batterijen precieze getallen ontbreken observatie: langzaam laden bij een benzinestation zal nooit een levensvatbare business case opleveren. Auto staat 8 uur geparkeerd en tankt voor ca. 5 euro aan elektriciteit. ( en zou je het als bestuurder willen?) PAGE 20
Vraagtekens... Uit het Tesla owners manual:??? staan oplaadtijden van meer dan 8 uur de praktische inzetbaarheid van het voertuig niet in de weg? PAGINA 21 Actieradius actieradius r bij constante rijsnelheid en vlakke weg: r 1 d efficientie aandrijflijn beschikbare batterij capaciteit 1 ACdv 2 luchtweerstand batt 2 C batt mgf rr rolweerstand P v aux energie auxiliaries PAGINA 22
Actieradius bij constante snelheid interieurverwarming uit (P aux = 200 W) interieurverwarming aan (P aux = 3200 W) 500 P aux 200 W 450 P aux 3200 W 400 range [km] 350 300 250 200 150 verwarming uit verwarming aan 100 50 0 0 20 40 60 80 100 120 140 velocity [km/h] PAGINA 23 Berekening actieradius middels ritcyclus constante snelheid geen goede weergave van de werkelijkheid bij personenwagen wordt bijvoorbeeld de NEDC gebruikt voor het bepalen van emissies en brandstofverbruik 140 gemiddelde snelheid: 32 km/h 120 100 velocity [km/h] 80 60 40 20 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 time [s] PAGINA 24
Maar de NEDC is niet representatief bij benzine-auto s al een behoorlijk verschil tussen opgave verbruik door de fabrikant en werkelijk gerealiseerd verbruik bij een elektrische auto wordt dat verschil alleen maar groter... VW Lupo 3L diesel elektrische auto (meting) energy usage [Wh/km] 0 20 40 60 80 100 120 140 160 laagste brandstofverbruik: 55 km/h laagste verbruik: 10-40 km/h PAGINA 25 Voorbeelden actieradius Tesla Roadster combined city/highway EPA cycle: 390 km Auto, Motor und Sport: 200-328 km (equivalent tankvolume = 21 L benzine) Mini-E FTP 72 cycle: > 240 km real-life (BMW): 110-160 km (equivalent tankvolume = 14 L benzine) Mitsubishi i-miev Japanese 10-15 cycle: 160 km Autoweek: 76.4 km (koud weer) (equivalent tankvolume = 6.4 L benzine) PAGINA 26
Voorbeeld actieradiusberekening verschillende ritcycli en constante snelheid, verwarming uit (actieradius kan nooit één vast getal zijn!) range [km] 500 450 400 350 300 250 200 150 constant velocity NEDC Artemis urban Artemis rural road Artemis motorway 130 JAP10.15 NYCC UDDS/LA4 FTP75 LA92 HWFET US06 252 km (UDDS/LA4) 138 km (Artemis motorway 130) 100 50 0 0 20 40 60 80 100 120 140 (average) velocity [km/h] PAGINA 27 TU/e ombouwproject VW Lupo PAGE 28
Elektromotor/versnellingsbak vermogen 50 kw (dieselmotor: 45 kw) max. koppel 270 Nm (dieselmotor: 140 Nm) gewicht 85 kg (dieselmotor+bak: 180 kg) veel compacter één versnelling PAGE 29 prestaties 6000 5000 1e versnelling 45 kw diesel 50 kw elektrisch rijweerstand 4000 trekkracht [N] 3000 2000 1000 2e versnelling 3e versnelling 4e versnelling 5e versnelling veel betere tussen-acceleratie topsnelheid begrensd ivm beperkte energie in de batterij 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 rijsnelheid [km/h] PAGE 30
Dus? Zwaarder, traag laden, beperkte actieradius waarom is een elektrische auto toch interessant? de elektrische auto is de meest efficiente manier om duurzaam opgewekte energie naar de wielen te krijgen het ultieme flexi-fuel voertuig: kan rijden op gas, kolen, waterkracht, biomassa, kern-, wind- en zonne-energie lokaal gèèn emissies goede (tussen-) acceleratie eigenschappen relatieve eenvoud, minder onderhoud stiller in het stadsverkeer kan op termijn helpen bij het stabiliseren van het elektriciteitsnet PAGINA 31 Umdenken opladen zal hoofdzakelijk thuis ( s nachts) gedaan worden, incidenteel fast charging voor de langere ritten. hoeveel actieradius heb je werkelijk nodig? gemiddelde benzineauto rijdt 30 km per dag en staat 23 uur per dag stil ( maar de gebruiker wil flexibiliteit!) car usage: distance per trip bron: CBS > 50 km % 40 to 50 km 30 to 40 km 20 to 30 km 10 to 20 km 5 to 10 km 0 to 5 km 0 10 20 30 40 PAGINA 32
Wrap-up ondanks forse vooruitgang: batterij blijft de bottleneck van de elektrische auto (energiedichtheid, laadsnelheid, levensduur, kosten, ) de huidige volledig elektrische auto kan de ICE auto nog niet voor alle toepassingen vervangen Kun je leven met een auto met een benzinetank van ca. 10 liter, welke iedere dag opnieuw gevuld is? (en incidenteel fast charging) in ieder geval zal het aandeel batterijen en elektronica in de aandrijflijn de komende jaren sowieso toenemen (hybride, plug-in hybride, range extended electric vehicles, etc.) grote CO 2 reducties mogelijk indien indien gebruik wordt gemaakst van hernieuwbare bronnen (water/zon/wind) of bijv. kernenergie PAGINA 33 Vragen? TU/e Formula Student Electric 2010 UK Silverstone, class 1A: 3 rd Germany Hockenheim, FS electric: 2 nd Austria Wachauring: 1 st electric car (4 th overall, 30 cars) photo: FSG2010, Almonat PAGE 34
Contact Dr.Ir. Igo Besselink Eindhoven University of Technology Mechanical Engineering, Dynamics & Control, WH 0.130 P.O. Box 513 5600 MB Eindhoven The Netherlands phone: +31 40 2472781 email: i.j.m.besselink@tue.nl PAGINA 35