Elektrisch rijden: consequenties voor het ontwerp van de auto Igo Besselink Werktuigbouwkunde Kivi bijeenkomst 7 juni 2010 PAGE 1 Inhoud Voorbeelden van elektrische auto s Globale beschouwing elektrische aandrijving Project: de auto van de toekomst Ombouw VW Lupo 3L Samenvatting PAGE 2
Voorbeelden van elektrische auto s De eerste auto die harder dan 100 km/h rijdt (1899) PAGE 3 Voorbeelden van elektrische auto s Rond 1900 waren de meest verkochte auto s elektrisch PAGE 4
Voorbeelden van elektrische auto s In de jaren 1960/1970 hernieuwde aandacht oliecrisis/emissies, i i i i diverse prototypes t PAGE 5 Voorbeelden van elektrische auto s GM EV-1 (1996-1999) zero emission i wetgeving Californie i poging tot consumentenproduct (ca. 1100 exemplaren) PAGE 6
Voorbeelden van elektrische auto s Tesla Roadster (2008 - nu) acceleratie: 0-100 km/h in 3.7 sec. topsnelheid: 200 km/h, actieradius: 200 tot 330 km 6831 laptop batterijen PAGE 7 Voorbeelden van elektrische auto s Nissan Leaf (2010) massaproductie (verwachte produktieaantallen t > 100.000) 000) prijs: 33000 euro, komt eind 2010 naar Nederland PAGE 8
De elektrische aandrijflijn AC energy usage charger 80 % of nominal capacity battery inverter DC energy usage motor reduction di drive shaft wheel 80% efficiency 80% efficiency Als eerste benadering lijkt er een 80% vuistregel te gelden... rendementen: elektrisch plug-to-wheel : 64% benzine: tank to wheel : 18% diesel: tank-to-wheel : 22% PAGE 9 Hoe zwaar wordt de brandstoftank? uitgangspunt: energie aan de wielen energy carrier 10 kwh at the wheels characteristics 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 (NiMH) 0.060060 015 0.15 08 0.8 080 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 energieopslag in batterijen is minimaal i 25x zo zwaar als benzine en het bijbehorende volume is minimaal 10x zo groot vuistregel: 0.4*Cbatt,nom [kwh] = Vpetrol,eq. [L] PAGINA 10
Voorbeelden equivalente tankinhoud: 16 kwh = 6.4 L benzine Mitsubishi imiev: 16 kwh 24 kwh = 9.6 L benzine Nissan Leaf: 24 kwh 53 kwh = 21 L benzine Tesla Roadster: 53 kwh opladen : benzinepomp: 40Lperminuut normaal stopcontact (3.6 kw): ca. 1.5 L per uur (1600x langzamer) DC fast charging (50 kw): ca. 20 L per uur (120x langzamer) PAGINA 11 Fast charging Met behulp van fast charging kan de batterij sneller opgeladen worden, oplaadtijd ca. 30 minuten of minder (rendement? levensduur batterijen?) PAGE 12
Totale voertuiggewicht 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 13 Recent voorbeeld VW Golf Blue-E-motion (2010) benzine: 1117 kg (1.4 16v) volledig elektrisch: 1545 kg (26.5 kwh) PAGINA 14
Nissan Leaf 100% ontworpen als een elektrisch voertuig, gewicht??? PAGINA 15 Dus? zwaarder, kleine tankinhoud, traag laden 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 16
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 > 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 17 Ontwerp van een elektrische auto Hoe ziet een slim, aantrekkelijk, evenwichtig design er uit? geen rare/aparte auto geen exclusieve, niche sportauto geen vrachtwagen om batterijen te transporteren
De auto van de toekomst initiatief van stichting Natuur & Milieu milieuvriendelijk individueel vervoer 3 TU project, TU/e: aandrijflijn en onderstel voertuig: de c,mm,n, c,mm,n 1.0 powertrain mock-up AutoRAI 2007 PAGINA 19 Van c,mm,n 1.0 naar 2.0 AutoRAI 2009: c,mm,n 2.0 overstap van waterstof naar elektrisch de auto van de toekomst gaat rijden! cmmn20 c,mm,n 2.0 powertrain mock-up AutoRAI 2009 PAGINA 20
De auto van de toekomst gaat rijden eerste stap: conversie van een bestaande auto C,MM,N 2.0 Lupo 3L dimensions 3750x1650x1450 3529x1621x1455 mm wheelbase 2400 2321 mm frontal area 2.1 2.0 m 2 drag coefficient 0.23 0.29 mass without drive train 650 kg 595 kg PAGINA 21 Pakket van eisen uitgangspunten: kleine vierzitter topsnelheid > 120 km/h acceleratie 0-100 km/h < 15 sec. actieradius 200 km opladen binnen 8 uur op een normaal stopcontact gewicht van het complete voertuig: < 1000 kg omwille van de doorlooptijd: zoveel mogelijk gebruik maken van bestaande componenten PAGINA 22
Elektromotor/versnellingsbak gewicht 85 kg (dieselmotor+bak: 180 kg) vermogen 50 kw (dieselmotor: 45kW) max. koppel 270 Nm (dieselmotor: 140 Nm) één versnelling watergekoeld PAGE 23 prestaties 6000 5000 1e versnelling 45 kw diesel 50 kw elektrisch rijweerstand 4000 trekkrac cht [N] 3000 2000 1000 2e versnelling 3e versnelling 4e versnelling 5e versnelling 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 rijsnelheid [km/h] PAGE 24
Batterijen batterij: 91 cellen, 300 V gewicht: 273 kg volume: 180 liter energie: 27kWh fossiele brandstof: 10 liter benzine (8 kg) 8 liter diesel (7 kg) PAGE 25 Actieradius (constante snelheid) 500 450 400 350 actieradiu us [km] 300 250 200 150 100 50 0 0 20 40 60 80 100 120 140 snelheid [km/h] PAGE 26
Is elektrisch rijden goedkoper? euro/100 km energiekosten (diesel : 1.20 euro/l, elektriciteit: 0.23 euro/kwh) 8 7 6 5 4 3 diesel (1.20 euro/l) electric (0.23 euro/kwh) energy costs NB: VW Lupo 3L is een exteem zuinig voertuig ca. 1 L op 27 km 2 1 0 0 50 100 150 velocity [km/h] PAGINA 27 C02 uitstoot? 300 250 "well to wheel" C02 emissions diesel (3.19 kg C02/L) electric (100 g C02/kWh) electric (550 g C02/kWh) electric (1000 g C02/kWh) kolencentrale ns [gr/km] C02 emissio 200 150 100 huidige mix 50 groen 0 0 50 100 150 velocity [km/h] PAGINA 28
Samenvattend ondanks forse vooruitgang: batterij blijft de bottleneck van de elektrische auto (energiedichtheid, levensduur, veiligheid, kosten, ) de huidige 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) grote C02 reducties mogelijk indien indien gebruik wordt gemaakst van hernieuwbare bronnen (water/zon/wind) PAGINA 29 De ultieme droom huidige stand van de techniek: ca. 30 m 2 zonnepaneel nodig in Nederland PAGE 30
Vragen? PAGE 31