Technische Potenzialanalyse der Elektromobilität: Stand der Technik, Forschungsausblick und Projektion auf das Jahr 2025

153 Pages·2017·3.322 MB·German

by  Andreas Füßel (auth.)

Andreas Füßel
Technische
Potenzialanalyse
der Elektromobilität
Stand der Technik, Forschungsausblick
und Projektion auf das Jahr 2025
Technische Potenzialanalyse der
Elektromobilität
Andreas Füßel
Technische
Potenzialanalyse
der Elektromobilität
Stand der Technik, Forschungsausblick
und Projektion auf das Jahr 2025
Andreas Füßel
Berlin, Deutschland
ISBN 978-3-658-16695-3 ISBN 978-3-658-16696-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-16696-0
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Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis ....................................................................................... IX
Abbildungsverzeichnis ........................................................................................ XI
Tabellenverzeichnis ......................................................................................... XIII
Formelverzeichnis .............................................................................................. XV
1 Einleitung ................................................................................. 1
1.1 Problemstellung .................................................................................... 1
1.2 Zielsetzung ............................................................................................ 2
1.3 Thematische Abgrenzung...................................................................... 2
1.4 Methodik zur Erlangung der Ergebnisse ............................................... 3
2 Theoretische Grundlagen ....................................................... 7
2.1 Elektromobilität Allgemein ................................................................... 7
2.2 Effektkriterien von PKW .................................................................... 11
2.3 Technische Bewertungskriterien der Elektromobilität ........................ 11
2.4 Analysemethoden der Statistik ............................................................ 12
2.5 Formeln zur Berechnung diverser Größen der Fahrperformance ........ 13
2.6 Neuer Europäischer Fahrzyklus (NEFZ) ............................................. 14
3 Vergleich der aktuellen BEV- und ICE-Technologie ........ 15
3.1 Auswahl der technischen Effekt- und Bewertungskriterien ................ 15
3.2 Wechselwirkungen zwischen den technischen Effekt- und
Bewertungskriterien ............................................................................ 16
3.3 Referenzfahrzeuge .............................................................................. 18
3.4 Stand der Technik: Vergleich der Effektkriterien aktueller
Technologie ......................................................................................... 19
3.5 Gegenüberstellung der Effektkriterien der ICE- und
BEV-Referenzfahrzeuge ..................................................................... 31
3.6 Zusammenfassung der aktuellen BEV- und ICE-Technologien ......... 33
VI Inhaltsverzeichnis
4 Entwicklungspotenzial technischer Kriterien der
BEV-Technologie ................................................................... 35
4.1 Energiespeichersystem ........................................................................ 35
4.1.1 Grundlagen und Vergleich aktueller
Energiespeichersysteme ........................................................... 36
4.1.2 Stand der Technik: Lithium-Ionen-Technologie...................... 40
4.1.3 Forschung und Entwicklung zur Verbesserung der
Lithium-Ionen-Technologie ..................................................... 44
4.1.4 Zukunftstechnologien .............................................................. 57
4.2 Antriebsstrang ..................................................................................... 62
4.2.1 Aufgaben der Komponenten .................................................... 63
4.2.2 Elektromotoren ........................................................................ 64
4.2.3 Forschung und Entwicklung zur Verbesserung der
Antriebsstrang-Komponenten .................................................. 69
4.2.4 Neue Antriebsstrang-Konzepte ................................................ 73
4.3 Gewichtsreduzierung .......................................................................... 77
4.4 Zusammenfassung des Entwicklungspotenzials technischer
Kriterien und Ausblick ........................................................................ 79
5 Entwicklungspotenzial der Effektkriterien der
ICE- und BEV-Technologien ................................................ 83
5.1 Vorgehensweise bei der ICE-Technologie .......................................... 83
5.1.1 Auswahl der Fahrzeugmodelle für die Untersuchung .............. 84
5.1.2 Regressionsanalyse und Prognose von Zukunftswerten .......... 84
5.1.3 Manuelle Anpassung der Prognosen ........................................ 85
5.1.4 Erläuterungen zu den Diagrammen bezüglich des
technischen Entwicklungspotenzials ....................................... 87
5.2 Vorgehensweise bei der BEV-Technologie ........................................ 87
5.3 Einzelheiten der Effektkriterien .......................................................... 88
5.3.1 Reichweite ............................................................................... 88
5.3.2 Reichweitenreduzierung im Winter ......................................... 92
5.3.3 Betankungsdauer ..................................................................... 93
5.3.4 Verkaufspreis ........................................................................... 94
5.3.5 Höchstgeschwindigkeit ............................................................ 97
5.3.6 Lebensdauer ............................................................................. 99
5.3.7 Beschleunigung ..................................................................... 101
5.3.8 maximal zulässige Zuladung ................................................. 104
5.3.9 Kofferraumvolumen .............................................................. 106
5.3.10 Innengeräusch ........................................................................ 109
1In.1h aPlrtsovbelerzmesictehlnluisn g VII
5.3.11 Sicherheit ............................................................................... 110
5.3.12 CO -Emissionen .................................................................... 112
2
5.4 Gegenüberstellung und Zusammenfassung der Potenziale der
ICE- und BEV-Technologie .............................................................. 113
5.5 Kritische Würdigung der Ergebnisse ................................................ 120
6 Zusammenfassung und Ausblick ....................................... 123
Literaturverzeichnis .................................................................. 129
Anhang ........................................................................................ 143
1.1 Problemstellung IX
Abkürzungsverzeichnis
A Ampere
ABS Anti-Blockier-System
AC Alternating Current
AG Aktiengesellschaft
AiT Austrian Institute of Technology
Akku Akkumulator
ASM Asynchronmaschine
BEV Battery Electric Vehicle
bspw. beispielsweise
CAGR Compound Annual Growth Rate
CFD Computational Fluid Dynamics
cm Zentimeter
Co Kobalt
DC Direct Current
DoD Depth of Discharge
EBIT Earnings Before Interest and Taxes
ESP Elektronisches Stabilitätsprogramm
etc et cetera
EV Electric Vehicle
FSM Fremderregte Synchronmaschine
FuE Forschung und Entwicklung
GmbH Gesellschaft mit beschränkter Haftung
grav. gravimetrisch
h Stunde
ICE Internal Combustion Engine
kg Kilogramm
KIT Karlsruher Institut für Technologie
X Abkürzungsverzeichnis
km/h Kilometer pro Stunde
kW Kilowatt
kWh Kilowattstunde
Li Lithium
m Meter
min Minute
MIV Motorisierter Individualverkehr
n Drehzahl
NEFZ Neuer Europäischer Fahrzyklus
NEP Nationaler Entwicklungsplan Elektromobiliät
Nm Newtonmeter
NPE Nationale Plattform Elektromobilität
PSM Permanenterregte Synchronmaschine
s Sekunde
S Schwefel
s.o. siehe oben
SoC State of Charge
sog. sogennant
SRM Switched Reluctance Machine
TCO Total Cost of Ownership
V Volt
Vgl. Vergleich
V Höchstgeschwindigkeit
max
W Watt
Wh Wattstunde
WKA Windkraftanlage
WLTP Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure
z.B. zum Beispiel
% Prozent
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Methodik zur Erlangung der Ergebnisse ..................................... 5
Abbildung 2: Blick auf die Komponenten des Antriebsstranges eines
VW e-up!, Zahlen eigens ergänzt ............................................. 11
Abbildung 3: Effektkriterien ........................................................................... 16
Abbildung 4: Technische Kriterien ................................................................. 16
Abbildung 5: Wechselwirkungen zwischen den technischen Effekt- und
Bewertungskriterien (beide Technologien) ............................... 17
Abbildung 6: notwendige Motor-Ausgangsleistung zur Erreichung einer
Geschwindigkeit sowie Energieverbrauch auf 100 km bei
konstanter Geschwindigkeit in der ungeneigten Ebene am
Beispiel VW eGolf .................................................................... 23
Abbildung 7: freigegebene Höchstgeschwindigkeit der Hersteller in
Abhängigkeit von der Reichweite ............................................. 24
Abbildung 8: Qualitativer Vergleich der Drehzahl/Drehmoment-Kennlinie
eines Elektro- und Verbrennungsmotors ................................... 27
Abbildung 9: Grafischer Vergleich der Effektkriterien VW Golf VII
und VW eGolf 2015, Teil 1 von 2 ............................................ 32
Abbildung 10: Grafischer Vergleich der Effektkriterien VW Golf VII
und VW eGolf 2015, Teil 2 von 2 ............................................ 33
Abbildung 11: prinzipieller Aufbau eines elektrochemischen Speichers
(dargestellt ist der Entladevorgang) .......................................... 37
Abbildung 12: Anforderungen an Energiespeicher für BEV ............................ 38
Abbildung 13: Anforderungen die die NPE für Batterien in
Elektrofahrzeugen für 2014 und 2020 formuliert hat ................ 43
Abbildung 14: Stärken und Schwächen der derzeitig verwendeten
Kathodenmaterialien im qualitativen Vergleich ....................... 44
Abbildung 15: Zeitliche Entwicklung der mittleren volumetrischen
Energiedichte von Li-Ionen-Zellen ........................................... 47
Abbildung 16: Aufteilung der Kosten bei der Zellproduktion .......................... 55
Abbildung 17: Erwartungen verschiedener Experten zur Akku-
Preisentwicklung bis 2025, unabhängig von den
verwendeten Zellmaterialien ..................................................... 57
Abbildung 18: Darstellung des Aufbaus verschiedener
Wechselstrommotoren, von links nach rechts:
Permanenterregte Synchronmaschine (PSM), Fremderregte
Synchronmaschine (FSM) Asynchronmaschine (ASM) und
Geschaltete Reluktanzmaschine (SRM) .................................... 65