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, li i i / i i di diverse prototypes t t
PAGE 5
Voorbeelden van elektrische auto’s GM EV-1 (1996-1999) zero emission i i wetgeving t i Californie C lif i poging tot consumentenproduct (ca. 1100 exemplaren)
PAGE 6
Voorbeelden van elektrische auto’s Tesla Roadster (2008 - nu) acceleratie: l ti 0-100 0 100 k km/h /h iin 3 3.7 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 d ti (verwachte ( ht produktieaantallen d kti t ll > 100 100.000) 000) prijs: 33000 euro, komt eind 2010 naar Nederland
PAGE 8
De elektrische aandrijflijn
d i shaft drive h ft charger
inverter
80 % of nominal capacity
AC energy usage
battery
motor
reduction wheel
DC energy usage
80% efficiency
80% efficiency
Als eerste benadering lijkt er een 80% vuistregel te gelden... rendementen: • elektrisch “plug-to-wheel”: 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 i characteristics kWh/kgg kWh/L petrol 12.10 9.12 diesel 11.80 9.97 battery (lead-acid) 0.030 0.06 battery (NiM H) 0 060 0.060 0 15 0.15 battery (LiFePO4) 0.100 0.15 battery (LiPo/LiCo) 0.135 0.25
utilisation factor 1.0 1.0 0.8 08 0.8 0.8 0.8
10 kWh at the h wheels h l drive train required efficiency energy kWh 0.18 55.6 0.22 45.5 0.80 12.5 0 80 0.80 12 5 12.5 0.80 12.5 0.80 12.5
energy carrier mass volume kgg L 4.6 6.1 3.9 4.6 520.8 260.4 260 4 104.2 260.4 104 2 156.3 104.2 115.7 62.5
relative to petrol mass volume 1.00 1.00 0.84 0.75 113 43 57 17 34 17 25 10
energieopslag i l in i batterijen b tt ij is i minimaal i i l 25x 25 zo zwaar als l benzine b i 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 6.4 4 L benzine
Mitsubishi iMiev: 16 kWh
Nissan Leaf: 24 kWh
• 24 kWh = 9.6 L benzine
• 53 kWh = 21 L benzine Tesla Roadster: 53 kWh
“opladen”: • benzinepomp: 40 L per minuut • 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, worden oplaadtijd ca. 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 (1.4 4 16v)
volledig elektrisch: 1545 kg (26 (26.5 5 kWh)
PAGINA 14
Nissan Leaf 100% ontworpen als een elektrisch voertuig, gewicht ???
PAGINA 15
Dus? zwaarder, kleine tankinhoud, traag laden… …waarom 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, t k ht biomassa, bi k kern-, windi d en zonne-energie i • lokaal gèèn emissies • goede (tussen (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… auto • geen exclusieve, niche sportauto… • g geen vrachtwagen g om batterijen j te transporteren… p
“De auto van de toekomst” • • • •
initiatief van stichting Natuur & Milieu milieuvriendelijk individueel vervoer 3 TU project, TU/e: aandrijflijn en onderstel voertuig: g 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!” c,mm,n c mm n 2.0 20 powertrain mock-up p AutoRAI 2009
PAGINA 20
De auto van de toekomst gaat rijden eerste stap: conversie van een bestaande auto
• • • • •
dimensions wheelbase frontal area drag coefficient mass without drive train
C,MM,N 2.0
Lupo 3L
3750x1650x1450 2400 2.1 0.23 650 kg
3529x1621x1455 mm 2321 mm 2.0 m2 0.29 595 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: 45 kW) • max. koppel 270 Nm (dieselmotor: 140 Nm) • één versnelling • watergekoeld
PAGE 23
prestaties 6000 45 kW diesel 50 kW elektrisch rijweerstand
1e versnelling 5000
trekkraccht [N]
4000
2e versnelling
3000
2000 3e versnelling 1000
0
4e versnelling 5e versnelling 0
20
40
60
80 100 rijsnelheid [km/h]
PAGE 24
120
140
160
180
Batterijen batterij: • 91 cellen,, 300 V • gewicht: 273 kg • volume: 180 liter • energie: 27 kWh fossiele brandstof: • 10 liter benzine (8 kg) • 8 liter diesel (7 kg)
PAGE 25
Actieradius (constante snelheid) 500 450 400
actieradiu us [km]
350 300 250 200 150 100 50 0
0
20
40
60 80 snelheid lh id [k [km/h] /h]
PAGE 26
100
120
140
Is elektrisch rijden goedkoper? • energiekosten (diesel : 1.20 euro/L, elektriciteit: 0.23 euro/kWh) energy costs 8
NB: VW Lupo 3L is een exteem zuinig voertuig ca. 1 L op 27 km
diesel (1.20 euro/L) electric (0.23 euro/kWh)
7 6
euro/100 km
5 4 3 2 1 0
0
50
100
150
velocity [km/h]
PAGINA 27
C02 uitstoot? "well to wheel" C02 emissions 300 diesel (3.19 kg C02/L) electric (100 g C02/kWh) electric (550 g C02/kWh) electric (1000 g C02/kWh)
C02 emissions [gr/km] C
250
kolencentrale
200
150
huidige mix
100
50
“ “groen” ” 0
0
50
100 velocity [km/h]
PAGINA 28
150
Samenvattend • ondanks forse vooruitgang: batterij blijft de bottleneck van de elektrische auto (energiedichtheid, (energiedichtheid levensduur, levensduur veiligheid, veiligheid kosten,…) kosten ) • de huidige elektrische auto kan de ICE auto nog niet voor alle t toepassingen i 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 m2 zonnepaneel nodig in Nederland PAGE 30
Vragen?
PAGE 31
