Entwicklung von funktionskritischen Bauteilen für die eMobilität
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Entwicklung von funktionskritischen Bauteilen für die eMobilität FORSCHUNG #INDUSTRIENAH: GEMEINSCHAFT. MACHT. ENERGIE. 20. September 2021 / FH OÖ Campus Wels Gerhard Stempfer - BU Power Safety Devices, Miba eMobility & Raimund Ratzi - Head R&D Miba Power Electronics Group
Agenda ▪ Treiber ist die Elektrifizierung der Mobilität ▪ Herausforderungen und Innovationen für funktionskritische Bauteile in E-Fahrzeugen ▪ ProBat Projekt ▪ Conclusio Forschung #INDUSTRIENAH - "Gemeinschaft. Macht. Energie.", FH OÖ Campus Wels, 20.09.2021 2
Treiber ist die Elektrifizierung der Mobilität
Drei Haupt-Faktoren treiben die Elektromobilität
▪ Nationale Förderungen für e-Auto-Kauf (z.B. österr. „E-Mobilitätsoffensive“ und NoVa-Entfall, deutsche
Öffentliche „Innovationsprämie“, US GREEN tax credits, usw.)
1 Förderungen und ▪ Förderungen des e-Auto-Betriebs (v.a. steuerliche Begünstigungen)
Gesetzgebung ▪ Verschärfung der Emissionsnormen (z.B. Euro-7)
▪ Vorteile im Verkehr, z.B. e-Auto-Parkplätze, Busspur-Nutzung, Emissionszonen usw.
▪ Steigendes Bewusstsein für Umwelt
Attraktivität für ▪ Tesla „Wow“ Effekt: Dynamisches Fahrerlebnis, hohe Beschleunigung
2 Nutzer/Kunden ▪ Komfort: Größerer Innenraum durch längerer Radstand, Wegfall Kardanwelle,
Geräusch- und Vibrationsreduktion etc.
▪ Energiedichte um >60% verbessert in den letzten 8 Jahren
Verbesserungen der ▪ In der gleichen Zeit sind die Batteriekosten pro kWh um ~75% gesunken
3 Batterietechnologie ▪ Deutliche Reduktion bei Degradation und Verbesserung Anzahl Ladezyklen
▪ Schnell-Laden bis zu 300 kW
▪ 5G ermöglicht neue Technologien simultan zur Elektrifizierung, z.B. Autonomes Fahren und Vehicle-to-X-Connectivity
Andere
▪ Neue Geschäftsmodelle mit weiteren positiven Effekten: Battery-as-a-service, Vehicle pay-per-use etc.
Quellen: Statista: “In-depth: eMobility 2021” McKinsey: “The road ahead for eMobility”, Heise: “Prognose zur Batterie-Entwicklung 2021”
Forschung #INDUSTRIENAH - "Gemeinschaft. Macht. Energie.", FH OÖ Campus Wels, 20.09.2021 4
Batteriepreis-Entwicklung bei PKW‘s
Batteriepreis-Entwicklung bei PKWs
Durchschnittlicher Einkaufspreis großer Automotive OEMs, in EUR/kWh
400
360
275
~ -75%
225
171
149 139
111
97 92 83
2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2025
Quellen: Statista: “Weltweite Preisentwicklung für Lithium-Ionen-Akkus 2010 bis 2025
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PKW-Verkaufszahlen-Prognose nach Antriebsart
PKW-Verkaufszahlen-Prognose nach Antriebsart
in mn Einheiten, % des Gesamtvolumens nach Antriebsart
Internal combustion engine vehicles (ICE) Fuell-cell vehilces (FCEV)
Mild Hybrids (MHEV) Battery electric vehicles (BEV)
Plugin-Hybrids (PHEV) and Hybrids (HEV) 116
108 110
103 105 12%
97 100
94 93 25%
90 30%
85 26%
79 35%
41%
71 47%
54%
60% 28%
27% 17%
68%
75% 26% 1%>
92% 25%
81%
88% 23% 20% ~65%
21% 20%
18% 19% ~50%
17% 45%
15% 15%
11% 14% 28%
2% 4% 8% 7% 12% 25% 24%
8% 10% 17% 20%
2% 5% 3% 4% 6% 9% 11% 14%
4% 7%
2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2035
Quellen: BCG: “Why electric cars can’t come fast enough” 2021, BNEF Electric Vehicle Outlook 2021
Forschung #INDUSTRIENAH - "Gemeinschaft. Macht. Energie.", FH OÖ Campus Wels, 20.09.2021 6
Our Mission
TECHNOLOGIES FOR A CLEANER PLANET
Our Vision
NO POWER WITHOUT MIBA TECHNOLOGY
ENERGY ENERGY ENERGY ENERGY
GENERATION TRANSMISSION STORAGE USE
Overview: Miba Technologies for eMobility
We develop and produce a broad range of solutions
Flexible Battery Cooler Hair-Pin Stators
(Miba FLEXCOOLER®) Equipment and Production
Axial-Flux Motors
and Actuators
Coatings for eAxles
Battery Systems and Fuel Cells
Friction Material
Power Safety Sintered for eAxles
Devices Charging and Components
Discharging Resistors for eAxles
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Herausforderungen und Innovationen für funktionskritische Bauteile in E-Fahrzeugen
MIBA Innovationen – Entladen von Inverter Zwischenkreiskondensatoren
Funktion und Lösung – „Serienprodukt“
Lösung der Miba:
▪ EBG Entladewiderstand – Hoch pulsfeste
Dickschichtwiderstände mit minimalem Bauraum
▪ Automotive Qualität gemäß AEC-Q200
Zentrale Produkt-Ziele:
▪ Minimaler Bauraum bei erhöhter Funktionssicherheit
▪ Fail safe mode (open circuit) bei Überlast
Bild: Vereinfachtes Ersatzschaltbild Entladezweig Inverter
▪ Kein Rauch, Feuer oder Explosion bei Überlast Zwischenkreis-Kondensator
▪ Elektrisch hoch pulsfest und mechanisch stabil
▪ Condition monitoring option (Temperatur)
▪ Für active und passive Entladungssysteme
Core performance parameters (EVR150 / EVR300)
▪ Nominal power < 3s up to 750 W
▪ Operating voltage up to 1,000 V DC
▪ Dielectric Strength up to 4,000 V DC
▪ Typical value 40 – 200 Ω
▪ Options (EVR300)
▪ Monitored condition - substrate temperature Graph: Entladevorgang bei 900V und 1,3mF
▪ Continuous passive discharging module Dauer Trennvorgang: Ca. 2,13s
Forschung #INDUSTRIENAH - "Gemeinschaft. Macht. Energie.", FH OÖ Campus Wels, 20.09.2021 11Neue Bauteile erforderlich
Herausforderungen mittel- und langfristig
▪ Im Fehlerfall ist ein zuverlässiges und rasches Schalten notwendig
▪ Entspricht dem Trennen / Entladen der Energiespeicher im Fehlerfall
▪ Trennen der Batterie vom restlichen System
▪ Entladen des (Inverter-) ZK-Kondensators
▪ Umsetzen der Restenergie der Brennstoffzelle
▪ Energien, Leistungen & Packungsdichten steigen
▪ Trends & Herausforderungen - Batterie:
− Spannung steigt auf 900V
− Energien steigen auf >100kWh, res. Kurzschlussströme von 10kA bis 30kA Leistung im Trenner bis > 10MW
− Ladeleistungen steigen bis 300kW im PKW – Induktivität inkl. Ladesysteme? Induktivitäten 10µH bis > 100µH
▪ Trends & Herausforderungen - Brennstoffzelle:
− Leistungsdichten und Energien steigen
▪ Trends & Herausforderungen – Inverter:
− Inverter von E-Fahrzeugen und Fast Charging Ladestationen werden kompakter und leistungsfähiger
Forschung #INDUSTRIENAH - "Gemeinschaft. Macht. Energie.", FH OÖ Campus Wels, 20.09.2021 12MIBA Innovationen – Entladen von Brennstoffzellen
Funktion und Lösung – „in Entwicklung“
Lösung der MIBA:
▪ Pyrotechnischer Schließer – PSD Konzeptentwicklung
Brennstoffzellen-
Ersatzschaltung
Zentrale Produkt-Ziele:
Closer
▪ Niedriger Übergangswiderstand nach Schließung Fahrzeugelektronik
▪ Schnelle Auslösung (< 1ms)
▪ Schließleistung bei 800V bis zu 7kA
▪ Hermetisch dicht, geringer Platzbedarf
▪ Stromanschlüsse an Kundenforderung anpassbar
▪ Brennstoffzelle wird alleinig über Schließer
kurzgeschlossen und Rest-Energie abgebaut Bild: Vereinfachtes Ersatzschaltbild Brennstoffzelle mit Entladezweig
Bild: Aktueller Entwicklungsstand
MIBA Pyrotechnischer Schließer
Graph: Schließvorgang bei max. Strom / Maximalstrom: 7 kA / Strombelastung: 450k A2*s
Forschung #INDUSTRIENAH - "Gemeinschaft. Macht. Energie.", FH OÖ Campus Wels, 20.09.2021 13MIBA Innovationen – Trennen von Batterien
Funktion und Lösung – „in Entwicklung“
Lösung der MIBA:
▪ Pyrotechnischer Leistungstrenner –
PSD Konzeptentwicklung
Bild: Vereinfachte
Zentrale Produkt-Ziele: System-Architektur
Fahrzeug-Batterie und
▪ Sehr hohes Trennvermögen Ladesystem
▪ Sehr kompakter Bauraum
▪ Sehr geringes Gewicht
▪ Direkte Bus Bar Integration
▪ Niedriger Kaltwiderstand
Graph: Trennvorgang bei 900V
/ 15000A / 25µH
Umgesetzte Leistung während
Trennvorgang: Bis etwa 8MW
Dauer Trennvorgang: Ca. 1ms
Bild: Aktueller Entwicklungsstand
MIBA Pyrotechnischer Leistungstrenner
Forschung #INDUSTRIENAH - "Gemeinschaft. Macht. Energie.", FH OÖ Campus Wels, 20.09.2021 14ProBat Projekt
ProBat Projekt
Vorstellung
▪ Kompaktes Trennelement zur Kurzschlusstrennung für HV
Batterien über 600 V
▪ Themenfelder:
▪ Bündelung von Kompetenzen, Arbeitsgruppen &
Erarbeitung vom Normen / Stand-der-Technik
▪ Lokal verfügbare Test- und Prüfeinrichtungen für DC-
Schaltgeräte
− Einfluss des Prüfkreises auf das Trennverhalten
▪ Schaltgeräte welche die Kurzschluss-Ströme
beherrschen
− Identifizieren der wesentlichen Kennwerte für © Peter Zeller
die Abschaltgeräte
− Welche Induktivität ist für den Trenner relevant? Ziel:
Beim Laden? Durch grundlegende Forschung mittels Experimenten und
(numerischen) Simulationen sollen einzelne bekannte
▪ Einfließen der Ergebnisse in die internationale
Lichtbogen-Löschansätze in neuer Kombination so angewendet
Normenarbeit
werden, dass sich eine neue, innovative Technologieplattform für
− Mit Kennwerten und Prüfmethoden künftige sehr kompakte Trennelemente ergibt.
Das Projekt ProBat wird gefördert im Rahmen des FTI-Programms Mobilität der Zukunft durch das Bundesministerium für Klimaschutz und von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft abgewickelt.
Forschung #INDUSTRIENAH - "Gemeinschaft. Macht. Energie.", FH OÖ Campus Wels, 20.09.2021 16Conclusio
Conclusio
▪ Neue MIBA 100 Strategie – „No Power without MIBA Technology“
▪ Neue Produkte für eMobility sind zentraler Schwerpunkt in der MIBA Strategie
▪ Neue Kompetenzen sind notwendig und werden nachhaltig mit Partnern aufgebaut
▪ Miba benötigt und etabliert neue Kooperationen
Regionale Forschungsnetzwerke unterstützen uns bei der Transformation
▪ Märkte und Technologien sind in rascher Transformation in Richtung eMobilität
▪ Initiativen der Zulieferbranche vorhanden & weiter gefordert
▪ Zur Erhöhung der Geschwindigkeit Unterstützung von Politik wünschenswert
▪ Ideen: Taskforce für Gleichstrom Produkte (Hochstrom und Hochspannung)
▪ Idee: Regional übergreifende Test- und Prüfkompetenzen
▪ Idee: Regional übergreifende Ausbildungs- Umschulungsinitiativen
Forschung #INDUSTRIENAH - "Gemeinschaft. Macht. Energie.", FH OÖ Campus Wels, 20.09.2021 18Das Projekt ProBat wird gefördert im
Rahmen des FTI-Programms Mobilität der Zukunft durch
das Bundesministerium für Klimaschutz und von der
Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft abgewickelt.Sie können auch lesen
