Branchendialog Elektromobilität Nürnberg, 21. Juli 2011

Elektromobilität Neue Systemtechnik und dafür notwendige Qualifikationen

Dr. Martin März© Fraunhofer IISB

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Dr. Martin März

Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISBZentrum für Kfz-Leistungselektronik und MechatronikSchottkystrasse 10 ● 91058 Erlangen ● Tel. 09131/761-310, Fax -312www.zklm.iisb.fraunhofer.de

Branchendialog Elektromobilität Nürnberg, 21. Juli 2011

Inhalt

Elektroantriebe für Automobile

� Wohin entwickelt sich die Technik?

� Wo liegen die Herausforderungen?

� Welche Qualifikationsprofile und -bedarfe lassen sich ableiten?

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Einführung

Antriebskonzepte

H2

BEV FCEV

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KonventionellParallel- Seriell-

HybridBatterie- Brennstoffzellen-

Elektrisch

Einführung

Hochlast-Verbraucher� Klima-Kompressor� x-by-wire, aktives Fahrwerk� Anbauaggregate (NFZ)

12/14VBordnetz

Plug-in Hybride und Elektrofahrzeuge

Brennstoffzellenfahrzeuge

HV-Bordnetz

Leistungselektronik für die Autos von morgen

Brennstoffzelle

DC

DC DC

xC

DCDC

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Bordnetz

Hybridfahrzeuge

ElektrischerEnergiespeicher

UmrichterGleichspannungswandlerLadegeräte

DCAC

AC

DC DC

DC

Einführung

400

350

300

250

200

150

Bor

dnet

zspa

nnun

g

in V

olt

Kleinspannung

Hochvolt-Bordnetz

Die techn. Handhabbarkeit der Ströme, sowie

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150

100

50

00 15 30 45 60 75 90

Elektrische Leistung in kW

HV

-Bor

dnet

zspa

nnun

g

Schutzkleinspannung

Elektro-Kleinstwagen , Micro- und Mild-Hybride

Elektro-Kleinwagen , Voll-Hybride

Mittelklasse- und Sport-EV , Power-Hybride (incl. hybrider Nutzfahrzeuge)

KleinspannungDie techn. Handhabbarkeit der Ströme, sowie Kosten- und Gewichtsfaktoren erzwingen den Schritt zu berührgefährlichen Spannungen (Hochvolt-Bordnetz)!

Einführung

Hochvolt-Bordnetz

Vollständige (allpolige) elektrische Isolationgegenüber berührbaren Teile (Fahrzeug-Chassis, 14V-Bordnetz,…).

14VDC

Hilfsantriebe1)

AC

DC

Hochvolt-BordnetzIsolations-überwachung

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14VBordnetzDC

DC

Elektrischer Energiespeicher

Fahrantrieb

AC

DC DC

DC

Chassis

1) z.B. Klimakompressor, Öl- oder Wasserpumpe

Einführung

Hochvolt-Bordnetz

Konsequenzen für den Nutzer: keine !Elektroautos sind so sicher wie jedes andere ElektrogerätIm Falle eines Fehlers oder Unfalls erfolgt Spannungsfreischaltung des gesamten HV-Bordnetzes

Konsequenzen Arbeiten am Fahrzeug: Alle System- oder gar Struktur-invasiven Arbeiten erfordern eine umfassende Qualifizierung aller Beteiligten im Umgang mit Hochvoltsystemen und Hochleistungsbatterien!

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14 VBordnetz

Batterie

Weiterbildungsbedarf� Kfz-Handwerk� Pannendienste� Rettungsdienste� Entsorgungs- und

Recyclingunternehmen

Serienfahrzeuge sind HV-eigensicher

Nutzung, Service, Recycling

Fahrzeuge mit Hochvolt-Bordnetz

„Fachkundiger für Arbeiten an HV-eigensicheren Fahrzeugen“

ZusatzqualifikationArbeiten unter Spannung (AuS)

Berechtigung� Spannungsfreiheit herstellen und feststellen� HV-System gegen Wiedereinschalten sichern� Wartungsarbeiten, wie Austausch von HV-

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Elektrotechnischer Laie

Elektrisch unterwiesene Person (EUP)

an HV-eigensicheren Fahrzeugen“

Keine Arbeiten an Fahrzeugen mit HV-Bordnetz.

Nur Arbeiten, die nicht das Hochvolt-System betreffen.

� Wartungsarbeiten, wie Austausch von HV-Komponenten, im spannungsfreien Zustand.

Keine Arbeiten an Vorserienfahrzeugen!

Entwicklung

Systemintegration – Elektronik und Mechanik „wachsen zusammen“

Kos

ten

separat

vollintegriert

angebaut

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Technologie-Reifegrad, Produktionsvolumen

1997 2005 2012

Bildquellen: Toyota, Ford, Fraunhofer IISB

Entwicklung

Intelligente BatteriesystemeIntelligente Antriebe

Systemintegration – Elektronik und Mechanik „wachsen zusammen“

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Entwicklung

Klare Schnittstellen zwischen Elektronik und Mechanik verschwinden

Herausforderung Systemintegration

Mechanische Konstruktion

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Kosten

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Materialauswahl Zuverlässigkeit

Entwärmung

Fertigbarkeit

Testbarkeit

Entwicklung

Systemintegration erfordert

� innovative Lösungen (Verlassen ausgetretener Lösungspfade)

� interdisziplinäres Denken

� Systemdenken

Entlang des gesamten Wertschöpfungszyklus

Herausforderung Systemintegration

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Entlang des gesamten Wertschöpfungszyklus

Material- und Bauelementeentwicklung

Fertigungstechnik, Montageprozesse

System-Engineering Recycling

Entwicklung

Qualifikationsprofil: Ingenieur/in

Kompetenzschwerpunkte� Leistungselektronik� Elektrische Antriebstechnik� Mechatronik

Ausbildungsdefizite heute insbesondere auf den Gebieten

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heute insbesondere auf den Gebieten � Thermisches Management� Zuverlässigkeit� Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)1)

� Fertigungsgerechtes Design� Normen

� Anpassung von Studieninhalten � Weiterbildungsbedarf

1) für Leistungselektroniker

Weiterbildung

Gute Ausgangsbasis mit einem breiten Angebot einschlägiger Fachseminare� unternehmensintern: z.B. AutoUni (VW)� national : Bay. Cluster Leistungselektronik, Fraunhofer-IISB, OTTI, ...� international : European Center for Power Electronics (ECPE)

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Weiterbildung

DRIVE-E Programm

� Ferienakademie� einwöchig (2010 in Erlangen, 2011 in Berlin)� Fachvorträge, Diskussionen, Exkursionen

mit Experten aus Industrie und Forschung� Elektromobilität in voller thematischer Breite � bundesweit ausgeschrieben für Hochschulen und Universitäten

zur wissenschaftlichen Nachwuchsförderung

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� bundesweit ausgeschrieben für Hochschulen und Universitäten� enger Expertenkontakt (dazu Begrenzung auf 50 Teilnehmer)

� DRIVE-E Studienpreise� für herausragende Studien-/Bachelor- sowie Diplom-/

Masterarbeiten auf dem Gebiet der Elektromobilität� je Kategorien mit 5.000,- Euro dotiert

� Eine Kooperation von BMBF und Fraunhofer

Weiterbildung

Wissenschaftliche Nachwuchsförderung

� Vorlesung „Elektromobilität “ an der FAU� Architekturen und Systemtechnik für

Elektromobilität (ab WS 2011/12)� Automobilelektronik

� Projekt EcoCar� Interdisziplinäres Gruppenprojekt für

Studierende der EEI, MECH, MA, WW, INF, …

Studentische Arbeiten amTestzentrum für Elektrofahrzeuge

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Studierende der EEI, MECH, MA, WW, INF, …� Upgrade eines bestehenden Elektrofahrzeugs

auf modernste Technik � Heranführen von Studenten an das Thema

Elektromobilität

� Formula Student electric

www.leb.eei.uni-erlangen.de/ecocar

Ab Nov. 2011 am Südgelände: KFZ-Werkstatt für Studentenprojekte

Produktion, Service, Recycling

Konventioneller Antriebsstrang e-Antrieb

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� mehrere Tausend mechanische Einzelteile� viel Know-How und IP steckt in mechanischen

Komponenten und deren Fertigungsprozessen� wartungsintensiv (Zahnriemen, Öl, Filter, ...)� am Ende der Fahrzeuglebensdauer verschlissen

� vergleichsweise wenige Einzelteile� Know-How steckt überwiegend in der

Leistungselektronik und Software� wartungsarm(-frei)� Lebensdauer e-Maschine >> Auto

Bildquellen: Daimler, VW, Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität

Produktion, Service, Recycling

Konventioneller Antriebsstrang e-Antrieb

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18Bildquellen: Daimler, VW, Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität

Verschiebung von Kompetenzschwerpunkten

Maschinenbau Elektronik, Mechatronik

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Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs

verschiebt Qualifikationsprofile und generiert Weiterbildungsbedarf

entlang der gesamten Wertschöpfungskette

Entwicklung Produktion Nutzung Entsorgung, RecyclingService

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Entwicklung Produktion Nutzung Entsorgung, RecyclingService

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� Fördermaßnahmen an Schulen und Universitäten Interesse für Technik und das Thema Elektromobilität wecken!

� Anpassung von Lehr- und Studieninhalten Stärkung von interdisziplinärer Vernetzung und von Systemaspekten

� Berufsbegleitende Weiterbildungsangebote

Notwendiges Maßnahmenbündel

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� Berufsbegleitende Weiterbildungsangebote Unter Nutzung vorhandener Kompetenz-Center, Bildungsträger und Organisationen

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

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Ihr kompetenter Partner in allen Fragen der Leistun gselektronik

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