Autoalan opettaja- ja kouluttajapäivät Rantasipi Aulanko - 3.4.2014 Autotekniikan uudet tuulet ja niiden tuomat haasteet opetukselle Juhani Laurikko, TkT johtava tutkija, VTT http://www.blutsbrueder-design.com/ http://www.futuretechnology500.com/index.php/future-cars/
2 Sisältö Tulevaisuudesta ja ennakoinnista Miten autoista tulee sellaisia kuin ne ovat? Kehitysnäkymiä ja uusia haasteita eri autotekniikan sektoreilla Yhteenveto ICE-PHEV EREV ICE ICE-HEV BEV H 2 FCEV
3 Tulevaisuudesta ja sen ennustamisesta
4 Mikä on tulevaisuus? Tulevaisuus on lineaarisen aikakäsityksen mukaisen aikajanan se osa, joka ei vielä ole tapahtunut Tapahtunutta osaa kutsutaan menneisyydeksi Parhaillaan meneillään olevaa vaihetta kutsutaan nykyisyydeksi Nämä kolme liittyvät toisiinsa saumattomasti!
5 Miten tulevaisuutta voi ennustaa? Ennustaminen on tulevaisuutta koskevan arvion esittämistä Perustuu enteisiin, jotka viestittävät tulevaisuuden suunnista, ja niiden tulkintaan Tulevaisuutta voi ennakoida ja tutkia systemaattisin menetelmin, ja esittää vaihtoehtoisia tulevaisuuskuvia eli visioita Visiot syntyvät rakentamalla ajallisesti vaiheittain ja loogisesti eteneviä kehityspolkuja eli skenaarioita
6 Ennen...
7...Nyt!
8 Tulevaisuuden auto by Google Haku suoritettu 14.04.2013 klo 14:53
9 Tulevaisuuden auto by Google Haku suoritettu 19.01.2014 klo 14:29
10 Tulevaisuuden auto by Google Maserati Audi Ferrari Volkswagen BMW http://www.future-car.net/ Haku suoritettu 1.4.2014 klo 21:37
11 Tulevaisuuden auto by Google Tuuliroottori, joka lataa akkuja Peugeot Blade @ Peugeot Design Contest 2008 Haku suoritettu 1.4.2014 klo 21:37
12
13 Uusia konsepteja
14 GM EN-V
15 Honda 3-RC
16 IgluCruise
17 Ennustamista vaikeuttaa...
18 Etenkin polttoaine- ja voimalaiteteknologia elää voimakasta murrosvaihetta Monoteistisen, öljyyn perustuvan energiahuollon rinnalle kehitetään uusia vaihtoehtoja Teknisesti vaihtoehtojen lukumäärä on hyvin suuri, mutta kaikki eivät ole kilpailukykyisiä!
19 Technology Roadmaps
20 Toimintaympäristön päämuuttujia Autokalusto (yhteensopivuus, suorituskyky) Raaka-aineet (hinta, saatavuus) KUSTANNUKSET Lainsäädäntö (pakokaasut, polttoaineet, verot) Polttoaineen jakelu (yhteensopivuus)
21 Ennustamista helpottaa Ihmiset suunnittelevat autot, eivät Jumalat!
MITEN AUTOISTA TULEE SELLAISIA KUIN NE OVAT? Suunnitteluun vaikuttavia tekijöitä 1954 Ford Concept
23 Automaailman osapuolet SÄÄNTELY Autonvalmistajat Julkinen lainsäädäntövalta Auton ostajat ja käyttäjät
24 Autonsuunnittelun osapuolet Auton resepti Järjestelmätoimittajat Autonvalmistajat eli OEM Auton sisältö Auton konsepti Osatoimittajat Auton ostajat ja käyttäjät
25 Autonsuunnittelun ristipaineet Tukee markkinointia, kun NCAP testi ja luokitus on tunnettu! Valmistus Polttoainekulut Huollot ja ylläpito Ajostabilitetti ja ajodynamiikka Kolariturvallisuus Kuljetus- ja suorituskyky Varusteet Haluttavuus Melu Pakokaasupäästöt Energian kulutus Kierrätettävyys Aiemmin vain heikko argumentti, lähinnä kustannuslisä! Nykyisin positiivinen ja vahvempi asema auton valintakriteereissä
26 Moottoritekniikkaa
27 Kohtuullinen hinta Polttomoottori edelleen vahvoilla Koeteltu konsepti uskottava ja luotettava asiakkaiden keskuudessa helppo "myydä" Hyvä suorituskyky Mittavat investoinnit valmistukseen
28 Nykymoottorien tekniikkaa Polttoaineen korkeapaineruiskutus sylinteriin Sähköinen annostelu (lambda+ecu) Pakokaasun kierrätys (EGR) Muuttuvageometrinen ahdin Muuttuva venttiilien ajoitus ja nosto Tehokas pakokaasun puhdistus Start-stop -automatiikat
29 Uudet palamisprosessit Lähde: Volkswagen
30 Elektroniikka on tärkein moottorikehityksen mahdollistaja!
31 Moottori & puhdistus - Integroitu kokonaisuus Kaasunvaihto imusarja venttiilikoneisto ahdin tai ahtimet EGR Pakokaasun puhdistus katalysaattori(t) hiukkaspuhdistimet ja regenerointi Mekaaninen Yhteispelillä se sujuu rakenne iskutilavuus palotila/puristussuhde Muut toiminnot OBD ja muu diagnostiikka limp home -toiminnot Polttoaineen syöttö tarkka annostelu muuttuva ruiskutuspaine adaptoituvuus minimi- ja maksimimäärille useita ruiskutuksia/työkierto Moottorin ohjaus joutokäynti momentin säätö hiukkasloukun regenerointi ajoituksen ja ruiskutusmäärän tarkka kontrolli
32 Moottoritekniikka Haasteet Rakenne monimutkaistuu lisää varaosanimikkeitä Lisää toimilaitteita, mutta toisaalta tiukempi integrointi, esim. EGR ja sen jäähdytin isompia kokonaisuuksia, kalliimpia vaihtaa Elektroniikan rooli ratkaiseva Kasvaako häiriöalttius? Diagnostiikka vaativaa, tarvitaan erikoislaitteita Investointeja korjaamojen varustukseen
33 MB - BLUETECH http://www.germancarfans.com/news.cfm/newsid/2060110.013/pageview/photo/photo/mini2/page/1/mercedes/1.html
34 Puhdistustekniikka Haasteet Rakenne monimutkaistuu lisää varaosanimikkeitä Lisää erityyppisiä puhdistimia: Hiukkassuodatin Lean-NOx tai SCR-katalysaattorit >> Enemmän huoltokohteita Toimintakyvyn säilyttäminen, jos ajaminen kovin vähäistä Miten ohjeistetaan asiakasta? Polttoaineiden vaikutus Miten neuvotaan asiakasta?
35 Uudet energianlähteet
36 AJONEUVOTEOLLISUUDEN YMPÄRISTÖHAASTEET Evolution of Environmental Aspects tavanomaiset pakokaasupäästöt kasvihuonekaasut energian saatavuus Energy Greenhouse Gases CO 2 Exhaust Emissions CO,NOx,HC,PM 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 vaikeusaste >>> K-EFAM, 1778/1-drob-fr 08/01 VOLKSWAGEN AG Group Research
37 Wolfgang Hatz Audi AG
38 Tulevaisuuden liikennepolttoaine on Uusiutuva ja kestävästi valmistettu Vähähiilinen tai hiilineutraali Yhteensopiva kalustoon
39 Decarbonizing
40 Decarbonizing
41 Bionizing Recycling Electrifying
42
43 Energiaketju - lähteestä pyöriin Pathway analysis Well-to-Wheels (WTW) Raaka-ainetuotanto Raw Material Extraction Polttoainetuotanto Fuel production Polttoaine tankissa On-board fuel Primaarienergia Primary energy Sähkön tuotanto Electricity production Jakelu ja tankkaus & lataus Distribution, Refuelling, Recharging Sähkö akussa Electricity On-Board Energian muunto työksi Energy conversion
44 nestemäiset (+bio) maa- ja biokaasu vety (H 2 ) Energian kantaja määrää voimalaitevaihtoehdot! vety (H 2 ) sähkö
45 Industry Perspectives
46
47
48
49
50
51 Sähkökäytön ominaisuuksia H2 Etuja & hyötyjä: Hyvä hyötysuhde reversibiliteetti Hyvä vääntömomentti liikkeellelähdössä Vähän mekaanisia osia >> pieni huollontarve Pyöramoottorit mahdollistavat uusia, joustavia ja jopa radikaaleja rakennevaihtoehtoja Haittoja & haasteita: Teho-painosuhde vielä kaukana optimista Tehoyksikön hinta ei ole (vielä) kilpailu-kykyinen verrattuna polttomoottoriin Korkeiden jännitteiden turvallisuuskysymykset
52 Sähkö energianlähteenä H2 Etuja & hyötyjä: hyvin monipuolinen tuotantorakenne mahdollisuus käyttää uusiutuvaa ja kotoperäistä energiaa voimakas CO 2 vähenemä mahdollinen (riippuu sähkön tuotantotavasta) jakeluverkko olemassa Haittoja & haasteita: vaikea varastoida hyvät (ja kohtuuhintaiset) akut vasta kehitteillä
53... muutamia aitoja sähköautoja on jo sarjatuotannossa Citroën C-ZERO Peugeot ion Mitsubishi imiev Nissan Leaf Renault Fluence
54... mutta sarjat jäävät vielä aika pieniksi! Worldwide production Year C-ZERO ion i-miev total 2009 N/A N/A 1710 1710 2010 Suomi 425 425 n. 30 7646 kpl 8496 2011 3377 3257 8161 14795 2012 1800 1800 TBA 3600 Nissan Leaf sales by top national markets 2013 N/A N/A N/A N/A between 2010 and 2013 total 5602 5482 17517 28601 Citroën C-ZERO Country Total 2013 2012 2011 2010 Japan 24 712 3 268 11 115 10 310 19 United States 23 051 3 539 9 819 9 674 19 Nissan Leaf Norway 3 529 850 2 298 381 UK 1 623 289 699 635 France Suomi 831 60 224 kpl 524 83 Netherlands 647 88 265 294 Canada 566 156 240 170 Germany 501 50 451 Spain 220 7 154 59 Italy 185 34 146 5 Total top markets 55 865 8 505 25 711 21 611 38 Mitsubishi imiev Suomi 3500 0 kpl kpl Renault Fluence Z.E.
55 uutta pukkaa
56 Ford Focus Electric Nyt myös Suomessa!
57 2014 BMW i3 electric car makes its worldwide debut!
58 Volkswagen e-up! e-golf Tuotantoon 2015
59 Show-stopper N o 1 Battery Technology Sucks! Insufficent Capacity + High Costs + High Risks (lifetime?) = Stay Away From It!
60 Lataushybridit
61 Hybridiauton idea Sähköinen ajovoimansiirto eristää moottorin kuormitusten vaihtelulta moottorin toiminta helpompi optimoida voidaan käyttää erilaista työkiertoa (esim. Atkinson) mahdollistaa regeneratiivisen jarrutuksen, jolloin hyötysuhde paranee
62 Hybridiautoja markkinoilla... Tarjonta kasvaa koko ajan
63 Plug-In -hybridi + Plug-in HEV eli lataushybridi yhdistää perinteiseen hybridiautoon latausmahdollisuuden sähköverkosta Toimintamatkaa sähköllä muutama kymmenen km Polttomoottori jatkaa toimintamatkaa normaaliksi
64 Toyota Prius PHEV Ajomatka sähköllä 25 km Suorituskyky ja toimintamatka kuten normaalilla hybridiautolla Hinta alkaen 40 713 (normaali HEV-malli 34 935 )
65 Volvo V60 PHEV 2012 > Etuveto: 2.4 L diesel (176 kw/440 Nm) Takaveto: sähkömoottori (52 kw/200 Nm) Sähköinen etu-taka -synkronointi 0 100 km/h 6,9 sek 12/8 kwh Li-ion akku Latausaika 3 h (230V/16A) 50 km sähköllä
66 VW Golf GTE plug-in hybrid Geneve Auto Salon 2014
67 VW Golf GTE plug-in hybrid 8.8 kwh liquid-cooled lithium-ion battery pack
68 EREV-SÄHKÖAUTO: OPEL AMPERA/CHEVY VOLT Production by model year (MY) 16 kwh:n litium-akusto toimintamatka sähköllä 60 km polttomoottorin iskutilavuus 1,4 l yhteisteho 150 hv Model Total MY 2013 MY 2012 MY 2011 vääntömomentti 370 Nm Chevrolet Volt 51,662 25,875 21,299 4,488 huippunopeus 161 km/h Opel Ampera 9,629 2,492 7,137 - Total production kiihtyvyys 0 100 km/h 9 s 61,291 28,367 28,436 4,488 ilmoitettu bensiinin kulutus ECE testissä 1,6 l/100 km CO 2 päästö alle 40 g/km Chevy Volt vs. Nissan Leaf: US Sales 2013: 23 094 vs. 22 610
69 Sähköauto ja hybriditekniikka Haasteet Rakenne monimutkaistuu, useita uusia alajärjestelmiä Lisättävä asentajien koulutusta Korkeajännitesähköä, jolla tiukat turvavaatimukset Hengenvaaraa ei voi nähdä, haistaa tai tunnustella! Tutkintovaatimukset, koulutusta Diagnostiikka vaativaa, tarvitaan erikoislaitteita ja -osaamista Investointeja korjaamoihin ja henkilöstöön
70 Let s Take the Half-way House Best Battery Technologies
71 Take A Detour Instead
72
73 H2 Vaihtoehto: Vety Etuja & hyötyjä: erittäin monipuolinen tuotantorakenne mahdollisuus käyttää uusiutuvaa ja kotoperäistä energiaa voimakas CO 2 vähenemä - vedyn tuotantotavasta riippuen Haittoja & haasteita: pieni energiasisältö (kaasuna) käyttöturvallisuus? (painesäiliöt) vaatii uuden kaluston (=polttokenno)
74
75 LoU Vetyauto markkinoille 2015 Vahva sitoutuminen, kaikki suuret valmistajat* mukana Valmistusmäärät merkittäviä, yli 100,000 vuonna 2015 Infrastruktuuri rakentuu aluksi keskuksiin, EU/Saksa, USA/Kalifornia, JPN/Tokio-Yokohama *Daimler, Ford, GM/Opel, Honda, Hyundai, Kia, Renault/Nissan, Toyota Lähde: http://www.greencarcongress.com/2009/09/automakers-fcv-20090909.html
76 We Are Ready to Roll-Out Production > 100k by 2015
77 And We Support our Partners & & & &
78 Recent Newswire on FCEV Launch November 21, 2013
79 Recent Newswire on FCEV Launch January 7, 2014
80 Honda FCEV Concept - 2013 Honda Clarity FCEV 2006
81 Point of No Return Has Been Passed
82 FUEL OF CHOICE by the Auto Industry CHEERS: Even Higher Potential for Use of Renewable Energy Resources Decent Range with One Fill, and Fill-up Time Like with Petroleum Fuels High Efficiency of the Electric Drivetrain Fossil H 2 (Methane Reformate) Option Offers Nearly-decent Entry-level Fuel Cost per MJ JEERS: Must Find Capital & Partners to Create Distribution Infrastructure
83 Polttokennosähköautot polttoaine & jakelu
84 Vetytankkauksen globaali kuva Skandinavia Pohjois-Amerikka Japani-Korea-Taiwan 200 Keski-Eurooppa
85 Vetytankkaus Mittava investointitarve!
86 Vedyn jakelu ja tankkaus tarjonta=asemat käyttöaste kasvaa hitaasti kysyntä=autot
87 Vetyautoilu on alkanut jo Suomessakin!
88 BEV Akkusähköauto ja polttokennosähköauto ovat molemmat sähköautoja! FCEV
89 Yhteinen DNA BEV FCEV
90 Yhteinen DNA BEV Sähköinen voimalinja FCEV
91 Yhteinen DNA BEV Erilaiset enegiavarastot Vetysäiliö Akku Sähköinen voimalinja Polttokenno FCEV
92
93 Uusinta kori- ja turvatekniikkaa
94 Kolaritestit ohjaavat koritekniikan kehitystä
95 Uusinta koritekniikkaa Törmäysvoimat otetaan vastaan hallitusti, ja sidotaan rakenteiden muodonmuutoksiin Korjaaminen vaikeata, jos rakenne on toiminut Miten voidaan todeta vaurioaste?
96 Kolaritestit ohjaavat koriturvallisuuden kehitystä Turvarakenteet lisänneet auton painoa jopa 500 kg!!!
97 Painot ovat kasvaneet mallisukupolvien myötä
98 Uusinta koritekniikkaa Uusimmissa koreissa yhdistyvät monenlaiset materiaalit, kuten suurlujuusteräs ja alumiini Liitokset hitsaamalla, liimaamalla tai pultti/niittiliitoksilla Liitosten pitää välittää voimaa oikealla tavalla tai antaa periksi Audi Q5 = 355 kg
99 Uusinta koritekniikkaa Osat voivat olla: prässättyjä, pursotettuja valssattuja tai valettuja Audi TT: 140 kg Al + 66 kg Fe = 206 kg
100 Hydroformed extrusion Extrusions High pressure DC Deep Drawn sheets Uusinta koritekniikkaa Steel Aluminium
101
102 Aktiiviset törmäysturvallisuusvarusteet Turvatyynyjärjestelmissä nykyään 6-8 tyynyä
103 Kori- ja turvatekniikka - Uudet haasteet Moderni turvakori on vaikea korjata oikein, on lähes kertakäyttötavaraa Miten tunnistaa korjaukset ja valvoa laatua, kun monia asioita ei voi mitata tai testata Vastuukysymykset, jos turvarakenteet tai turvalaitteet eivät toimi oikein korjausten jälkeen
104 Viihde ym. elektroniikka
105 Lähde: Thomas R. Kurfess: The Growing Role of Electronics in Automobiles - A Timeline of Electronics in Cars - 2011
106 KEHITYSTRENDI Viihde- ym. laitteiden vahva integrointi kojelautaan ja auton omiin järjestelmiin
107 KEHITYSTRENDI Jälkiasennettaville laitteille ei juuri paikkoja Sähkökytkennät auton järjestelmiin voivat tuottaa ongelmia
108 Mobiililaitteiden liittäminen autoon Mobiililaitteet (matkapuhelin, audiosoitin jne.) liittyvät langattomasti auton audiojärjestelmään Bluetooth-tekniikalla Auton ajotietokoneesta voi ladata tietoja USB-muistitikulle tai älypuhelimeen
109 Next Step: In-Car Internet
110
111 Ford SYNC Tuki USB-modemille + WiFi HotSpot
112 Trendsetter: Tesla S 17 IPS näyttö
113 Trendsetter: Tesla S
114 Trendsetter: Tesla S
115 Viihde- ja muu elektroniikka Haasteet Tehdasasenteisten järjestelmien ylläpito ja päivitykset? Vahva integraatio auton omiin järjestelmiin miten 3. osapuolen laitteet liitetään? Järjestelmien laajuus kasvaa, kun mobiililaitteet tulevat mukaan langattoman yhteyden kautta uusia tuotteita tarjolle! Virusvaara ja hakkerointi onko aihetta huoleen? Vaikutukset turvallisuuteen, jos ajaja käyttää?
116 Alustan elektroniikkaa
117 ABS oli ensimmäinen sovellus
118 Nykyisin vakiovaruste kaikissa uusissa autoissa
119 ESP on tulossa kovaa vauhtia perässä!
120 Sovellukset laajenevat aktiivisiin turvalaitteisiin!
122 Automatisoitu Auto - Hätäjarrutus
123 Automatisoitu Auto - Pysäköintiavustus
124 Automatisoitu Auto Ajajan valvonta
125 Alustan elektroniikka Haasteita ABS+ESP ovat jo ruisleipää miten varmistetaan, että ne toimivat auton vanhetessa? Uudet järjestelmät integroituvat kokonaiskontrollin alaisuuteen Säätötekniikan osaamisesta tulee entistä tärkeämpää Uusia nopeita dataväyliä Koulutusta, koulutusta Ethernet/IP+ mobiili-internet tulossa! Uusia tuotteita tarjolle!
126 Autonomiset autot
127 Tulevaisuuden auto by Google Google Self-Driving Car
128 Toyota s Self-Driving Car
129
130 Audi s Self-Driving Car Self-Driving AUDI TTS by Stanford University
131 Volvo s Self-Driving Car Project Launced 100 self-driving cars on public roads in Sweden by 2017 http://inhabitat.com/100-self-driving-cars-set-to-hit-swedens-public-roads-in-2017/
132 Autonomiset autot Haasteita Tekniikka jo varsin kypsää, mutta lainsäädäntö ei ole valmis laeissa ja asetuksissa (ainakin Suomessa) lukuisia viittauksia kuljettajaan ja hänen velvollisuuksiinsa miten varmistetaan, että auto pysyy hallinnassa? Nevadan osavaltio sallii jo autonomiset autot yleisillä teillä Kalifornia aloittanut tarpeelliset toimet lakien ja asetusten muuttamiseksi
133 Yhteenveto ja johtopäätöksiä Conclusions
134 Yhteenveto ja johtopäätöksiä Henkilöautojen tekniikka kehittyy jatkuvasti Uusia polttoaine- ja energiavaihtoehtoja, jotka edellyttävät uusia voimalaiteratkaisuja Elektroniikan (ja sähkövoimatekniikan) osuus kasvaa huimaa vauhtia Sovellukset laajenevat uusiin turvaominaisuuksiin ja vähitellen itsekseen ajaviin autoihin Uusi tekniikka edellyttää aivan uusia taitoja autojen huollon ja korjaamisen parissa työskenteleviltä nörttiyden tarve lisääntyy Korkeajännitekomponenttien sähköturvallisuudesta on huolehdittava
135 12 11 10 9 8 7 6 1 2 3 4 5 Loppu Kysymyksiä? Kiitos mielenkiinnostanne!