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Future of electric cars hinges on better batteries

By Dana Hull
dhull@mercurynews.com
Posted: 07/10/2011 06:46:51 AM PDT
Updated: 07/11/2011 10:22:35 AM PDT

Electric cars are a game-changing technology with an Achilles’ heel — the battery.
Current batteries are expensive and have limited range, making it hard to drive from San Jose to San Francisco and back without stopping to recharge. Experts agree consumers will never fully embrace electric vehicles until they can travel as far as a gas-powered car on a single charge.
So the global race is on to build a better lithium-ion battery, one that pulls off the herculean feat of extending range while being long-lasting, affordable, quick-charging and safe.
In Asia, governments and big battery companies are investing heavily in next-generation battery technology, while in the United States much of the cutting-edge research is being performed at Department of Energy labs and universities. The Bay Area — home to Palo Alto-based Tesla Motors (TSLA), Lawrence Berkeley National Laboratory and two dozen battery startups — has emerged as one of the nation’s leading hubs of battery innovation.
“Transportation is going to go electric, and batteries have become a real critical technology,” said Steve Visco, chief technology officer of PolyPlus, a startup that was spun out of the Berkeley lab. “The Chinese government is subsidizing a lot of battery research, and in Japan the companies have 10-, 20- and 30-year technology road maps.”
The stakes are enormous. President Barack Obama wants to see 1 million electric vehicles on America’s highways by 2015, but many say that goal will be hard to reach until range improves.
“The perception of range anxiety is a real challenge for us,” Renault-Nissan CEO Carlos Ghosn, whose company makes the all-electric Nissan Leaf, said during a visit to Stanford University last month. “People are anxious because it is a double dip — the range is limited and then if I am stuck, where can I charge?”
Batteries are complex systems that convert stored chemical energy into electricity. Researchers say advances often involve trade-offs: Improving range may result in skyrocketing costs, or a shorter battery life.

“It is a very humbling experience to work on batteries,” said Venkat Srinivasan, a scientist who leads the highly regarded Batteries for Advanced Transportation Technologies team at the Berkeley lab. “To make a good battery is incredibly hard, and to mass produce it is even harder. If you shoot for one improvement, you usually lose out on something else, and you can’t compromise on safety. If we could double the energy density, that would be a huge breakthrough.”
Measured as kilowatt hours per kilogram or liter, “energy density” determines range: The more watt hours you have, the more miles the car can travel on a single charge. Low-cost, high-energy density batteries are the holy grail.
“If you could go 300 miles on a charge, you’d see significant growth in electric vehicles,” said Michael Omotoso, an auto analyst with J.D. Power and Associates. “We think battery costs will come down due to volume manufacturing, but we don’t see energy density going up that much.”
The Tesla Roadster, Nissan Leaf and Chevrolet Volt all use some form of lithium-ion chemistry in their batteries. First commercialized by Sony in 1991, lithium-ion batteries are widely used in consumer electronics such as laptops and cellphones but are relatively new in cars.
Tesla Motors assembled more than 6,800 lithium-ion cells into a massive 990-pound battery pack for its $109,000 Tesla Roadster — an engineering feat that created the largest lithium-ion pack in the world, with a range of 245 miles.
Tesla’s upcoming Model S sedan, scheduled to hit the market in 2012, will be available with three battery pack options: 160, 230 or 300 miles per charge. Though pricing isn’t final, the cost differences among the three models speaks to battery cost. The 160-mile Model S has a base price of $57,400, before the $7,500 federal tax credit. The 230-mile range option costs about $10,000 more and the 300-mile range option is $20,000 more — or $77,400.
Consumers want the ability to charge batteries quickly, so the Model S is equipped to charge in 45 minutes if needed. Tesla has not announced the battery warranty.
The bulky battery pack in the Roadster limited the car to two seats with little storage room. For the Model S, a much larger car that seats five adults, Tesla has married the battery pack to the structure of the car, a design that makes the vehicle more aerodynamic.
Santa Monica-based Coda Automotive, whose all-electric Coda sedan should launch in California this year, has also incorporated the battery into the structural design of the car. CODA’s 34 kWh battery pack, with an expected range of 90 to 120 miles, is between the rear wheels and the front axle. Coda has not finalized the battery warranty, but it is expected to be at least eight years or 100,000 miles.
“Range is important,” said Phil Gow, Coda’s vice president of battery systems. “But life is important, too. If you have to replace the battery, that’s a significant cost. We wanted to design a car where the battery lasted the life of the vehicle. We have a large battery with a lot of range. Our biggest constraint is cost.”
The basic guts of a battery include a negatively charged anode, a positively charged cathode and the electrolyte. When a battery is fully charged, the lithium ions are concentrated in the anode. As the battery discharges, the ions flow to the cathode and current flows through the electric circuit, releasing energy.
The most commercially popular anode material is graphite; cathodes are usually made of a lithium compound, such as lithium iron phosphate. Many startups are experimenting with battery chemistry and using various materials for the anode or cathode or both.
While there’s talk in the industry of moving “beyond lithium” and using new materials, many expect lithium-ion batteries to remain dominant in the coming decades.
“Everyone is moving rapidly up the technology curve,” said Jim Dunlay, Tesla’s vice president for powertrain hardware engineering. “Lithium-ion is still on a strong trajectory; it hasn’t peaked. We are using better cells, and we’ve learned how to package them more densely together. But it’s not just about building a better battery. A better battery means we have a better car.”
The Obama administration has poured $2.4 billion into electric-vehicle batteries and charging infrastructure in hopes of improving energy density, bringing down costs and creating jobs. Tesla, Nissan and Fisker Automotive have been awarded loans to establish manufacturing facilities, and several other companies were awarded federal ARPA-E grants, which support high-risk, high-reward energy research. PolyPlus received a $5 million ARPA-E grant for its work on a rechargeable lithium-air battery.
“Some of the best minds in the country are now working in this area,” said David Sandalow, the Department of Energy’s assistant secretary for policy and international affairs. “When you combine intellectual capital and financial resources, that’s what happens. It’s a dynamic space to be in.”
Illinois, Massachusetts and Michigan are centers of advanced battery research, and the Bay Area has also emerged as a major player: Tesla Motors will build the Model S at its Fremont factory, and several startups have been spun out of the Berkeley lab and Stanford University.
Many battery startups remain in “stealth” mode and have yet to discuss their technology in depth. But they are attracting venture capital funding.
Amprius, based in Mountain View, uses silicon for the material in the battery anode and raised $25 million in March. Seeo, founded in 2007 with an exclusive license to use advanced technology from the Berkeley lab, is backed by Khosla Ventures, and Envia Systems, a Newark startup using manganese in its cathode, raised $17 million from General Motors.
“Everyone is tweaking the materials that are used,” said Srinivasan of the Berkeley lab, who knows of 24 battery startups in the region. “We get emails that say, ’Hi, we started a battery company, can we come meet with you?’”‰“
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Original article available here: http://www.mercurynews.com/business/ci_18450778?source=most_emailed

Adaptive Cruise Comes to Focus, May Reach Other Low-Cost Vehicles

There’s a good chance Ford’s quest for technological leadership will lead it to make adaptive cruise control available across its global vehicle lineup.

Electronically scanning radar, a key enabler of adaptive cruise control, recently debuted as an option on the Ford Focus in Europe, and supplier Delphi says the move positions the auto maker as the first to “extend the benefits of (its) ESR to a broader market.”

While the technology is not new, it mostly has been relegated to higher-cost vehicles. Introducing the system to a C-segment vehicle such as the Focus is a sign of things to come, says Mike Thoeny, global engineering director-electronic controls for Delphi Electronics & Safety.

“I think you’re really going to see the market take off as the technology becomes less expensive as volumes increase,” he tells Ward’s.

Since Delphi launched its first ESR system in 1999, the cost of the technology has come down some tenfold, he says.

The system utilized on the European Focus automatically keeps the car at a predetermined distance from the vehicle ahead and will notify the driver and pre-charge the brakes, if a collision is considered imminent.

It is slightly less expensive than similar systems Delphi sells to high-end customers such as Jaguar Land Rover, he says, noting the Ford setup uses only one long-beam radar compared with the twin-beam configuration employed on pricier vehicles.

The system costs £750 ($1,204) in the U.K. and E945 ($1,363) in Germany.

“It’s a lower-cost version, but has same level of accuracy,” Thoeny says, noting the more expensive device enables the vehicle to stop automatically, unlike the Focus system.

However, a similar system already is offered on the Taurus fullsize sedan in North America, and the auto maker’s “One Ford” strategy emphasizes component sharing across its global lineup.

The adaptive cruise control isn’t available on the U.S.-market Focus, at least for now. Hall says while the North American Focus is nearly identical to its European counterpart, it’s considered an “upscale” family sedan in Europe and a “compact, affordable” car on this side of the Atlantic.

“So there will be some equipment differences to accommodate what the target customer is looking for and will value,” he tells Ward’s. “But we’re still working on migrating some technologies globally, and there will probably be instances of technology, such as this, migrating the opposite way due to the fact that those technologies were first introduced in those markets.”

Ford now offers adaptive cruise control on European Focus.

Thoeny says he foresees a day when such radar-based safety systems are as commonplace as airbags, which he says have “plateaued” in their ability to drive down fatality rates.

According to Delphi research, 6,000 of the 33,000 traffic-related fatalities in the U.S. last year could have been avoided had radar-based systems been installed on the vehicles involved.

Ford spokesman Alan Hall declines to reveal specific plans for a rollout beyond the European Focus.

Insurance companies are taking notice of the benefits provided by such systems, Thoeny says.

“In Europe, the insurance industry is offering incentives for consumers to buy these technologies,” he says. “And here in the U.S., there’s a lot of data being collected and studies to prove accidents can be prevented.”

Other steps toward the widespread implementation of such systems have already begun, Thoeny adds, pointing out the National Highway Traffic Safety Admin. is factoring in availability of ESR in determining its New Car Assessment Program safety ratings for ’11 models.

bpope@wardsauto.com

최적의 내연 기관으로 이산화탄소 배출 절감

롤프 레온하르트 (Dr. Rolf Leonhard) 박사
보쉬그룹 디젤 시스템 사업부 개발 수석 부사장
제 60회 보쉬그룹 자동차 사업부 미디어 브리핑
2011년 6월 복스베르크
여러분!
내연 기관은 미래의 개인 이동 수단으로서 꾸준히 중요한 역할을 하게 될 것이며 세계 기후 보호 및 제한된 화석 연료의 보존을 위해 기여해야 할 것입니다. 이것이 세계 자동차 시장의 발전에 대해 내부 시장 조사단과 외부 전문가들이 수행한 연구의 결과입니다.

우리의 예측에 따르면 2020년까지 자동차와 소형 트럭의 수요는 1억 4백만 대에 이릅니다. 이 중 겨우 3백만 대 만이 전기차 또는 플러그인 하이브리드 차가 될 것입니다. 그 외 6백만 대는 내연 기관과 더불어 전기 드라이브가 장착된 하이브리드 차가 될 것입니다. 즉, 이는 2020년까지 내연 기관으로 구동되는 차량이 1억대가량 판매될 것을 의미합니다.
뿐만 아니라, 2020년에는 작년에 우리가 판매 했던 7100 만대보다 3천만 대나 더 많은 내연 기관 자동차가 판매될 것으로 예측하고 있습니다. 다시 말해, 내연 기관 자동차 시장은 향후 10년 내에 적어도 40% 이상 성장할 것임을 의미입니다.

그렇다면 이러한 상황에서 우리는 어떠한 방식으로 사회적 목표인 환경 보호와 화석 연료 보존을 이룰 수 있을까요? 사실 그 해답은 쉽게 도출할 수 있습니다. 전기차와 플러그인 하이브리드 차가 탄소 배출 감소에 기여하는 바는 이들의 예측 시장 점유율의 3%에 비례한 수준이 될 것입니다. 그렇기 때문에 나머지 97%에 달하는 내연 기관 자동차의 역할이 매우 결정적입니다. 더불어 향후 10년 동안 이산화탄소 배출 목표 수치가 전 세계적으로 더욱 엄격해짐에 따라 엔지니어들의 부담은 증가할 것입니다.

오늘날, 전 세계의 많은 국가들은 이산화탄소 배출의 협약 목표 수치 또는 법적 규제 수치를 가지고 있습니다. 2009년, 유럽의 승용차는 평균 1km당 146g의 이산화탄소를 배출했습니다. 유럽 위원회는 회원국의 2015년 배출 목표 수치를 기존 대비 11% 줄인 130g까지 낮추어 설정했습니다. 2020년이 되면 95g까지 추가적으로 줄여 2009년 수준 대비 35%를 줄이게 됩니다. 2025년 유럽 위원회의 신차 평균 탄소 배출 목표는 1 km 당 70g입니다. 이는 100km 당 약 3ℓ의 가솔린, 2.6ℓ의 디젤을 소비하는 것과 동일하며, 오늘날 평균 수치보다 50% 이상 적은 수치입니다. 즉, 가솔린 엔진으로는 갤런 당 78 마일, 디젤 엔진으로는 90마일을 갈 수 있는 수치입니다. 또한 위원회는 2020년, 3.5미터 톤 이하 급 소형 트럭에 대한 탄소 배출 목표 수치를 1 km 당 147g로 설정했으며, 이는 기존 대비 약 30%가 절감된 수치입니다.

지역 상황에 따라, 탄소 배출량 감소를 위해 집중하고 있는 기술은 다양합니다. 예를 들어, 브라질에서는 이중 연료 기술 (flex-fuel technology)에 힘을 쏟고 있습니다. 브라질 토지의 많은 부분에서 재배되고 있는 사탕수수는 후에 에탄올로 전환됩니다. 이렇게 생성된 에탄올은 원유 추출 연료의 대안이 됩니다. 재생 가능한 원료를 바탕으로 연료를 생산하는 것은 탄소 배출량에 있어 매우 긍정적 영향력을 발휘합니다. 미국의 경우, 최대 85%의 에탄올과 혼합한 가솔린으로 움직이는 이중 연료 차량의 등록대수가 점차 증가하고 있습니다. 기타 국가 및 지역에서도 화석 연료인 가솔린 및 디젤에 5~20%의 혼합율로 유기 연료를 섞어 친환경 효과의 이점을 취하고 있습니다. 미래에는 유기 폐기물을 기반으로 한 합성 연료가 중요하게 자리매김 할 것입니다.

유럽에서는 운전자와 자동차 업계 모두가 디젤을 해결방안으로 여기고 있으며 전체 이동수단의 절반이 연비 효율이 높고 따라서 저탄소 배출 기술인 디젤을 이용하고 있습니다. 인도 역시 튼튼한 디젤 시장입니다. 미국에서는 디젤 엔진 자동차를 선호하는 운전자들의 수가 증가하고 있지만 아직 그 수가 미비하기 때문에 가솔린 엔진 파워트레인이 주류가 될 것입니다. 세계적으로 가장 빠르게 성장하고 있는 자동차 시장인 중국에서는 현재 새로 등록된 자동차의 99%가 가솔린 자동차입니다. 소형 버스의 경우 단 3%만이 디젤 엔진인 반면, 새로 등록된 상업용 소형 차량은 3/4이 디젤 엔진을 갖추고 있습니다. 비록 중국 정부가 선호하는 기술을 명시하고 있지는 않지만 탄소 배출량이 적은 이동수단을 목표로 하고 있기 때문에 전체적으로 전기차 증가 및 디젤 엔진으로의 이동이 기대됩니다.
가장 친환경적인 차량용 연료가 무엇인가에 대한 관점이 세계적으로 다양할지라도 추구해야 할 길은 단 하나뿐입니다. 2025년을 목표로 설정한 탄소 목표 배출량에 도달하기 위한 열쇠는 내연 기관에 있습니다. 하지만 동시에 하이브리드 파워트레인 개념도 점차 중요해지고 있습니다.

2009 자동차 사업부 브리핑에서 보쉬는 다음 사안을 자세히 다루었습니다. 바로 중단기적으로 내연 기관의 연료 소비, 탄소배출은 가솔린 엔진과 디젤 엔진 양 쪽에서 모두 30%가량 감소할 것이라는 사실입니다. 하이브리드 파워트레인은 연료 소비와 이산화탄소 배출을 추가적으로 10%까지 절감 할 수 있는 기회를 제공합니다. 저항력이 낮은 타이어, 경량 구조 그리고 항력 감소 등, 자동차 자체에 자동차 제조회사들이 실시하고 있는 개조를 고려해 볼 때, 이는 곧 연료 소비와 탄소 배출을 현재 평균 수준의 약 절반까지 절감할 수 있다는 것을 의미합니다.

다시 말해서, 내연 기관을 갖춘 자동차는 2020년 유럽의 탄소 배출 목표인 1km당 95g이 실현 가능하다는 의미입니다. 이것이 바로 오늘 우리가 강조하고자 하 는 요지입니다. 보쉬는 디젤 엔진과 가솔린 엔진 모두에서 요구되는 연료소비와 탄소배출 절감을 가능하게 하는 자동차 산업용 기술 패키지를 제공합니다.

유럽 시장에서 신차들의 표준 소비량을 자세히 살펴 보면 많은 차량들이 이미 2015년 탄소 제한 수치에 부합한다는 사실을 발견 할 수 있습니다. 여기에는 중형차량도 일부 포함되어 있습니다. 예를 들어, 컴팩트 등급에서는 77 kW 가솔린 엔진과 121g의 탄소 배출량을 가지고 있는 폭스바겐 골프 TSI가 100km 당 5.2ℓ의 연료를 소비합니다. 동일한 골프라도 디젤 엔진 모델은99g을 배출, 3.8ℓ를 소비합니다. 볼보 C30D역시 84 kW 엔진에서 99g의 탄소를 배출합니다.

하지만 그보다 큰 중형 세단에 속하는 BMW 5 시리즈는 135kW엔진 출력으로 겨우 4.9ℓ를 소비, 129g의 탄소를 배출합니다.

폭스바겐 파사트는 138g을 배출하는데 반해, 가솔린으로 움직이는 푸조508은 144g을 배출합니다. 도요타의 가솔린 하이브리드 소형차는 모델에 따라 약 90g 정도의 탄소 배출을 기준으로 하고 있습니다. 보쉬의 하이브리드 기술을 갖춘 푸조 3008 등 그보다 상위 등급의 새로운 디젤 하이브리드 모델은 2020년 탄소 배출 목표량을 만족시킨다고 밝혔습니다.

이 수치를 자세히 들여다 보면, 가솔린 하이브리드의 표준 소비량이 그와 비슷한 디젤 차량의 수치에 가깝다는 사실을 알 수 있습니다. 이 두 기술 모두 2020년을 위해 세운 목표치를 오늘날 이미 달성할 수 있습니다.

오늘날의 자동차 산업에 대한 흥미로운 예시들은 우리의 예측이 현실적이라는 사실을 보여줍니다. 현재 양산되고 있는 대부분의 엔진 디자인은 우리가 바라는 플리트 한도를 궁극적으로 충족시킬 수 있는 연료 소비 및 탄소 배출을 절감시키는 기술을 적용할 기회를 충분히 제공합니다. 더하여, 우리가 2009년 설명했던 기술적 개선 방안은 여전히 남아있습니다. 심지어 제가 방금 말씀 드린 특히 낮은 연료 소비량을 가진 차량들에도 기술적 개선 방안은 남아있습니다.

엔진 자체에 대한 가장 효과적인 방법은 크기를 줄이는 것입니다. 배기량과 실린더 수를 줄이는 것은 마찰에 의한 손실을 줄일 수 있고 무게가 더 가벼워진다는 것을 의미합니다. 이런 엔진은 열 손실도 줄일 수 있습니다. 엔진 성능은 유지, 향상시키면서 적합하게 실린더의 수나 배기량은 줄이는 것이 엔진 개발자의 역할입니다.

실린더의 수나 배기량을 줄여도 엔진 자체적으로 끌어 들일 수 있는 공기 보다 더 많은 공기를 엔진에 연소 주기마다 공급해 주면 엔진의 성능을 유지할 수 있습니다. 이는 깔끔한 연소를 위해 필요한 공기 양을 엔진에 공급해 주는 터보 차징을 통해 가능합니다.

2011년 말부터, 보쉬의 합작회사인보쉬 말레터보시스템 (Bosch Mahle Turbo Systems) 은 승용차와 상용차용 가솔린 및 디젤 엔진 컨셉을 위해 특별히 고안된 현대 터보차저 시스템을 생산할 계획입니다. 우리는 이 합작회사가 2015년에는 앞서 말씀 드린 성능이 최적화된 터보차저 100만대를 생산할 것으로 기대하고 있습니다.

실린더의 수나 배기량의 축소 한도는 정해져 있지 않습니다. 결국에는 엔지니어들이 연료 효율성, 비용, 성능 그리고 편의 간 균형을 맞추면서 효율성을 증대할 수 있도록 해야 합니다.

이는 다운사이징을 통해 가능하며, 배기량 1 ℓ당 성능 향상을 목적으로 합니다. 가솔린 엔진의 경우, 연료가 통제 불가능한 상태로 연소되며 엔진에 피해를 입힐 수도 있는 ‘낙 리밋’ (knock limit)이라 알려진 상태를 해결해야 합니다. 엔지니어들은 연소 챔버를 식히 는 동시에 가스 교환 주기 내에 연료 손실 없이 깨끗하게 청소할 수 있도록 가솔린 직접 인젝션을 사용할 수 있습니다. 이런 방법을 통해, ‘낙 리밋’을 더 높은 부하와 과급 (supercharging) 온도로 밀어 올릴 수 있습니다. 그 결과, 낮은 엔진 스피드에서도 굉장한 토크 수를 얻을 수 있는데 이전에는 디젤 엔진에서만 가능했던 일입니다.

디젤 엔진의 경우에도, 감축의 가능성은 여전히 존재합니다. 터보 차저를 통과하는 기압이 올라가면, 개발자들은 커먼 레일 시스템의 분사압도 높일 필요가 있습니다. 높은 분사압은 많은 이점을 가지고 있습니다. 높은 분사압은 더 많은 디젤 연료를 동시에 주입할 수 있게 하므로 디젤 엔진의 특정 전력이 증가하여 더 나은 전력 출력이 가능하게 합니다. 그렇지 않으면, 엔진 개발자들은 엔진 전력은 유지하면서 인젝터 내의 노즐 구멍의 직경을 줄일 수 있습니다. 그렇게 하면 다수의 전?후 주입들과 결합되어 연소 챔버 내 혼합 형태를 개선하고 연료를 절약하며 보다 깨끗한 배기가스를 배출하게 됩니다. 이 방법은 질소 산화물의 배출을 감소하는데 특히 효과적입니다.

또한 엔지니어들은 높은 터보 차징 상태의 최고 배기가스 온도와 상승하는 실린더의 압력이 엔진 디자인에 부담을 주는 것을 높은 분사압을 이용하여 막을 수 있습니다.

보쉬는 올해 승용차용 최초 2200bar 커먼 레일 시스템의 양산을 시작할 계획입니다. 보쉬 엔지니어들은 이미 2500bar 커먼 레일 연구에 착수했습니다. 공간 및 중량의 증가나 유압의 효율성 손실 없이 앞서 말한 발전을 이루기 위해서는 그 어느 때보다 훌륭한 기술력이 필요하지만, 우리의 엔지니어들은 심지어 높은 분사압력이라는 조건 하에서도 기술적 난관에 부딪치지 않고 있습니다.

커먼 레일 시스템의 분사압이 더 상승해도, 오염을 줄이는 이 방법이 모든 엔진에서 필요한 것은 아닙니다. 엔지니어들은 매연 저감 장치 (DPF)와 더불어 질소산화물 배출을 줄이는 시스템을 사용할 수 있습니다. 이 최초의 승용차용 시스템은 미국에서는 2008년부터, 유럽에서는 2009년부터 양산에 들어갔습니다. 이 디젤 차량들은 2015년부터 적용될 유로6 기준을 이미 준수하고 있습니다.

이들 DeNOx 시스템은 1600bar 분사압에서 향후 더 높아질 배출 규제에도 적합할 수 있게 합니다. 견고하면서도 적합한 가격대의 솔루션을 필요로 하는 아시아의 신흥 시장에서 커먼 레일 시스템의 사용이 증가함에 따라 1400~1800bar의 분사압을 가지고 있는 시스템들이 중국과 인도에 등장하게 될 것입니다.

디젤 승용차의 경우, NOx 배기 가스 처리장치도 내연 기관의 연료 소비를 5%까지 절감하는데 이용될 수 있습니다.

보쉬 엔지니어들은 보다 효율적인 보조 시스템들을 사용하여 가솔린과 디젤 엔진에 직접적으로 적용되는 모든 기술적 장치들을 보완하고 있습니다. 정말로 필요할 때만 작동하고 사용되는 수요 주도형 시스템들을 제작하면 추가적으로 탄소 배출 수준을 개선할 수 있게 됩니다. 코스팅(Coasting)시 우선적으로 배터리를 충전하는 전기 구동 워터 펌프, 전기 파워스티어링과 발 전기는 자동차의 전반적인 효율성을 개선시켜 줍니다. 효과적인 한 예로 보쉬의 스타트 스톱(start-stop) 시스템 을 들 수 있습니다. 이 시스템은 빨간 불일 때 엔진을 멈추고 신호등이 초록색으로 바뀌면 안전하게 재가동됩니다. 이 시스템은New European Driving Cycle기준에서 4%가량을 절감시키고, 시내 주행 시 최대 8%까지 절감시킵니다.

요약 및 개요
보쉬는 오늘날 자동차 산업에 경제적인 드라이빙과 탄소 배출 감소에 크게 기여하는 모든 부품과 시스템을 제공하고 있습니다. 이 같은 목적 하에 정책 입안자들이 설정한 목표에 매우 근접한 현대식 내연 기관을 탑재한 자동차들이 이미 생산되고 있습니다. 즉, 현대 기술로도 2020년 플리트 소비 목표를 달성할 수 있다는 의미입니다.

유럽의 일반적인 연간 마일리지와 현재 연료 가격을 기초로, 2010년 일반적인 차량의 연료 소비를 2020년에 생산될 차와 비교한 결과, 3년 간 연료 비용이 1000~1500 유로가 절감된다는 사실을 확인 할 수 있었습니다. 즉, 더욱 경제적인 차량의 운용을 위해 2020년 그들이 구입해야 할 모든 부가적인 기술들의 구매 비용을 충분히 확보하고도 남을 만큼 운전자들의 운용 비용이 절감된다는 의미입니다. 정상적인 차량의 수명을 12년 정도로 생각할 때, 이는 4000~6000유로의 연료를 절감할 수 있고 6~11 미터 톤의 탄소 배출을 줄일 수 있는 양입니다.

현존하는 수많은 연료 소비 및 탄소 배출 절감 기술들을 넘어, 보쉬 엔지니어들은 가솔린 엔진과 디젤 엔진 모두에서 추가적인 절감 방법을 찾는데 몰두하고 있습니다. 그들은 연소 챔버의 압력 센서를 이용한 연소 조절 장치 등 디젤엔진과 가솔린 엔진을 위한 장치들을 연구하고 있습니다. 더불어, 오늘날 가솔린 엔진에서만 구현이 가능한 가변 밸브 제어를 디젤 엔진에 적용하는 방법도 연구 중입니다. 또한, 자동차 시스템의 효율성 증가를 위한 변속기나, 배기가스 열을 통한 에너지 재생 및 쿨링 필요성 절감 등의 분야도 연구하고 있습니다.

엔지니어들이 도출해 낸 창의적인 아이디어가 무엇이든지, 우리 는 선도적인 파워트레인 기술 발전을 통해 우리가 얻은 경험들을 바탕으로 1km 당 70g이라는2025년 탄소 배출 목표를 이룰 수 있다고 자신 있게 말씀드릴 수 있습니다. 우리는 내일의 기술을 연구함으로써 우리의 전략적 요구사항인 “생활 속의 기술”을 지켜 나가고 있습니다.

경청해 주셔서 감사합니다.

Original article available here: http://cleandiesel.co.kr/infor/research_read.asp?id=58

Fewer cylinders, more gear ratios, in-house innovation pace Ford’s 2013 powertrains

The 1.0-L triple is the first of Ford’s new Fox engine family that will see high-volume global applications. Note liquid-cooled exhaust manifold integrated with cylinder head casting.

The latest glimpse into Ford’s vehicle-propulsion offerings for 2013 and beyond shows the automaker is preparing dramatic reductions in engine displacement, cylinder count, and more transmission ratios in order to meet stringent upcoming fuel efficiency regulations. The company also is increasing its focus on in-house design, engineering, and technology development.

Included in the June 2 official unveiling of the 1.0-L three-cylinder EcoBoost engine for global applications were announcements of a new 8-speed planetary-type automatic transaxle and a new e-CVT for hybrid vehicles. The advanced transmissions are Ford in-house developments and contain a number of technical innovations.

The e-CVT is strategically significant, as it will replace Ford’s current hybrid drive currently made by Japanese supplier Aisin. It will be built at Ford’s Van Dyke transmission plant in suburban Detroit. Production starts in 4Q11 with full output slated for early 2012.

A tech-laden triple

The all-new 1.0-L is the first of Ford’s “Fox” engine family to debut. First reported by AEI in its December 2009 Powertrain online newsletter, it enters production next year at the Cologne, Germany and Craiova, Romania, engine plants. Output is slated for 2013 vehicle models based on the global B- and C-segment (Fiesta and Focus) architectures. Annual production volumes are expected to start at approximately 272,000 units, ramping up to over 1 million units by 2017, according to forecasters IHS Global Insight.

Designed at Ford’s Dunton technical center in the U.K. and currently in final calibration development, the dohc, 12-valve, direct-injected and turbocharged triple will be configured to produce SAE horsepower ratings up to 125 hp (93 kW). Future applications may include a range-extender for series-type hybrid systems, according to people familiar with the program. Its new architecture does not share internal geometries (such as bore centers and bearing diameters) with Ford’s existing Duratec inline four-cylinder range.

According to Joe Bakaj, Ford’s new Vice President of Global Powertrain Engineering, the new I3 will offer the power of a 1.6-L four with 15-20% better fuel economy and a 20-lb (9-kg) mass reduction compared with the larger engine. A Focus sedan powered by the new triple would be capable of 48 mpg on the highway.

“You’ll be surprised at its broad-flat torque curve and smooth, quiet operation,” Bakaj told a Dearborn media audience.

Isn’t a 1.0-L displacement for motorcycles? Bakaj believes customer perception of small-engine performance and fuel efficiency is changing. The old mantra of “more cubes” (and more cylinders) is no longer a primary purchase consideration, he said. As supporting evidence, Group Vice President of Global Product Development Derrick Kuzak noted that 41% of F-150 pickup sales in May were the new 3.5-L EcoBoost V6 option.

While Ford will provide further details of the new triple at the Frankfurt Motor Show in September, Bakaj noted the engine features various technologies aimed at improving thermal efficiency and reducing internal friction. Its exhaust manifold is cast integrally with the cylinder head and is liquid cooled. This helps lower exhaust-gas temperatures, allowing an optimized air-fuel ratio to be maintained over the entire rpm range.

The IEM (integral exhaust manifold) also saves approximately 2 lb (0.9 kg) compared with a separate manifold, according to Advanced Engine Design and Development Manager Brett Hinds.

“The head with the IEM and its coolant passages is a complex casting, requiring an extra core,” Hinds told AEI. “The aluminum alloy is on the higher side of cast-aluminum materials quality,” to tolerate exhaust port temperatures that can approach 1050°C, he said. “We actually had to be careful with this design, not to overcool the exhaust, to maintain sub-20-seconds catalyst light-off.”

Hinds noted that higher output versions of the new triple will have maximum cylinder pressures of 100-120 bar (1450-1740 psi), compared with 80 bar (1160 psi) on the current EcoBoost V6. The triple is being calibrated for regular-octane fuel, he said.

The Fox family cylinder blocks are designed to accommodate a single balance shaft or no shaft at all, depending on rated engine output, vehicle application, and target markets. Bakaj noted that bore diameters and bore spacing were carefully optimized so that NVH on non-balance-shaft versions is tolerable. The centerline of the triple’s 120° crankshaft is offset relative to the cylinder bore centers, reducing friction related to piston side forces by 3-5%.

The 1.0-L also features what Ford engineers call a “split cooling” thermal management system. Its key is a thermostatic bypass and oil-cooled heat exchanger that enable the cylinder block to warm up before the cylinder head during cold starts, by keeping coolant liquid in the block rather than circulating it through the radiator during initial warm-up.

“It’s a technique we developed to reduce friction caused by oil viscosity in cold ambient conditions,” he said.

As previously reported in AEI, the Fox program is Ford’s first engine program to use the automaker’s MQL “green machining” process. Proven in transmission production, the process (also called “dry machining” or MQL—Minimum Quantity Lubrication) is expected to save Ford millions in energy costs and has numerous environmental benefits.

Input-torque-sensing 8-speed

Kuzak and Bakaj had less to report regarding details of the upcoming 8-speed automatic, leaving further discussion for the Frankfurt show. Informally dubbed the “8F” by suppliers, it’s a fwd transaxle with two planetary gearsets and six clutches, designed for high torque applications. Industry sources noted that launch is targeted for Ford’s next-generation EcoBoost V6 family, code-named Nano. The new V6s will displace 2.5-2.7 L and are being planned to replace the current Duratec 35 in C/D and some larger vehicle applications.

The 8-speed is a critical enabler for downsizing the V6 by a full liter with no loss of performance, Bakaj said. It will provide up to 6% greater fuel efficiency compared with the current 6-speed automatic, through use of a longer top gear, he explained. A shorter first gear will enhance launch feel. Ratio spread of the 8-speed will be “between 7.0 and 8.0,” noted Craig Renneker, Chief Engineer for Transmission Programs.

Ford’s 8-speed announcement follows ZF’s last January that it will supply 9-speed transaxles to Chrysler beginning in MY13. Supplier insiders expect the Ford unit’s bill of materials to include up to 30% componentry shared with the 6F/6T 6-speed jointly developed with GM.

The Ford engineers provided some insight into the 8-speed’s technologies. The closed-loop clutch controls are what Renneker dubs as “next generation” and are being developed by Ford exclusively. The 8-speed’s new hydraulic actuators are integrated into the transmission case for lower tolerances and greater clutch-control precision.

The transmission also features a claimed industry-first use of an input-torque sensor, which works with the transmission control unit to match input torque to clutch pressure. The claimed result is smoother shifts and reduced “hunting” between ratios.

“Our supercomputer time in developing the new 8-speed was enormous,” Renneker said. At the media backgrounder, Kuzak, Bakaj, and Renneker all stressed the importance of increasing Ford’s Powertrain technology patent portfolio, particularly in the rapidly growing electrification space, and noted the increased focus (no pun intended) to develop technologies in-house, rather than outsource.
Lindsay Brooke

Original article available here: http://www.sae.org/mags/sve/NEWS/9890

3-Cyl. Passat Illustrates ‘Extreme Downsizing’

BOXBERG, Germany – There’s a new turbocharger player in town, ready to launch production in Austria of high-volume units to be used by a major German auto maker with gasoline and diesel engines at the end of this year, a Robert Bosch executive tells Ward’s.

The Bosch Mahle Turbo Systems joint venture cannot yet identify its first European light-vehicle customer.

But a second contract with German off-highway producer Deutz calls for turbochargers to be used in agricultural and construction equipment, as well as stationary power units. Production begins in May 2012.

In 2015, the JV expects to sell more than 2 million turbochargers, says Rolf Leonhard, Bosch executive vice president-engineering for diesel systems, at a press conference here.

“We are very successful with our technology, and the markets appreciate it,” he says.

Founded in 2008, the 50-50 joint venture has 200 employees and a plant in St. Michael ob Bleiburg, Austria.

Bosch and Mahle formed the JV after auto makers invited additional suppliers four years ago to enter a segment that has grown rapidly with the global popularity of common-rail diesel and gasoline direct-injection engines.

Integrating one or two turbochargers has become a standard method for many auto makers to downsize engines to reduce fuel consumption without sacrificing performance. The top turbocharger producers are BorgWarner and Honeywell (Garrett).

Sizable Passat wagon does fine with 1.2L 3-cyl. Mahle Powertrain engine.

Here at Bosch’s test track, an ’09 Volkswagen Passat “Extreme Downsizing” demonstration vehicle has a new 1.2L 3-cyl. engine from Mahle Powertrain with a single-stage turbocharger from the JV.

And despite its diminutive size, the engine performs remarkably well in powering the spacious 5-passenger Passat wagon around Bosch’s high-speed oval at more than 112 mph (180 km/h).

With single-stage turbocharger, demonstration engine rated at 161 hp.

With a manual transmission, the engine is a bit hesitant at launch, but throttle response is excellent at mid-range and high engine speeds, with a fat torque curve that peaks at 210 lb.-ft. (285 Nm) from 1,600 to 3,500 rpm.

Some vibration is noticeable in the driver’s seat, but in general the noise, vibration and harshness characteristics are acceptable, even though Mahle Powertrain engineers did not spend a lot of time isolating the engine on this prototype.

A casual driver would be unlikely to guess such a small engine is underhood.

The 1.2L engine is rated at an astounding 161 hp at 5,000 rpm, compared with 121 hp in the production engine it replaces, a 1.4L TSI direct-injection gasoline 4-cyl.

And mileage isn’t bad, either. Bosch pegs fuel consumption at 40 mpg (5.9L/100 km), based on the European driving cycle.

Maximum boost pressure of the demonstration single-stage turbocharger is 36 psi (2.5 bar). The prototype engine also integrates cam phasing on both intake and exhaust sides of the valvetrain.

Bosch supplies the engine controller, calibration and pressure sensor for the fuel rail.

Taking credit for the engine, itself, is Mahle Powertrain, which was formed in 2005 after engine specialist Mahle acquired Cosworth Technology and began pursuing a strategy for complete cylinder-head modules.

Cosworth had been a contract engine assembler previously for Audi and Aston Martin and brought technical centers in metro Detroit and the U.K., as well as 400 engineers, to the Mahle relationship. Cosworth Racing is separate from Cosworth Technology.

Bosch officials say the engine installation in the Passat is merely a coincidence and is not intended to suggest Volkswagen is the first light-vehicle customer for the new turbochargers.
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Mahle Pursues Cylinder-Head Strategy

Bosch’s Leonhard says he expects the JV to achieve a 50-50 sales split between gasoline and diesel turbochargers.

tmurphy@wardsauto.com

Original article available here: http://wardsauto.com/ar/passat_illustrates_downsizing_110614/