Forschungsberichte

Kühlkonzepte-/ Wärmemanagement, PlugIn - FVA 635 II, IGF-Nr. 21 LN

Vergleich von bestehendem und neu entwickeltem System

Das Thermomanagement von elektrifizierten Fahrzeugen stellt einen wichtigen Bestandteil zur ganzheitlichen Effizienzsteigerung elektrifizierter Fahrzeuge dar. Die Komponenten- und Innenraumtemperierung führt im Winter zu einer deutlichen Reduzierung der elektrischen Reichweite.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Umsetzung neuartiger Kühl- und Heizkonzepte elektrischer Antriebsstrangkomponenten und neuer aktiver und passiver Klimatisierungsansätze der Fahrgastzelle für elektrifizierte Fahrzeuge an einem Versuchsträger, zu untersuchen.

Dafür wurde zunächst ein geeignetes Kühlkreislaufverschaltungskonzept für das Versuchs-fahrzeug ausgewählt, um die Abwärme in einem Niedertemperaturflächenheizsystem nutzen zu können. Für eine thermische und hydraulische Charakterisierung wurde das Fahrzeug bei unterschiedlichen winterlichen Umgebungsbedingungen und Leistungsanforderungen vermessen. Dabei wurde das nutzbare Abwärmepotential der Kühlkreisläufe bestimmt. Für die Abwärmenutzung wurde ein neuartiges fluidisches Temperiersystem entwickelt und in die Sitze und den Fußraum integriert. Dieses besteht aus adaptierten Kapillarrohrmatten aus der Gebäudetechnik. Das Flächenheizsystem stellt eine aktive Maßnahme zur Reduzierung des Heizwärmebedarfs des Versuchsfahrzeugs dar. Es zeigt sich, dass aufgrund des langsamen Aufheizvorgangs des E-Maschinenkreislaufs eine Abwärmenutzung mit der Fluidheizung nur bei längeren und höherlastigen Fahrten möglich ist, weshalb für eine körpernahe Temperierung aktiv zugeheizt werden muss. Nach der Aufheizphase lassen sich hier aber merkliche Einsparungen erzielen. Durch den Einsatz einer Wärmepumpe lässt sich die Abwärme direkt nutzen, indem diese auf ein nutzbares Temperaturniveau anhoben wird. Außerdem ist auch eine Flächenkühlung mit dem System möglich, welche aber im Zuge dieses Projektes nicht experimentell untersucht wurde. Als weitere Maßnahme zur Reduzierung des Heizwärmebedarfs wurden geeignete Wärmedämmmaterialien ausgewählt und die Fahrzeugumschließungsflächen mit diesen ausgestattet. Insbesondere im Umluftbetrieb führt diese Maßnahme zu merklichen Einsparungen des Heizwärmebedarfs. Im Frischluftbetrieb dominieren die Ventilations- und Leckageverluste, so dass die Einsparungen hier geringer ausfallen.

Die Ergebnisse wurden dazu genutzt, um die in der ersten Projektphase entwickelten Modelle in Form eines virtuellen Demonstrators zu erweitern und zu validieren. Der virtuelle Demonstrator ermöglicht die Einbindung der Mess- und Forschungsergebnisse aller beteiligter Forschungsstellen für eine ganzheitliche Betrachtung. Aufbauend darauf wurde eine optimierte, wärmegeführte Betriebsstrategie für das Versuchsfahrzeug mit Range Extender entwickelt, welche gemittelt mit der Häufigkeitsverteilung der Umgebungstemperaturen über das Jahr Einsparungen der Betriebskosten des Fahrzeugs ermöglicht.

Das IGF-Vorhaben 21 LN der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.