Thermomanagement ist die zielorientierte Nutzung und die damit verbundene bedarfsorientierte Umschichtung der beim Betrieb von Kraftfahrzeugen anfallenden Wärme. Hierzu müssen alle Wärmequellen und -senken sowie deren zeitabhängige Kühlungs- bzw. Heizungsanforderungen bekannt sein.
Die drei wichtigsten Aufgaben des Thermomanagements sind:
- Die optimale Auslegung und Konditionierung aller Fahrzeugkomponenten.
- Die Sicherstellung des Innenraumkomforts.
- Die thermische Absicherung von Bauteilen.
Die numerische Simulation stellt im Thermomanagement eine wichtige Stütze für den Entwicklungsprozess dar. Die Auslegung und Optimierung von Kühlsystemen erfolgt mit Hilfe von 1D-Simulationstools, die speziell für Hydraulik- und Wärmeübertragungsanwendungen entwickelt worden sind. Komponenten können mittels spezieller Komponentenprüfstände und in der 3D CFD untersucht und optimiert werden.
Bei Fahrzeugen mit alternativen Antrieben erhöht sich die Komplexität des Thermomanagements, da hier z. B. die Batterie und die Leistungselektronik auf niedrigeren Temperaturniveaus möglichst konstant temperiert werden müssen. Die verfügbare Wärmemenge im Kühlsystem ist aufgrund der höheren Wirkungsgrade niedriger, was i. d. R. den Aufwand zusätzlicher Energie für Innenraumkomfort erfordert.
laufende Forschungsprojekte
Kühlsystem zur Optimierung der Energieeffizienz, Wirtschaftlichkeit und Leistungsfähigkeit von Schnellladevorgängen und Antrieben in Elektrofahrzeugen
Laufzeit: 01.01.2020 bis vsl. 30.06.2023
Projektpartner:
Dr. Ing.h.c.F. Porsche Aktiengesellschaft; HYDAC COOLING GmbH, Hochschule Esslingen, Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden Württemberg (ZSW), Insitut für Fahrzeugtechnik Stuttgart (IFS), sowie Verbundparnter EnBW Energie Baden-Württemberg AG, ate antriebstechnik und entwicklungs gmbh & Co. KG, Volkswagen AG
Ansprechpartner: Dr.-Ing. Timo Kuthada | timo.kuthada@ifs.uni-stuttgart.de
Projektinhalte:
Der Marktforderung nach Elektrofahrzeugen mit mehr Reichweite und kürzeren Ladezeiten wird in naher Zukunft zunehmend durch schnellladefähige Langstreckenfahrzeuge und die entsprechende Ladeinfrastruktur erfüllt. Die vor wenigen Jahren als Schnellladen bezeichnete Ladeleistung von 50 kW wurde inzwischen zumindest was den Ausbau der Infrastruktur betrifft mehrfach übertroffen. Die Marktforderung wirft die Frage auf nach den zukünftigen Potenzialen und Grenzen der Technik. Dazu wurden im Forschungsprojekt FastCharge die max. darstellbare Ladeleistungen und die Konsequenzen unter Berücksichtigung des Standards CCS aufgezeigt. Die Ergebnisse aus FastCharge zeigen:
- Schnellladen mit bis zu 450 kW DC ist mit neuen Batteriekühlkonzepten darstellbar
- Es müssen alle Komponenten auf ein Kühlmedium angepasst und optimiert werden
- die Ladeverluste sind hoch (Zellinnenwiderstand)
- die Verlustwärme kann nicht mit vertretbaren Aufwand aus dem Fahrzeug abgeführt werden (Anzahl/Größe der Kühler)
Man kann davon ausgehen, dass sich die Schnelladefähigkeit/Innenwiderstand der Zellen perspektivisch nicht signifikant ändern wird, was leider auch für neue Ansätze wie Festkörperbatterien gilt. Weitere Optimierung der fahrzeuginternen Wärmeabfuhr ist in Grenzen (s. o.) möglich, aber bei weitem nicht für die Nutzung der Möglichkeiten ausreichend. Um die Ladezeiten weiter zu reduzieren bzw. bei größeren Batterien die Ladezeiten zumindest auf dem heutigen Niveau halten zu können sind weitere Forschungen notwendig.
Hier setzt das Forschungsprojekt CoolEV an, um die Wärmeabfuhr, Effizienz und Wirtschaftlichkeit des Schnelladens für die Zukunft zu untersuchen. Dazu soll ein Demonstratorfahrzeug mit optimierter Kühlung der Batterie und der elektrischen Antriebskomponenten aufgebaut werden. In Verbindung mit einer prototypisch dargestellten Ladeinfrastruktur soll damit das Potenzial der Nutzung der beim Schnellladen entstehenden Verlustwärme dargestellt werden. Durch die Verbesserung der Gesamtenergiebilanz von Elektrofahrzeugen könnte damit ein entscheidender Beitrag zur der Wettbewerbsfähigkeit, Wirtschaftlichkeit, Marktdurchdringung und Optimierung der Energie- und Klimabilanz zukünftiger Elektrofahrzeuge geliefert werden.
Die Promotion als Karrieresprungbrett in Industrie, Wirtschaft und Forschung!
Ihre Ansprechpartner
Jens Neubeck
Dr.-Ing.Bereichsleiter Fahrzeugtechnik 1 – Fahrzeugdynamik & Fahrwerksfunktionen, Thermowindkanal
Timo Kuthada
Dr.-Ing.Bereichsleiter Fahrzeugtechnik 2 – Aerodynamik & Thermomanagement
Reinhard Blumrich
Dr. rer. nat.Automotive Engineering 3 – Aeroacoustics & NVH