1 Thermomanagementlösungen für die Elektromobilität Dr.-Ing. Michael Schier Dr. rer. nat. Johannes Bosbach Dipl.-Ing. Jonathan Brembeck Dipl. Phys. Franz

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Thermomanagementlösungen für die Elektromobilität

Dr.-Ing. Michael SchierDr. rer. nat. Johannes BosbachDipl.-Ing. Jonathan BrembeckDipl. Phys. Franz PhilippsDipl.-Ing. Holger DittusDr.-Ing. Marc Linder

Institut für FahrzeugkonzepteInstitut für Aerodynamik und StrömungstechnikInstitut für Technische ThermodynamikInstitut für Robotik und Mechatronik

Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

2Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

Inhalt

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

Modelica-Bibliothek für Gesamtfahrzeug, Energiespeicher und Energiewandler

Kabinenmodell und –verifizierung

Besonderheiten thermischer Speicher

Am Rollenprüfstand validierte Modellierung mit thermischen Aspekten

Beispiel Elektrofahrzeug mit Brennstoffzellen-Range-Extender

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DLR

6.900 Mitarbeiter arbeiten in33 Forschungsinstituten und Einrichtungen an

9 Standorten7 Außenstellen

Außenbüros in Brüssel, Paris und Washington

Partner vonEuropean Transsonic

Wind Tunnel (ETW) German Dutch Wind Tunnels

(DNW)

Köln-Porz

Lampoldshausen

Stuttgart

Oberpfaffenhofen

Braunschweig

Göttingen

Berlin-- Adlershof

Bonn

Trauen

Hamburg

Neustrelitz

Weilheim

ETW

DNW

Berlin-Charlottenburg

Sankt Augustin

Darmstadt


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Nutzung von Synergien im DLR


- aus den Programmen: Raumfahrt, Luftfahrt, Energie, Verkehr

- aus der Test-Infrastruktur:

- aus programmatischen Verkehrsprojekten (effizient, finanzierbar, sicher):Fahrzeugenergiesysteme, Neuartige Fahrzeugstrukturen, Fahrerassistenzsysteme

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Next Generation Car


Fahrzeugkonzept

Fahrzeugstruktur

Fahrwerk

NGC2025

Fahrzeugintelligenz

Thermomanagement

Antriebsstrang

Herausforderungen im Thermomanagement

Allgemeine Herausforderungen:- Kühlung von Komponenten und Aggregaten- Vorwärmung von Aggregaten (Katalysator, Verbrennungsmotor…)- Abwärmenutzung (Abgas- und Kühlmittelenergie)- Minimierung des Energiebedarfs für Thermomanagement- Sicherheit, Effizienz, Zuverlässigkeit, Finanzierbarkeit

Spez. Herausforderungen der Elektromobilität:- Batterieheizung und Klimatisierung Temperaturabhängigkeit der Batterielebensdauer- Kabinenheizung und Klimatisierung ( Reichweite!)- Kaltstart:

- Vorwärmung Batterie

- Vorwärmung Brennstoffzellen- Temperaturniveau für Kühlung ∆T gering

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Modelica-Bibliothek Gesamtfahrzeug


Modelica-Bibliothek:

- Energiespeicher- Energiewandler

Erweiterung um:

-Thermische Energieflüsse-Nutzfahrzeuge-Züge

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Modelica-Bibliothek Thermomanagement


HT-Kühlkreis NT-Kühlkreis


HT-Kühlkreis NT-Kühlkreis

Modelica-Bibliothek Thermomanagement

10Dr.-Ing. Michael Schier, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

Kabinenmodell und -verifizierung

- Reduzierung des Heiz- und Kühlbedarfs der Fahrzeugkabine von Elektrofahrzeugen

durch optimierte Luftführung

- Identifizierung von Belüftungsverfahren, die die Wärmeaustragseffizienz („heat

removal efficiency“ – HRE) maximieren

- Entwicklung eines generischen Klima Mock-Ups inkl. Messanlage

- Charakterisierung relevanter Belüftungsszenarien

- Bereitstellung von Daten zur Entwicklung von Modellbibliotheken für die thermale

Simulation des Gesamtfahrzeugs

- Vermessung des Klimas in einem realen Fahrzeug im Klimarollenprüfstand zur

Validierung der Modellbibliotheken

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Kabinenmodell und –verifizierungWissenstransfer aus dem Luftfahrtbereich

Passagiermodelle, Messbäume

Thermische Passagiermodelle

Particle Image Velocimetry

Mehrfarben LasersichtschnittvisualisierungKabinen-Aerodynamik im Full-Scale-Modell


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Temperatursensoren


Verifizierung auf dem Rollenprüfstand

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Verifizierung auf dem Rollenprüfstand, Aufheizphase Kabine

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Besonderheiten thermischer Speicher

Ziel

Vermeidung / Verkürzung der Kaltstartphase

Gewährleistung Betriebstemperatur

Überbrückung unerwünschter Betriebszustände

Nutzen

Reduzierung Kraftstoffverbrauch und Emissionen

Verlängerung der Lebensdauer von Komponenten

Steigerung Komfort

Auslegungsgrößen

Speicherkapazität … kWh Be- und Entladeleistung … kW


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Technologien zur thermischen Speicherung

-50°C 100°C 500°C 1000°C

0°C

Temperaturbereich Entwick-lungs-stand

hoch

gering

Energie-dichtekWh/m3

gering

hoch

25-30

50

50-100

80-130

250-400

Speicherung in Form von

Fühlbare Wärme

fest

flüssig

Latentwärme

Sorptionswärme

Reaktionswärme


A(fest)

Reversible Gas-Feststoff-Reaktionen

AB(fest) + ΔH ⇌ A(fest) + B(gas)

endotherm

exotherm B(gas)

Wärme-speicher

AB(fest)

Gas-speicher

Beladung des Wärmespeichers

Verlustfreie Speicherung

Entladung des Wärmespeichers

Schaltbare Be- und Entladung des

Wärmespeichers


Geschlossenes Thermochemisches SystemReaktion von Wasserstoff mit Feststoffen

1/T

ln p

1/TUmg1/TAnw

MeH2MeH1

QUmg

QAnw

H2

2 2

2 gekoppelte Hydride

MeH1 Wärmespeicher

MeH2 „Gastank“

1

1

ln p1

ln p2


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Am Rollenprüfstand validierte Modellierung mit thermischen Aspekten


ROboMObil Hylite-Fahrzeug

ROboMObil – Projektbeschreibung

- Innovatives, robotisches Elektrofahrzeug als Forschungsträger für E-Mobility

- Li-Ion-Batteriepack: 13 kWh, 350 V

- Vier “Radroboter”- Radnabenmotoren (jeweils 160 Nm)- Einzelradlenkung (Lenkwinkel: -25 °…95 °)

- Autonomer Fahrbetrieb mittels Stereo-Kameras

und Bildverarbeitungsalgorithmen

- Steuerung der verschiedenen By-Wire-Systeme durch Fahrer, unterstützt von

Fahrerassistenzsystemen, oder mittels Teleoperation


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Simulation und Validierung von Antrieb und Bremse am ROboMObil (1)

- Untersuchung des ROMOs auf demDLR FK Klima-Rollenprüfstand

- Vergleich von Simulation und Realität mittels der Modelica Powertrain Bibliothek

- Optimierung der Modelparameter mittels der Modelica Optimization Bibliothek

Rollenprüfstand bei DLR-FK Stuttgart

Modell der Bremsscheibe Validiertes Temperatur-Modell der Bremsscheibe


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Simulation und Validierung von Antrieb und Bremse am ROboMObil (2)

- Virtuelle Untersuchung des Rollenprüfstands

- Optimierung der (thermischen) Modell-Parameter der elektrischen Antriebs-Maschine an Hand der Prüfstandsergebnisse

Energieverbrauch

Geschwindigkeit


Beispiel Elektrofahrzeug mit Brennstoffzellen-Range-Extender

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Rollenprüfstand: NEFZ mit Rekuperation

Spezifischer Verbrauch 12,373 kWh/100 km

Strecke 10,666km

Gesamte Energie 1,270kWh

Leistung 3,875kW

Energieverbrauch beim Fahren 1,425kWh

Energierückgewinnung durch Reku. 0,155kWh

Basisfahrzeug mit rein elektrischem Antrieb

Flüssigkeitskreisläufe und Kopplungen


HT-Kühlkreislauf Zustände

TankenHT-BZS Heizen

Speicher Heizen

Normal-betrieb


HT-Kühlkreislauf Zustände

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

1

2

3

4

5

6

Ab

wä

rme

(kW

)

Zeit ( min )

Startphase

FC-Abwärme

SP-AbwärmePTC-Leistung

Fahrzeug: HotzenblitzFahrzyklus: Start.matVariante: l-Bed=1.07m T-Bed=110°C



Motor: Thien GT20-12kWm-Fzg: 1050 kgDatum: 22-Nov-2012

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

20

40

60

80

100

120

140

160

Te

mp

era

tur

(°C

)

Zeit ( min )

Startphase

Temperatur-nach-FC

Temperatur-vor-FC

Temperatur-nach-SP

TavgH2Bed








0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 502

3

4

5

6

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9

10

Dru

ck (

ba

r)

Zeit ( min )

Startphase

SP-Druck









Aufheizphase Brennstoffzelle

Druck im Sorptionsspeicher

Elektrische Heizleistung

Temp. Brennstoffzelle

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit


Lösungen für die Elektromobilität

Modellica-BibliothekKabinenmodellThermische SpeicherValidierung am RollenprüfstandBZ-Range-Extender

Zusammenfassung

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