AUFGABEN BEIM THERMOMANAGEMENT VON HYBRID- UND ELEKTROFAHRZEUGENKonventionelle Verbrennungsmotoren liefern ausreichend Wärme zum Heizen der Kabine, während hocheffiziente

Downsizing-Motoren schon PTC-Zuheizer benötigen. Wie FEV und VKA hier in einem Vergleich feststellen, wird

es bei Elektroautos noch schwieriger, das Heizleistungsdefizit auszugleichen oder den Heizleistungsbedarf zu

senken. Um diese komplexen Fragenstellungen eines optimalen Thermomanagements zu beantworten, wurde ein

virtueller Entwicklungsprozess erarbeitet. Dieser Prozess basiert auf einer Kombination aus ein- und dreidimen-

sionaler Strömungs simulation.

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ENTWICKLUNG THERMOMANAGEMENT

Thermomanagement

STEIGENDE KOMPLEXITÄT

Dem Trend zu einer stärkeren Nachhaltig-keit wird im Automobilsektor mit einer zunehmenden Elektrifizierung von Fahr-zeugen begegnet. Eine Herausforderung bei diesen Konzepten stellt das Thermo-management im Hinblick auf die speziel-len thermischen Eigenschaften der Elektro-komponenten dar. Im Vergleich zum Ver-brennungsmotor besitzen die elektrischen Komponenten einen sehr hohen Wirkungs-grad. Dies führt a priori zu deutlich gerin-gerer Abwärme. Weiterhin sind aber die Grenztemperaturen der elektrischen Kom-ponenten verglichen mit denen von Ver-brennungsmotoren deutlich niedriger. Daher müssen mehrere, mindestens zwei, Temperaturbereiche mit den Kühlkreisläu-fen des Fahrzeugs abgedeckt werden.

Die besondere Aufgabe bei der Entwick-lung elektrifizierter Fahrzeuge besteht darin, zum einen – oftmals bei unverän-derter Fahrzeugarchitektur – ein komple-xeres Thermomanagement zu integrieren, zum anderen weiterhin die Anforderungen hinsichtlich Fahrerkomfort und Betriebssi-cherheit auch bei ex tremen klimatischen Bedingungen zu erfüllen.

VIRTUELLER ENTWICKLUNGSPROZESS

Um diese komplexen Fragenstellungen zu beantworten, hat die FEV einen virtu-ellen Entwicklungsprozess für Kühlsys-teme erarbeitet, der bei Verkürzung der Entwicklungszeit eine Reduktion von kostenintensiven Klimakammer- und Straßentests ermöglicht. Der Prozess

basiert auf einer Kombination aus ein- (1D) und dreidimensionaler (3D) Strö-mungssimulation und gliedert sich in die folgenden vier Punkte: Erstellung der Layoutkonzepte, Abschätzung von Wär-meströmen und Kühlleistung, 1D-Ausle-gung und 3D-CFD-Simulation.

LAYOUTKONZEPT DER KÜHLKREISLÄUFE

Basierend auf der Antriebsstruktur und dem Grad der Elektrifizierung werden zu Projektbeginn ein oder mehrere Layout-konzepte erstellt. Diese Konzepte können in der Detaillierungsphase mithilfe der Simulationswerkzeuge untersucht und bewertet werden.

ABSCHÄTZUNG VON WÄRMESTRÖMEN UND KÜHLLEISTUNG

Durch die Definition von Worst-Case-Sze-narien werden Zielwerte für den Kühlleis-tungs- und Heizleistungsbedarf abge-schätzt. Hierzu eignen sich thermische Validierungsprozeduren von konventio-nellen Fahrzeugen, da sich das Anforde-rungsprofil von Kundenseite nicht ändert.

Mit diesen Zielwerten können mögliche Wärmetauscher ausgewählt werden, die weitere Zielwerte in Bezug auf Volumen-ströme in den Fluidkreisläufen liefern.

1D-AUSLEGUNG

Wie in ➊ dargestellt, besteht das externe Fahrzeugkühlsystem aus wärmeliefernden Komponenten (Motor, E-Motor und

Kühler Niedertemperaturkreislauf

Hochtemperaturkreislauf

Kabinen-Wärmetauscher

Batteriekreislauf

BatteriekühlerWärmespeicherEntlüftung

Chiller

AUTOREN

PROF. DR.-ING. STEFAN PISCHINGER

ist Leiter des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen (VKA)

der RWTH Aachen University.

DR.-ING. PETER GENENDER ist Abteilungsleiter im Geschäfts-bereich Fahrzeugintegration der

FEV GmbH in Aachen.

DIPL.-ING. STEFAN KLOPSTEIN ist Fachreferent Kühlsysteme im

Geschäftsbereich Fahrzeugintegration der FEV GmbH in Aachen.

DIPL.-ING. M. SC. DAVID HEMKEMEYER

ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter des Lehrstuhls für Verbrennungskraft-

maschinen (VKA) der RWTH Aachen University.

➊ Beispielmodell eines Fahrzeugkühlkreislaufs [3]

04I2014 116. Jahrgang 55

Thermomanagement

Umrichter), Wärmetauschern (Kühler, Kondensator, Verdampfer, Kabinen-Hei-zungswärmetauscher (HWT)), Pumpen sowie Ventilen und Thermostaten. Mit den Daten der Komponenten und den Layout-konzepten werden hydraulische 1D-Simu-lationsmodelle [1] aufgebaut. Mit diesen Modellen werden die Volumenstromvertei-lung und die erforderliche Pumpenkapazi-tät ermittelt sowie das Konzept auf Plausi-bilität und Zielwerte überprüft.

3D-CFD-SIMULATION

Ein weiterer wichtiger Parameter, der das Thermomanagement im Fahrzeug beein-flusst, ist die Durchströmung des Motor-raums [2]. Da die Luftströmung durch die Fahrzeugfront, das Kühlerpaket und den Motorraum sehr komplex ist, wird eine 3D-Strömungsanalyse durchgeführt. Aus diesen Berechnungen resultieren, in Abhängigkeit von Fahrgeschwindigkeit und Lüfterdrehzahl, die Luftmassen-ströme und Strömungsgeschwindigkeiten durch das Kühlerpaket und den Motor-raum. Die Durchströmung wird mit einer quasi 3D-Simulation dargestellt; die Ergebnisse dienen im 1D-Modell zur Beschreibung des Luftpfads im Kühler-paket und der konvektiven Wärmever-luste der im Motorraum verbauten Teile.

VIRTUELLE ANALYSE UND OPTIMIERUNG

Das Modell wurde mit relevanten Fahr-zeugkomponenten erweitert und in elf Teilmodelle unterteilt, sodass sämtliche Betriebszustände des Fahrzeugs hin-sichtlich Kühlung simuliert werden kön-nen, ➋. So ist es mit hoher Effizienz möglich, ohne Neuerstellung des gesam-ten Modells, Varianten an den Teilmodel-len zu untersuchen. Das Modell berück-sichtigt folgende wesentlichen Details: : Wärmeeintrag der Komponenten in

das Kühlmittel : Luftpfad durch das Kühlerpaket inklu-

sive Lüftersteuerung : zusätzliche Wärmequellen im Luft-

pfad (Klimaanlagenkondensator und Ladeluftkühler)

: Beschreibung des Luftmassenstroms und der Luftgeschwindigkeit durch den Motorraum mit Berechnungen oder Messung der Motorraumdurch-strömung.

Das so gewonnene Gesamtfahrzeugmo-dell ermöglicht nun die Untersuchung von

Thermomanagementmaßnahmen hin-sichtlich ihres Energieeinsparpotenzials für alle üblichen Fahrzyklen. Ebenso ist es möglich, den Einsatz von Zuheizsyste-men und den Zusammenhang von Heiz-leistung und Energiebedarf zu untersu-chen. Insbesondere eröffnet ein innovati-ves Thermomanagement signifikante Energieeinsparungspotenziale zur Erfül-lung zukünftiger Emissionsvorschriften und Flottenkraftstoffverbräuche.

HERAUSFORDERUNG: NUTZUNG DER ABWÄRME

Die Abwärme des Verbrennungsmotors in Fahrzeugen wird zum Heizen des Innenraums verwendet. Um das Poten-

zial der nutzbaren Abwärme von E-Fahrzeugen zu ermitteln, wurden thermische Messungen zum Aufheiz-verhalten durchgeführt. Die Untersu-chungen fanden im FEV-eigenen klima-tisierten Rollenprüfstand statt. Die Starttemperaturen bei diesen Versuchen lagen unter 0 °C.

Es wurde das Aufheizverhalten eines E-Fahrzeugs und eines Fahrzeugs mit zwei verschiedenen Verbrennungsmoto-ren untersucht. Bei den Verbrennungs-motoren handelt es sich um einen Refe-renzmotor und einen hocheffizienten Downsizing-Motor mit Turboaufladung. Anschließend wurde die Abwärme der verschiedenen Komponenten im E-Fahr-zeug einzeln betrachtet.

0 200 400 600 800 1000 1200

Aus

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°C]

Zeit [s]

Referenzmotor

Hocheffizienter MotorE-Motor

10 K

Heizleistungsdefizit

≈ ∆ 1,5 kW

≈ ∆ 0,5 kW

➋ Beispiel für die Verschaltung der Komponenten eines Gesamtfahrzeugmodells

➌ Kühlmittelaustrittstemperaturen für zwei verschiedene Verbrennungsmotoren und einen E-Motor

ENTWICKLUNG THERMOMANAGEMENT

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VERGLEICH DES WÄRME-POTENZIALS UNTERSCHIEDLICHER ANTRIEBE

Um das Wärmepotenzial der verschie-denen Antriebe zu vergleichen, werden die Kühlmittelaustrittstemperaturen und das daraus entstehende Heizleis-tungsdefizit von Verbrennungs- bezie-hungsweise E-Motor herangezogen, ➌. Das Heizleistungsdefizit beschreibt die fehlenden Differenz an Wärme in kW, welche zur Temperierung des Innen-raums benötig wird. Die Heizleistung P berechnet sich aus dem Kühlmittel-massenstrom m, dessen spezifischer Wärmekapazität cp und dem Tempera-turdelta DT über den Heizungswärme-tauscher, Gl. 1:

GL. 1 P = m cp DT

Der Referenz-Verbrennungsmotor stellt die höchste Kühlmitteltemperatur zur Verfügung. Diese Abwärme reicht zum Heizen der Fahrzeugkabine durch einen Wärmetauscher im Modul für die Innen-raumklimaanlage aus.

Die Kühlmitteltemperatur des hocheff-zienten Motors verläuft mit 30 K signifi-kant unterhalb der des Referenzmotors, sodass ein Heizleistungsdefizit von 1,5 kW auszugleichen ist. Um vergleich-baren Komfort und Sicherheit zu gewähr-leisten, muss hier ein zusätzliches Hei-zungskonzept für die Kabine integiert

werden, zum Beispiel durch Einsatz von Wasser- oder Luftstrom-PTC-Heizern.

Die Kühlmitteltemperaturen des E-Motors sind nochmal 15 K niedriger. Daraus folgt ein Heizleistungsdefizit von weiteren 0,5 kW für die Kabine. Die Her-ausforderung für ein Elektrofahrzeug ist somit, das Heizleistungsdefizit auszu-gleichen oder den Heizleistungsbedarf zu senken.

NUTZBARES ABWÄRMEPOTENZIAL IM E-FAHRZEUG

Wie die Messungen zeigen, gibt es auch im E-Fahrzeug noch Wärmepotenziale, die genutzt werden können. Das Angebot liegt jedoch auf einem deutlich niedrige-ren Temperaturniveau und kann mit einer konventionellen Fahrzeugheizung nur unzureichend genutzt werden.

Ein möglicher Weg zur Nutzung der Verlustleistung ist der Einsatz von fluidi-schen Heizflächen. Diese werden in der Kabinenperipherie angebracht und ver-sorgen die Insassen mit Strahlungs-wärme. Die Vorteile dieser Maßnahme sind, dass zum Erreichen des gleichen Komforts im Innenraum geringere Tem-peraturen erforderlich sind und weniger Heizleistung für eine Wohlfühltempera-tur benötigt wird. Zum anderen können die Flächen an heißen Tagen auch zur Kühlung genutzt werden. Herausforde-rungen entstehen durch die Integration, Sicherheit und Gewichtsreduktion der Flächenheizungen.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Wir

kung

sgra

d [%

]

Zeit [s]

Batterie Umrichter Rad

DC/DC

Motor

Schematische Darstellung des Antriebsstrangs

10 %

ηBat−UR =

ηUR−M =

ηM−Rad =

ηBat−Rad =

PUR

PUR

PBat

PBat

PRad

PRad

PM

PM

➍ Wirkungsgrade der unterschiedlichen Komponenten des untersuchten E-Fahrzeugs [3]

04I2014 116. Jahrgang 57

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Um nutzbares Wärmepotenzial im E-Fahrzeug zu lokalisieren, werden die Wirkungsgrade der unterschiedlichen Komponenten wie Batterie (Bat), Umrich-ter (UR), Motor (M) und Rad herangezo-gen, ➍. Der Wirkungsgrad η wird defi-niert durch das Verhältnis der ausgehen-den Leistung Paus zur eingehenden Leistung Pein, Gl. 2:

GL. 2 η = Paus

___ Pein

Der Gesamtwirkungsgrad des E-Fahr-zeugs beträgt im gewählten Fahrprofil circa 45 %.

Da der E-Motor in den Kühlkreislauf integriert ist, kann der größte Teil seiner Wärme zur Erwärmung des Kühlmittels genutzt werden. Der sinkende Wirkungs-grad von Umrichter zu Elektromotor über die Zeit ist unter anderem der zunehmenden Erwärmung der Wicklun-gen des E-Motors unter Last geschuldet, da der elektrische Widerstand des Kup-fers mit steigender Temperatur zunimmt.

Die größten Verluste in ④ treten von Motorausgang zum Rad auf und werden durch das Getriebe, das Differenzial und die Radlager verursacht, insbesondere durch die hohe Viskosität des kalten Schmierstoffs bei niedrigen Temperaturen. Diese Verluste heizen das Getriebe auf. Es benötigt aber keine aktive Kühlung, da die Wärme über das Gehäuse abgeführt wird.

Um die Getriebeverluste für eine Innenraumbeheizung nutzbar zu machen, müsste das Getriebe in den Niedertemperatur(NT)-Kühlkreislauf integriert werden. Gleichzeitig würden hiermit die thermischen Massen in die-sem Kreislauf erhöht. Das Getriebe

könnte sogar zur Wärmesenke werden und den für die Innenraumheizung nutz-baren Wärmestrom verringern. Simulati-onen zu diesem Thema haben ebenfalls ergeben, dass die Abwärme des E-Motors effizienter direkt für die Innenraumbe-heizung genutzt werden kann als zur Aufheizung des Getriebes.

KOMPLEXITÄT DES GESAMTSYSTEMS

Die Komplexität eines konzeptionellen Layouts der Kühlkreisläufe für ein Plug-in-Hybridfahrzeug ist in ➎ dargestellt. Die Betriebstemperaturen der Komponen-ten lassen sich in drei Bereiche einteilen: : Verbrennungsmotor (VM) / Range

Extender: 90 – 120 °C : elektrische/elektronische Komponen-

ten: 50 – 70 °C : Lithium-Ionen-Batterie: 20 – 40 °C.

Zusätzlich zum HT-Kreislauf für den Verbrennungsmotor (rot) ist ein NT-Kreislauf zur Kühlung der E-Komponen-ten (gelb) erforderlich. Die Abwärme des NT-Kreislaufs kann im rein elektrischen Fahrbetrieb über eine Fluidflächenhei-zung zur Kabinenbeheizung genutzt werden. Falls die Flächenheizung nicht ausreicht, ist eine PTC-Luft-Hilfsheizung zur Unterstützung installiert. Weiterhin kann die Heizleistung durch Wärme-dämmung und partielles Heizen/Kühlen reduziert werden.

Die Klimatisierung der Batterie ist von zentraler Bedeutung im Thermomanage-ment von Elektrofahrzeugen. Um eine hohe Lebensdauer und Leistungsabgabe des Energiespeichers zu gewährleisten, sollte dieser im optimalen Temperatur-fenster betrieben werden. Zu geringe Temperaturen verringern die Leistungs-fähigkeit, zu hohe hingegen senken die Lebensdauer der Batterie.

In ➏ sind fünf verschiedene Lithium-zelltypen dargestellt. So unterscheidet sich die Erwärmung der verschiedenen Zelltypen A bis E nach einem Testzyklus deutlich um bis zu 25 °C. Diese Messung zeigt, dass die Festlegung des Batterie-typs einen großen Freiheitsgrad darstellt, welcher ebenfalls in die Auslegung des Thermomanagements einbezogen wer-den muss.

Die Batterie wird mithilfe von Kühl-mittel (grün) temperiert, ⑤. Das Kühl-mittel der Batterie wird über einen Kühlmittelkühler im Frontend des Fahrzeugs oder an heißen Tagen mit-hilfe der Klimaanlage (A/C) und eines Kondensators (Kühlmittel-Kältemittel-

E-M

otor

-Küh

ler

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HW

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E-Motor

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Batterie

PTC-Heizer

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A/C

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ator

Luft

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ine

Umrichter

Luft

HT-Kreis 90 – 120 °C NT-Kreis 50 – 70 °C Batterie-Kühlkreis 20 – 40 °C

Fluid-flächen-heizung

VM

Kältemittel

MERKMAL DES ENERGIESPEICHERS A B C D E

Gewicht [kg] 99 204 109 120 229

Prüfzeit [min] 557 588 541 553 585

Spannungslage [V] 660 628 481 370 427

Max. Entladeleistung [kW] 239,6 266,7 432,9 177,6 341,6

Max. Ladeleistung [kW] 79,2 94,4 120,3 72,0 250,0

Temperatur nach Testzyklus [°C] 49 31 44 47 23

Kapazität [kWh] 13,2 33,34 14,4 14,8 2,5

Alterungsverhalten [max. # Zyklen] 3500 2000 1600 1700 200.000

➎ Beispiel eines Kühlkreislaufs für ein Plug-in-Hybridfahrzeug

➏ Eigenschaften verschiedener Energiespeicher A bis E

ENTWICKLUNG THERMOMANAGEMENT

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Wärmetauscher) gekühlt. Um die Batte-rie an kalten Tagen beheizen zu kön-nen, kann der Batteriekreislauf mit dem HT-Kreislauf verbunden werden oder bei rein elektrischen Betrieb ein Kühl-mittel-PTC-Heizer im Batteriekreislauf integriert werden.

Ziel ist es, bei unveränderter Fahr-zeugarchitektur die Verlustleistungen der E-Komponenten zu nutzen und ein intelligentes Thermomanagement zu eta-blieren. Bei der Fahrzeugauslegung kön-nen all diese Einzelmaßnahmen und deren Kombinationen durch Simulatio-nen untersucht werden.

ZUSAMMENFASSUNG

Die Komplexität eines Kühlsystems nimmt mit zunehmendem Elektrifizie-rungsgrad der Fahrzeuge zu. Es wurde das Wärmpotenzial der E-Komponenten eines Hybrid- und eines Elektrofahr-zeugs dargestellt und gezeigt, wie dieses genutzt und in das System integriert werden kann. FEV hat mehrere Metho-den entwickelt, mit denen ein solches komplexes Thermomanagementsystem hinsichtlich Effizienz, Komfort und Einhaltung thermischer Maximalwerte definiert, ausgelegt und optimiert wer-den kann.

LITERATURHINWEISE[1] GT-Suite – Leading CAE Platform in the Engine and Vehicle Industry. www.gtisoft.com; Zugriff am 16. Oktober 2013[2] Klopstein, S.: Interpretation Tools and Concepts for the Heat Management in the Drive Train of the Future. In: SAE 2011-01-0650, USA, 2011[3] FVA: Kühlsystementwicklung und Wärmema-nagement für PlugIn-Hybridfahrzeuge. FVA-Nr. 635 II, Frankfurt/Main, 2013

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04I2014 116. Jahrgang 59

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