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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
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- 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
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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
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Modelica-Bibliothek:
- Energiespeicher- Energiewandler
Erweiterung um:
-Thermische Energieflüsse-Nutzfahrzeuge-Züge
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Modelica-Bibliothek Thermomanagement
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HT-Kühlkreis NT-Kühlkreis
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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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Kabinenmodell und -verifizierung
Temperatursensoren
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Verifizierung auf dem Rollenprüfstand
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Kabinenmodell und -verifizierung
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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
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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
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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
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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
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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
23Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
HT-Kühlkreislauf Zustände
TankenHT-BZS Heizen
Speicher Heizen
Normal-betrieb
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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
Fahrzeug: HotzenblitzFahrzyklus: Start.matVariante: l-Bed=1.07m T-Bed=110°C
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
Fahrzeug: HotzenblitzFahrzyklus: Start.matVariante: l-Bed=1.07m T-Bed=110°C
Fahrzeug: HotzenblitzFahrzyklus: Start.matVariante: l-Bed=1.07m T-Bed=110°C
Fahrzeug: HotzenblitzFahrzyklus: Start.matVariante: l-Bed=1.07m T-Bed=110°C
Fahrzeug: HotzenblitzFahrzyklus: Start.matVariante: l-Bed=1.07m T-Bed=110°C
Fahrzeug: HotzenblitzFahrzyklus: Start.matVariante: l-Bed=1.07m T-Bed=110°C
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 45 502
3
4
5
6
7
8
9
10
Dru
ck (
ba
r)
Zeit ( min )
Startphase
SP-Druck
Fahrzeug: HotzenblitzFahrzyklus: Start.matVariante: l-Bed=1.07m T-Bed=110°C
Fahrzeug: HotzenblitzFahrzyklus: Start.matVariante: l-Bed=1.07m T-Bed=110°C
Fahrzeug: HotzenblitzFahrzyklus: Start.matVariante: l-Bed=1.07m T-Bed=110°C
Fahrzeug: HotzenblitzFahrzyklus: Start.matVariante: l-Bed=1.07m T-Bed=110°C
Fahrzeug: HotzenblitzFahrzyklus: Start.matVariante: l-Bed=1.07m T-Bed=110°C
Fahrzeug: HotzenblitzFahrzyklus: Start.matVariante: l-Bed=1.07m T-Bed=110°C
Motor: Thien GT20-12kWm-Fzg: 1050 kgDatum: 22-Nov-2012
25Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Aufheizphase Brennstoffzelle
Druck im Sorptionsspeicher
Elektrische Heizleistung
Temp. Brennstoffzelle
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Lösungen für die Elektromobilität
Modellica-BibliothekKabinenmodellThermische SpeicherValidierung am RollenprüfstandBZ-Range-Extender
Zusammenfassung