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Thermomanagementlösungen für die Elektromobilität

Thermomanagementlösungen für die Elektromobilität. Institut für Fahrzeugkonzepte Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik Institut für Technische Thermodynamik Institut für Robotik und Mechatronik. Dr.-Ing. Michael Schier Dr. rer. nat. Johannes Bosbach Dipl.-Ing. Jonathan Brembeck

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Thermomanagementlösungen für die Elektromobilität

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  1. Thermomanagementlösungen für die Elektromobilität Institut für Fahrzeugkonzepte Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik Institut für Technische Thermodynamik Institut für Robotik und Mechatronik Dr.-Ing. Michael Schier Dr. rer. nat. Johannes Bosbach Dipl.-Ing. Jonathan Brembeck Dipl. Phys. Franz Philipps Dipl.-Ing. Holger Dittus Dr.-Ing. Marc Linder Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

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

  3. Hamburg  DNW Neustrelitz Trauen  Berlin- Charlottenburg  Braunschweign Berlin-- n Adlershof nGöttingen nKöln-Porz ETW  nBonn nLampoldshausen nStuttgart nOberpfaffenhofen Weilheim DLR • 6.900 Mitarbeiter arbeiten in • 33 Forschungsinstituten und • Einrichtungen an • n 9 Standorten •  7 Außenstellen • Außenbüros in Brüssel, Paris und Washington • Partner von •  European Transsonic Wind Tunnel (ETW) •  German Dutch Wind Tunnels (DNW) Sankt Augustin Darmstadt Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

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

  5. Next Generation Car Fahrzeugkonzept Fahrzeugintelligenz Fahrzeugstruktur NGC 2025 Fahrwerk Thermomanagement Antriebsstrang Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

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

  7. Modelica-Bibliothek Gesamtfahrzeug • Modelica-Bibliothek: • - Energiespeicher • - Energiewandler • Erweiterung um: • Thermische Energieflüsse • Nutzfahrzeuge • Züge Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

  8. Modelica-Bibliothek Thermomanagement HT-Kühlkreis NT-Kühlkreis Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

  9. Modelica-Bibliothek Thermomanagement HT-Kühlkreis NT-Kühlkreis Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

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

  11. Kabinenmodell und –verifizierung Wissenstransfer aus dem Luftfahrtbereich Passagiermodelle, Messbäume Particle Image Velocimetry Kabinen-Aerodynamik im Full-Scale-Modell Thermische Passagiermodelle Mehrfarben Lasersichtschnittvisualisierung Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

  12. Kabinenmodell und -verifizierung Verifizierung auf dem Rollenprüfstand Temperatursensoren Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

  13. Kabinenmodell und -verifizierung Verifizierung auf dem Rollenprüfstand, Aufheizphase Kabine Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

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

  15. Energie-dichte kWh/m3 Entwick-lungs-stand gering hoch 25-30 50 50-100 80-130 250-400 hoch gering Technologien zur thermischen Speicherung Temperaturbereich Speicherung in Form von Fühlbare Wärme fest flüssig Latentwärme Sorptionswärme Reaktionswärme 0°C -50°C 100°C 500°C 1000°C Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

  16. Reversible Gas-Feststoff-Reaktionen • Beladung des Wärmespeichers • Verlustfreie Speicherung • Entladung des Wärmespeichers • Schaltbare Be- und Entladung des Wärmespeichers endotherm AB(fest) + ΔH⇌ A(fest) + B(gas) B(gas) A(fest) AB(fest) exotherm Wärme-speicher Gas-speicher Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

  17. Geschlossenes Thermochemisches SystemReaktion von Wasserstoff mit Feststoffen • 2 gekoppelte Hydride • MeH1 Wärmespeicher • MeH2 „Gastank“ ln p MeH2 MeH1 ln p2 1 H2 2 2 QAnw QUmg ln p1 1 1/T 1/TAnw 1/TUmg 17 Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

  18. Am Rollenprüfstand validierte Modellierung mit thermischen Aspekten ROboMObil Hylite-Fahrzeug Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

  19. - Innovatives, robotischesElektrofahrzeugalsForschungsträgerfür E-Mobility - Li-Ion-Batteriepack: 13 kWh, 350 V - Vier“Radroboter” Radnabenmotoren (jeweils 160 Nm) Einzelradlenkung (Lenkwinkel: -25 °…95 °) - Autonomer Fahrbetriebmittels Stereo-Kameras und Bildverarbeitungsalgorithmen - Steuerung der verschiedenen By-Wire-Systeme durch Fahrer, unterstützt von Fahrerassistenzsystemen, oder mittels Teleoperation ROboMObil – Projektbeschreibung Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. 19

  20. 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 ModelicaOptimization Bibliothek Rollenprüfstand bei DLR-FK Stuttgart Modell der Bremsscheibe Validiertes Temperatur-Modell der Bremsscheibe Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

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

  22. Beispiel Elektrofahrzeug mit Brennstoffzellen-Range-Extender Basisfahrzeug mit rein elektrischem Antrieb

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

  24. HT-Kühlkreislauf Zustände HT-BZS Heizen Tanken Speicher Heizen Normal-betrieb Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

  25. HT-Kühlkreislauf Zustände Elektrische Heizleistung Druck im Sorptionsspeicher Aufheizphase Brennstoffzelle Temp. Brennstoffzelle Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

  26. Zusammenfassung Lösungen für die Elektromobilität Modellica-Bibliothek Kabinenmodell Thermische Speicher Validierung am Rollenprüfstand BZ-Range-Extender 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.

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