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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.
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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.
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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)

DNW
 Hamburg
Trauen 
Braunschweig n
 Neustrelitz
BerlinCharlottenburg 
Berlin-- n
Adlershof
n Göttingen
ETW 
n Köln-Porz
n Bonn  Sankt Augustin
 Darmstadt
n Lampoldshausen
n Stuttgart
Weilheim 
n Oberpfaffenhofen
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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
Fahrzeugintelligenz
Fahrwerk
Fahrzeugstruktur
NGC
2025
Thermomanagement
Antriebsstrang
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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
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Modelica-Bibliothek Thermomanagement
HT-Kühlkreis
NT-Kühlkreis
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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 –verifizierung
Wissenstransfer aus dem Luftfahrtbereich
Passagiermodelle, Messbäume
Kabinen-Aerodynamik im
Full-Scale-Modell
Particle Image Velocimetry
Thermische Passagiermodelle
Mehrfarben Lasersichtschnittvisualisierung
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Kabinenmodell und -verifizierung
Verifizierung auf
dem Rollenprüfstand
Temperatursensoren
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Kabinenmodell und -verifizierung
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
Temperaturbereich
Speicherung
in Form von
0°C
-50°C
100°C
500°C
Energiedichte
1000°C
kWh/m3
gering
Entwicklungsstand
hoch
Fühlbare Wärme
fest
flüssig
25-30
50
50-100
Latentwärme
80-130
Sorptionswärme
250-400
Reaktionswärme
hoch
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gering
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Reversible Gas-Feststoff-Reaktionen
endotherm
AB(fest) + ΔH ⇌ A(fest) + B(gas)
exotherm
Beladung des Wärmespeichers
Verlustfreie Speicherung
Entladung des Wärmespeichers
Schaltbare Be- und Entladung des
Wärmespeichers
A(fest)
AB
(fest)
B(gas)
Wärmespeicher
Gasspeicher
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Geschlossenes Thermochemisches System
Reaktion von Wasserstoff mit Feststoffen
ln p
MeH2
MeH1
ln p2
2 gekoppelte Hydride
H2
1
MeH1  Wärmespeicher
2
2
QAnw
MeH2  „Gastank“
QUmg
ln p1
1
1/TAnw
1/TUmg
1/T
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Am Rollenprüfstand validierte Modellierung mit
thermischen Aspekten
ROboMObil
Hylite-Fahrzeug
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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 dem
DLR FK Klima-Rollenprüfstand
- Vergleich von Simulation und Realität
mittels der Modelica Powertrain
Bibliothek
Rollenprüfstand bei DLR-FK Stuttgart
- Optimierung der Modelparameter
mittels der Modelica Optimization
Bibliothek
Modell der Bremsscheibe
Validiertes Temperatur-Modell der Bremsscheibe
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Simulation und Validierung von Antrieb und
Bremse am ROboMObil (2)
Geschwindigkeit
- Virtuelle Untersuchung des
Rollenprüfstands
- Optimierung der (thermischen)
Modell-Parameter der elektrischen
Antriebs-Maschine an Hand der
Prüfstandsergebnisse
Energieverbrauch
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Beispiel Elektrofahrzeug mit BrennstoffzellenRange-Extender
Basisfahrzeug mit rein elektrischem Antrieb
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
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Flüssigkeitskreisläufe und Kopplungen
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HT-Kühlkreislauf Zustände
Tanken
Normalbetrieb
HT-BZS
Heizen
Speicher
Heizen
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HT-Kühlkreislauf Zustände
Fahrzeug:
Hotzenblitz
Fahrzyklus:
Start.mat
Variante:
l-Bed=1.07m T-Bed=110°C
Motor:
m-Fzg:
Datum:
Thien GT20-12kW
1050 kg
22-Nov-2012
Fahrzeug:
Hotzenblitz
Fahrzyklus:
Start.mat
Variante:
l-Bed=1.07m T-Bed=110°C
Startphase
Motor:
m-Fzg:
Datum:
Thien GT20-12kW
1050 kg
22-Nov-2012
Startphase
6
10
FC-Abwärme
SP-Abwärme
PTC-Leistung
5
SP-Druck
9
8
7
Elektrische Heizleistung
Druck (bar)
Abwärme (kW)
4
3
6
5
2
4
Druck im Sorptionsspeicher
1
Fahrzeug:
Hotzenblitz
Fahrzyklus:
Start.mat
Variante:
l-Bed=1.07m T-Bed=110°C
0
0
5
10
15
20
Motor:
m-Fzg:
Datum:
25
30
35
40
Thien GT20-12kW
1050 kg
22-Nov-2012
45
50
Zeit ( min )
3
2
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Zeit ( min )
Startphase
160
Temperatur-nach-FC
Temperatur-vor-FC
Temperatur-nach-SP
TavgH2Bed
140
Aufheizphase Brennstoffzelle
Temperatur (°C)
120
Temp. Brennstoffzelle
100
80
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Zeit ( min )
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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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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