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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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1 1 Thermomanagementlösungen für die Elektromobilität 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 Institut für Fahrzeugkonzepte Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik Institut für Technische Thermodynamik Institut 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.

2 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

3 3 DLR Mitarbeiter arbeiten in 33 Forschungsinstituten und Einrichtungen an 9 Standorten 7 Außenstellen Außenbüros in Brüssel, Paris und Washington Partner von European 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 Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

4 4 Nutzung von Synergien im DLR Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. - aus den Programmen: Raumfahrt, Luftfahrt, Energie, Verkehr - aus der Test-Infrastruktur: - aus programmatischen Verkehrsprojekten (effizient, finanzierbar, sicher): Fahrzeugenergiesysteme, Neuartige Fahrzeugstrukturen, Fahrerassistenzsysteme

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

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.6

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

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

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

10 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

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

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

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

14 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 … kWhBe- 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 15 Technologien zur thermischen Speicherung -50°C100°C500°C1000°C 0°C TemperaturbereichEntwick- lungs- stand hoch gering Energie- dichte kWh/m 3 gering hoch Speicherung in Form von Fühlbare Wärme fest flüssig Latentwärme Sorptionswärme Reaktionswärme Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

16 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 16 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 System Reaktion von Wasserstoff mit Feststoffen 1/T ln p 1/T Umg 1/T Anw MeH 2 MeH 1 Q Umg Q Anw H2H gekoppelte Hydride MeH 1 Wärmespeicher MeH 2 Gastank 1 1 ln p 1 ln p 2 17 Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

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

19 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 19 Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

20 20 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 -Optimierung der Modelparameter mittels der Modelica Optimization Bibliothek Rollenprüfstand bei DLR-FK Stuttgart Modell der BremsscheibeValidiertes 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 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 Energieverbrauch Geschwindigkeit 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 22 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

23 Flüssigkeitskreisläufe und Kopplungen 23 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 Tanken HT-BZS Heizen Speicher Heizen Normal- betrieb 24 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 25 Dr.-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

26 26 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-Bibliothek Kabinenmodell Thermische Speicher Validierung am Rollenprüfstand BZ-Range-Extender Zusammenfassung


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