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.

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.

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) n Köln-Porz n Lampoldshausen n Stuttgart n Oberpfaffenhofen Braunschweig n n Göttingen Berlin-- n Adlershof n 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.

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.

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

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.

Modelica-Bibliothek Gesamtfahrzeug - 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Technologien zur thermischen Speicherung Temperaturbereich Energie- dichte kWh/m3 gering hoch 25-30 50 50-100 80-130 250-400 Entwick- lungs- stand hoch gering 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.

Reversible Gas-Feststoff-Reaktionen endotherm AB(fest) + ΔH ⇌ A(fest) + B(gas) AB(fest) A(fest) B(gas) exotherm Beladung des Wärmespeichers Verlustfreie Speicherung Entladung des Wärmespeichers Schaltbare Be- und Entladung des Wärmespeichers 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.

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

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.

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

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 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.

Simulation und Validierung von Antrieb und Bremse am ROboMObil (2) Energieverbrauch Geschwindigkeit Virtuelle Untersuchung des Rollenprüfstands Optimierung der (thermischen) Modell-Parameter der elektrischen Antriebs-Maschine an Hand der Prüfstandsergebnisse Dr.-Ing. Michael Schier, Dr. Marc Linder, Holger Dittus, Jonathan Brembeck, Dr. Johannes Bosbach, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

Beispiel Elektrofahrzeug mit Brennstoffzellen-Range-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

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.

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.

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.

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.