Höhere Reichweite durch intelligentes Thermomanagement

Die Reichweite von Elektrofahrzeugen muss deutlich steigen, wenn sich dieser Antrieb in Zukunft durchsetzen soll. Einen großen Einfluss auf den Energiebedarf haben die Temperierung von Traktionsbatterie und weiteren elektrischen Komponenten sowie die Klimatisierung des Innenraums. Darum arbeitet IAV an innovativen und effizienten Thermomanagementsystemen, die für optimale Betriebstemperaturen und ein behagliches Klima für die Fahrzeugpassagiere sorgen.

Nicht nur Menschen, auch Fahrzeugkomponenten haben eine Wohlfühltemperatur: Batterien von Elektrofahrzeugen sollten zwischen 15 und 35 Grad Celsius betrieben werden, ihre optimale Betriebstemperatur liegt bei 25 Grad Celsius. Weichen die Umgebungsbedingungen stark davon ab, hat das einen negativen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer des Energiespeichers. Elektromotoren fühlen sich in einem Temperaturbereich zwischen 30 und 80 Grad Celsius wohl, ihre optimale Kühlmitteltemperatur liegt bei 60 Grad Celsius, was auch der Temperatur entspricht, die für die Leistungselektronik zur Verfügung gestellt werden sollte. Und nicht zu vergessen: Die Passagiere eines E-Fahrzeugs haben ebenfalls Ansprüche – sie wollen im Winter nicht frieren und im Hochsommer möglichst nicht ins Schwitzen kommen.

All das kostet viel Energie: „Das Thermomanagement ist nach dem Antrieb die zweitgrößte Energiesenke im Elektroauto“, erklärt Dr. Ralf Tröger, Abteilungsleiter Berechnung Fluiddynamik und Thermodynamik bei IAV. „Im schlimmsten Fall kann seine Reichweite um 50 Prozent sinken, etwa wenn viel Energie in die Aufheizung von E-Komponenten und Kabine fließt und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit der Batterie reduziert ist.“

Daraus ergeben sich hohe Anforderungen an das Thermomanagement von Elektrofahrzeugen. „Ein wesentlicher Teil der zur Verfügung stehenden Energie fließt in die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums und der Batterie sowie in die Temperierung von Elektromotor und Leistungselektronik“, so Tröger. „Darum entwickeln die IAV-Bereiche Powertrain Systems Development und Vehicle Integrated Systems gemeinsam neuartige Gesamtkonzepte für die Kühlungs- und Klimakreisläufe in Elektrofahrzeugen. Wegen der vielschichtigen Zielstellungen kommt es zu einer zunehmenden Verschmelzung von Kühlungs- und Klimatisierungsauslegung, was unter anderem zu komplexeren Kreisläufen sowie einem höheren Regelungs- und Abstimmungsaufwand führt.“

So sind in Elektrofahrzeugen zwei getrennte Wasserkreisläufe nötig – einer auf niedriger Temperatur (für die Batterie) und ein weiterer auf höherer Temperatur (für den Elektromotor und die Leistungselektronik). Komplexe Regelstrategien sind dafür verantwortlich, dass die Komponenten möglichst schnell auf ihre Wohlfühltemperatur aufgeheizt werden, ohne später im Betrieb zu überhitzen.

Bei der Auslegung von Komponenten und opimierten Regelstrategien setzt IAV auf eine gesamtheitliche Simulation des Thermomanagements, um neue Ideen und Strategien bereits in einem frühen Entwicklungsstadium schnell bewerten und optimieren zu können. „Dabei müssen wir die einzelnen Komponenten mit ihrer Geometrie und den physikalischen Wirkprinzipien möglichst genau abbilden und zugleich das Gesamtsystem mit einem adäquaten Detaillierungsgrad beschreiben“, fasst Tröger zusammen.

Auf der Systemebene kommen dafür 1-D-Simulationen zum Einsatz, während sich einzelne Komponenten nur mithilfe von 3-D-Simulationen adäquat beschreiben lassen – etwa die Kühlplatten, die die Zellen der Batterie möglichst auf gleicher Temperatur halten sollen. Neben kommerziellen Tools wie GT-SUITE, AMESim und StarCCM+ nutzen die Spezialisten dabei von IAV selbst entwickelte Werkzeuge auf MATLAB-Basis. „Auch wenn wir kommerzielle Tools einsetzen, ergänzen wir sie bei Bedarf um eigene User-Routinen – vor allem wenn die vorhandenen Modellbibliotheken trotz exakter Bedatung nicht alle unsere Anforderungen erfüllen können.“

So hat IAV für die Thermosimulation ölgekühlter E-Motoren und Traktionsbatterien eigene Modellbibliotheken für die Simulation entwickelt. Das gilt auch für den kompletten Innenraum sowie für alle Bestandteile des Kältekreislaufs (Kompressoren und Kondensatoren), für die teilweise physikalische Modelle zur Verfügung stehen. „Wir können sämtliche Schnittstellen der Kühl- und Heizkomponenten ins Fahrzeuginnere sowie den Kältekreislauf detailliert nachbilden“, sagt Jan Ackermann, Fachbereichsleiter Energie und Konzepte bei IAV. „Das garantiert maximale Behaglichkeit im Innenraum.“ Zudem unterstützen eigene Prozesse das Datenhandling bei hoher Variantenvielfalt. Bei aufwendigen Parameterstudien erleichtert ein hoher Automatisierungsgrad die Arbeit der Ingenieure.

Darüber hinaus setzt IAV bei der Optimierung des Thermomanagements in E-Fahrzeugen auf die Zusammenarbeit verschiedener Bereiche in der Antriebsstrang- und Fahrzeugentwicklung. Gemeinsam entwickeln sie einen übergreifenden Ansatz, bei dem die Energieflüsse im Antriebsstrang und im Innenraum gleichzeitig und in ihrer Wechselwirkung betrachtet werden. So können bereits in frühen Entwicklungsphasen Anforderungen, Funktionen und Betriebsstrategien für Komponente und Fahrzeug entwickelt werden.

Ziel ist dabei, ein bedarfsgerechtes Thermomanagement, das funktionale Sicherheit und Komfort optimal miteinander verbindet. Die Verfügbarkeit der Fahrzeugleistung ist dadurch sichergestellt, dass alle Komponenten zuverlässig in ihrem optimalen Temperaturfenster betrieben werden. „Durch unsere ganzheitliche Herangehensweise von der Systementwicklung bis hin zur Auslegung einzelner Komponenten können wir sehr gut als Bindeglied zwischen den OEMs und ihren Zulieferern fungieren“, erklärt Tröger. Dies hat sich bereits in zahlreichen Kundenprojekten bewährt. „Durch Optimierungsmaßnahmen konnten wir die Reichweite in Einzelfällen um 15 bis 20 Prozent steigern“, berichtet Tröger. „Und wir arbeiten daran, unseren Werkzeugkasten weiter zu verbessern – zum Beispiel durch echtzeitfähige Modelle, die eine Kopplung mit dem Prüfstand oder HiL-Umgebungen ermöglichen. Mit ihnen können wir in Zukunft die Rückwirkungen des Thermomanagementsystems auf die Hardware oder die Steuerung untersuchen, bevor ein fertiges Fahrzeug existiert.“