HVAC-Konzeptoptimierung zur Kompensierung des Abwärmedefizits bei Elektro- und Hybridfahrzeugen

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1 HVAC-Konzeptoptimierung zur Kompensierung des Abwärmedefizits bei Elektro- und Hybridfahrzeugen Fabian Schüppel Abstract The paper explores potential ways to compensate for the lack of waste heat in battery electric and hybrid electric vehicles. For this purpose, the amount of energy needed for heating and air conditioning is identified and subsequently compared with the energy used for traction. The operation of vehicles under the climatic conditions in Germany is examined in order to develop criteria to design the heating, ventilation and air conditioning system (HVAC). Based on the transient heating power demand and cabin temperature, the potential for energy reduction in vehicles is identified, taking as examples the air-recycling mode and thermal insulation, which are investigated with the aid of a single-volume climate simulation model. Finally, the paper discusses the benefits of waste heat recovery for both electric vehicles and heat and cold storage systems. Kurzfassung Um das Abwärmedefizit von Elektro- und Hybridfahrzeugen zu kompensieren, wird die notwendige Energie für die Heizung und Klimatisierung ermittelt und der Traktionsenergie gegenübergestellt. Es werden die klimatischen Randbedingungen beim Fahrzeugeinsatz in Deutschland im Detail betrachtet und anhand derer Auslegungskriterien erarbeitet. Mit Hilfe des Zeitverlaufs des Leistungsbedarfs für die Heizung und des Temperaturverlaufs der Kabine werden Möglichkeiten der Energiereduktion ermittelt. Exemplarisch werden Nutzen von Umluftbetrieb und Wärmedämmung mit Hilfe des Einzonensimulationsmodells in verschiedenen Varianten bestimmt. Es werden der Nutzen einer Abwärmenutzung im elektrischen Antriebsstrang diskutiert und die Möglichkeit der Wärme- und Kältespeicherung analysiert. 1. Motivation Neben den CO 2 -Vorgaben für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren durch den Gesetzgeber und die zukünftige Aufnahme des Einflusses von Klimatisierungsvorgängen in die Verbrauchsangaben von Fahrzeugen in der EU führt vor allem die geringe Speicherkapazität der Batterien von Elektrofahrzeugen zu höheren Effizienzanforderungen an die Heizung und Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums. Der Energiebe-

2 darf zum Heizen kann abhängig von den klimatischen Randbedingungen und vom Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) System in der Größenordnung des Traktionsenergiebedarfs liegen. Für Elektrofahrzeuge des A- und des C-Segments sind die Herstellerverbrauchsangaben dem Energiebedarf für Heizung und Klimatisierung für unterschiedliche Randbedingungen in Tabelle 1 gegenüber gestellt. Bei den Randbedingungen wurden keinerlei effizienzsteigernde Maßnahmen berücksichtig (Standardfahrzeug, 100% Frischluft, 6 kw Heizleistung, Fahrzeugtemperatur entspricht beim Start der Umgebungstemperatur, Solltemperatur 22 C, 0 W/m² solare Strahlung). Der Neuer Europäischer Fahrzyklus (NEFZ) wurde einmal durchfahren (ca. 11 km) und die für die Heizung bzw. Klimatisierung notwendige Energie wurde auf 100 km normiert. Abhängig vom Fahrzeugtyp und der Effizienz des elektrischen Triebstrangs liegt die Heizenergie bereits bei 0 C Außentemperatur auf dem Niveau des Traktionsenergiebedarfs bzw. im Kühlbetrieb bei 30 C. Wegen der insgesamt deutlich höheren Reichweite von konventionellen Pkw und Hybridfahrzeugen schränkt das Heizen und Kühlen den Aktionsradius weniger stark ein. Bei einem differenziellen Mehrverbrauch von etwa 0,5 l/100 km pro W elektrischer Last durch einen PTC-Zuheizer oder einen elektrischen Klimakompressor, ist es auch bei diesen Fahrzeugen sinnvoll, den Energiebedarf für das HVAC-System zu reduzieren. Die PTC-Heizleistung von Hybridfahrzeugen beträgt bis zu 6 kw, Klimakompressoren habe eine mechanische Leistung von 4 kw, sodass im Volllastbetrieb des HVAC- Systems der Kraftstoffverbrauch durch das HVAC-System um bis zu 3 l/100 km ansteigt. Tabelle 1: Simulatorisch ermittelter Energiebedarf des HVAC-Systems bei unterschiedlichen Außentemperaturen. NEFZ Zeit Strecke -10 C 0 C 10 C 30 C Verbrauch [kwh/100 km] [s] [km] [kwh/100 km] [kwh/100 km] [kwh/100 km] [kwh/100 km] VW 12, km 17,7 12,6 6,8 11,1 e-golf Smart ED 15, km 8,2 5,5 2,9 7,0 Der in Tabelle 1 gezeigte Energiebedarf lässt sich durch einfach zu realisierbare Maßnahmen teils erheblich reduzieren. Die gängigste Methode ist die seit Mitte der 1980er Jahre eingeführte Umluftschaltung, die den Luftaustausch mit der Umgebung reduziert. Der Einsatz des Umluftbetriebs ist jedoch durch verschiedene Aspekte begrenzt, da Kabinendurchströmung, Abfuhr der Wasserbeladung und Sauerstoffzufuhr gestört werden. Um den Umluftbetrieb, aber auch weitere energiereduzierende Maßnahmen optimal einzusetzen, sollen im Folgenden die Anforderungen durch das Klima und durch den Nutzer genauer analysiert werden. 2. Klimatische Bedingungen und Nutzungsrandbedingungen Es wird davon ausgegangen, dass die betrachteten Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge in gleicher Weise wie konventionelle Fahrzeuge bewegt werden. Eine umfangreiche Untersuchung zur Fahrzeugnutzung in Deutschland erfolgt seit 2002 alle sechs bis sieben Jahre über die Nutzerbefragung Mobilität in Deutschland [1], in

3 Prozentuales Auftreten [%] der eine detaillierte Verkehrsträgernutzung von Haushalten durchgeführt wird. In dieser Studie werden für die Fahrzeugnutzung wichtige Größen, wie durchschnittliche Länge und Anzahl von zurückgelegten Strecken, ausgewertet. Im FAT-Aufsatz 224 [2] wurden diese Daten zusammen mit Wetterdaten ausgewertet, sodass zusätzlich Aussagen über die klimatischen Randbedingungen bei den zurückgelegten Strecken getroffen werden können. Anhand Bild 1 soll die Relevanz der in der FAT- Studie durchgeführten Auswertung erläutert werden. Gezeigt ist die allgemeine Temperaturauftrittswahrscheinlichkeit von Außentemperaturen in Deutschland und die Temperaturwahrscheinlichkeit bei Fahrzeugbewegungen. Es ist zu erkennen, dass die Temperaturen bei Fahrzeugbewegungen höher sind, da bei den besonders niedrigen Temperaturen in der Nacht nur wenige Fahrten durchgeführt werden. Die Hauptbewegungszeit liegt werktags zwischen 5 und 22 Uhr. Die durchschnittliche Streckenlänge beträgt etwa 12 km [3], was auch etwa dem in Tabelle 1 verwendeten NEFZ-Zyklus entspricht Auftrittswahrscheinlichkeit Auftrittswahrscheinlichkeit bei Fahrzeugbewegungen Temperatur [ C] Diagramm 1: Temperaturauftrittswahrscheinlichkeit in Deutschland Neben Temperatur und Streckenlänge sind die relative Luftfeuchte (im Heizbetrieb) und die solare Strahlung (im Kühlbetrieb) für den Heiz- und Kühlbedarf relevante Größen. Die Sonneneinstrahlung und das Auskondensieren der Luftfeuchte am Verdampfer führen trotz des geringen Temperaturhubs zu den hohen Kühlleistungen in Tabelle 1 bei 30 C Außentemperatur. Für die Auslegung der Heiz- und Klimaleistung wird üblicherweise die DIN bzw. die daran angelehnte VDA-Norm 220 genannt. Die dort verwendeten Temperaturen von -20 C im Winter und +40 C bei W/m² solarer Strahlung im Sommer treten in Deutschland extrem selten auf. Gleiches gilt für Europa mit seinen vergleichsweise geringen Temperaturunterschieden zwischen Sommer und Winter. In Ländern mit kontinentalerem Klima steigt der Temperaturhub. Ein gegensätzlicher Weg wurde beim in dem Planung befindlichen Mobile Air- Conditioning Test Procedure (EU MACTP) gewählt [4]. Die angedachten Testbedingungen sind 25 C Außentemperatur, 50% rel. Feuchte und keine Sonneneinstrahlung. Dieses Szenario entspricht nur knapp 1% der zurückgelegten Kilometer und Fahrten und 20% Sommerfahrten. Auch hier ist das Szenario nicht optimal gewählt,

4 da es Randbedingungen mit deutlich höherer Relevanz gibt. Gerade die aus pragmatischen Gründen weggelassene solare Strahlung führt zu einer ungenauen Abbildung des Kundeneinsatzes. In Tabelle 2 ist ein Ansatz für die Auslegung in Deutschland anhand Fahrzeugnutzung und Klimarandbedingungen aus der FAT 224 dargestellt. Dabei wurde ein Kompromiss aus einem möglichst schmalen Intervall und hoher Relevanz gewählt. Tabelle 2: Eingeschränkte Temperaturintervalle für die Heizung und Klimatisierung in Deutschland (ermittelt anhand der FAT224) Heizen Intervall Abdeckung Temperatur 0 20 C 70% der Fahrten Strahlung 0 W/m² (78% im Bereich -5 C bis 20 C) rel. Feuchte bei 22 C < 60% Trocken Temperatur C 18% der Fahrten Strahlung 900 W/m² rel. Feuchte bei 22 C % Außerhalb der Intervalle liegen mit 10% Temperaturen unter 0 C und 2% Temperaturen über 30 C bzw. Strahlungen über 900 W/m² im Sommer. Wenn das Winterintervall auf -5 C erweitert wird, so werden weitere 8% mit abgedeckt, sodass auch hier nur noch 2% der Fahrten außerhalb der Grenzen liegen. Unter Zuhilfenahme der in Tabelle 1 gezeigten notwendigen Energien, die zum Erreichen der Komforttemperatur notwendig sind, wird der starke Einfluss der betrachteten Außentemperatur deutlich. Bei der energetischen Optimierung des HVAC-Systems sollten sowohl die klimatischen Randbedingungen als auch die Nutzung berücksichtigt werden, um nicht Entwicklungskapazitäten in Techniken zu investieren, deren Vorteil im Kundeneinsatz eine untergeordnete Rolle spielen. Um den komfortablen Einsatz des Fahrzeugs außerhalb des betrachteten Intervalls zu ermöglichen, müssen dem Kunden Optionen angeboten werden, die das Einsatztemperaturfenster erweitern. Dies kann über Alternativfahrzeuge für Niedrigtemperatureinsätze erfolgen, wie es BMW für Langstreckenanwendungen von BMW i-fahrzeugen anbietet oder über Sonderausstattungen, die auch ein schnelles Erreichen der Komforttemperatur bei -20 C gewährleisten, wie einen Brennstoffzuheizer oder einen Range Extender. Bei letzterem sollte die Wärmeausbeute durch eine Abgaswärmerückgewinnung verbessert werden, um die Brennstoffenergie optimal zu nutzen. Bei der Nutzung einer Standheizung wäre auch ein nachgeschalteter ORC-Dampfprozess denkbar. Hierfür werden jedoch noch keine serientauglichen Systeme angeboten [5]. 3. Aufheiz- und Abkühlvorgang Für eine Konzeptoptimierung des HVAC-Systems ist es notwendig, sich zunächst den Aufheiz- bzw. Abkühlvorgang genauer im Zeitbereich anzusehen, da die notwendige Leistung zur Temperierung des Innenraums stark variiert. In Bild 1 ist der Aufheizvorgang für ein Elektrofahrzeug des C-Segments mit Wärmepumpenfunktion bei einer Außentemperatur von -5 C (50% rel. Feuchte, 0 W/m² Sonneneinstrahlung, kein Umluftbetrieb) und einer Komfortsolltemperatur von 22 C dargestellt. Die Betrachtungsdauer beträgt 20 min. Zu erkennen ist, dass bis zum Erreichen der maximalen Heizleistung etwa 17 min vergehen. Dieser Zeitraum entspricht in etwa der

5 einer reinen Abwärmeheizung und ist bei elektrischer Luftheizung über PTC- Elemente durch die geringere Wärmekapazität des Systems deutlich kürzer. Die Spitzenleistung von 6 kw ist notwendig, um die 2,5 m³ Kabinenluft auf etwa 22 C zu erwärmen. Nach Erreichen der Temperatur kann die Leistung und auch der Luftmassenstrom des Gebläses abgesenkt werden. Da aber zu Beginn die Karosserie, Glasflächen und Einbauten ebenfalls eine Bauteiltemperatur von -5 C haben und sich langsam durch die Innenraumluft erwärmen, sinkt die notwendige Heizleistung weiter ab und die Bauteiltemperaturen steigen an. Bild 1: Aufheizvorgang (Heizleistung und Innenraumlufttemperatur) bei einer Außentemperatur von -5 C und einem Solltemperatur von 22 C Die Heizleistung am Ende der Messung von etwa 5 kw wird zu 2/3 durch die Strahlungsverluste und konvektiven Wärmeverluste an die Umgebung, die Umschließungsflächen und an die Einbauten bestimmt. Hinzu kommen die Verluste, die durch das Ausströmen der aufgeheizten Kabinenluft durch die Entlüftung an die Umgebung entstehen und die durch verringerte Gebläsedrehzahl oder Umluftbetrieb reduziert werden können. Hierbei ist auf die Wasserbeladung im Innenraum zu achten, um Scheibenbeschlag zu vermeiden. Der Mensch gibt durch Atmung und Transpiration etwa 35 g/h Wasserdampf ab, sodass bei reinem Umluftbetrieb mit einer Person Besatzung und den genannten Randbedingungen nach s die noch komfortablen 60% relative Feuchte im Innenraum überschritten werden und nach s die Kabinenluft vollständig gesättigt wäre. Daneben steigt auch der CO 2 -Gehalt durch die Atemluft (4% der ausgeatmeten Luft sind CO 2 ) an, sodass auch dies eine Beschränkung der Umluftrate oder dauer erfordert. Neben der Umluftrate kann auch über eine Optimierung des Gebläsevolumenstroms der Energieverlust durch ausströmen-

6 de temperierte Luft verringert werden. Zusätzlich kann durch eine geringere Strömungsgeschwindigkeit im Innenraum der konvektive Wärmeübergang positiv beeinflusst werden. 4. Simulationsmodell Abhängig von der Zielsetzung ändern sich auch die Anforderungen an das Simulationsmodell. Angefangen von rein empirischen Modellen bis hin zu dreidimensionalen CFD-Ansätzen, die mit einer Gesamtfahrzeugsimulation gekoppelt sind, existiert ein breites Spektrum an Möglichkeiten, die Innenraumheizung und -klimatisierung am Rechner nachzubilden. Da Rechenzeiten noch begrenzt sind und der Parametrisierungs- und Modellierungsaufwand sowie das Debugging mit zunehmenden Detaillierungsgrad stark zunehmen, ist nicht immer das komplexeste Modell auch das beste Modell. Für das Klimasteuergerät, in dem Ausblastemperatur und Klappenkonfiguration für einen optimalen Komfort unter bestimmten Umweltbedingungen berechnet werden, gelten andere Anforderungen als für die akustische Optimierung der Luftausströmer, sodass hier auch zwei gänzlich verschiedene Modelle verwendet werden sollten. Neben dem Innenraumsimulationsmodell ist auch der thermische Komfort eine wichtige Größe zur Bewertung eines HVAC-Systems im Fahrzeug, da der Mensch der den Komfort anhand von physiologischen (körperliche Verfassung, Geschlecht, Alter, ), intermediären (Kleidung, Tätigkeitsgrad, ) [6] und physikalischen (Temperaturfeld, Strahlung, Feuchte) Einflüssen beurteilt. Für diese komplexe Beurteilung existieren genauso wie für die Kabinensimulation unterschiedlich stark detaillierte Human Models zur Beurteilung des thermischen Komforts. Auch hier reicht das Spektrum von einer reinen Beurteilung anhand physikalischer Größen, wie Lufttemperatur und Luftfeuchte, bis hin zu detaillierten thermophysiologischen Manikins, wie bspw. der FIALA-FE in Theseus-FE [7]. Üblicherweise erfolgt bei detaillierten Human Models eine Co-Simulation mit der Kabine. Da die Kabine mit den Insassen interagiert, muss bei einem hohen Detaillierungsgrad für das Human Model auch ein hoher Detaillierungsgrad für das Kabinenmodell verwendet werden. So macht es verständlicherweise keinen Sinn, ein Kabinenmodell mit einer mittleren Lufttemperatur zu verwenden, wenn das Manikin die Temperatur für Körper, Kopf und Gliedmaßen separat bewertet. Die Anforderungen an ein Simulationsmodell, mit der die in der Motivation genannte optimale Konfiguration des HVAC-Systems und der Regelstrategie gefunden werden kann, sind hoch. Da vergleichsweise viele Konzepte und Szenarien durchgerechnet werden sollen, muss die Modelldetaillierung zur Reduktion der Rechenzeit und wegen der schwer realisierbaren Parametrierung verringert werden. Als Kompromiss wurde ein Einzonenmodell mit Darstellung der Luftfeuchte, der Wärmeleitung, Strahlung und Konvektion verwendet, wie es in ähnlicher Form in bspw. in [8], [9], [10] verwendet wird. Neben den positiven Ergebnissen aus den genannten Veröffentlichungen, ist es mit einem Einzonenmodell auch ohne genaue CAD-Daten möglich, die Fahrgastzelle nachzumodellieren. Um die Vorteile eines 3D-CFD-Modell nutzen zu können, sind umfangreiche CAD- und Materialdaten notwendig. Auch für ein Mehrzonenmodell, in dem der Fahrgastraum in mehrere Luftvolumen aufgeteilt ist, ist eine vorherige CFD-Simulation notwendig, um den Luftaustauschen zwischen den Zonen zu ermitteln [11]. Diese Faktoren sprechen neben der Rechenzeit gegen einen höheren Detaillierungsgrad als den verwendeten.

7 Mit dem Modell sollen exemplarisch Nutzen und Grenzen einer Umluftschaltung, Wärmedämmung und die Verwendung von thermischen Speichern untersucht werden. Dies ist mit einem Einzonenmodell realisierbar. Heizsysteme in denen nicht mehr die Kabinenluft, sondern der Insasse direkt über eine körpernahe Heizung oder über langwellige Infrarotstrahlung erwärmt werden soll, lassen sich mit einem Einzonenmodell und vor allem ohne ein thermisches Human Model nur mit starken Einschränkungen bewerten. Als Simulationsumgebung wurde MATLAB/Simulink verwendet. Die Änderung der Kabinentemperatur wird über die Bilanzierung der ein- und ausgehenden Enthalpieströme ermittelt: Für den Zeitverlauf der Bauteiltemperaturen wird die obige Bilanzierung für jede der umschließenden Flächen und die Einbauten durchgeführt. Dabei wird über Konvektion und Strahlung Wärme mit der Umgebung und nur über Konvektion mit der Innenraumluft ausgetauscht. Um den Einfluss von Wärmedämmung auf den Energiebedarf und die Scheibeninnentemperatur ermitteln zu können, bestehen die Bauteile aus einer äußeren und einer inneren Bauteilhälfte, zwischen denen Wärme über Leitung übertragen wird. Die in Hohlräumen auftretende Konvektion wird nicht berücksichtigt. Bild 2: Struktur des verwendeten MATLAB/Simulink-Simulationsmodells Die Auskondensierung der Luftfeuchte am Verdampfer benötigt im Falle der Klimatisierung wegen der großen Verdampfungsenthalpie von Wasser vergleichsweise viel Energie. Um die Grenzen des Umluftbetriebs darstellen zu können, wird die Luftfeuchte im Modell mit berücksichtigt, auch wenn der Einfluss auf den Energiebedarf im Heizfall ist gering.

8 Die Parametrisierung des Modells erfolgt anhand von Literaturwerten für Masse, Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Absorptions- und Emissionskoeffizienten. Das Modell wird im Anschluss zum Einen anhand von Literaturdaten für Leistung und Temperaturverläufe und zum Anderen über durchgeführte Aufheiz- und Abkühlversuche validiert. Diese Versuche wurden am Fachgebiet Kraftfahrzeuge der TU Berlin mit einem BMW Mini durchgeführt. Es stand keine Klimakammer o.ä. zur Verfügung, weshalb die Messungen im Stehen durchführt wurden. Der Einfluss der Fahrzeuggeschwindigkeit auf die Leckageströme und auf die erzwungene Konvektion konnte nicht validiert werden. In Bild 3 sind exemplarisch zwei Temperaturverläufe eines B-Segmentfahrzeugs bei einem Aufheizvorgang durch Motorabwärme von Versuch und Simulation dargestellt. Trotz weniger Eingabeparameter (Ausblastemperaturverlauf, Umgebungstemperatur, Starttemperatur, Strömungsgeschwindigkeit und Massenstrom in den Innenraum, Kabinenabmessungen) stimmen die Ergebnisse gut überein. Die anfänglich relativ großen Abweichungen in der Innentemperatur zwischen 250 und s von ca. 5 K werden zum Teil durch die begrenzte Dynamik der verwendeten PT100- Messwiderstände verursacht. Die im rechten Diagramm gezeigte Dachaußentemperatur soll die Funktion der implementierten Wärmedämmung des Simulationsmodells zeigen. Bild 3: Validation am stehenden Fahrzeug 5. Simulationsergebnisse für unterschiedliche Ansätze Mit dem Simulationsmodell soll nun der Einfluss auf die Leistung und die Temperatur von ausgewählten Energiereduktionsmaßnahmen für das HVAC-System untersucht werden. Diese sind der bereits erwähnte Umluftbetrieb, eine Wärmespeicherung zur Reduktion der Energieentnahme aus der Traktionsbatterie und eine verbesserte Wärmedämmung. Die Randbedingungen entsprechen dem erweiterten Winterbereich aus Abschnitt 2, d.h. es wird mit einer Starttemperatur von -5 C begonnen, es liegt keine solare Strahlung vor und die relative Luftfeuchte beträgt 50%. Die Simulationsdauer beträgt mit s etwa der NEFZ-Länge und die Fahrzeuggeschwindigkeit entspricht der NEFZ-Durchschnittsgeschwindigkeit von 33,6 km/h. Das Fahrzeug des C-Segments ist mit 1,5 Personen (was der durchschnittlichen Belegung in Deutschland entspricht

9 [1] belegt und verfügt über eine Wärmepumpenheizung, mit der erst nach etwa s die volle Heizleistung zur Verfügung steht. 5.1 Umluft In Bild 4 sind der Leistungsbedarf und der Temperaturverlauf für den Aufheizvorgang aus -5 C mit unterschiedlichen Luftkonfigurationen dargestellt. Die schwarze, strichpunktierte Linie stellt die Basis mit reinem Frischluftbetrieb dar (vgl. Bild 1). Die beiden grauen Linien zeigen den Verlauf im Umluftbetrieb mit unterschiedlichen Regelstrategien. Bei der durchgezogenen dunkelgrauen Linie wird der Frischluftanteil so geregelt, dass die rel. Luftfeuchte im Innenraum nicht die noch komfortablen 60% überschreitet, bei der gestrichelten hellgrauen Linie wird die Luftfeuchte so geregelt, dass der Taupunkt der Scheibe nicht unterschritten wird, um einen Scheibenbeschlag zu vermeiden. Durch die Nutzung des Einzonenmodells und durch die weiteren Einflussfaktoren auf die Kondensation (lokales Strömungsfeld, Kondensationskeime, lokale relative Luftfeuchte), kann über die Kabinenluftfeuchte der Scheibenbeschlag nur abgeschätzt werden. Üblicherweise beschlagen die hinteren Fahrzeugscheiben zuerst, da in den hinteren Fahrzeugbereich weniger Frischluft gelangt und auch die Temperatur der Heizluft im Laufe der Kabinendurchströmung absinkt. Die Temperatur für eine normale 4 mm dicke Verbundglasscheibe mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1,4 W/(m K) liegt bei Simulationsende bei etwas über 0 C. Bild 4: Heizleistungs- und Temperaturverlauf für den Frisch- und Umluftbetrieb Der Heizenergiebedarf (ohne Peripherie, wie Gebläse und Klappensteuerung) beträgt für den Frischbetrieb 11,0 kwh, für den Innenraumluftfeuchte geregelten Umluftbetrieb 8,0 kwh und für den Scheibentaupunkt geregelten Umluftbetrieb 8,3 kwh. Der geringe Unterschied der notwendigen Energie zwischen den beiden Regelvarianten liegt an den sehr ähnlichen Umluftraten von 96% (Innenraumfeuchte) zu 86% (Taupunkt Scheibe). Dieser geringe Unterschied ist auch im Leistungsverlauf in Bild 4 etwa bei 500 s zu sehen, da durch den höheren Umluftanteil auch die Leistung etwas größer ist. Im Temperaturverlauf ist der Unterschied bei 200 s zu sehen, da die Temperatur durch den geringeren Frischluftanteil bei der Luftfeuchteregelung etwas schneller ansteigt. Beim Vergleich mit dem reinen Frischluftbetrieb wird deutlich, wie groß der Nutzen eines Umluftbetriebs ist. Sowohl das Aufheizverhalten als

10 auch der Energiebedarf kann reduziert werden. Dabei hängt die maximale Umluftrate von vielen Faktoren ab und kann deutlich geringer ausfallen. Dies ist der Fall, wenn mehr Insassen mitfahren und über die Kleidung der Insassen zusätzlich Feuchte in den Innenraum gebracht wird. Zudem ist die absolute Luftfeuchte der Umgebung ausschlaggebend, die im betrachteten Fall (-5 C und 50% relative Feuchte) mit 0,00129 kg/kg sehr gering ist. Bei höheren relativen Luftfeuchten und höheren Temperaturen muss deutlich mehr Frischluft in den Innenraum gebracht werden, um die Feuchte auf einem komfortablen Niveau zu halten. 5.2 Wärmedämmung Als nächstes soll der Nutzen einer Wärmedämmung betrachtet werden. Der Effekt der Wärmedämmung über den zweiteiligen Aufbau der Karosserie- und Scheibenflächen wurde im vorherigen Abschnitt erläutert. Mit Hilfe der Gleichung für eine eindimensionale stationäre Wärmeleitung lassen sich die Einflussmöglichkeiten zeigen: Die Dämmung kann über geänderte Materialwahl mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit λ oder geänderte Materialdicke d verbessert werden. Zudem kann über einen mehrschichtigen Aufbau, besser noch mit Gaszwischenraum (gefüllt mit Luft, Argon oder einem Vakuum), die Wärmeübertragung verringert werden. Über die Zwischenräume, wie sie bei Mehrscheibenglas oder Vakuumisolationspanelen verwendet werden, kann die Wärmeleitung entsprechend o.g. Gleichung nahezu vollständig unterbrochen werden, sodass Wärme nur noch über Strahlung übertragen wird. Wenn im Zwischenraum ein Gas ist, findet in diesem Bereich Konvektion und Konduktion statt. Diese sind aber in Vergleich zu einer Festkörperwärmeleitung, insbesondere wenn Metalle oder Glas betrachtet werden, deutlich geringer. Umsetzungsmöglichkeiten von Wärmedämmungen im Pkw sind bspw. in [12] erläutert. Neben konventionellen Methoden mit Dämmstoffen werden dort auch Ansätze vorgestellt, in denen die Strahlung im Türzwischenraum/Fensterschacht durch eine niedrigemissive Folie reduziert wird. Ähnliches wird in [13] für die Verglasung vorgestellt. Zur Untersuchung der Auswirkungen der Wärmedämmung auf das Aufheizverhalten und den Leistungsbedarf wurde unter gleichen Randbedingungen, wie für die Umluftbetrachtungen die Verbesserung der Karosseriewärmedämmung um den Faktor 20 und die Verbesserung der Glasdämmung um den Faktor 10 erhöht. Mit der Ausgangskonfiguration werden eine Dämmung von Scheiben, Karosserie und eine Kombination aus beiden verglichen. Wie diese Dämmung im Detail aussehen sollte und wie sich die Verbesserung auf Material und Wandstärke aufteilt, ist nicht Bestandteil dieser Betrachtung. Eine Verbesserung in der angenommenen Größenordnung für die Scheibenflächen ist durch die im Immobilienbereich übliche Dreifachverglasung gegenüber Verbundglasscheiben möglich, für die Karosserieflächen wären aufgebrachte Dämmstoffe mit U-Werten von 0,034 W/(m² K) denkbar.

11 Bild 5: Heizleistungs- und Temperaturverlauf für wärmgedämmte Scheiben und Karosserie Der Einfluss auf den Heizenergiebedarf durch die Wärmedämmung ist zunächst gering, da sich der Nutzen mit steigender Temperaturdifferenz zwischen Innenraum und Umgebung vergrößert. Wie in Bild 5 zu erkennen ist, treten erst zu relativ späten Zeitpunkten Unterschiede in den Verläufen für Leistung und Temperatur auf. Der Einfluss der Scheibendämmung ist geringer, als durch die Karosseriedämmung was sich aus dem geringeren Verbesserungsfaktor und der kleinen Fläche im Vergleich zu den Karosserie zusammensetzt. Die notwendige Heizleitung am Betrachtungsendpunkt sinkt von W ohne Dämmung auf etwa W mit der kombinierten Dämmung. Die Unterschiede in der Leistung sind erst sehr spät zu erkennen, da das Heizsystem an der Leistungsgrenze arbeitet. Erst bei Erreichen der Komforttemperatur von 22 C treten Unterschiede in der Leistung auf. Der Energiebedarf über die s verringert sich durch die Dämmung von 11 kwh um knapp 300 Wh. Die Auswirkungen auf den Temperaturverlauf treten bereits etwas früher auf und sind ab etwa 500 s sichtbar, da bei festgelegter Heizleistung das Aufwärmeverhalten durch die Dämmung beschleunigt wird. Für den betrachteten Fall wird die Komforttemperatur 45 s früher erreicht. 5.3 Abwärmenutzung beim BEV Konventionelle Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor können im Winter durch Motorabwärme beheizt werden, da der Verbrennungsmotor nur etwa 10 bis 20% der Brennstoffenergie in mechanische Energie umwandelt. Die restliche Energie wird in Form von Abwärme an die Umgebung abgegeben. In Tabelle 3 sind die Leistungen eines C-Segmentfahrzeugs im NEFZ und im TÜV Süd Electric Car Cycle (TSECC) angegeben. Bei genannten 20% Wirkungsgrad eines Dieselmotors und einer mittleren Leistung von ca. 5 kw im NEFZ fallen ca. 20 kw Abwärme an, die sich zu etwa gleichen Teilen auf das Kühlwasser und das Abgas verteilen. In Fahrzyklen, die den realen Fahrbetrieb besser als der NEFZ wiedergeben, wie der TSECC, sind Antriebsund Verlustleistungen höher. Deshalb kann trotz der hohen Wärmekapazität vom Verbrennungsmotor und Kühlsystem ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor mit der Motorabwärme, die an das Kühlwasser abgegeben wird, beheizt werden. Erst bei sehr niedrigen Temperaturen, hohen Komfortansprüchen und hocheffizienten Dieselmotoren reicht die Abwärme im Kühlwasser nicht aus, um hinreichend schnell ein

12 komfortables Klima zu erzeugen, sodass in diesen Fällen mit Brennstoffheizern oder elektrischen Heizelementen zugeheizt wird. Bei Fahrzeugen mit elektrischem Antriebsstrang fällt deutlich weniger Abwärme an. In Tabelle 3 sind die mittleren und maximalen Abwärmeleistungen im NEFZ und TSECC gezeigt. Insbesondere im NEFZ sind die Verlustleistungen sehr gering, aber auch im TSECC sind die Leistungen mit knapp 1,5 kw so gering, dass es lange, dauert, bis die Wärmekapazität der Bauteile überwunden ist und das Temperaturniveau ausreicht, um die Fahrzeugkabine zu beheizen. Konzepte, die mit Hilfe einer Wärmepumpe Energie aus dem Kühlkreis der elektrischen Triebstrangs entnehmen, machen die Abwärme früher nutzbar, führen aber, sobald Entnahme die Abwärme übersteigt, zu einem Auskühlen. Zudem ist die hydraulische Verschaltung des Kühlkreises durch die unterschiedlichen Temperaturniveaus und die meistens über das Fahrzeug verteilte Anordnung der Komponenten deutlich aufwändiger, sodass die Nutzung von Abwärme nur bei Fahrzeugen, die längere Fahrten zurücklegen, wirtschaftlich sinnvoll ist. Tabelle 3: Leistungen eines Fahrzeugs des C-Segments in verschiedenen Fahrzyklen Mittelwert NEFZ Peak NEFZ Mittelwert TSECC Peak TSECC Fahrleistung W W W W Temp. Verlustleistung Batterie (η 96%) Verlustleistung Leistungselekt.(η 90%) Verlustleistung E-Maschine (η 85%) 8 W 170 W 19 W 727 W C 187 W W 233 W W C 643 W W W W > 105 C 5.4 Wärmespeicher Wärme- und Kältespeicher werden seit den 1990er Jahren in konventionellen Fahrzeugen eingesetzt. Die Anwendungen beschränken sich jedoch auf Nischenlösungen, so wurden Latentwärmespeicher bei BMW zur Verkürzung des Warmlaufs eingesetzt, konnten sich aber nicht durchsetzen und werden nicht mehr angeboten. Toyota bietet für bestimmte Märkte einen sensiblen Wärmespeicher für den Prius an, um das Ansprechen der Abgasnachbehandlung zu beschleunigen. Für Langstreckennutzfahrzeuge werden Latentkältespeicher angeboten, um das Fahrerhaus während der Ruhezeiten traktionsmotorunabhängig zu klimatisieren. Für batterieelektrische Fahrzeuge werden derzeit noch keine Speicher angeboten. Dies liegt an der geringen Speicherdichte und dem hohen Aufwand für die Integration des Speichers in die bestehende Hydraulikstruktur. Zudem stehen thermische Speicher in Konkurrenz zu anderen Speichersystemen, wie Batteriespeichern. Die bei BMW in den 1990ern erreichten 40 Wh/kg (entspricht etwa dem Niveau von Bleisäurebatterien, Lithium-Ionen-Batterien erreichen etwa 100 Wh/kg) bedeuten bei den, in Tabelle 1 für milde Temperaturen (10 C) notwendigen 7 kwh/100 km für die Heizung, einen 175 kg schweren Latentwärmespeicher. Erst mit deutlich höheren Speicherdichten, wie sie mit thermochemischen Speichern in Forschungsprojekten erreicht worden sind (230 Wh/kg in [14]), werden Wärmespeicher für die Beheizung von Pkw attrak-

13 tiv. Denkbar sind jedoch Anwendungen, wie die Erwärmung der Lithium-Ionen- Batterie bei niedrigen Temperaturen. So könnte die Batterie über einen Latentwärmespeicher auf über 0 C erwärmt werden, um den ungünstigen Betrieb bei niedrigen Temperaturen zu vermeiden, gleiches wäre im Sommer über einen Kältespeicher denkbar. 6. Zusammenfassung Zur Reduktion des Reichweiteneinflusses der Heizung und Klimatisierung von batterieelektrischen Fahrzeugen reicht es nicht, Teilaspekte, wie die Bereitstellung oder Wärmedämmung, zu betrachten, sondern es ist notwendig, den Energie- und Leistungsbedarf im Detail zu betrachten, um anhand dessen die für den Einsatzzweck sinnvollen Maßnahmen zu ergreifen. Dabei helfen sowohl die Zeitverläufe als auch die Analyse der einzelnen Verlustanteile, wie Wärmekapazität, Abluft, Wärmetransport und Lufttrocknung, um den Nutzen der Maßnahmen zu maximieren. Durch die Vielzahl der möglichen Verbesserungen ist es nicht möglich, diese über Versuche abzubilden, sondern es ist notwendig, dies mit einem schnellen Simulationsmodell durchzurechnen. Weiterhin sollten die Randbedingungen für die Auslegung des HVAC-Systems dem Fahrzeugeinsatz angepasst werden, so macht es wenig Sinn ein Fahrzeug auf -20 C Außentemperatur auszulegen, wenn es nicht in Regionen eingesetzt wird, wo solche Temperaturen auch auftreten. Literatur [1] n.n. (2010): Mobilität in Deutschland Ergebnisbericht Struktur Aufkommen Emissionen Trends. Bonn und Berlin (PN 3849) [2] Strupp, Christian; Lemke, Nicholas (2009): Klimadaten und Pkw-Nutzung,. Klimadaten und Nutzungsverhalten zu Auslegung, Versuch und Simulation an Kraftfahrzeug-Kälte-/Heizanlagen in Europa, USA, China und Indien. Berlin: VDA (FAT-Schriftenreihe, 224). [3] Hennings, Wilfried; Linssen, Jochen (2012): Netzintegration von Fahrzeugen mit elektrifizierten Antriebssystemen in bestehende und zukünftige Energieversorgungsstrukturen (NET-ELAN). Jülich: Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek (Schriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Energie et Umwelt, Bd. 150) [4] Stadlhofer, Werner (2011): Ein EU-weit standardisiertes Messverfahren für PKW-Klimaanlagen. Tagung Wie wird die Klimaanlage zukunftsfähig?, Berlin [5] Schüppel, Fabian (2012): CoolSteam: Klimatisierung und Heizung von Innenraum und Traktionsbatterie eines E-Fahrzeugs durch eine autarke und kompakte Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung. Unter Mitarbeit von Herbert Clemens und Niels Braunschweig. In: Peter Steinberg (Hg.): Wärmemanagement des Kraftfahrzeugs VIII. Energiemanagement. Renningen: expert-verl (125), S [6] Weible, R. (2002): Heizungs- und Klimaregelung. In: Michael Mettner und Gerhard Walliser (Hg.): Elektronik im Kraftfahrzeugwesen. Steuerungs-, Rege-

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15 Autor Dipl.-Ing. Fabian Schüppel TU Berlin - ILS Kraftfahrzeuge Gustav-Meyer-Allee Berlin Phone: