THERMISCHE ISOLATION DER FAHRGASTZELLE VON ELEKTROFAHRZEUGEN

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1 ENTWICKLUNG Thermomanagement THERMISCHE ISOLATION DER FAHRGASTZELLE VON ELEKTROFAHRZEUGEN Steigende Anforderungen an die Energieeffizienz von Elektrofahrzeugen führen zu einem unmittelbaren Zielkonflikt zwischen Reichweite und thermischem Komfort. Im Gegensatz zu Ansätzen, mit denen im Wesentlichen eine Wirkungsgradsteigerung des Klimatisierungs- und Beheizungssystems angestrebt wird, bietet die Verbesserung der thermischen Kabinenisolation als passive Maßnahme ein Potenzial, das bislang noch unzureichend erforscht ist. Untersuchungen bei der Daimler AG setzen sich damit auseinander. MOTIVATION Im Gegensatz zum konventionellen fällt im elektrifizierten Antriebsstrang wenig Abwärme zur Beheizung der Fahrgastzelle an. Darüber hinaus muss der bisher an den Betrieb des Verbrennungsmotors gekoppelte Kältemittelkompressor elektrisch betrieben werden. Infolgedessen werden in reinen Elektrofahrzeugen überwiegend autarke Heiz- und Kühlsysteme eingesetzt, die über die Fahrzeugbatterie versorgt werden. Der Betrieb dieser Systeme wirkt sich unmittelbar auf die Reichweite der Fahrzeuge aus; es ergibt sich ein direkter Zielkonflikt zwischen Reichweite und thermischem Komfort [1, 2, 3]. Zahlreiche Ansätze verfolgen das Ziel einer Wirkungsgradsteigerung des Klimatisierungs- und Beheizungssystems (HVAC) durch aktive Maßnahmen. Dagegen bietet die Verbesserung der thermischen Kabinenisolation als passive Maßnahme ein Potenzial, das bislang noch 906 unzureichend erforscht ist. Verlässliche Aussagen über die Wirkung einer verbesserten thermischen Isolation von Baugruppen auf den Wärmehaushalt der Fahrzeugkabine sind aufgrund starker Inhomogenitäten in den Strömungs- und Temperaturverhältnissen nur über detaillierte CFD-Analysen (Computational-Fluid-Dynamics-Analysen) oder Klimawindkanalversuche möglich. Bisherige Studien zur Beurteilung passiver Maßnahmen im Automobil basieren weitgehend auf sehr stark vereinfachten Modellen, die die starke Inhomogenität der Strömungs- und Temperaturverteilungen unberücksichtigt lassen. Insbesondere die Modellannahme eines homogenen Kabinenluftvolumens führt dazu, dass lokale Potenziale von Isolationsmaßnahmen tendenziell unterbewertet werden. Vor diesem Hintergrund sind in Studien zugewiesene Reichweitenpotenziale von 3 bis 4 % (Umgebungstemperatur von -10 C, modifizierter NEFZ unter Berücksichtigung der Beheizungs- und Klimatisierungsleistung, vollflächige Karosserieisolierung, Wärmedurchgangswerte 0,5 W/(m 2 K)) in 3-D-Simulationen kritisch zu hinterfragen [4]. GEGENSTAND DER UNTERSUCHUNG Untersuchungsziel ist die ganzheitliche Bewertung der technischen und wirtschaftlichen Bedeutung einer Karosserieisolierung für alternativ angetriebene Fahrzeuge. Vor diesem Hintergrund wird zunächst mithilfe einer CFD-gestützten, statistischen Versuchsplanung das grundsätzliche Systemverständnis sowie eine objektive Bewertungsbasis hinsichtlich der Wirkung von Isolationsmaßnahmen erarbeitet. Im Anschluss erfolgt eine Bauraumanalyse relevanter Fahrzeugkomponenten, um Möglichkeiten der Umsetzung von Isolationstechniken für ein Conversion-Design-Elektrofahrzeug aufzuzeigen.

2 AUTOREN DIPL.-WIRT.-ING. STEFFEN WIRTH ist Doktorand im Bereich Simulation Energieströme Gesamtfahrzeug in der Forschung/Vorentwicklung der Daimler AG in Sindelfingen. DIPL.-WIRT.-ING. MARCO EIMLER ist Berater bei der Unity AG; die Arbeit entstand im Rahmen seiner Diplomandentätigkeit bei der Daimler AG in Sindelfingen. DR.-ING. FRANK NIEBLING ist Projektleiter Thermische Isolation im Bereich Simulation Energieströme Gesamtfahrzeug in der Forschung/ Vorentwicklung der Daimler AG in Ulm. DAS FAHRZEUG ALS THERMODYNAMISCHES SYSTEM Die Beheizung beziehungsweise Klimatisierung der Fahrgastzelle erfolgt über einen temperierten Luftmassenstrom 1 Aufbau und Funktion der HVAC-Einheit [5] durch die Luftaustrittsdüsen (a), (b) und (c), 1. Die prozentuale Verteilung auf die Einblasdüsen wird in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur geregelt. Im Sommer teilt sich der klimatisierte Luftmassenstrom auf die oberen Ausströmdüsen (b) und die Entfrostungsdüsen (a) auf. Die angesaugte Umgebungsluft wird mit bereits konditionierter Kabinenluft (Umluft) vermischt und am Verdampfer (2) abgekühlt beziehungsweise gegebenenfalls entfeuchtet. Zum Teil wird in Abhängigkeit der klimatischen Randbedingungen und Klimatisierungsanforderungen die Luft im Verdampfer stärker abgekühlt als zur komfortablen Klimatisierung des Innenraums erforderlich wäre. Um an den Auslassdüsen dennoch das gewünschte Temperaturniveau zu erreichen, muss die Luft durch den Heizwärmetauscher (5) wieder erwärmt werden. Eine mögliche Anhebung der Einblastemperatur durch den Einsatz von Isolationsmaßnahmen führt aufgrund dessen nicht zwangsläufig zu einem energetischen Einsparpotenzial im Sommer. Basierend auf Erkenntnissen aus dem Bereich der Klimaphysiologie wird der größte Teil des Luftmassenstroms zum 11I Jahrgang 907

3 ENTWICKLUNG Thermomanagement 2 Modifikationsmöglichkeiten im Karosserieaufbau am Beispiel des smart fortwo electric drive Erhaltungsheizen im Winter über die Fußdüsen (c) in den Kabineninnenraum eingeblasen. Lediglich ein kleiner Volumenstrom dient der Vermeidung von Scheibenbeschlag über die Entfrostungsauslässe (a) in der Instrumententafel. Die Erwärmung beziehungsweise Entfeuchtung angesaugter Außenluft erfolgt über den Heizwärmetauscher (5) beziehungsweise den Verdampfer (2). Bei dem stationären Erhaltungsheizen entsprechen die Wärmeverluste über Strahlung, Konvektion und die Entlüftung dem Wärmestrom, der zur Kabinenkonditionierung benötigt wird. Durch den Einsatz von Isolationsmate rialien wird auf eine Verringerung der thermischen Verluste über die Fahrzeugaußenflächen abgezielt; bei einem Pkw der Mittelklasse lässt sich dieser Energiestrom bei einer Umgebungstemperatur von -7 C und einer Heizleistung von circa 3100 W zu etwa 1200 W quantifizieren [6]. SCHICHTAUFBAU DER PKW-KAROSSERIE Die Baugruppen der Fahrzeugkabine können hinsichtlich einer thermischen Analyse in drei Kategorien gegliedert werden: 908 :: transparente Bauteile (Scheiben, Schiebedach) :: Bauteile mit Luftspalt (Tür, Dach, A-, B-, C-Säule und Heckklappe) :: Bauteile ohne Luftspalt (Boden, Stirnwand). In Abhängigkeit des Schichtaufbaus ergeben sich an den Baugruppen Möglichkeiten, sowohl wärmedämmende Werkstoffe als auch niedrig emittierende Oberflächen sowie Funktionstextilien (Low-e-Textilien) zu integrieren. Die Wirkung niedrig emittierender Beschichtungen setzt einen Luftspalt im Schichtaufbau der Baugruppe voraus; dadurch reduziert sich der Strahlungsaustausch zwischen den Begrenzungsflächen. Gleichzeitig erhöht sich die über den Luftspalt einstellende Temperaturdifferenz, wodurch die Gefahr kompensatorischer Effekte durch eine höhere Konvektion im Luftspalt entsteht. Demnach kann die Integration niedrig emittierender Beschichtungen in Baugruppen in Abhängigkeit der Positionierung zu einer thermischen Kannibalisierung des gewünschten Effekts führen. Generelle Modifikationsmöglichkeiten für Pkw- Baugruppen sind vereinfacht in 2 dargestellt. Für ein besseres Verständnis seien exemplarisch die wesentlichen Modifikationsmöglichkeiten im Bereich des Türsystems erläutert. Die Tür des Elektrosmart (Rahmenbauweise) besteht aus einer 2,8 mm starken Polypropylen (PP)- Außenbeplankung, einer Türdichtfolie aus 2 mm Polyethylen, die den Nassvom Trockenbereich trennt, der Türinnenverkleidung aus 3,7 mm starkem PP sowie einem kaschierten Textildekor. Möglichkeiten zur Werkstoffintegration beziehungsweise -verstärkung ergeben sich sowohl an der Türdichtfolie als auch direkt an der Türinnenverkleidung. Maßnahmen zur packageneutralen Dämmung über niedrig emissive Beschichtungen existieren durch die ein- oder beidseitige metallische Bedampfung beziehungsweise Kaschierung der Türdichtfolie sowie der Türinnenverkleidung. Zusätzlich bietet die Integration niedrig emissiver Materialien in das Textildekor im unmittelbaren Sichtbereich einen interessanten Ansatz zur Erhöhung der Kundenerlebbarkeit einer Kabinenisolation. Wie in den Temperaturverläufen verdeutlicht, teilt sich die Temperaturdifferenz zwischen der Fahrzeugumgebung und dem Luftvolumen im Innenraum in Abhängigkeit der thermischen Widerstände des Schichtaufbaus der Baugruppe auf, 2. Diese setzen sich aus den

4 3 Objektive Bewertung von Isolationsmaßnahmen konvektiven und radiativen Wärmeübergängen an der Außen- sowie Innenseite und den Wärmeübertragungsmechanismen innerhalb der jeweiligen Baugruppe zusammen. Bei Baugruppen mit einem verhältnismäßig niedrigen thermischen Widerstand, wie den Fahrzeugscheiben, ist der konvektive Wärmeübergang an der Innenseite der dominierende Wirkmechanismus. Der Einfluss dieses Wirkmechanismus reduziert sich mit einem steigenden thermischen Widerstand der Baugruppe. wird ein konstanter Klimakomfort vorausgesetzt. Um diesen zu erreichen, stehen bei HVAC-Einheiten zwei Stellhebel zur Verfügung: die Anpassung der Einblastemperatur oder die Angleichung des Luftmassenstroms. Die Anpassung der Einblastemperatur geht mit einer Veränderung lokaler Innenraumtemperaturen einher; dies gilt insbesondere für Kabinenbereiche, die einer starken Anströmung unterliegen. Eine Verringerung des Luftmassenstroms bewirkt eine Reduktion der Strömungsgeschwindigkeiten in der Kabine. Dadurch nimmt der konvektive Wärmeübergangswiderstand in den Grenzschichten zu; insbesondere an Baugruppen mit geringem Wärmeleitwiderstand wie den Scheiben hat dies bedeutende Auswirkungen auf den Wärmedurchgang. Die Verringerung des Luftmassenstroms ist aufgrund eines höheren Beschlagrisikos bei gleichbleibender Luftführung jedoch nur begrenzt möglich. Beide Anpassungsvarianten werden demnach durch Sekundäreffekte begleitet, die bei der Bewertung berücksichtigt werden müssen. Für die angestrebte Ableitung einer Isolationsstrategie erfolgt die Bewertung mittels Anpassung der Einblastemperatur; der damit einhergehende Sekundäreffekt ist geringer. Während bei der Untersuchung des Systemverhaltens eine Beeinflussung der Ergebnisse durch Sekundäreffekte zu vermeiden ist, sind es genau diese Sekundäreffekte, die zur vollen Ausschöpfung des Grenzpotenzials durch einen Betrieb des Systems am thermodynamischen Optimum führen. OPTIMIERTE REICHWEITE IM WINTER Aufgrund von Wechselwirkungen im System senken Einzelmaßnahmen den Leistungsbedarf zur Beheizung der Kabine nicht zwangsläufig additiv. Um die Leistungseinsparung in Abhängigkeit verschiedener Einzelmaßnahmen sowie deren Kombination mathematisch zu beschreiben, wurden die Zusammenhänge im Rahmen einer simulationsgestützten, statistischen Versuchsplanung analysiert, 4. Als CFD-Programm zur Berechnung wurde Star-CCM+ der CD-adapco Group eingesetzt. In Bezug auf die wärmeisolierenden Eigenschaften verschiedener Baugruppen sind Werte zwischen dem Serienzustand und einem thermischen Widerstand von 3 cm Polystyrol als Grenzwert angenommen worden. Mit dem Ziel, eine nahezu konstante mittlere Kabinenlufttemperatur von 25 C (Komfortanforderung) für alle Parametervariationen zu realisieren, wurde die Einblastemperatur in Abhängigkeit des Kabinenisolationszustands linear angepasst; die Prämisse eines linearen HERAUSFORDERUNG DER BEWERTUNG Die Energieeinsparpotenziale aktiver Maßnahmen sind durch eine Messung des Energieverbrauchs mit geringem Aufwand nachzuweisen, wohingegen die Bewertung passiver Maßnahmen eine besondere Herausforderung darstellt. Die Komplexität einer objektiven Bewertungsbasis passiver Maßnahmen ist anhand der abgebildeten Kausalzusammenhänge in 3 exemplarisch für den Winter erläutert. Ohne Anpassung der Eingangsleistung führt eine Verbesserung der thermischen Isolation zu einem Anstieg der mittleren Kabinenlufttemperatur. Zur Bewertung einer thermischen Isolation 4 Aufbau der statistischen Versuchsplanung 11I Jahrgang 909

5 ENTWICKLUNG Thermomanagement Zusammenhangs zwischen Kabinenisolationszustand und der Einblastemperatur führt zu einer Ungenauigkeit der volumengemittelten Kabinentemperatur von circa 2 % in der Simulation. Zur exakten Einhaltung eines vergleichbaren Komfortzustands können zukünftige Berechnungen um eine Komfortbewertung über ein Insassenmodell erweitert werden. Die Ergebnisse für die Verlustleistung zeigen signifikante Einflüsse der Haupteffekte, mit Ausnahme der Faktoren für die Windschutz- und Seitenscheiben. Grund dafür ist die Tatsache, dass lediglich der Emissionsgrad der Scheiben variiert wurde und dieser im Bezug auf die Verlustleistung der Kabine im Winter einen vernachlässigbaren Einfluss besitzt. Direkte Wechselwirkungen sind bei einem Signifikanzniveau von 5 % (p < 0,05) nicht nachzuweisen. Möglicherweise sind diese so klein, dass sie durch numerische Schwankungen in der mittleren Kabinenlufttemperatur kompensiert werden. Die Beschreibungsgleichung aus 4 ist für diesen spezifischen Winterlastfall unter Berücksichtigung der vorgenommenen Effektkodierung direkt auf den smart fortwo electric drive übertragbar. Die Isolation der Dachstruktur durch einen Werkstoff mit einem thermischen Widerstand analog 3 cm Polystyrol trägt zu einer Reduktion der Verlustleistung in Höhe von 49 W (2 x 24,50 W) bei. Die Tridionzelle besitzt aufgrund ihres erheblichen Flächenanteils an der Gesamtkarosserie einen hohen Einfluss auf die Verlustleistung der Kabine; Modifikationen an dieser Baugruppe sind jedoch packagebedingt stark eingeschränkt. Neben der energetischen Betrachtung ist zur Ableitung einer gezielten Baugruppenstrategie die Wirkung verschiedener Maßnahmenkombinationen mit dem Aufwand zur Serienumsetzung (Entwicklungs- und Produktionsaufwand), den Kosten (Werkstoffkosten) und weiteren automobilspezifischen Werkstoffanforderungen (Gewicht, Langzeitverhalten, Geometrieflexibilität und Bauraumbedarf) zu verknüpfen; nur so ist eine ganzheitliche Bewertung der Maßnahmen gewährleistet. Für den smart fortwo electric drive sind unter Berücksichtigung des konstruktiven Aufbaus der jeweiligen Baugruppe für die Tür, die Stirnwand, die Dach- sowie Bodenstruktur und die Tridionzelle beispielhaft Isolationskonzepte analysiert worden, 5. Insgesamt haben sich aus 144 möglichen Handlungsalternativen 14 Maßnahmenpakete im Hinblick auf Wirkung und Wirtschaftlichkeit als besonders vorteilhaft erwiesen. Die Maßnahme Vakuumisolationspaneel in der Tür ist beispielsweise aufgrund der Nutzwertkriterien Geometrieflexibilität, Langzeitverhalten und Werkstoffkosten aus einer weiteren Betrachtung ausgeschlossen worden. Konkrete Maßnahmen, die aktuell in der Entwicklung weiter verfolgt werden, sind Polyurethan (PU)-Schaumstoffschichten unterschiedlicher Stärke an der Stirnwand (D1), Dach- (A1) und Bodenstruktur (E2) sowie die Integration niedrig emittierender Beschichtungen (Low-e) in der Türkonstruktion (C1). Die Umsetzung dieser Maßnahmen reduziert den Leistungsbedarf am Heizwärmetauscher der HVAC-Einheit um bis zu 20 % bei einer Konstantfahrt von 50 km/h und einer Umgebungstemperatur von -7 C. Eine analoge Anpassung der Beheizungsleistung bei gleichbleibendem thermischen Komfort führt zu einem Gesamtreichweitengewinn des smart fortwo electric drive von circa 12 km bezogen auf den Leistungsbedarf im NEFZ unter Berücksichtigung von Nebenverbrauchern. Im Rahmen eines Quick-Win-Pakets sind die Maßnahmen bereits teilweise in Serie umgesetzt worden. Eine Low-e- Beschichtung im Luftspalt der Türkonstruktion sowie ein PU-Schaum an der Stirnwandinnenseite ermöglichen beim smart fortwo electric drive unter den getroffenen Annahmen eine Reduzierung des Heizleistungsbedarfs um bis zu 350 W über eine Reduktion des Luftmassenstroms. Dies bestätigen die Klimawindkanalversuche der Daimler AG. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Die methodische Verknüpfung einer CFD-gestützten, statistischen Versuchsplanung mit einem automobilspezifisch angelegten Kriterienkatalog schafft eine objektive Bewertungsbasis, aus der eine eindeutige Handlungsempfehlung hervorgeht. Diese wurde zur Optimierung der thermischen Isolation für den Smart fortwo electric drive realisiert. Um die Auswirkungen passiver Maßnahmen auf den Wärmehaushalt und Isolationskonzepte

6 insbesondere den thermischen Komfort zukünftig genauer beschreiben zu können, müssen bestehende Kabinenmodelle einer Detaillierung unterzogen werden. Ziel ist die Analyse lokaler Temperaturunterschiede sowie differenziert aufgelöster Strömungs- und Strahlungsvorgänge im Bauteilinneren. Der Aufbau dreidimensionaler CFD-Baugruppenmodelle leistet dabei einen wesentlichen Beitrag zu einem fundierteren Systemverständnis und einer höheren Prognosevalidität von Simulationsmodellen. Vor diesem Hintergrund werden aktuelle Kabinenmodelle bei der Daimler AG einer Methodenoptimierung unterzogen. LITERATURHINWEISE [1] Bloch, A.: Bis zu 47 % weniger Reichweite. Elektroauto-Reichweite im Winter. URL: auto-motor-und-sport.de/eco/elektroauto-reichweite-bis-zu-47-prozent-geringere-reichweite-imwinter html [Stand: ] [2] Hesse, B.; Hiesgen, G.; Koppers, M.; Schramm, D.: Einfluss verschiedener Nebenverbraucher auf Elektrofahrzeuge. In: Proff, H. (Hrsg.): Zukünftige Entwicklung in der Mobilität. Betriebswirtschaftliche und technische Aspekte, 1. Aufl. Wiesbaden: Gabler, 2012, S [3] Hinrichs, J.; Schäfer T.: Thermomanagement von Elektrofahrzeugen. In: Mager, R. (Hrsg.): Pkw- Klimatisierung VII. (Reihe: Pkw-Klimatisierung, Bd.7). Renningen: Expert, 2011, S [4] Konz, M.; Lemke, N.; Försterling, S.; Eghtessad, M.: Spezifische Anforderungen an das Heiz-Klimasystem elektromotorisch angetriebener Fahrzeuge. In: Forschungsvereinigung Automobiltechnik e.v. (Hrsg.): FAT-Schriftenreihe 233, 2011 [5] Schweizer, G.: Heizung und Klimatisierung. In: Robert Bosch GmbH (Hrsg.): Sicherheits- und Komfortsysteme. Funktion, Regelung und Komponenten. 3. Aufl. Wiesbaden: Vieweg, 2004, S [6] Currle, J.: Thermische Isolation der Pkw-Fahrgastzelle. Daimler AG, unveröffentlichter Bericht, 2011 POWERTRAINS WITH POWER BRAINS AVL CONNECTED POWERTRAIN Antriebsoptimierung in der vernetzten Welt DOWNLOAD DES BEITRAGS Fahrzeuge kommunizieren bereits untereinander und mit der Infrastruktur. In Zukunft wird auch der Antrieb zunehmend vernetzt sein. Die Vernetzung des Antriebsstrangs mit der Fahrumgebung eröffnet durch das ideale Zusammenspiel der vorhandenen Antriebskomponenten neue Möglichkeiten, Verbrauch und Emissionen im realen Fahrbetrieb zu optimieren. Diese weitere Systemoptimierung klassischer wie auch hybridisierter und elektrifizierter Antriebe bietet darüber hinaus neue Möglichkeiten für Performance, Fahrspaß und Sicherheit. Mit dem Serviceportfolio des AVL Connected Powertrain unterstützt die AVL Kunden bei der Lösung der immer komplexeren Aufgaben in der Antriebsoptimierung unter Berücksichtigung der Umgebungs-Konnektivität. READ THE ENGLISH E-MAGAZINE order your test issue now: AVL Powertrains with Power Brains. Managing connectivity and complexity. 11I Jahrgang 911

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