hyPowerRange - Klimatisierungstechnologie für Elektrobusse
Die Aufgabe der Klimatisierung von Elektrobussen ist begleitet von ständig neuen Herausforderungen. Heute sprechen wir nicht mehr von Heizung oder Klimatisierung in einem E-Bus, sondern von einem sogenannten „Thermomanagement“, denn der gesamte E-Bus ist ein großes Klimanetzwerk.
Die grundlegende Herausforderung ist, dass ein Elektroantrieb keine Abwärme erzeugt, die zum Beheizen des Businnenraumes genutzt werden kann. Auch müssen z.B. die Batterien parallel klimatisiert werden, damit sie möglichst lange und effizient arbeiten.
Perspektiven der Klima- und Heiztechnik für E-Mobilität
Konvekta als Vorreiter nachhaltiger und innovativer Ideen unterstützt viele Forschungs- und Entwicklungsprojekte im Bereich der Elektrifizierung. Hier entstehen Produkte der nächsten Generation und neue Denkansätze, um bestehende Produkte zu verbessern. Konvekta setzt auf junge, dynamische und kreative Köpfe - die eigenverantwortlich arbeiten, so auch in dem Projekt „hyPowerRange“.
In dem vom BMWi geförderte Projekt „hyPowerRange“ wurde ein neuartiges hybrides Batteriekonzept entwickelt und erprobt. Das Ziel des Forschungsprojekts ist es, die Faktoren Reichweite, Kosten, Kühl- und Heizbedarf sowie Leistung von Elektrofahrzeugen zu verbessern. Viele Energiespeicher – Batterien – sind entweder auf Energie oder auf Leistung ausgelegt, doch optimal wäre es, beide Stärken zu verbinden.
Die Herausforderungen
Die Aufgabe des Forschungsteams der Konvekta AG war es, eine konstante Temperierung der Batterie sicherzustellen, um so den zuverlässigen Betrieb, konstante Leistung und eine hohe Lebensdauer der Hochleistungs- und Hochenergiezellen zu gewährleisten. Dies umfasste zusätzlich die Temperierung des Fahrzeuginnenraumes sowie die Klimatisierung der elektrischen Komponenten wie Ladegerät, Motor und Umrichter. Als Fahrzeug entschied man sich für ein PKW (Audi A3), der von einem Verbrennungsmotor auf Elektroantrieb umgebaut wurde. Eine besondere Herausforderung stellte hierbei der geringe Bauraum für das System in Kombination mit Spitzenlasten von bis zu 20 kW bei der Batteriekühlung da.
Kombination aus CO2-Wärmepumpe und Heat2go
Gerade in der Automobilindustrie setzt man noch oft auf elektrische Heizgeräte, um den Innenraum im Winter mit warmer Luft zu versorgen. Diese Form der Heizung schlägt sich massiv auf die Reichweite / den Energieverbrauch eines E-Fahrzeugs nieder, da der Strom direkt aus der Fahrzeugbatterie bezogen wird.
Anders ist das bei einem System mit einer CO2-Wärmepumpe. Durch unterschiedliche Aggregats- sowie Druckzustände des Kältemittels wird die Wärme aus der Umgebungsluft und aus wärmeerzeugenden Komponenten des Fahrzeugs (z. B. den Achsen) gesammelt. Diese Energie wird vervielfacht und zur Beheizung bereitgestellt. Auf Basis der Erfahrungen der letzten Jahre wurde eine neue Form der CO2-Wärmepumpe entwickelt, mit dem Schwerpunkt einer reichweitenoptimierten Batterie- und Fahrzeugtemperierung mit thermischer Vorkonditionierung aus dem elektrischen Netz.
Das Klimakonzept „hyPowerRange“ bekam eine neue Steuerung sowie eine eigene Sensorik. Die theoretische Auslegung und Entwicklung der Wärmetauscher durch eigenen Simulationstools, sowie die Validierung im Prüfstand erfolgten am Standort Schwalmstadt der Konvekta AG.
Des Weiteren wurde eine Weiterentwicklung des thermischen Speichers aus dem Projekt Heat2Go integriert. Heat2Go ist ein schnellladefähiger, modularer Wärmespeicher für elektrische Stadtbusse. Dieser Wärmespeicher nimmt in einem geringen Zeitfenster zugeführte thermische Energie durch einen Wechsel des Aggregatzustandes von fest zu flüssig auf. Die dort gespeicherte Wärmeenergie wird während der Fahrt kontinuierlich an den Innenraum sowie an temperaturbedürftige Nebenverbraucher abgegeben. Hierfür benötigt das System keine Energie aus den Bordbatterien.
Klimatechnik von Morgen - „hyPowerRange“ ist Wegweiser für zukünftige Thermomanagementsysteme für E-Busse
Durch das Projekt „hyPowerRange“ konnten Erfahrungen und Erkenntnisse gewonnen werden, die mittelfristig in den nächsten Generationen der CO2-Wärmepumpen für E-Busse zum Einsatz kommen. So brachte das Projekt neuen Input im Bereich Regelung des Temperaturmanagements. In der Anwendung bedeutet dies eine Steigerung der Effizienz und die Vermeidung von Energieverlusten.
Durch die Weiterentwicklung der thermischen Speicher (Heat2go) konnte eine homogene Temperaturverteilung erreicht werden, die bei der direkten Verschaltung von Hochleistungs- und Hochenergiezellen einen Betrieb aller Zellen innerhalb des „Komfortbereichs“ gewährleistet. Dadurch wird ein sicherer Betrieb, konstante Leistung und eine hohe Lebensdauer der Batterie garantiert. Weiterhin wird durch das Abfedern von Leistungsspitzen und das Verlängern der Stillstandszeit des Verdichters zusätzlich Energie eingespart und der Verdichter geschont.
Der kompakte Bauraum erforderte eine Neukonzeption des Wärmetauschers, der als CO2-Gaskühler und Verdampfer fungiert. Das Ergebnis ist eine Gewichtsersparnis von bis zum einem Drittel bei gleicher Leistung.