Thermomanagement Effizienz in Vollendung

Alternative Antriebe stellen viele Fahrzeughersteller vor neue Herausforderungen. Besondere Aufmerksamkeit wird hierbei den Themen Reichweite, Lebensdauer, Kosten und damit letztlich auch der Effizienz gewidmet.

Wölfle beschäftigt sich seit Jahren mit dem Thema E-Mobilität und arbeitet bereits mit vielen OEMs als Forschungs- und Systempartner an den Fahrzeugen von morgen. Schon 2008 hat die Firma eines der ersten Kühlsysteme für Nutzfahrzeugbatterien entwickelt, um die Lebensdauer der Batterien durch aktive Kühlung effizient zu erhöhen.

Durch den Ausbau dieser Technologie konnte Wölfle in den letzten Jahren neben verschiedenen Komponentenkühlungen mit mathematischen Klimamodellen auch ein Mehrkreis-Flüssigkeitssystem mit reversierender Wärmepumpe erfolgreich am Markt umsetzen.

Aufgrund der kombinierten Expertise im Bereich HV/AC und der modellbasierten Regelung sind wir in der Lage, auch die anspruchsvollsten Lösungen für Ihr Thermomanagement umzusetzen.

Zentrales Thermomanagement

Wölfle Wärmepumpe
<1K

Temperaturgenauigkeit
Mathematisches Energiemodell

Thermomanagement
Maximale Reichweite

Abwärmenutzung & Vorkonditionierung

Thermomanagement Wärmepumpe HV/AC im E-Schlepper wölfle inside

Wölfle beschäftigt sich seit Jahren mit dem Thema eMobilität und ist als Systempartner bei vielen Gabelstapler-Herstellern gesetzt. Parallel arbeiten wir als Forschungspartner bei diversen Herstellern im Off-Highway sowie im Automotiv an den Fahrzeugen von morgen. Lesen Sie unsere Erfolgsgeschichte zur Wärmepumpe...

Erfolgsgeschichte

Es ist keine Seltenheit, dass Fahrzeuge aus Sicht des Thermomanagements umgebaut werden müssen, weil sich die Energieströme im Betrieb anders darstellen als theoretisch gedacht. Mit dem Thermomanagement-Modell von Wölfle kann nun jede Komponente nach deren Vorgaben, Leistungs- und Temperaturniveau an das System angebunden werden. Zudem ist es flexibel an jedes Fahrzeug anpassbar.

Hintergrund Thermomanagement

Moderne oder auch zukünftige Fahrzeuge werden immer mehr zu rein elektrischen Fahrzeugen. Dabei sind nicht nur Pkws im Fokus, sondern auch immer mehr mobile Arbeitsmaschinen, die rein elektrisch betrieben werden müssen. Denn auch hier stehen hauptsächlich Emissionsvorschriften als Motivator im Raum. In einigen Bereichen, wie z.B. bei Gabelstaplern, ist dies bereits seit Jahren Standard. Werden Fahrzeuge zu E-Fahrzeugen, so wird der Kraftstoff durch eine Batterie ersetzt. In manchen Fällen auch durch eine Brennstoffzelle, durch Solarzellen oder durch ein Kabel. Alle diese Fahrzeuge haben somit ein Problem: Die Abwärme, die bisher als Abfallprodukt des Verbrennungsvorgangs zur Verfügung stand, muss elektrisch erzeugt werden. Die Energie, die hierfür benötigt wird, kann die Einsatzzeit bzw. die Reichweite unter ungünstigen Umständen halbieren. Schlagartig spielt die Effizienz der Energieverbraucher eine sehr bedeutende Rolle. Dies gilt insbesondere für Heiz- und Klimaanlagen, aber auch andere Komponenten wie die Batterie oder Brennstoffzelle, Leistungselektronik oder Laderegler, haben spezielle Anforderungen an das Thermomanagement, die es zu lösen gilt.

Funktionsweisen von Komponenten aus Sicht des Thermomanagement

Batterie: Die Batterie ist in einigen Fällen eine sehr pflegeintensive Komponente, die nur in einem bestimmten Temperaturfenster betrieben werden kann. Ab einer Betriebstemperatur von +40°C verringert sich die Lebensdauer, während unterhalb von –10°C der Wirkungsgrad nachlässt und die Leistung sinkt. Darüber hinaus darf der Temperaturunterschied zwischen den einzelnen Zellen einen bestimmten Wert nicht überschreiten, da sich auch hierdurch die Lebensdauer reduziert. Erschwerend kommt hinzu, dass kurzzeitige Spitzenbelastungen in Verbindung mit hohen Strömen wie Rekuperation und Boosten zu einer nicht unerheblichen Erwärmung der Zellen führen.

HVAC-System: Das Heiz-/Klimasystem ist in vielen Projekten ein vernachlässigtes Bauteil. Einen guten Komfort im Innenraum zu erzielen ist nur mit bestimmten Arbeitspunkten möglich, doch diese liegen oft auf anderen Temperaturniveaus als die Komponenten im Thermomanagement. Eine reine Leistungsbeurteilung ist hier nicht möglich, da Menschen auf Temperaturen und Luftmengen sehr empfindlich reagieren. Z.B. sollte im Heizbetrieb eine möglichst hohe Ausblastemperatur (>60°C) gewählt werden. Die maximale Betriebstemperatur von Batterien liegt hier jedoch meist im Bereich von 40°C. Würde man nun mit 40°C heizen wollen, ist dies nur mit deutlich mehr Luft umzusetzen, was sich stark auf den Lautstärkepegel auswirken kann.

Elektrischer Antriebsstrang: Die Komponenten E-Motor, Leistungs- und Ladeelektronik liefern in der Regel Wärmeenergie, die sowohl beim Fahren als auch beim Laden abgeführt werden muss. Diese können am ehesten mit dem Verbrennungsmotor als Energielieferant verglichen werden. Zu beachten ist auch hier der Überhitzungsschutz, speziell beim Laden z.B. über Nacht.

Brennstoffzellen: Durch den Prozess in der Brennstoffzelle wird ebenfalls Wärme frei, die abgeführt werden muss. Die Temperaturniveaus entsprechen annähernd 80°C und sind mit einem Verbrennungsmotor vergleichbar.

Funktion des Thermomanagement

Unter der Funktion des Wärmemanagements versteht Wölfle die perfekte Verteilung und Anpassung der Wärmeströme. Zentraler Ausgangspunkt ist ein komplexes mathematisches Modell, welches unter Berücksichtigung der Wärmebedarfe inkl. deren Temperaturniveaus, Homogenität und Temperaturgenauigkeit, die Ströme steuert. Hierbei können verschiedene Strömungskanäle, wie z. B. Wasserkreise, Kältemittelkreise, Luftströmungen oder auch Konvektion berücksichtigt und gewählt werden. Ebenso ist es möglich die Strömungen durch Verstärker, wie z.B. Wärmepumpen oder auch andere Komponenten wie Außenlufteinheiten, Zuheizer oder Speicher zu leiten. Ziel ist es, möglichst viel Energie zu sammeln und zu nutzen um sie den Komponenten ideal zur Verfügung zu stellen. Thermomanagement ist dazu da, die Schutzfunktion für Komponenten zu erfüllen und Verbrauchern wie z.B. der Heiz-/Klimaanlage die notwendigen Energien zur Verfügung zu stellen. Generell können folgende Mehrwerte erzielt werden

Reichweiten- oder Einsatzzeitverlängerung.
Bessere und effizientere Heiz-/Klima- und Komfortfunktionen
Erhöhung der Lebensdauer von Batterien, Elektronik usw.
Verbesserung der Emissionswerte
Integration von Sonderfunktionen wie Vorkonditionierung, Ladekühlung usw.

Die Erfahrung aus zahlreichen Projekten zeigt, dass der Fokus auch immer auf den Kosten, dem Bauraum und den technischen Grenzen liegen muss.

Vorteile des Wölfle-Ansatzes

Wölfle erstellt ein ganzheitliches „Thermomanagement Modell“, welches hochflexibel an jedes Fahrzeug angepasst werden kann. Das patentierte System ist in der Lage jede Komponente nach deren Vorgaben, Leistungs- und Temperaturniveau an das System anzubinden. Je nach Anforderungen werden hierzu die einzelnen Komponenten mittels Wasserkühlkreisen verbunden. Zentraler Punkt ist die Steuerelektronik, die mittels verschiedener Energie- und Regelmodelle die Energien verteilt. Das Verteilen erfolgt mittels unterschiedlicher Stellglieder, Pumpen und Chiller. Zusätzlich ist es möglich weitere Komponenten zur Energieerzeugung oder -abführung einzubinden. Dazu gehören beispielsweise Wärmepumpen, el. PTC-Heizer, Luft-Wasser-Kühler, etc. Am Ende steht ein hochflexibles Flüssigkeitssystem, welches in erste Prototyp-Fahrzeuge eingebaut werden kann. Bei der anschließenden Erprobung des Fahrzeugs können dann, über eigene Tools, Mess- und Modelldaten gesammelt werden, die anschließend anwendungsspezifisch ausgewertet werden. Ziel der Auswertung ist ein Kosten-Nutzenvergleich, der relativ schnell erkennen lässt, welche Vernetzung im späteren Fahrzeug sinnvoll ist und welche nicht.

Markus Reich

Key-Account-Manager HVAC

Vertrieb

T +49 (0) 7352 / 929 130

Markus.Reich@woelfle-gmbh.de