Energieeffizientes Heizen eines E-Fahrzeugs

Homann, Gregor

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Beheizung des Fahrgastraums eines E-Fahrzeugs mithilfe einer Wärmepumpe untersucht. Bei den experimentellen Untersuchungen der beiden konventionellen Heizmethoden, dem wasserseitigen Kraftstoff- und dem Hochvoltheizer sowie der entwickelten Wärmepumpe findet ein Vergleich der möglichen Heizleistungen, Ausblastemperaturen und deren Einfluss auf die Reichweite eines E-Fahrzeugs zur Umgebungstemperatur statt. Für den Betrieb der Wärmepumpe mit dem Kältemittel R134a sind Wärmequellen zusätzlich zur Umgebung notwendig, um die gewünschten Heiz- und Ausblastemperaturen unter allen Randbedingungen des Einsatzes in E-Fahrzeugen bereitzustellen. Es zeigt sich beispielsweise, dass der Kühlwasserkreislauf der E-Traktionskomponenten als zusätzliche Wärmequelle genutzt werden kann. Des Weiteren ist eine Kombination der beiden Wärmequellen notwendig, um ein komfortables Beheizen des Fahrgastraums bei Temperaturen um den Gefrierpunkt sicherzustellen. Darüber hinaus wird der Einfluss des Ladevorgangs auf den Kühlwasserkreislauf der E-Traktionskomponenten experimentell untersucht. Hier zeigt sich, dass durch eine optimierte Anordnung der E-Traktionskomponenten die Abwärmemenge des Ladegeräts in der E-Maschine zwischengespeichert werden kann und durch Beendigung des Ladevorgangs mit Fahrtbeginn ein zusätzlicher Reichweitenvorteil durch die Wärmepumpe ermöglicht wird. Abschließend wird mit experimentell ermittelten Daten ein detailliertes Simulationsmodell der Wärmepumpe validiert. Das Simulationsmodell wird verwendet, um das Kältemittel R445A, welches ein Temperaturgleit besitzt, mit dem Kältemittel R134a im Wärmepumpenbetrieb zu vergleichen.

The aim of this thesis is to investigate the possibility of heating the passenger compartment of an electric vehicle using a heat pump. The results of experiments conducted with both the conventional heating systems, i.e., fuel and high-voltage heaters, and the heat pump developed under this thesis were compared in terms of possible heating power, discharge temperature of the air outlet, and the effect of both on the range of an electric vehicle depending on the ambient temperature. Operating the heat pump with the refrigerant R134a requires additional heat sources beyond ambient heat in order to obtain the desired heating and air discharge temperatures under any operating conditions of an electric vehicle. An example for one such additional heat source is the coolant circuit of the electric drive system. Furthermore, it is necessary to combine both heat sources in order to make sure that the heating system is capable of generating comfortable temperatures inside the passenger compartment at temperatures around the freezing point. The influence of the charging process of the high-voltage battery pack on the coolant circuit of the electric drive system is also investigated in an experimental fashion. In conclusion, the experiment shows that, by optimizing the way the components of the electric drive system are arranged, it is possible to buffer the excess heat of the charging unit in the electric machine. By stopping the charging process immediately before the start of a trip, the heat pump has a positive impact on the vehicle´s range. As a conclusion, the data collected during the experiments are used to validate a detailed simulation model of the heat pump. This simulation model serves to compare heat pump operation using refrigerant R134a and refrigerant R445A, which offers a high temperature glide inside the two phase region.

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Homann, Gregor: Energieeffizientes Heizen eines E-Fahrzeugs. 2015.

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