Thermomanagement im batteriebetriebenen Pkw unter Nutzung eines Kaltdampfprozesses mit Sekundärkreislaufsystem

Menken, Jan Christoph

In der vorliegenden Arbeit werden die theoretische und experimentelle Untersuchung sowie die Bewertung eines Sekundärkreislaufsystems mit kompaktem Kältemittelkreislauf für das Pkw-Thermomanagement am Beispiel eines batteriebetriebenen Fahrzeugs beschrieben und diskutiert. Mit dem steigenden Grad der Elektrifizierung des Antriebsstrangs verringert sich die zur Verfügung stehende Abwärme des Verbrennungsmotors. Zusätzlich haben neue thermische Quellen und Senken einen großen Einfluss auf die Wärme- und Energiebilanz im Fahrzeug und stellen neben der unveränderten Kundenerwartungshaltung nach thermischem Komfort im Fahrzeuginnenraum weitere Anforderungen an das Pkw-Thermomanagement. Eine Möglichkeit, diese Ansprüche zu erfüllen, ist der Einsatz eines Sekundärkreislaufsystems. Dabei werden die elektrischen Antriebskomponenten sowie der Fahrzeuginnenraum und die Fahrzeugumgebung über Sekundärfluidkreisläufe an einen kompakten Kältemittelkreislauf angebunden. Zunächst wird ein solches Sekundärkreislaufsystem modelliert; anschließend erfolgt die Kalibrierung des Modells durch eine R-134a-Versuchsanlage. Unter typischen, für die Innenraumklimatisierung repräsentativen stationären und dynamischen Randbedingungen werden simulative Untersuchungen eines Sekundärkreislaufsystems im Wärmepumpen-, Entfeuchtungs- und Kühlbetrieb durchgeführt. Dazu zählen Betrachtungen zur Kältemittelmengenreduktion in kompakten Kältemittelkreisläufen, Aussagen zur Positionierung des Kompaktkältemittelkreislaufs im Vorderwagen sowie ein Vergleich verschiedener Sekundärkreislaufsysteme mit einer konventionellen Klimaanlage. Unter Berücksichtigung des Mobilitätsverhaltens und der klimatischen Randbedingungen wird in dieser Arbeit eine neuartige Methode zur Bewertung des Jahresenergieverbrauchs eines Pkw-Thermomanagementsystems entwickelt. Diese allgemeingültige Methode kann über die hier gezeigte beispielhafte Anwendung hinaus in Verbindung mit geeigneten Simulationsmodellen zur Untersuchung des Aufheiz- und Abkühlverhaltens der thermischen Massen im Fahrzeug sowie zur Bewertung von Strategien zur Vorkonditionierung eingesetzt werden. Da sich hermetisch gekapselte Kompaktkältemittelkreisläufe für den Einsatz alternativer, gegebenenfalls auch brennbarer Kältemittel eignen, erfolgt zudem ein simulativer Vergleich unterschiedlicher Drop-In-Kältemittel für ein R-134a-System. Zur Bewertung des Kältemittels R-744 werden entsprechende Anpassungen im Simulationsmodell vorgenommen.

This work describes the theoretical and experimental investigation as well as the evaluation of an automotive secondary loop system with a compact refrigerant cycle for a battery electric vehicle. Due to the electrification of the drivetrain, less waste heat is provided by the internal combustion engine. Combined with unchanged costumer demands for thermal comfort, new heat sinks and sources influence the vehicle's overall heat and energy balance and pose increased demands on the vehicle thermal management system. One option to fulfill these requirements is the implementation of a secondary loop system. This system connects the electric drivetrain components, the passenger compartment, and the environment via secondary fluid loops to a compact refrigeration cycle. First, such a secondary loop system is modeled and subsequently calibrated with an R-134a test bench. Simulations of this secondary loop systems are conducted for representative stationary and transient boundary conditions in heat pump, reheat and cooling mode. These conditions contain observations of refrigerant mass reduction in the compact refrigeration unit, the positioning of this unit in the vehicle front section, as well as a comparison between different secondary loop systems with a conventional refrigerant cycle. Under consideration of the mobility behaviour and the ambient boundary conditions, a new method for the estimation of the energy consumption of a vehicle thermal management system is developed. This universal method can be used beyond the exemplary application shown in this work. In combination with appropriate simulation models for the heat up or cool down of the vehicle's thermal masses, the method can be used to evaluate pre-conditioning strategies. As hermetic encapsulated refrigerant cycles are suitable for the insertion of alternative, possibly even flammable, refrigerants, different drop-in refrigerants for an R-134a system are evaluated by simulation. For the assesment of R-744, appropriate adjustments of the simulation model have to be implemented.

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Menken, Jan: Thermomanagement im batteriebetriebenen Pkw unter Nutzung eines Kaltdampfprozesses mit Sekundärkreislaufsystem. 2016.

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