Heiz- und Kühlkonzept für ein batterieelektrisches Fahrzeug basierend auf Sekundärkreisläufen

Weustenfeld, Thomas A.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung und Herleitung eines neuartigen Heiz- und Kühlsystems für ein batteriebetriebenes Fahrzeug. Das System basiert auf zwei Ansätzen: Zum einen dient ein kompakter Kältemittelkreislauf der zentralen Bereitstellung von Heiz- und Kühlleistung. Zum anderen erfolgt eine einfache Anbindung von thermischen Quellen und Senken über Sekundärkreisläufe. Im Rahmen dieser Arbeit werden neuartige Methoden zur systematischen Ableitung von Funktionen, Betriebsstrategien, Verschaltungsplänen und Simulationsmodellen für ein solches System mit Hilfe der Graphentheorie erarbeitet. Verteilte Heiz- und Kühlsysteme müssen dabei ganzheitlich betrachtet werden, um eine effiziente Nutzung der vorhandenen Energie zu gewährleisten. Durch die Anwendung einer neuen Bewertungsmethode, die das statistisch repräsentative Nutzungsverhalten mit realen Klimaprofilen abbildet, werden erstmalig reale thermische Anforderungen an das Heiz- und Kühlsystem untersucht. Dazu wird ein Gesamtfahrzeugmodell eines batterieelektrischen Fahrzeugs vorgestellt. Dieses besteht aus einem Längsdynamik- und Antriebsstrangmodell zur Vorhersage thermischer Verluste der elektrischen Antriebskomponenten sowie einem Klimasystemmodell zur Vorhersage stationärer und transienter Klimatisierungsbedarfe. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht eine neue Methode zur Identifikation erforderlicher thermischer Energieströme zwischen Quellen und Senken des Heiz- und Kühlsystems bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Temperaturdifferenzen, die für die Übertragung von Wärme Voraussetzung sind. Durch Anwendung der Methode werden energieflussbasierte Betriebsstrategien unter Annahme eines idealisierten Thermomanagements abgeleitet. Im Rahmen einer statistischen Analyse werden identifizierte Betriebsarten klassifiziert sowie Auftrittshäufigkeiten und Wechselwirkungen für die Betriebsfälle Heizen/Kühlen und Entfeuchten untersucht. Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen folgt die systematische Ableitung, Untersuchung und Optimierung hydraulischer Realisierungen, die sich aus der energieflussbasierten Analyse ergeben. Dabei wird eine neue graphentheoretische Methode zur halbautomatisierten Ableitung von Simulationsmodellen beliebiger Verschaltungspläne erarbeitet. Die Anwendung der Simulationsmethoden erfolgt für die Bewertung eines ganzjahrestauglichen thermischen Energiespeichers hinsichtlich der Steigerung der elektrischen Reichweite.

The objective of this thesis is to study and establish a novel heating-and-cooling system for battery electric vehicles. This system is based on two principles: First, a compact refrigeration unit provides heating and cooling power centrally. Second, using secondary fluid loops simplifies the way thermal sources and thermal sinks are integrated. By applying graph theory, this work develops new methods for systematic deduction of functions, operational strategies, system designs and simulation models. At the same time, various subsystems must be considered holistically in order to ensure most efficient use of available energy and thus minimize the negative impact on real-world electric driving range. This thesis also applies a new method using statistically-representative customer usage and climate profiles to the study real-world thermal demands of the heating and cooling system for the first time. This requires a model of a battery electric vehicle, which consists of a longitudinal dynamics model, a drive train model, and a climate system model. The longitudinal dynamics and drive train model are used to predict thermal losses of electric drive train components, while the climate system model is used to predict steady state and transient heating and cooling loads for interior air conditioning. Central to this thesis is a new method for identifying the necessary thermal energy flows among components of the heating-and-cooling system while simultaneously considering temperature differences required for heat transfer. Using the new method, energy-flow-based operation modes are identified under the assumption of an ideal thermal management. Within the scope of a statistical analysis, such identified operation modes are classified and also their probability of occurrence and interaction is studied. Finally, hydraulic realizations are derived (from the discovered energy-flow-based operation modes), analyzed and optimized. A new method generalizing the simulation of arbitrary coolant flow loops is developed. This simulation method evaluates a year-round available thermal energy storage system with respect to its ability to increase electric driving range.

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Weustenfeld, Thomas: Heiz- und Kühlkonzept für ein batterieelektrisches Fahrzeug basierend auf Sekundärkreisläufen. Göttingen 1. Auflage 2018. Cuvillier.

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