Feedback

Ein Beitrag zur Optimierung von Ladevorgängen elektrifizierter Fahrzeuge unter Thermomanagement-Gesichtspunkten

Roesky, Jan-Ole Nils

Die vorliegende Arbeit geht der Frage nach, inwieweit Ladevorgänge elektrifizierter Fahrzeuge unter Thermomanagement-Gesichtspunkten optimiert werden können. Gegenstand der Arbeit ist eine Ladestrategie für Elektrofahrzeuge, in der Verluste im Ladegerät aus der Energiewandlung von Wechsel- zu Gleichstrom für ein Thermomanagement von Innenraum und HV-Batterie genutzt werden.
In einer experimentellen Analyse werden die Verluste der beteiligten Komponenten eines Citroën C-Zeros und Smart EDs messtechnisch erfasst sowie Ladevorgänge der drei gängigen Lademodi analysiert. Dabei zeigt sich, dass höhere Ladeleistungen in der Regel mit höheren Auflade-Effizienzen einhergehen. Zudem erweist sich das AC-Laden mit 22kW unter den betrachteten Randbedingungen sowohl als schneller als auch in der Gesamtwirkungsgradbetrachtung effizienter als das DC-Laden mit 50kW.
Es wird ein thermisches Gesamtfahrzeug-Modell entwickelt und parametriert, mit dessen Hilfe verschiedene Maßnahmen zur Nutzbarmachung der Verluste während des Ladevorgangs simuliert werden.
Die simulative Untersuchung zeigt ein begrenztes Potential der Abwärmenutzung zur Innenraumkonditionierung mittels thermischen Energiespeichers (TES). Sofern bei der Nutzung der eingespeicherten Energie auch auf den sensiblen Anteil des Phasenwechselmaterials (PCM) Natriumacetat abgezielt wird und auf eine eigentlich charakteristische Unterkühlung des Materials verzichtet wird, können unter bestimmten Bedingungen mit hohem Aufwand Energieeinsparungen ausgewiesen werden.
Des Weiteren zeigt die simulative Untersuchung erstmalig, dass die Abwärme des Ladegerätes zur Erwärmung der HV-Batterie genutzt und darüber hinaus das Heizungsverhalten eines HV-Batterie-PTCs mittels einer intelligenten Steuerung nachgestellt werden kann. Eine Bewertung der Simulationsergebnisse im Hinblick auf unterschiedliche klimatische Randbedingungen (Oslo, Zürich, Madrid) weist gewichtete Effizienzsteigerungen im Jahresmittel nach. Damit kann auf ein eigenes HV-Batterie-PTC inklusive der kostenintensiven Anbindung an den Kühlkreislauf verzichtet werden. Durch den Entfall dieser Komponente werden auf Herstellerseite eine Kosteneinsparung und auf Nutzerseite eine Verbrauchsreduzierung infolge des geringeren Gesamtgewichts des Fahrzeugs sowie höhere Lade-Effizienzen bei niedrigen Umgebungstemperaturen erzielt.

The present work investigates the extent to which charging processes of electrified vehicles can be optimized under thermal management aspects. The subject of the work is a charging strategy for electric vehicles, in which losses in the charger from the energy conversion from alternating current to direct current are used for a thermal management of interior and HV battery.
In an experimental analysis, the losses of the components involved in charging a Citroën C-Zero and a Smart ED are measured and analyzed. The three common charging modes are analyzed, showing that higher charging power is generally associated with higher charging efficiencies. However, AC-charging at 22kW is both faster and overall more efficient than DC-charging at 50kW under the considered boundary conditions. 
A full thermal vehicle model is being developed and parameterized to simulate various measures for utilizing losses during the charging process and to assess their usefulness. 
The simulative investigation shows a limited potential of waste heat utilization for cabin heating by means of a thermal energy storage system (TES) using the phase change material (PCM) sodium acetate  trihydrate (SAT). Significant energy savings can only be achieved if not only the stored latent heat but also the superheated sensible heat in the TES is being used to heat the cabin. In this case, the characteristic supercooling of the PCM is deliberately avoided. Therefore, energy savings can only be reported under certain requirements and boundary conditions.
For the first time, the simulative investigation demonstrates that the waste heat from the charger can be used to heat the HV-battery as well as that by means of an intelligent control system the heating behavior can be adjusted to mimic a HV-battery-PTC. An evaluation of the simulation results with regard to different climatic boundary conditions (Oslo, Zürich, Madrid) shows weighted annual average efficiency improvements. As a result, it is possible to dispense with a separate HV-battery-PTC, including the expensive connection to the cooling cycle. The elimination of this component leads to cost savings for the manufacturer and to reduced fuel consumption due to the lower weight of the vehicle and higher charging efficiencies at low ambient temperatures for the user.

Cite

Citation style:
Could not load citation form.

Access Statistic

Total:
Downloads:
Abtractviews:
Last 12 Month:
Downloads:
Abtractviews:

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export