Projekt E-Climate: Heizen und Kühlen von E-Fahrzeugen Prof. Dr. Hartmut Gnuschke Hochschule Coburg [email protected] Rainer Sonnenberger Valeo Klimasysteme GmbH [email protected] 22. Juli 2016 22. Juli 2016I 1 Gliederung Projekt „E-Climate“ HV-Klimaprüfstand Kältemittelsystem Batteriewärmepumpe Prinzip Batteriewärmepumpe (HC0) Batteriewärmepumpe mit Kompressorheizung unter WLTP-Last (HCB0) Zusammenfassung 22. Juli 2016I 2 Projekt „E-Climate“ - Rahmenbedingungen Projektpartner Valeo: Versuche, Konzept Hochschule Coburg: Simulation BMW : Unterstützung, z.B. HV-Batterie des I3 Förderung Bayerische Staatsregierung Europäische Union (EFRE) Zeitraum: Januar 2011 bis April 2015 22. Juli 2016I 3 Projekt „E-Climate“ – Motivation und Ziele Motivation: Heizen von Elektrofahrzeugen Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren: (Ab-) Wärme „gratis“ E-Fahrzeuge: Woher (Wärme) nehmen, wenn nicht stehlen? Elektrisches Heizen => Minderung der Reichweite Effizientes Heizen => Wärmepumpe(n) Ganzheitliche Systemuntersuchungen inkl. realer HV-Batterie Ziele 1. Aufbau einer Test-Infrastruktur: HV-Batterie-Klimaprüfstand 2. Entwicklung & Test eines Kältemittelsystems (Prototyp) für den I3 22. Juli 2016I 4 1. Projektziel: Bau eines HV-Batterie-Klimaprüfstands 22. Juli 2016I 5 HV-Klimaprüfstand Parameter Wert Innere Abmessungen (L x W x H) 8 x 4,5 x 3 m min /max Temperatur -20 / 60 °C min /max Taupunkt Ca. -25°C / +45°C max. rel. Feuchte 90 % (T-Tp < 1K) max. Luftmassenstrom 5000 kg/h @ 1200 Pa Front-End Adapter (-20°C / 60°C) Systemaufbau auf Gestell oder integriert im Fahrzeug Temperatur-Homogenisierung Versuchskammer 22. Juli 2016I 6 Versuchsumfang Test von Kältekreisen inkl. HV-Batterie WLTP: - Soll-Kurve Druckdifferenz - Ist-Kurve Druckdifferenz „nacktes“ System auf Gestell oder integriert in Fahrzeug Dynamische Systemtests dynamischer Luftmassenstrom dynamische Last auf HV-Batterie (inkl. Rekuperation) Test mit Fahrzyklen: WLTP, RDE, frei definierbar Winterversuche Kaltstart von Elektrofahrzeugen (inkl. kalter HV-Batterie) Vorkonditionierung Kompletter Testumfang für Wärmepumpen mit und ohne Vereisung Entwicklung von Wärmepumpen und Kältemittelsystemen. 22. Juli 2016I 7 HV-Batterietester Laden & Entladen der HV-Batterie Simulation des Fahrbelastung Rückgewinnung von Energie beim Bremsen Rückspeisung der Leistung in das Werksnetz Überwachung der HV-Batterie Max/Min Spannung Max Strom 22. Juli 2016I 8 2. Projektziel: Entwicklung eines Kältemittelsystems 22. Juli 2016I 9 Systemdarstellung alt Fabian Gebhardt, Hochschule Coburg Front-End Wärmetauscher BatterieWärmetauscher 22. Juli 2016I 10 Systemdarstellung neu Fabian Gebhardt, Hochschule Coburg HVAC Kondensator nur Kondensation Batterie KondensatorVerdampfer Kondensation/Verdampfung Front-End KondensatorVerdampfer HVAC Verdampfer nur Verdampfung 22. Juli 2016I 11 Ansicht Kältekreis Innerer Wärmetauscher (HVAC) Zyklon Anschluss HVAC-Kondensator Kompressor Front-End VerdampferKondensatoren Anschluss (TXV) HVAC-Verdamfper Ausgleichsbehälter Anschluss Batterie Kondensator-Verdampfer 22. Juli 2016I 12 Versuchsaufbau 22. Juli 2016I 13 Nomenklatur für Betriebsmoden Fabian Gebhardt, Hochschule Coburg H I + 22. Juli 2016I 14 Übersicht Betriebsmoden 72 Betriebsmoden HC0 HCB0 22. Juli 2016I 15 Übersicht Betriebsmoden 72 Betriebsmoden HC0 HCB0 22. Juli 2016I 16 2. Projektziel: Beispiel: Batteriewärmepumpe (HC0) 22. Juli 2016I 17 Batteriewärmepumpe Nutzung der thermischen Kapazität der HV-Batterie gemessene spezifische Wärmekapazität: Elektrisches Heizen durch Ladung/ Entladung: cp = 0,9 kJ/ (kg K) mBat = 230 kg Vorkonditionierung Heizen der HV-Batterie während der Park- und Ladephase Tmax ≈ 34 °C Fahrbetrieb Nutzung der Wärme für das Heizen der Kabine Tmin ≈ 4 °C Wärmekapazität Q = mBat cp (Tmax-Tmin) ≈ 2 kWh knapp 10 % der elektrischen Kapazität => rund 10% Reichweitenverlängerung 22. Juli 2016I 18 Batteriewärmepumpe: HC0 Luft 22. Juli 2016I 19 Ergebnisse Batteriewärmepumpe Versuchsbedingungen: Kompressordrehzahl und Wärmeleistung 8000 2,4 kW 7000 Abnahme der WP-Leistung 2800 R134a 2400 4200 rpm 5000 2000 4000 1600 3000 1200 2000 800 1000 400 0 0 1000 2000 3000 t [s] 4000 5000 compressor speed [1/min] electric power of compressor [W] 0 6000 Umgebungstem. 0°C Q, P [W] 6000 n [1/min] Systemaufbau (Gestell) 3200 HVAC: Umgebungsbed. (keine Kabine) Luftmassenstrom 200 kg/h, 100% Frischluft Sollvorgabe für Ausblastemperatur: 42°C Kaltstart 'heating power inner condenser, refrigerant side' [W] Abnahme von Kompressordrehzahl und Heizleistung nach 15 Minuten. 22. Juli 2016I 20 2. Projektziel: Beispiel: Batteriewärmepumpe mit Kompressorheizung (HCB0) 22. Juli 2016I 21 Batteriewärmepumpe: HCB0 Luft 22. Juli 2016I 22 Phasentrennung: Sichtbarmachung im Zyklon André Wich, Hochschule Coburg 22. Juli 2016I 23 Ergebnisse Batterie-WP mit Kompressorzuheizung & WLTP Versuchsbedingungen: 8000 3200 Systemaufbau (Gestell) 7000 2800 R134a 6000 2400 5000 2000 4000 1600 3000 HVAC: Umgebungsbed. (keine Kabine) 1200 Übergang auf konstantes Drezahlniveau 2000 Umgebungstemp. 0°C Q, P [W] n [1/min] Kompressordrehzahl und Wärmeleistung 800 1000 Luftmassenstrom 200 kg/h, 100% Frischluft 400 0 0 1000 2000 3000 4000 t [s] 5000 6000 7000 0 8000 Sollvorgabe für Ausblastemperatur: 42°C Kaltstart compressor speed [1/min] electric power of compressor [W] heating power inner condenser, refrigerant side [W] Abnehmende Wärmeleistung der Wärmepumpe wird durch Zunahme der Leistung des Kompressors (steigende Drehzahl) ausgeglichen. 22. Juli 2016I 24 Zusammenfassung HV-Batterie zusätzlich als Wärmespeicher verwendbar (HCO) Abnahme der Wärmeleistung aus HV-Batterie WP während des Heizens Parallelbetrieb von HV-Batterie WP und Heißgas-Loop (HCB0) Kompressor gleicht sinkende Wärmeleistung aus Wärmepumpe aus Zusatznuten aus Abwärme der HV-Batterie während der Fahrt Anwendbar auch für Umwelt- und Rezirkulationswärmepumpe (HI+, RI0) Anwendbarkeit für E-Fahrzeuge? Potential für Einsparung oder Downsizing von elektrischen Zuheizern Bei harten Wintertemperaturen Zuheizer (PTC) erforderlich Lärm/Vibrationen bei hoher Kompressordrehzahl => größerer Kompressor Mindestens 10% zusätzliche (Wärme-) Energie => mindesten 10% mehr Reichweite 22. Juli 2016I 25