E-Climate - Wissenschaftstag der Metropolregion Nürnberg

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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
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