Elektrofahrzeuge

Fraunhofer LBF entwickelt Phase Changing Material

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Zu einem ganzheitlichen, nutzerorientierten Energiemanagement im Innenraum eines Elektrofahrzeugs trägt zum Beispiel Phase Changing Material (PCM) im Armaturenbrett bei, das die Wärme aus der Sonneneinstrahlung ableitet Bild: Fiat
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Wie sich mit geschicktem Thermomanagement nicht nur die Temperatur im Fahrzeug, sondern auch die Reichweite von Elektromobilen positiv beeinflussen lässt, haben jetzt Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF im Rahmen des EU-Forschungsprojektes OPTEMUS gezeigt. Im Zentrum steht ein neu entwickeltes Kompositmaterial, das bei konstanter Sonneneinstrahlung die Oberflächentemperatur am Armaturenbrett eines Elektrofahrzeugs deutlich senkt.

Auch in Deutschland kommt die Elektromobilität langsam in Schwung. Im vergangenen Jahr hat sich die Zahl der Elektrofahrzeuge auf 93.000 nahezu verdoppelt. »Um den Absatz von Elektrofahrzeugen weiter zu steigern, ist es nicht nur notwendig, die Performance, wie beispielsweise die Reichweite, zu optimieren, sondern auch den Komfort der Insassen zu steigern. „Dazu gehört unter anderem ein sinnvolles und kundenorientiertes thermisches Management im Fahrzeuginneren“, betont Paul Becker, der ein Forschungsprojekt im Fraunhofer LBF zu diesem Thema leitet. Teilziel des EU-Forschungsprojektes OPTEMUS (s. Kasten) ist es, neuartige Materialien für den Einsatz im Armaturenbrett zu entwickeln, die die maßgeblich von der Sonneneinstrahlung verursachte Wärme von der Oberfläche ableiten und damit die Wärmestrahlung verringern. Diese Aufgabe lösten die Wissenschaftler des Fraunhofer LBF mithilfe eines Kompositmaterials und des Kühlsystems. Im Projekt wurde der gesamte Produktentstehungsprozess von der Definition der Anforderungen, Design, Herstellung des Materials und experimentellen Materialcharakterisierung sowie Fertigung eines Prototyps umgesetzt.

Teamwork von Polyethylen und Graphit

Im Laufe des Projekts experimentierten die Darmstädter Forscher an unterschiedlichen Trägermaterialien und integrierten verschiedene Füllstoffe wie Bornitrid und Graphit. Am Ende stand ein Material, das einen Phasenübergang durchlaufen kann, ein sogenanntes Phase Changing Material (PCM) mit einem Trägermaterial aus Polyethylen und dem Füllstoff Graphit. Das Graphit verleiht dem Kompositmaterial eine sehr gute thermische Leitfähigkeit und bewirkt eine schnelle Wärmeableitung. Der PCM-Anteil sorgt für eine gute „Energiespeicherung“.

Unter dem Bauteilnamen Smart Cover Panel wurden die Arbeitsprinzipien von Graphit und PCM-Material im Projekt zusammengefasst. Um die Vorteile des neuen Materials zu demonstrieren, bauten die Wissenschaftler dieses Bauteil in das Armaturenbrett eines Elektrofahrzeugs ein, um anschließend einen Kreisprozess von Aufheiz- und Kühlphase zu erzeugen. Für die Kühlung sorgten Peltier-Elemente. Diese elektrothermischen Wandler werden ihrerseits mit externen Lüftern gekühlt. Die Energie für Peltier-Elemente und Kühler kommt aus einer zusätzlichen 12 Volt Batterie, die mit Photovoltaikstrom gespeist wird.

Elektronische Komponenten leben länger

Die beim Phasenübergang freiwerdende Energie nutzten die LBF-Forscher, um die Peltier-Elemente nur für eine bestimmte Zeitspanne einzuschalten. Auf diese Weise müssen die Lüfter nicht konstant auf Maximalleistung laufen. Durch eine entsprechende Regelung wird das Kühlsystem an die Temperatur im Material gekoppelt. Dies soll zu einer höheren Lebenserwartung der elektronischen Bauelemente führen. Dank einer geschickten Einstellung des Start-Punktes des Arbeitskreises wird das Smart Cover Panel durch das Sonnenlicht selbst geregelt. Das bedeutet: Die Kühlung startet nur in heißen Sommertagen, und im Winter bleibt die begehrte Wärme im Armaturenbrett.

Das neu entwickelte Material wurde mit dem konventionell in Armaturenbrettern verwendeten Polypropylen-Talkum-Compound experimentell verglichen. Dazu beanspruchten die LBF-Wissenschaftler beide Materialien mit einer Strahlungsleistung von 1200 W/m2. Nach der Versuchsdauer von 1000 s beträgt die Temperaturdifferenz auf der Oberfläche der Probekörper rund 41°C. Das entspricht einer Temperaturreduktion von etwa 46%. Auf das Kompositmaterial wurde zusätzlich sogenanntes TISS-Material (Thickness Insensitive Spectrally Selective) aufgeklebt, das für bessere Haptik und Oberflächeneigenschaften sorgt. TISS reflektiert große Teile der Infrarotstrahlung und verringert somit die Energieaufnahme. eve

www.lbf.fraunhofer.de

Weitere Beispiele zum Thema Systemforschung Elektromobilität des Fraunhofer LBF:

hier.pro/hMINi

PLUS

Das EU-Forschungsprojekt

Das Projekt „Optimised Energy Management and Use“, kurz: OPTEMUS, setzt sich dafür ein, eine der größten Hürden für den großflächigen Einsatz von Elektro- und Plug-in-Hybridfahrzeugen zu überwinden: die Reichweitenbegrenzung aufgrund der Speicherkapazität von Elektrobatterien. Der Schwerpunkt wird dabei auf eine ganzheitliche, nutzerorientierte Blickweise auf das Energiemanagement des gesamten Fahrzeugs gelegt. Konkret wird das EU-Forschungsprojekt eine Reihe neuer Kerntechnologien und ergänzende Technologien, wie das vom Fraunhofer LBF hier vorgestellte Beispiel, in Kombination mit intelligenten Steuerungen entwickeln.

Projekt-Budget: 6.39 Mio Euro

Projekt-Start: 1. Juni 2015

Project-Ende: 28. Februar 2019

Teilnehmer: Virtual Vehivle Research Center, Österreich; ESI Group, Frankreich; Fraunhofer, Deutschland; IFPEN, Frankreich; Centro Ricerche Fiat, Italien; Continental, Deutschland; Mondragon University; Spanien; Magneti Marelli; Italien; University of Salerno, Italien; Bax & Willems, Spanien; Scuola Superiore Sant’Anna, Italien; Denso Thermal Systems SpA, Italien; Denso Automotive Deutschland GmbH, Deutschland; RWTH Aachen, Deutschland; ESI Software Germany, Deutschland

www.optemus.eu


PLUS

Das EU-Forschungsprojekt

Das Projekt „Optimised Energy Management and Use“ (kurz OPTEMUS) setzt sich dafür ein, eine der größten Hürden für den großflächigen Einsatz von Elektro- und Plug-in-Hybridfahrzeugen zu überwinden: die Reichweitenbegrenzung aufgrund der Speicherkapazität von Elektrobatterien. Der Schwerpunkt liegt dabei auf einer ganzheitlichen, nutzerorientierten Blickweise auf das Energiemanagement des gesamten Fahrzeugs. Konkret wird das EU-Forschungsprojekt eine Reihe neuer Kerntechnologien und ergänzende Technologien, wie das vom Fraunhofer LBF vorgestellte Beispiel, in Kombination mit intelligenten Steuerungen entwickeln.

  • Projekt-Budget: 6.39 Mio. Euro
  • Projekt-Start: 1. Juni 2015
  • Projekt-Ende: 28. Februar 2019
  • Teilnehmer: Virtual Vehivle Research Center, Österreich; ESI Group, Frankreich; Fraunhofer, Deutschland; IFPEN, Frankreich; Centro Ricerche Fiat, Italien; Continental, Deutschland; Mondragon University; Spanien; Magneti Marelli; Italien; University of Salerno, Italien; Bax & Willems, Spanien; Scuola Superiore Sant’Anna, Italien; Denso Thermal Systems SpA, Italien; Denso Automotive Deutschland GmbH, Deutschland; RWTH Aachen, Deutschland; ESI Software Germany, Deutschland

www.optemus.eu

Bild: Europäische Commission Horizon 2020
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