Fortschrittliche Thermomanagement-Lösungen für Hybridfahrzeuge

Fossil und die Alternative

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Viele Experten sind der Ansicht, dass der flächendeckende Einsatz energiesparender Hybrid-, Plug-in-Hybrid- und Elektrofahrzeuge Kraftstoffkosten senken, die Luftqualität in Städten verbessern und den Ausstoß von Treibhausgasen reduzieren kann. Darüber hinaus vermindern diese Fahrzeuge die Abhängigkeit von erdölbasierten Kraftstoffen und leisten damit einen Beitrag zur Entlastung der Wirtschaft und Erhöhung der nationalen Sicherheit.

Autor: Thomas Heckenberger, Vize Präsident Entwicklung Delphi Thermal Systems, Delphi Kunden-Technologie-Zentrum, Luxemburg

Herkömmliche Klimaanlagen verursachen etwa 5 % des gesamten Kraftstoffverbrauchs eines Fahrzeugs. Dies entspricht im Durchschnitt ca. 160 l pro Jahr – ein erheblicher Posten angesichts konstant hoher Kraftstoffpreise und der verstärkten Bemühungen, Kraftfahrzeuge umweltfreundlicher zu machen. Delphi arbeitet fortlaufend an der Entwicklung von Technologien zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs durch Heizungs-, Lüftungs- und Klimasysteme von Fahrzeugen. Delphi-Komponenten wie elektronisch gesteuerte Kompressoren oder Wärmetauscher reduzieren den durch Klimatisierung bedingten Kraftstoffverbrauch um 50 % und leisten dadurch auch einen Beitrag dafür, dass Hybrid- und Elektrofahrzeuge an Akzeptanz gewinnen. Delphi-Lösungen machen elektrisch angetriebene Fahrzeuge wirtschaftlicher und damit zu einer konkurrenzfähigen Alternative zu fossilen Antrieben.
Beim Thermomanagement geht es darum, thermische Energie im Fahrzeug so zu nutzen, dass einerseits die Insassen hohen thermischen Komfort genießen und andererseits die richtige Betriebstemperatur von Fahrzeugkomponenten sichergestellt werden kann. Dabei erfordern unterschiedliche Fahrzeugtypen (Micro-Hybrid, Mild-Hybrid, Hybrid und Elektrofahrzeug) unterschiedliche Lösungen.
Latentwärmespeichertechnik mit Phasenwechselmaterial
Eine besondere Eigenschaft von Hybridfahrzeugen besteht darin, dass sich der Verbrennungsmotor während der Fahrt in bestimmten Situationen automatisch ab- und wieder zuschaltet – z. B. bei Halt an Ampeln oder Stoppschildern. Dies senkt den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen solcher Fahrzeuge. Delphi hat eine Latentwärmespeichertechnik mit Phasenwechselmaterial (Phase Change Material – PCM) entwickelt, mit der Hybridfahrzeuge bei laufendem Verbrennungsmotor Kühlkapazität für die Klimaanlage speichern können. Beim Delphi-System ist der Verdampfer der Klimaanlage mit PCM ausgestattet. Während des normalen Betriebs wird dem erstarrenden Material thermische Energie entzogen. Aufgrund der Eigenschaft der latenten Wärme speichert es also sozusagen Kälte. Wenn sich der Kompressor bei Motorstopp abschaltet, liefert die Klimaanlage weiterhin gekühlte Luft, da das PCM schmilzt und dabei der Umgebungsluft Wärme entzieht. Dies ermöglicht die unterbrechungsfreie Kühlung des Fahrzeuginnenraums; darüber hinaus wird verhindert, dass Gerüche von außen eindringen können. Auf diese Weise hält das System je nach eingesetzter PCM-Menge die gewünschte Innenraumtemperatur für ein bis zwei Minuten aufrecht – genug, um Stopp-Phasen z. B. an der Ampel zu überbrücken. Verschiedene Materialien zeichnen sich durch Phasenwechseleigenschaften aus. Delphi setzt paraffinbasierte PCMs ein, da sie gute thermische Eigenschaften besitzen und langzeitstabil sind. Darüber hinaus erforscht wird der Einsatz zusätzlicher umweltfreundlicher PCM-Optionen. Auf der Grundlage umfassender Analysen konnte Delphi PCM-Verdampfer zur Erzeugung eines Thermosiphon-Effekts entwickeln, die mit nur wenigen zusätzlichen Bauteilen auskommen und bei denen das Kühlmittel bereits integriert ist. Bewegliche Teile entfallen, darüber hinaus lassen sich die Verdampfer leicht montieren.
Kühlung ja – aber auch Heizen
PCMs sind also die Lösung zur Kühlung des Innenraums – der aber natürlich auch beheizt werden muss. In der Regel wird hierzu die Abwärme des Verbrennungsmotors genutzt. Bei Elektrofahrzeugen fehlt dieser – folglich greift man für die Heizung des Innenraums auf elektrische Komponenten zurück. Diese Komponenten müssen vom Akku gespeist werden, was die Reichweite von Elektrofahrzeugen erheblich reduziert. Um diesen Effekt zu minimieren, wird die Abwärme von Elektromotoren, Batterien und Leistungselektronik genutzt. Delphi hat hierzu ein HPAC-Klimasystem (Unitary Heat Pump Air Conditioner) mit Wärmepumpenmodus entwickelt, das die Energieeffizienz deutlich erhöht, Emissionen reduziert und für thermischen Komfort im Innenraum von Fahrzeugen sorgt. Das HPAC-System besteht aus einer mit Kältemittel gefüllten Wärmepumpe und einem Verteilsystem. Diese Lösung entzieht der Umgebungsluft Wärme und nutzt die Abwärme von Fahrzeugkomponenten zur Heizung des Innenraums. Ein Beispiel zur Veranschaulichung: Aus 1 W elektrischer Energie können mit einer Wärmepumpe 2 bis 3 W Wärme erzeugt werden, mit einer elektrischen Heizung dagegen nur etwa 0,95 W. Dieselbe kompakte HPAC-Einheit kann zur effizienten Heizung und Kühlung des Fahrzeuginnenraums genutzt werden. HPAC bringt besondere Vorteile bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen, da der Batterie weniger Energie zur Klimatisierung entnommen und damit die Reichweite des Fahrzeugs erhöht wird.
Bei Umgebungstemperaturen unter 0 °C sind Fahrzeuge, die wenig Verbrennungswärme erzeugen (z. B. Hybrids), bislang auf elektrische Komponenten zur Heizung und Beschlagentfernung angewiesen. Tests mit HPAC-Systemen haben gezeigt, dass die reduzierte Energieentnahme aus Akkupaketen die elektrische Reichweite von Fahrzeugen bei niedrigen bis mittleren Umgebungstemperaturen um bis zu 10 % erhöhen kann. Prüfstandsversuche mit einem Plug-in-Hybridfahrzeug ergaben eine Reduktion der CO2-Emissionen von 2,4 g pro Kilometer. Durch den Verzicht auf Gummileitungen konnten die Kältemittel-Emissionen auf beinahe Null gesenkt werden.
Delphi Deutschland, Tel.: 0202 291-2115, E-Mail: thomas.aurich@delphi.com
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