Neues Verbundmaterial senkt die Temperatur des EV-Dashboards

Neue Polymerverbundwerkstoffe können in zukünftigen Elektrofahrzeugen mehrere Funktionen und Endanwendungen haben.
QUELLE:http://xeric.eu/wp-content/uploads/4_Steiner.pdf

Elektromobilität gewinnt in Deutschland an Fahrt. Wie das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (Fraunhofer LBF, Darmstadt) im Juli mitteilte, hat sich die Zahl der Elektrofahrzeuge (EV) 2017 auf 93.000 nahezu verdoppelt. „Um den Absatz von Elektrofahrzeugen weiter zu steigern, ist es nicht nur notwendig, die Leistung, etwa die Reichweite, zu optimieren, sondern auch den Insassenkomfort zu erhöhen. Dazu gehört unter anderem ein sinnvolles und kundenorientiertes Thermomanagement im Fahrzeuginnenraum“, sagt Paul Becker, der das Forschungsprojekt Optimiertes Energiemanagement und -nutzung (OPTEMUS) am Fraunhofer LBF leitet.

Ein Teilziel von OPTEMUS war die Entwicklung neuartiger Materialien für das Armaturenbrett von Elektrofahrzeugen, um die durch Sonneneinstrahlung von der Armaturenbrettoberfläche verursachte Wärme abzuleiten. Das Fraunhofer LBF löste dies durch die Entwicklung eines graphitgefüllten Polyethylen (PE)-Verbundmaterials, das in das Kühlsystem von Elektrofahrzeugen integriert ist. Das Team hat eine Temperatursenkung von 46 % erreicht und den Energiebedarf für den Betrieb der Klimaanlage reduziert, was wiederum der Reichweite des Fahrzeugs zugute kommt.

OPTEMUS

Als EU-finanziertes Projekt, das von einem großen Team von Unternehmen unterstützt wird, zielt OPTEMUS darauf ab, eines der größten Hindernisse für die breite Einführung von Elektrofahrzeugen (EVs) zu überwinden:Reichweitenbeschränkung aufgrund begrenzter Speicherkapazität von Elektrobatterien. Im Juni 2015 gestartet und im kommenden Februar abgeschlossen, beabsichtigt OPTEMUS, eine Reihe innovativer Kerntechnologien und ergänzender Technologien in Kombination mit intelligenten Steuerungen zu entwickeln.

Der Demonstrator ist ein A-Segment-EV (Fiat 500e). Dieser reale Prototyp in Kombination mit dem virtuellen Prototyping der unten aufgeführten Technologien wird die folgenden Ziele demonstrieren:

• Mindestens 32 % weniger Energieverbrauch für die Komponentenkühlung und 60 % für den Fahrgastkomfort
• Zusätzliche 15 % Energieeinsparung für die Traktion verfügbar
• Energiereduzierung ermöglicht eine erhöhte Reichweite bei extremen Wetterbedingungen> 44 km (38 %) bei heißen Umgebungsbedingungen und 63 km (70 %) bei kalten Umgebungsbedingungen.

Verbundwerkstoffe als Phasenwechselmaterialien

Phasenwechselmaterialien (PCMs) werden seit über einem Jahrzehnt für den Einsatz in Gebäuden, in der Elektronik und jetzt auch in Autos entwickelt. PCMs sind Materialien, die bei bestimmten Temperaturen schmelzen und erstarren und die während dieser Phasenänderung große Energiemengen speichern oder abgeben können. Beachten Sie, dass auch Festgas- und Flüssiggas-PCM untersucht wurden. PCMs können organische oder anorganische Verbindungen sein, enthalten jedoch normalerweise einen leitfähigen Füllstoff, in dem Graphit ins Spiel kommt. Andere PCMs verwenden Kohlenstoffnanoröhren (CNTs).

Verbundwerkstoffe werden als Phasenwechselmaterialien entwickelt (PCMs) unter Verwendung von Graphit, Graphen und mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs).
QUELLE:steemkr.com/science (links) und International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 120 , Mai 2018, Seiten 33-41 auf ScienceDirect.com (rechts).

Forscher des Fraunhofer LBF haben mit unterschiedlichen Trägermaterialien und Füllstoffen wie Bornitrid und Graphit experimentiert. Am Ende stand ein Substrat aus Polyethylen, einem bereits im Autoinnenraum verbreiteten Polymer, und Graphit als Füllstoff. Der Graphit verleiht dem Verbundwerkstoff angeblich eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und schnelle Wärmeableitung sowie eine hervorragende Energiespeicherung.

Die Arbeitsprinzipien für das Graphit/PE-Komposit-PCM wurden im Rahmen des "Smart Cover Panels" von OPTEMUS vervollständigt. Um die Vorteile des neuen Materials zu demonstrieren, integrierten die Forscher es in das Armaturenbrett des Fiat 500e-Prototyps und führten ihn durch Heiz- und Kühlphasen. Die Kühlung erfolgte durch Peltier-Elemente, bei denen es sich um elektrothermische Wandler handelt, die wiederum durch externe Lüfter gekühlt wurden. Die Energie für die Peltier-Elemente und den EV-Heizkörper stammt aus einer zusätzlichen 12-Volt-Batterie, die von Photovoltaikzellen betrieben wird.

Graphit/Polypropylen Verbund-PCM im Armaturenbrett des Fiat 500e-Prototyps installiert.
QUELLE:Fraunhofer LBF

Die LBF-Forscher nutzten die beim Phasenübergang zwischen Heizen und Kühlen freiwerdende Energie, um die Peltier-Elemente nur für eine bestimmte Zeit einzuschalten. Somit laufen die Lüfter nicht ständig mit maximaler Leistung. Das Kühlsystem ist durch entsprechende Regelung an die Temperatur im Material gekoppelt. Damit verlängert sich nach Ansicht von Fraunhofer die Lebensdauer der elektronischen Komponenten. Das Smart Cover Panel wird tatsächlich durch das Sonnenlicht selbst gesteuert, was bedeutet, dass die Kühlung erst an heißen Sommertagen beginnt, während die Wärme im Winter im Armaturenbrett verbleibt.

Das neue Verbund-PCM von Fraunhofer LBF wurde experimentell mit einem Polypropylen-Talk-Compound verglichen, das in herkömmlichen Armaturenbrettern verwendet wird. Nach 1000 Sekunden Exposition bei 1200 Watt/m ² der Strahlungsleistung betrug der Temperaturunterschied an der Oberfläche der Proben ungefähr 41 °C, was einer Temperaturreduktion von 46 % entspricht.

Fraunhofer LBF erreicht 46 % Temperaturreduzierung durch den neuen („neu“) Graphit/PE-Verbundstoff PCM im Armaturenbrett gegenüber dem herkömmlichen Polypropylen-Talkum-Armaturenbrett-Compound. QUELLE:Fraunhofer LBF.