Innovatives Composite senkt EV-Armaturenbrett-Temperatur, steigert Effizienz

Elektromobilität gewinnt in Deutschland an Dynamik. Wie das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik und Systemzuverlässigkeit (Fraunhofer LBF, Darmstadt, Deutschland) im Juli berichtete, verdoppelte sich die Zahl der Elektrofahrzeuge (EVs) 2017 fast auf 93.000. „Um den Absatz von Elektrofahrzeugen weiter zu steigern, ist es nicht nur notwendig, Performance wie Reichweite zu optimieren, sondern auch den Insassenkomfort zu erhöhen. Dazu gehört unter anderem ein sinnvolles, kundenorientiertes Thermomanagement im Fahrzeuginnenraum“, sagt Paul Becker, der das Forschungsprojekt Optimised Energy Management and Use (OPTEMUS) am Fraunhofer LBF leitet.

OPTEMUS

Ein EU-finanziertes Projekt, unterstützt von einem großen Unternehmens-Team, zielt OPTEMUS darauf ab, eine der größten Hürden für die breite Einführung von Elektrofahrzeugen (EVs) zu überwinden: Reichweitenbegrenzung durch begrenzte Speicherkapazität von Elektrobatterien. Gestartet im Juni 2015 und endend im nächsten Februar, beabsichtigt OPTEMUS, eine Reihe innovativer Kerntechnologien und komplementärer Technologien kombiniert mit intelligenten Steuerungen zu entwickeln.

Der Demonstrator ist ein A-Segment EV (Fiat 500e). Dieser Real-Life-Prototyp kombiniert mit virtuellem Prototyping der unten aufgelisteten Technologien wird folgende Ziele demonstrieren:

• Mindestens 32 % Reduktion des Energieverbrauchs für Komponentenkühlung und 60 % für Passagierkomfort
• Zusätzliche 15 % Energieeinsparung für Traktion verfügbar
• Energieeinsparung ermöglicht erhöhte Fahrreichweite in extremen Wetterbedingungen > 44 km (38 %) bei heißem und 63 km (70 %) bei kaltem Umgebungsbedingungen

Composites als Phasenwechselmaterialien

Phasenwechselmaterialien (PCMs) werden seit über einem Jahrzehnt für Gebäude, Elektronik und nun Autos entwickelt. PCMs sind Materialien, die bei bestimmten Temperaturen schmelzen und erstarren und dabei die Fähigkeit haben, große Energiemengen während dieses Phasenwechsels zu speichern oder freizusetzen. Beachten Sie, dass auch Feststoff-Gas- und Flüssig-Gas-PCMs untersucht wurden. PCMs können organische oder anorganische Verbindungen sein, beinhalten aber typischerweise einen leitfähigen Füllstoff, wo Graphit ins Spiel kommt. Andere PCMs nutzen Kohlenstoffnanoröhren (CNTs).

Fraunhofer LBF Forscher experimentierten mit verschiedenen Trägermaterialien und Füllstoffen wie Bornitrid und Graphit. Sie endeten mit einem Substrat aus Polyethylen, einem Polymer, das bereits häufig in Automobilinnenräumen genutzt wird, und Graphit als Füllstoff. Der Graphit gibt dem Composite angeblich sehr gute thermische Leitfähigkeit und schnelle Wärmeableitung sowie hervorragende Energiespeicherung.

Die Funktionsprinzipien für das Graphit/PE Composite PCM wurden im „Smart Cover Panel“ Teil von OPTEMUS abgeschlossen. Um die Vorteile des neuen Materials zu demonstrieren, integrierten Forscher es in das Armaturenbrett des Fiat 500e Prototyps und zyklierten es durch Heiz- und Kühlphasen. Kühlung wurde durch Peltier-Elemente bereitgestellt, die elektrothermische Wandler sind, die wiederum durch externe Lüfter gekühlt werden. Energie für die Peltier-Elemente und EV-Kühler kommt von einer zusätzlichen 12-Volt-Batterie, die durch Photovoltaikzellen gespeist wird.

LBF-Forscher nutzten die während des Phasenübergangs zwischen Heizen und Kühlen freigesetzte Energie, um die Peltier-Elemente nur für einen bestimmten Zeitraum einzuschalten. Damit laufen die Lüfter nicht ständig mit maximaler Leistung. Das Kühlsystem ist über eine geeignete Regelung an die Temperatur im Material gekoppelt. Fraunhofer glaubt, dies wird die Lebenserwartung der elektronischen Komponenten verlängern. Das Smart Cover Panel wird tatsächlich vom Sonnenlicht selbst gesteuert, was bedeutet, dass Kühlung nur an heißen Sommertagen startet, während die Wärme im Armaturenbrett im Winter verbleibt.

Fraunhofer LBFs neues Composite PCM wurde experimentell mit einem Polypropylen-Talkum-Verbund verglichen, der in konventionellen Armaturenbrettern genutzt wird. Nach 1000 Sekunden Exposition gegenüber 1200 W/m² Strahlungsleistung betrug der Temperaturunterschied auf der Probenoberfläche ca. 41 °C, was einer 46 %igen Temperaturreduktion entspricht.