THERMOELEKTRISCHE WÄRMEPUMPE FÜR LITHIUM-IONEN-BATTERIEN Die thermoelektrische Wärmepumpe stellt eine interessante Alternative zur Temperierung von Lithium-Ionen-Batterien und anderer Fahrzeugaggregate gegenüber klassischen Temperiermethoden dar. Mahle Behr berücksichtigt bei der Konzeption der vom Kältemittelkreislauf unabhängigen Wärme- übertrager neben der Gewährleistung einer effizienten Temperierfunktion auch eine Optimierung hinsichtlich Dauerfestigkeit, Kosten, Gewicht und Bauraum. 900 ENTWICKLUNG THERMOMANAGEMENT Thermomanagement GRUNDLAGEN Lithium-Ionen-Zellen werden als Energiespeicher in Traktions- batterien von Elektro- und Hybridfahrzeugen sowie Zusatz- aggregaten von verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahr- zeugen eingesetzt. Diese sind aufgrund ihrer Eigenerwärmung im Betrieb und bei extremen klimatischen Bedingungen mithilfe von Temperiersystemen in einem gewissen Temperaturbereich zur Gewährleistung ihrer Dauerhaltbarkeit zu halten [1, 2]. Neben den klassischen Temperierverfahren mittels Luft, Kühlmittel und Kältemittel bietet sich das Prinzip der thermo- elektrischen Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen von Lithium-Ionen-Batterien an. Bei der thermoelektrischen Wärmepumpe (TEWP) wird der Peltiereffekt ausgenutzt, der das Pumpen von Wärme von einer kalten zu einer warmen Seite ermöglicht. Zur Realisierung die- ses Wärmepumpeneffekts werden thermoelektrische Module (TEM) verwendet, die sich aus in Reihe elektrisch kontaktier- ten, alternierend angeordneten p- und n-dotierten Halbleiterele- menten zusammensetzen. In Abhängigkeit der Stromrichtung und -stärke stellt sich über die TEM ein zum Heizen und Küh- len nutzbarer Temperaturgradient ein. Neben dem Peltiereffekt stellen die Joulsche Wärme und die Wärmeleitung weitere Einflussgrößen in thermoelektrischen Modulen dar. Während der elektrische Widerstand zu einer Erwärmung des TEM führt (Joulsche Wärme), bewirkt die Wärmeleitung im TEM einen Wärmestrom von der warmen zur kalten Seite entgegen dem aktiven Wärmestrom des Peltiereffekts. Gl. 1 zeigt die im praxisrelevanten Temperaturbereich in guter Näherung geltenden Zusammenhänge von Kühlleistung Q . c, Heizleistung Q . h sowie der elektrischen Leistung Pel. Neben dem stoff- und temperaturabhängigen Seebeck-Koeffizienten Se stellen der elektrische Widerstand R und die Stromstärke I sowie der Wärmedurchgang von der Kalt- zur Warmseite kA mit den jeweiligen Oberflächentemperaturen (Kaltseite: Tc; Warmseite: Th) die relevanten Einflussgrößen dar. Die Effi- zienz der Temperierung wird durch die Leistungszahl COP (coefficient of performance) beschrieben: im Kühlfall COPc, im Heizfall COPh. GL. 1 Pel = Q . h – Q . c = (Th–Tc)*Se*I + I2*R mit Q . c = Tc*Se*I – I2*R/2 – k*A*∆T Q . h = Th*Se*I + I2*R/2 – k*A*∆T COPc = Q . c / Pel COPh = Q . h / Pel = COPc + 1 THERMOELEKTRISCHE WÄRMEÜBERTRAGER Der Auswahl geeigneter TEM kommt für die Temperieraufgabe eine entscheidende Rolle zu. Zudem ist aufgrund des starken Einflusses der Temperaturdifferenz auf den COP ein guter Wärmedurchgang zwischen TEM und Kalt- beziehungsweise Warmseite für einen effizienten Betrieb unerlässlich. Dabei sind eine gute thermische Anbindung zwischen TEM und Wärmequelle/-senke und bei fluiden Medien ein guter Wärme- übergang zwischen Fluid und Fluidführung zielführend. AUTOREN DR.-ING. MANUEL WEHOWSKI ist Projektleiter in der zentralen Vorausentwicklung der Mahle Behr GmbH & Co. KG in Stuttgart. DR.-ING. JÜRGEN GRÜNWALD ist Projektleiter in der zentralen Vorausentwicklung der Mahle Behr GmbH & Co. KG in Stuttgart. DIPL.-ING. CHRISTIAN HENEKA ist Projektleiter in der zentralen Vorausentwicklung der Mahle Behr GmbH & Co. KG in Stuttgart. DR. RER. NAT. DIRK NEUMEISTER ist Leiter Systeme/Konzepte in der zentralen Vorausentwicklung der Mahle Behr GmbH & Co. KG in Stuttgart. 901 11I2013 115. Jahrgang Thermomanagement Bei der Gestaltung eines Wärmeüber- tragers als thermoelektrische Wärme- pumpe wird neben der energieeffizienten Funktionsgewährleistung eine dauerfeste sowie kosten-, gewichts- und bau- raumoptimierte Komponente angestrebt. Behr entwickelt thermoelektrische Wär- meübertrager zum Heizen und Kühlen für unterschiedliche Einsatzzwecke, bei denen die TEM mit Fluiden (zumeist Kühlmittel oder Luft) oder direkt mit der zu temperierenden Komponente in ther- mischem Kontakt stehen. Die Versor- gungsspannung ist variabel, wobei Span- nungslagen zwischen 12 bis 60 V vorteil- haft umsetzbar sind. Im Rahmen der TEWP-Entwicklung werden bei Behr sowohl Kennfelder thermoelektrischer Einzelmodule als auch Wärmedurchgänge von Anbin- dungsschichten vermessen. Diese Daten dienen unter anderem zur Abbildung thermoelektrischer Wärmeübertrager in dem thermohydraulischen Simulati- onstool Biss (Behr Integrated System Simulation) [3]. Dort lässt sich das ther- moelektrische Verhalten von Wärme- übertragern mit beliebigen Fluidführun- gen und Feststoffanbindungen integriert in einem Gesamtsystem sowohl statio- när als auch instationär simulieren, ➊. Die thermohydraulische Vermessung der Wärmeübertrager erfolgt in eigens errichteten Thermoelektrik-Prüfständen und dient zur Validierung der Wärme- übertrager-Modelle. Nachfolgend werden zwei in ein Gesamtsystem mit einer zu temperieren- den Lithium-Ionen-Batterie integrierte TEWP-Varianten diskutiert und sowohl untereinander als auch mit einem klassi- schen Chiller- und Niedertemperatur- kühler-System verglichen. THERMOELEKTRISCHE TEMPERIERPLATTE In ➋ steht die thermoelektrische Tempe- rierplatte (TETP) in direktem thermi- schen Kontakt mit einer zu kühlenden/ heizenden Batterie. TEMs temperieren die Batterie auf ein Temperaturniveau, das unterhalb der Umgebungstemperatur liegen kann. Die warme Abwärmeseite der TEMs muss wiederum gekühlt wer- den, was über einen Kühlkreislauf (Pri- märkreislauf) erfolgt. Eine Pumpe för- dert das Kühlmedium durch die TETP, den Niedertemperaturkühler (NTK) zur Wärmeabgabe an die Umgebungsluft sowie optional durch weitere zu küh- lende Komponenten. Eine direkte Kopp- lung mit dem Klimakreislauf des Fahr- zeugs besteht nicht. Im Vergleich zum Chiller-System kann die Kühlmittellei- tungslänge und die Ventilanzahl redu- ziert werden. Besonders vorteilhaft ist der effiziente Wärmeleitpfad zwischen den TEMs und der Batterie. Der mini- mierte Temperaturunterschied zwischen Kalt- und Warmseite führt zu hohen Effi- zienzen der Temperierung. Durch intelli- gente, kostengünstige Maßnahmen wer- den über der gesamten Plattenoberfläche gleichmäßige Temperaturen und Wärme- stromdichten gewährleistet. THERMOELEKTRISCHER WASSERKONDITIONIERER In ② ist ein zwischen zwei Kühlmittel- kreisläufe eingebetteter thermoelektri- scher Wasserkonditionierer (TEWK) zur Kühlung und Heizung einer Batterie dar- gestellt. Im Primärkreislauf wird das mittels einer ersten Kühlmittelpumpe geförderte Kühlmittel durch einen luft- durchströmten NTK und die Primärseite des Wasserkonditionierers geführt. Im Sekundärkreislauf fördert eine zweite Pumpe das Kühlmittel durch die Sekun- därseite des TEWK und eine Temperier- platte, die in direktem thermischen Kon- takt mit dem Batterieboden steht. In den Primärkreislauf sind weitere zu tempe- rierende Komponenten integrierbar. Batterie el. Heizung Chiller Kondensator NTK Temperier- platte TXV-SO TXV-SO Batterie Klima- Verdampfer TEWK Kondensator NTK TXV Batterie Kondensator NTK TETP TXV Primärkreislauf Sekundärkreislauf Primärkreislauf (a) (b) (c) Temperier- platte Klima- Verdampfer Klima- Verdampfer ➋ Chiller-Kühlsystem (a); thermoelektrische Wärmepumpe (Wasserkonditionierer (b) / Temperierplatte (c)) ➊ Thermohydraulische Biss-Simulationen ENTWICKLUNG THERMOMANAGEMENT 902 11I2013 115. Jahrgang 903 Basshuysen, Richard (Hrsg.) Ottomotor mit Direkteinspritzung Verfahren, Systeme, Entwicklung, Potenzial 3. Aufl . 2013. XVI, 455 S. mit 399 Abb. (ATZ/MTZ-Fachbuch) Geb. ISBN 978-3-658-01407-0 7 € (D) 59,99 Der Ottomotor mit Direkteinspritzung erlangt zunehmende Bedeutung. Dessen Potenzial ist bei weitem noch nicht ausgeschöpft, Leistungs- und Drehmomenterhöhung gepaart mit weiter reduziertem Kraftstoffverbrauch bei gleichzeitiger Schadstoffreduzierung geben klar die Rich- tung künftiger Entwicklungen vor. Als Schlüssel für diese Entwicklung können aus heutiger Sicht neue Einspritz- und Verbrennungsverfahren gelten, die den Technologieschub bewirken. Das Buch behandelt die neuesten Entwicklungen, beschreibt und bewertet Motorkonzepte, wie z.B. Downsizing und Aufl adung und beschreibt die Anforderungen an Werkstoffe und Be- triebsstoffe. Der Ausblick am Ende des Buches beleuchtet die Frage, ob Ottomotoren in Zu- kunft das Kraftstoff-Verbrauchsniveau von Dieselmotoren erreichen werden und ob alternati- ve Antriebe Hubkolbenmotoren verdrängen werden. Für die 3. Aufl age wurden Kapitel überar- beitet und aktualisiert. Des Weiteren wurde ein Abschnitt zur Vorentfl ammung und Flammen- ausbreitung bei Homogenbetrieb ergänzt. Inhalt Geschichte der Gemischbildung und der Direkteinspritzung - Verbrennungsverfahren - Ein- spritzsysteme - Leistung und Drehmoment - Kraftstoffverbrauch - Schadstoffemission - Aufl a- dung - Downsizing - Geräuschemission - Motorkonzepte - Betriebsstoffe - Ausblick Autor | Herausgeber Dr.-Ing. E. h. Richard van Basshuysen war bei Audi Entwicklungsleiter der Fahrzeug-Komfort- klasse und der Motor- und Getriebeentwicklung. Er war Herausgeber der ATZ und MTZ. Ihm wurde u.a. die Benz-Daimler-Maybach-Ehrenmedaille 2001 des VDI für die Serieneinführung des Pkw-Dieselmotors mit Direkteinspritzung verliehen sowie der hochdotierte Ernst-Blickle- Preis 2000. Der Herausgeber wurde von Prof. Ulrich Spicher und einem hochkarätigen Autorenteam von über 20 Fachleuten und Wissenschaftlern aus Industrie und Hochschulen unterstützt. Än de ru ng en v or be ha lte n. E rh äl tli ch im B uc hh an de l o de r be im V er la g. In ne rh al b D eu ts ch la nd s lie fe rn w ir ve rs an dk os te nf re i. 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[email protected] Telefon +49 (0)6221 / 3 45 – 4301 Ottomotoren von Morgen sind die Antwort auf die Anforderungen der Zukunft springer-vieweg.de Ein Vorteil des Wasserkonditionierers ist die räumliche Trennung der thermo- elektrischen Komponente von der Batterie. Somit ist kein Eingriff in die Schnittstelle Batterie/Temperierplatte erforderlich und eine Vergrößerung der Temperierplatte wird vermieden. Durch die dezentrale Platzierung des TEWK in frei verfüg- barem Bauraum wird eine jeweilige Anpassung für unterschiedliche Batte- rien umgangen. Durch die umgesetzte Modulbauweise des Wasserkonditio- nierers sind diverse Leistungsklassen einfach und kostengünstig darstellbar. Zudem entfällt die bei einer direkten Anordnung der TEM auf der Temperier- fläche erforderliche Homogenisierung der Temperatur. SYSTEMVERGLEICH In ➌ sind Simulationsergebnisse des zeitlichen Verlaufs der Batteriemaximal- temperatur TBat,max für die beiden Wär- mepumpensysteme, ein Chiller-System sowie ein NTK-System bei einer Batterie- abwärme von Q . Bat = 150 W dargestellt. Bei letztgenanntem System wird das Kühlmittel mittels einer Pumpe durch einen NTK und eine Kühlplatte der bodengekühlten Batterie (Grundfläche: ABat = 550 cm2) geführt. Bei allen Simulationen wird ein identi- scher NTK (Querschnittsfläche Aq ≈ 6 dm2) mit einem Luftmassenstrom von 8 kg/min mit einer Temperatur von TLuft = 35 °C durchströmt. Im Wasserkonditionierer-Sys- tem fördert die Primärkreislauf-Pumpe einen Volumenstrom von 600 l/h, in den sonstigen Kühlkreisläufen werden 120 l/h umgewälzt. In den Simulationen werden die thermische Trägheit des Kühlmittels ebenso wie realistische Wärmeleitpfade sowohl für die Batterie als auch für die Anbindung von Batterie und TEM berücksichtigt. Die Simulationen starten bei einer homogenen, maximal zulässigen Batte- rietemperatur von 30 °C, bei der direkt die Batteriekühlung der Chiller- und TEWP-Varianten einsetzt. Die Kühlung des NTK-Systems beginnt erst bei TBat = TLuft = 35 °C. Bei dem NTK-System läuft bei dauer- hafter Kühlung die maximale Batterie- temperatur auf eine stationäre Tempera- tur von 42 °C, ③. Die Temperaturdiffe- renz zwischen TLuft und TBat,max von 7 K ergibt sich dabei aus dem Wärmeleitpfad im NTK-System. Bei dem Chiller-System ist die Batterie- kühlung abhängig von der Fahrzeugkli- matisierung. Da die Temperatur des Kältemittels im Chiller im Allgemeinen < 10 °C ist, wird bei eingeschalteter Bat- teriekühlung eine große Leistung von der Batterie abgeführt. Zur Vermeidung einer zu starken Batterieabkühlung ist beispielsweise eine Zweipunktregelung vorzusehen, die aufgrund des Schaltens des Chiller-TXV zu Schwingungen im Kältekreislauf führen kann, ③. Hingegen wird bei beiden Wärmepumpensystemen die Batteriemaximaltemperatur mittels aktiver Bestromung bei circa 30 °C gehalten. LEISTUNGSZAHL COP ➍ zeigt simulierte COP-Verläufe der bei- den TEWP für Batterieabwärmen von Q . Bat = 100 W und 150 W. Eine Variation der realistisch angenommenen Simula- tionsparameter (zum Beispiel thermi- scher Wärmeleitpfad) hat einen direkten Einfluss auf den COP, sodass die darge- stellten COPs lediglich als Richtwerte dienen. Tendenziell ergibt sich bei geringerer Batterieabwärme (100 W) ein höherer COP. Nach dem Einschalten der Batterie- kühlung nimmt der COP ab und läuft einem stationären Wert entgegen. Wäh- rend bei Abwärmen von 150 W statio- näre COPs bis 2 erzielt werden, lassen sich bei 100 W COPs im Bereich von 2,5 realisieren. Weiterhin gelten folgende Zusammen- hänge: : Je geringer die Außentemperatur, desto größer die Leistungszahl. Zwar bedeuten somit hohe Außentemperatu- ren niedrige COPs, ausreichende Küh- lung wird jedoch auch in Extremfällen gewährleistet. : Im Allgemeinen werden beim Heizen COPs > 1 realisiert, wobei im Ver- gleich zum Kühlen bei gleicher Tempe- raturdifferenz und Bestromung der COP um 1 erhöht ist. 20 25 30 35 40 45 0 200 400 600 800 1000 1200 NTK-System TEWP-System Chiller-System B at te ri em ax im al te m pe ra tu r [° C ] Zeit [s] Q . Bat = 150 W TLuft = 35 °C 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 0 200 400 600 800 1000 1200 100 W 150 W COP-Simulationen für Wasserkonditionierer & Temperierplatte TLuft = 35 °C K üh l- C O P [ -] Zeit [s] ➌ Maximale Batterietemperaturen ➍ Kühl-COP-Bereiche der TEWP bei TLuft = 35 °C und Q . Bat = 100 W/150 W ENTWICKLUNG THERMOMANAGEMENT 904 : Über die Anzahl der TEM lässt sich das COP-Optimum der TEWP variie- ren. Eine Erhöhung der TEM-Anzahl führt zwar zu einer COP-Anhebung, bedeutet aber auch einen Anstieg der Kosten, des Gewichts und des Bauraums. VERGLEICH ZU CHILLER-SYSTEMEN Die eigenständige und bedarfsgerechte TEM-Regelung der thermoelektrischen Wärmepumpe unterstützt einen effi zienten Betrieb. Bei Chiller-Sys- temen bewirkt die Abhängigkeit der Kabinen- und Batterietemperierung über den Kältekreislauf – insbeson- dere bei Schaltvorgängen – eine Rückkopplung in das andere Teil- system. Dies kann zum Beispiel zu Instabi litäten im Kältekreislauf bis hin zu in der Fahrzeugkabine spür- baren Veränderungen der Verdamp- fer-Luftausblastemperatur führen. Durch die Entkopplung der Tempe- rieraufgaben bei der TEWP werden Regelabstimmungen vermieden und die Gestaltung des Klimakreislaufs vereinfacht, unter anderem durch den Wegfall der TXV-Absperrfunktion. Des Weiteren ist im Klimakompres- sor keine zusätzliche Leistung für die Batteriekühlung vorzuhalten. Ein wesentlicher Vorteil der TEWP ist, dass sowohl die Kühl- als auch die Heizfunktion durch eine Um- polung der TEM mit lediglich einer Komponente realisierbar sind. Hin- gegen kann beim Chiller-System die Heizfunktion nur mithilfe eines zusätzlichen Heizsystems umgesetzt werden. FAZIT Die thermoelektrische Wärmepumpe ermöglicht das Heizen und Kühlen von Batterien vereint in einer Kom- ponente sowohl bei sehr niedrigen als auch bei hohen Außentempera- turen mit COPs > 1 in weiten Arbeitsbereichen. Prinzipiell lässt sich das thermo- elektrische Temperieren für sämtliche Leistungsklassen realisieren. Auf- grund der direkten Korrelation zwi- schen Nutzleistung und TEM-Anzahl sowie den Kosten, ist der Einsatz einer TEWP für Kühl- und Heizleistungen im Bereich < 1 kW zweckmäßig. LITERATURHINWEISE [1] Stripf, M.; Wehowski, M.; Schmid, C.; Wiebelt, A.: Thermomanagement von Hochleistungs-Li- Ionen-Batterien. In: ATZ 114 (2012), Nr. 1, S. 52-56 [2] Neumeister, D.; Wiebelt, A.; Heckenberger, T.: Systemeinbindung einer Lithium-Ionen-Batterie in Hybrid- und Elektroautos. In: ATZ 112 (2010), Nr. 4, S. 250-255 [3] Gneiting, R.; Heckenberger, T.; Sauer, C.: Virtual Thermal Management in Cars – Requirements and Implementation. 6th FKFS Conference on Progress in Vehicle Aerodynamics and Thermal Management, 2007 DOWNLOAD DES BEITRAGS www.springerprofessional.de/ATZ READ THE ENGLISH E-MAGAZINE order your test issue now:
[email protected] 11I2013 115. Jahrgang 905 LADEN Tyco Electronics AMP GmbH a TE Connectivity Ltd. company AMPèrestraße 12–14 • 64625 Bensheim/Germany Phone: +49 (0) 6251-133-1999 Fax: +49 (0) 6251-133-1988 www.te.com TE Connectivity und TE connectivity (Logo) sind Marken. TE’s einzige Verpfl ichtungen sind diejenigen, welche in den Allgemeinen Geschäftsbedingungen Verkauf (http://www.te.com/aboutus/tandc.asp) dargelegt sind. TE lehnt ausdrücklich jede Haf- tung aufgrund stillschweigender Zusicherungen hinsichtlich der hier enthaltenen Informationen ab. Die perfekte Verbindung Mit über 50 Jahren Erfahrung bei Hochvolt-Verbindungen ist TE Connectivity genau der richtige Partner für zuverlässiges und sicheres Laden von Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Unsere Ladekabel und Stecker sind genau auf die Bedürfnisse und Anforderungen der Automobilindustrie abgestimmt. So ermöglichen wir Elektromobilität. SCHÜTZENVERBINDEN Besuchen S ie uns auf d er productron ica 2013 12.-15. Nov ember, Mü nchen Halle B3, St and B3225