Thermomanagement im batteriebetriebenen Pkw unter Nutzung eines Kaltdampfprozesses mit Sekundärkreislaufsystem

In der vorliegenden Arbeit werden die theoretische und experimentelle Untersuchung sowie die Bewertung eines Sekundärkreislaufsystems mit kompaktem Kältemittelkreislauf für das Pkw-Thermomanagement am Beispiel eines batteriebetriebenen Fahrzeugs beschrieben und diskutiert. Mit dem steigenden Grad der Elektrifizierung des Antriebsstrangs verringert sich die zur Verfügung stehende Abwärme des Verbrennungsmotors. Zusätzlich haben neue thermische Quellen und Senken einen großen Einfluss auf die Wärme- und Energiebilanz im Fahrzeug und stellen neben der unveränderten Kundenerwartungshaltung nach thermischem Komfort im Fahrzeuginnenraum weitere Anforderungen an das Pkw-Thermomanagement. Eine Möglichkeit, diese Ansprüche zu erfüllen, ist der Einsatz eines Sekundärkreislaufsystems. Dabei werden die elektrischen Antriebskomponenten sowie der Fahrzeuginnenraum und die Fahrzeugumgebung über Sekundärfluidkreisläufe an einen kompakten Kältemittelkreislauf angebunden. Zunächst wird ein solches Sekundärkreislaufsystem modelliert; anschließend erfolgt die Kalibrierung des Modells durch eine R-134a-Versuchsanlage. Unter typischen, für die Innenraumklimatisierung repräsentativen stationären und dynamischen Randbedingungen werden simulative Untersuchungen eines Sekundärkreislaufsystems im Wärmepumpen-, Entfeuchtungs- und Kühlbetrieb durchgeführt. Dazu zählen Betrachtungen zur Kältemittelmengenreduktion in kompakten Kältemittelkreisläufen, Aussagen zur Positionierung des Kompaktkältemittelkreislaufs im Vorderwagen sowie ein Vergleich verschiedener Sekundärkreislaufsysteme mit einer konventionellen Klimaanlage. Unter Berücksichtigung des Mobilitätsverhaltens und der klimatischen Randbedingungen wird in dieser Arbeit eine neuartige Methode zur Bewertung des Jahresenergieverbrauchs eines Pkw-Thermomanagementsystems entwickelt. Diese allgemeingültige Methode kann über die hier gezeigte beispielhafte Anwendung hinaus in Verbindung mit geeigneten Simulationsmodellen zur Untersuchung des Aufheiz- und Abkühlverhaltens der thermischen Massen im Fahrzeug sowie zur Bewertung von Strategien zur Vorkonditionierung eingesetzt werden. Da sich hermetisch gekapselte Kompaktkältemittelkreisläufe für den Einsatz alternativer, gegebenenfalls auch brennbarer Kältemittel eignen, erfolgt zudem ein simulativer Vergleich unterschiedlicher Drop-In-Kältemittel für ein R-134a-System. Zur Bewertung des Kältemittels R-744 werden entsprechende Anpassungen im Simulationsmodell vorgenommen.