Heiz- und Kühlkonzept für ein batterieelektrisches Fahrzeug basierend auf Sekundärkreisläufen

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung und Herleitung eines neuartigen Heiz- und Kühlsystems für ein batteriebetriebenes Fahrzeug. Das System basiert auf zwei Ansätzen: Zum einen dient ein kompakter Kältemittelkreislauf der zentralen Bereitstellung von Heiz- und Kühlleistung. Zum anderen erfolgt eine einfache Anbindung von thermischen Quellen und Senken über Sekundärkreisläufe. Im Rahmen dieser Arbeit werden neuartige Methoden zur systematischen Ableitung von Funktionen, Betriebsstrategien, Verschaltungsplänen und Simulationsmodellen für ein solches System mit Hilfe der Graphentheorie erarbeitet. Verteilte Heiz- und Kühlsysteme müssen dabei ganzheitlich betrachtet werden, um eine effiziente Nutzung der vorhandenen Energie zu gewährleisten. Durch die Anwendung einer neuen Bewertungsmethode, die das statistisch repräsentative Nutzungsverhalten mit realen Klimaprofilen abbildet, werden erstmalig reale thermische Anforderungen an das Heiz- und Kühlsystem untersucht. Dazu wird ein Gesamtfahrzeugmodell eines batterieelektrischen Fahrzeugs vorgestellt. Dieses besteht aus einem Längsdynamik- und Antriebsstrangmodell zur Vorhersage thermischer Verluste der elektrischen Antriebskomponenten sowie einem Klimasystemmodell zur Vorhersage stationärer und transienter Klimatisierungsbedarfe. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht eine neue Methode zur Identifikation erforderlicher thermischer Energieströme zwischen Quellen und Senken des Heiz- und Kühlsystems bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Temperaturdifferenzen, die für die Übertragung von Wärme Voraussetzung sind. Durch Anwendung der Methode werden energieflussbasierte Betriebsstrategien unter Annahme eines idealisierten Thermomanagements abgeleitet. Im Rahmen einer statistischen Analyse werden identifizierte Betriebsarten klassifiziert sowie Auftrittshäufigkeiten und Wechselwirkungen für die Betriebsfälle Heizen/Kühlen und Entfeuchten untersucht. Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen folgt die systematische Ableitung, Untersuchung und Optimierung hydraulischer Realisierungen, die sich aus der energieflussbasierten Analyse ergeben. Dabei wird eine neue graphentheoretische Methode zur halbautomatisierten Ableitung von Simulationsmodellen beliebiger Verschaltungspläne erarbeitet. Die Anwendung der Simulationsmethoden erfolgt für die Bewertung eines ganzjahrestauglichen thermischen Energiespeichers hinsichtlich der Steigerung der elektrischen Reichweite.