Untersuchung zweistufiger Kühlungskonzepte für den Schnellladevorgang bei elektrischen Pkws

Für batterieelektrische Fahrzeuge sind sinkende Ladezeiten, welche aufgrund von steigenden Ladeleistungen ermöglicht werden, ein entscheidender Faktor für deren Akzeptanz beim Kunden. Für einen solchen Schnellladevorgang der Traktionsbatterie ist ein leistungsstarkes Kühlsystem erforderlich, da aus den hohen Ladeleistungen große dissipierte Wärmemengen in der Batterie resultieren, welche durch das Thermomanagement abgeführt werden müssen. Insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen muss eine thermische Begrenzung der Ladeleistung verhindert und die gleichzeitige Erhaltungsklimatisierung des Innenraums für den Komfort der Insassen gewährleistet werden. Dafür wird bei heutigen Fahrzeugen ein Kältekreislauf mit zwei parallel angeordneten Verdampfern für die Kühlung der Batterie und des Innenraums verwendet. Das Kältemittel verdampft in diesen beiden Wärmeübertragern auf dem gleichen Druckniveau, welches durch die niedrigeren Temperaturanforderungen des Innenraums festgelegt ist. Die Temperaturanforderungen und damit die dafür jeweils benötigten Verdampfungsdrücke des Kältemittels für die Kabinenluft und das Batteriekühlwasser unterscheiden sich beim Schnellladevorgang allerdings signifikant, was sich negativ auf die Energieeffizienz des Kälteprozesses auswirkt. In der vorliegenden Arbeit werden zweistufige Kältekreislaufkonzepte mit dem Kältemittel R-1234yf experimentell und numerisch untersucht, mit dem Ziel, eine neuartige Kühlung der Batterie und des Innenraums während des Schnellladevorgangs umzusetzen. Dabei werden die verschiedenen Temperaturanforderungen dieser beiden Komponenten ausgenutzt, um unterschiedliche Verdampfungsdruckniveaus einzusetzen und so die Kälteleistung und die Effizienz des Systems während des Schnellladevorgangs zu steigern. Neben zwei Verschaltungsvarianten mit Ejektor wird der Einsatz eines Zusatzverdichters betrachtet. Im Mittelpunkt stehen dabei die experimentellen Labor-Untersuchungen, um die Potenziale dieser drei Kreislauftopologien gegenüber einem Referenzsystem zu bestimmen. In den betrachteten stationären Lastfällen eines Schnellladevorgangs mit Erhaltungsklimatisierung wird sowohl durch den Einsatz eines Ejektors als auch des Zusatzverdichters die verfügbare Kälteleistung im Mittel der Lastpunkte um bis zu 20,5 % (Ejektor) bzw. 45,8 % (Zusatzverdichter) sowie die Energieeffizienz um bis zu 22 % (Ejektor) bzw. 14,6 % (Zusatzverdichter) gesteigert. Aufgrund der konstanten Werte für die Eintrittstemperatur und den Volumenstrom des Kühlwassers im Chiller ist der Mitteldruck des Systems begrenzt, um eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Kühlwasser bei der Verdampfung sicherzustellen. Es wird zudem ein Prototyp eines Ejektors aus Kunststoff untersucht, wodurch erstmalig die grundsätzliche Funktionalität eines Kunststoffejektors in einem Kältekreislauf eines batterieelektrischen Fahrzeugs aufgezeigt wird. Im numerischen Teil der Arbeit werden die Verschaltungsvarianten mit dem höchsten Steigerungspotenzial für eine Exergieanalyse numerisch modelliert. Die Auswertung der Exergieströme zeigt die signifikante Reduzierung der Exergieverluste insbesondere während des Drosselvorgangs und der Wärmeübertragung im Batterieverdampfer aufgrund des implementieren Mitteldruckniveaus. Für die zweite Ejektorverschaltung mit R-1234yf wird eine neuartige Erweiterung um eine Bypassleitung vorgestellt, wodurch die maximale Kälteleistung nicht weiter durch das Mitteldruckniveau limitiert wird. Darüber hinaus wird für das natürliche Kältemittel R-744 das Potenzial zur Steigerung der Kälteleistung in den stationären Schnellladelastfällen durch den Einsatz eines Ejektors aufgezeigt und die Verlustmechanismen ebenfalls mittels einer Exergieanalyse dargestellt. Abschließend erfolgt ein Vergleich der Verlustanteile für die beiden Kältemittel R-1234yf und R-744.