Bei Elektrofahrzeugen hat sich die häufig diskutierte Reichweite und die Ladedauer innerhalb kurzer Zeit deutlich verbessert. Dennoch gilt es weiterhin Herausforderungen zu meistern - insbesondere was die Abnahme der Reichweite bei extremen Klimabedingungen angeht. Durch die Verwendung einer Traktionsbatterie als thermischer Speicher in Kombination mit einer Wärmepumpe konnte in dem EU-Projekt „OPTEMUS“ die Reichweitenschwankung deutlich reduziert werden.

Effizienz des elektrischen Antriebsstrangs – Fluch und Segen

Die Reichweite batterieelektrischer Fahrzeuge (engl. battery electric vehicle, BEV) ist in den letzten Jahren deutlich gestiegen, und so sind mit aktuellen BEVs je nach Fahrweise Reichweiten von 400 km keine Seltenheit mehr. Die stete Zunahme der Reichweiten ist dabei ein Resultat höherer Energiedichten sowie sinkender Batteriepreise, die die wirtschaftliche Produktion größerer Traktionsbatterien ermöglichen. Die Kosten für eine Kilowattstunde (kWh) sind im Zeitraum von 2010–2017 um mehr als 70 % gefallen [1]. Im Vergleich mit den Energieinhalten von 50–90 Liter (l) fassenden Benzin- und Dieseltanks stellen jedoch selbst aktuelle große Batteriepacks im Bereich von bis zu 100 kWh nur einen Bruchteil der als Diesel oder Benzin gespeicherten Energiemenge dar.

Die dennoch vergleichsweise hohen Realreichweiten von BEVs gelingen durch den deutlich effizienteren Antrieb. Die hohe Effizienz des elektrischen Antriebssystems führt jedoch dazu, dass weniger Abwärme zur Verfügung steht, welche etwa in den Wintermonaten zur Beheizung des Interieurs genutzt werden kann. Somit muss für eine ausreichende Temperierung des Innenraums elektrische Energie aus der Batterie verwendet werden, was den Verlust an Reichweite unter extremen Umgebungsbedingungen maßgeblich begründet. Bild 1 zeigt die Reichweiten des Referenzfahrzeugs (Fiat 500e) bei 20 °C sowie bei sehr warmen und kalten Temperaturen.

Ebenso spielt das Verhalten der Li-Ionen- Batterien bei verschiedenen Temperaturen eine Rolle. So sinkt beispielsweise die Batteriekapazität deutlich bei Temperaturen unter 0 °C und bei Temperaturen über 40 °C nimmt die Alterung der Batteriezellen stark zu. Zwar haben sich Kundenängste jüngst nicht bestätigt, in Winterstaus über Stunden mit letztlich leerer Batterie und somit ohne Heizwärme festzusitzen, dennoch wird eine Reichweitenreduktion von bis zu 50 % bei niedrigen Außentemperaturen üblicherweise festgestellt. Das Referenzfahrzeug des OPTEMUS-Projekts etwa zeigte eine Reichweitenreduktion von etwa 35 % bei einer Umgebungstemperatur von –10°C.

Bild 1: Reichweiten des Referenzfahrzeugs (Fiat 500e) bei verschiedenen Umgebungsklimata. (Quelle: ika Aachen)

Ziel des Projekts OPTEMUS

Aufgrund der beschriebenen Problematik war es das Projektziel, die Reichweitenschwankungen bei wechselnden Umgebungsbedingungen deutlich zu reduzieren. Innerhalb des EU-Projekts OPTEMUS (www.optemus.eu) wurde am Beispiel eines Fiat 500e deshalb ein ganzheitliches Thermomanagementsystem mit prädiktiver Regelung entwickelt. Anhand von Fahrerprofilen und Routen- bzw. Wetterdaten kann im Zusammenspiel mit einer am Fraunhofer- Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (Fraunhofer LBF) entwickelten neuartigen Traktionsbatterie mit stark gesteigerter thermischer Speicherfähigkeit und einer kompakten Wärmepumpe (engl. compact refrigeration unit, CRU) die Reichweite deutlich erhöht werden (siehe Bild 2).

Bild 2: Übersicht über die im Projekt OPTEMUS verwendeten Technologien. (Quelle: Kompetenzzentrum – Das virtuelle Fahrzeug)

Das prädiktive Thermomanagement bzw. die Vorkonditionierung stellt einen Ansatz zur Minderung der klimatischen Umgebungseinflüsse auf die Reichweite dar, welche mittlerweile eine Vielzahl an Fahrzeugherstellern in verschiedenen Formen anbieten. Hierbei werden der Innenraum sowie die Batterie des Fahrzeugs vor Fahrtbeginn an der Ladesäule thermisch vorkonditioniert. Zur Vorkonditionierung wird so nicht die Energie der Traktionsbatterie herangezogen. Dies senkt zwar nicht die notwendige Energie zur Temperierung an sich, jedoch muss diese nicht erst während der Fahrt aus der elektrisch gespeicherten Energie der Traktionsbatterie aufgebracht werden. Zusätzlich verfügt eine temperierte im Vergleich zu einer kalten Traktionsbatterie über eine höhere Effizienz. Um weiterhin die Fahrzeugtemperierung effizienter zu gestalten, bietet sich der Einsatz einer Wärmepumpe an, welche im Vergleich zu einer rein elektrischen Widerstandsheizung eine deutlich höhere Effizienz ermöglicht. Um die Vereisung des Front-End-Wärme übertragers bei niedrigen Außentemperaturen zu verhindern, wird anstatt der Umgebungsluft die Traktionsbatterie als Wärmequelle für die Wärmepumpe verwendet.

Traktionsbatterie als Wärmespeicher

Ein Phasenwechselmaterial (engl. phase change material, PCM) nutzt den Effekt, dass beim Phasenübergang (z. B. flüssig zu fest und umgekehrt) Wärme abgegeben bzw. aufgenommen wird. Somit können diese Materialien im Bereich um die Schmelz- bzw. Erstarrungstemperatur zur Wärme- und Kältespeicherung oder zur Begrenzung von Temperaturspitzen verwendet werden. In der Fahrzeugklimatisierung werden PCMs bereits als Kältespeicher eingesetzt, um bei Fahrzeugen mit Start-Stopp-Automatik die Fahrzeugkabine bei abgeschaltetem Motor länger kühl zu halten. Das Fraunhofer LBF hat dieses Prinzip der Wärmespeicherung auf eine Lithium-Ionen-(Li-Ion)-Batterie übertragen und mit einem Wärmeübertragersystem kombiniert. Die thermisch speicherfähige Traktionsbatterie besteht dabei aus zwei funktionellen Teilen (siehe Bild 3).

Zunächst soll eine erweiterte thermische Speicherfähigkeit gewährleistet werden. Dies wurde mithilfe eines neu entwickelten Verbundwerkstoffs erreicht, welcher auf einem Phasenwech- selmaterial basiert. Hierzu wurden Zellhalter sowie der übrige Zellzwischenraum vollständig mit einem neuartigen PCM-Verbundmaterial gefertigt und ausgefüllt. Die gespeicherte Wärme soll weiterhin von der Umgebung „abgeschirmt“ werden, um Verluste zu verringern bzw. zu vermeiden. Dies gelang mit einem extrem festen thermisch isolierenden Werkstoff, der mit einem hybriden Schaumspritzgussverfahren kostengünstig in die entsprechende Form gebracht werden konnte.

Bild 3: CAD-Modell der thermisch speicherfähigen Traktionsbatterie. Der PCM-basierte Wärmespeicher (blau) wird dabei von einem thermisch isolierenden FKV(Faser-Kunststoff-Verbunden)-Sandwich-Gehäuse (grau) umgeben. (Quelle: Fraunhofer LBF)

Multifunktionale Materialien und Strukturen

Das Wärmespeichermaterial setzt sich aus einem paraffinbasierten PCM sowie einem Kunststoffträgersystem zusammen, welches dafür sorgt, dass das Material beim Phasenübergang von fest zu flüssig im Bauteil gebunden bleibt und auch im flüssigen Zustand mechanisch integer und belastbar bleibt. Die thermische Speicher- fähigkeit des Verbundmaterials ist dabei direkt proportional zum Massenanteil des eingebetteten PCMs in die Kunststoffmatrix. Deshalb war es das Ziel, einen möglichst hohen Anteil an PCM im Verbundmaterial zu erzielen. Im vorliegenden Fall wurde dabei auf ein unverkapseltes PCM zurückgegriffen, da dieses einen höheren Füllmassenanteil ermöglichte und auch deutlich kostengünstiger war im Vergleich zu den verkapselten Varianten. Eine am Fraunhofer LBF entwickelte Fertigungslinie ermöglichte die kontinuierliche Integration unverkapselter PCM in eine Kunststoffmatrix.

Hierzu wurde auf einer sogenannten Compoundieranlage kontinuierlich ein Polyolefin mit hohen Massenanteilen von bis zu 50 Gewichtsprozent (wt.-%) PCM vermengt und daraus ein Granulat hergestellt, welches im Anschluss kunststofftypisch weiterverarbeitet werden kann (siehe Bild 4). Das erzielbare Wärmespeichervermögen sowie der Arbeitstemperaturbereich sind dabei wählbar im Spektrum kommerziell erhältlicher paraffinbasierter PCMs. Das PCM-Verbundmaterial erreicht im vorliegenden Fall ein Speichervermögen von ca. 115 kJ/kg. Das modifizierte Material weist dabei eine um 400 % gesteigerte Wärmeleitfähigkeit auf, während die elektrische Isolationsfähigkeit erhalten bleibt. Die vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit von etwa 1 W/mK ermöglicht hierbei eine hohe Temperaturhomogenität auch bei hohen Wärmeströmen.

Bild 4: Fertigung des PCM-Verbund-Wärmespeichermaterials. Am Ende der Extrusionslinie wird das Material kontinuierlich zu einem Granulat verarbeitet. (Quelle: Fraunhofer LBF)

Aufbau der thermisch speicherfähigen Traktionsbatterie

Die Traktionsbatterie wurde aus zwei parallel geschalteten Strängen von acht in Reihe angeordneten Batteriemodulen aufgebaut, um die notwendige Soll-Spannung sowie Kapazität zu erhalten. Durch den modularen Aufbau wurde jedes Modul mit einem eigenen thermisch isolierenden Gehäuse sowie mit einem PCM-Verbund-Wärmespeicher ausgestattet (siehe Bild 5).

Bild 5: Die thermisch speicherfähige Traktionsbatterie mit gehälftetem oberem Gehäusedeckel. Das Wärmespeichermaterial (weiß) füllt den Zwischenraum der Zellen vollständig aus. Der thermisch isolierende Polymerschaum (schwarz) wird mechanisch von FKV-Decklagen (grau) verstärkt. (Quelle: Fraunhofer LBF)

Die Integration des Wärmespeichermaterials in der Module erfolgte durch die Verwendung des Materials als Zellhalter, welcher die Zellzwischenräume ausfüllt und in direktem Kontakt mit den Rundzellen (Typ 18650) steht. Das Gehäuse wurde mithilfe eines hybriden Spritzgussverfahrens großserientauglich in Taktzeiten von nur etwa drei Minuten hergestellt. Die so erzielbare Wärmespeicherfähigkeit beträgt in einem Batteriemodul etwa 106 Wh, wobei die elektrische Energiedichte dabei nicht verändert wurde. Auch die Gesamtmasse wurde um weniger als 9 % durch das zusätzliche Wärmespeichermaterial erhöht (siehe Tabelle 1). Das thermisch isolierende Gehäuse trägt infolge des Aufbaus aus einer Kombination aus Polymerschaum und endlosfaserverstärkten Kunststoffdecklagen mit nur 2,1 kg ebenso nur gering zur Erhöhung des Gesamtgewichts bei, während dieses zu einem Großteil die 144 Zellen je Modul darstellen.

Tabelle 1: Übersicht der elektrischen sowie thermischen Eigenschaften der thermisch speicherfähigen Traktionsbatterie auf Modul- und Systemebene

Verbesserung der Reichweite im NEFZ

Um die Auswirkungen des Wärmepumpensystems in Kombination mit der Wärmespeicherfähigkeit der Batterie auf die Reichweite eines Fiat 500e bei winterlichen Temperaturen um –10 °C. zu untersuchen, wurden verschiedene Simulationen durchgeführt (siehe Tabelle 2).

Tabelle 2: Übersicht der simulierten Fälle

In allen drei Fällen ist die Traktionsbatterie vorkonditioniert auf eine Temperatur von 35 °C. In Fall A wird das Interieur mithilfe elektrischer Widerstandsheizer (engl. positive tem- perature coefficient, PTC) temperiert, während in Fall B eine Wärmepumpe hierzu genutzt wird. In Fall C kommt die neuentwickelte Traktionsbatterie mit isolierendem Gehäuse und PCM in Kombination mit der Wärmepumpe zum Einsatz. Sobald die mittlere Batterietemperatur den Wert von 15 °C unterschreitet, wird ein PTC-Heizer aktiviert, welcher die Batterietemperatur konstant auf diesem Wert hält. Der zugrundeliegende Fahrzyklus entspricht dem Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ), welcher solange abgefahren wurde, bis die Batterie vollständig entladen wurde. Um eine Vergleichbarkeit der simulierten Fälle sicherzustellen, wurden bei allen Fällen eine identische Aufheizkurve des Interieurs eingestellt (siehe Bild 6).

Bild 6: Referenz-Aufheizkurve des Innenraums als Grundlage für alle Use Cases. (Quelle: Kompetenzzentrum – Das virtuelle Fahrzeug)

Ein Vergleich der resultierenden Batterietemperaturen in Bild 7 zeigt, dass in den Fällen B und C die Batterie durch die Verwendung als Wärmequelle für die Wärmepumpe deutlich schneller abgekühlt wird als in Fall A, in welchem die Wärme der Batterie nur an die Umgebung dissipiert wird. Der integrierte Wärmespeicher der Traktionsbatterie in Fall C führt hierbei zu einer reduzierten Abkühlgeschwindigkeit im Vergleich zu Fall B und ermöglicht so eine längere Nutzung der Wärmepumpe für die Innenraumtemperierung. Im Vergleich zu Fall B ermöglicht somit im Fall C die thermisch speicherfähige Traktionsbatterie eine mehr als doppelt so lange Nutzung der Wärmepumpe bevor die Batterie 15 °C erreicht und zusätzlich beheizt werden muss. Darüber hinaus führt der Einsatz des Wärmespeichermaterials in Kombination mit dem thermisch isolierenden Faserverbundgehäuse gegenüber Fall B zu einem weiteren Effizienz- gewinn und einer Reduktion der notwendigen Energie zur elektrischen Beheizung um nochmals 8 % und im Vergleich zur Referenz (Fall A) um 10 %.

Die gestiegene Energieeffizienz macht sich bezüglich der Reichweite deutlich bemerkbar (siehe Bild 8). Während die Nutzung der Wärmepumpe dabei lediglich zu einer Reichweiten- steigerung bei winterlichen Bedingungen von 4 % auf 87 km führt, ermöglicht die kombinierte Nutzung der Wärmepumpe und der thermisch speicherfähigen Traktionsbatterie eine Steigerung der Reichweite um 13 % auf 95 km. Die thermisch speicherfähige Traktionsbatterie zeigt somit in Kombination mit einer Wärmepumpe ein hohes Potenzial, kosteneffizient einen Beitrag zur Steigerung der elektrischen Reichweite bei extremen Wetterbedingungen zu leisten.

Bild 8: Die Kombination aus PCM und thermisch isolierendem Gehäuse (Fall C) mit einer Wärmepumpe führt zu einer Steigerung der simulierten Reichweite bei –10 °C Umgebungstemperatur von 13 %. (Quelle: Kompetenzzentrum – Das virtuelle Fahrzeug)

Literatur

[1] Horváth & Partners (2018): Trotz fallender Batteriekosten bleiben Elektromobile teuer. Unter Mitarbeit von Dr. Oliver Greiner. Hg. v. Horváth & Partners. Online verfügbar unter https://www.horvath-partners.com/de/presse/aktuell/detail/date/2018/07/24/trotz-fallender-batteriekosten-bleiben-elektromobile-teuer (Zugriff am 21.02.2019)