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Kältemittelbasierte Direkttemperierung von BatteriesystemenEin alternatives Kühlkonzept zur Schnellladung von zwei- und vierrädrigen E-Fahrzeugen
Dipl.-Ing. Bastian Mayer, Institut für Fahrzeugkonzepte
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1. Schnellladung in unterschiedlichen Fahrzeugklassen2. Grundbegriffe Batterietechnik3. Herausforderung Batterieabwärme4. Temperaturbedingte Zellalterung5. Aktuelle Batterietemperiersysteme6. Alternativer Lösungsansatz7. Stand der Technik: Thermische Schnittstelle8. Integration der Kühlstruktur in den Stromableiter9. Förderprojekt ZEC-Bike 10. Ausblick
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Übersicht
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> Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen > Bastian Mayer • 15. Karlsruher Fahrzeugklima-Symposium > 22.03.2018DLR.de • Folie 3
Schnellladung in untersch. Fahrzeugklassen
zyklischer Betrieb
SchnellladungFahrzeug steht, konstant hohe elektrische
Leistung (meist höher als mittlere Fahrleistung)
Motorrad PKW NFZ
Fahrzeugklassen
Problemstellung
Kleinkraftrad
2 kWh8 kW
12 kWh48 kW
reinelektrisch Mildhybrid
EnergieinhaltLadeleistung bei 4CHybridleistungen
rein elektrisch rein elektrisch rein elektrisch
100 kWh400 kW
0,5 kWh
16 kW
212 kWh848 kW
Quellenangaben im Anhang
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> Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen > Bastian Mayer • 15. Karlsruher Fahrzeugklima-Symposium > 22.03.2018DLR.de • Folie 4
Grundbegriffe Batterietechnik
ä ä
0,5 / . 2 / 20 / 50 /
J.-M. Tarascon und M. Armand, Nature, Nr. 414, pp. 359-367, 2001A. Wiebelt, T. Isermeyer, T. Siebrecht und T. Heckenberger, „Thermomanagement von Lithium-Ionen-Batterien,“ ATZ, Bd. 111, Nr. 07-08, pp. 500-504, 2009
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L1e-Fahrzeug Zukünftige Kfz-Batterien mit 4C
Kälteleistung HVAC (stationär/Pull down) 3 kW1/ 8 kW1
Kälteleistung Batterietemperierung 643 – 1238 W(6,6-12,9 % von 9,6 kW)
12 kW1 (BOL)(3 % von 400 kW)
1 Wawzyniak, Markus et al., Thermomanagement als Grundvoraussetzung für die elektrische Mobilität. In: Automobiltechnische Zeitung (ATZ) vol. 09 (2017), pp. 53–57
Beispielsystem: 48 V System; 14s16p; 2,4 kWh; _ 19,94 Ω, _ 38, 4 Ω
DLR.de • Folie 5
0
250
500
750
1000
1250
1500
0 1 2 3 4
Verlu
stw
äme
[W]
C-Rate [1/h]
Begin of Life (BOL)End of Life (EOL)
Stand der Technik
Herausforderung Batterieabwärme
> Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen > Bastian Mayer • 15. Karlsruher Fahrzeugklima-Symposium > 22.03.2018
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> Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen > Bastian Mayer • 15. Karlsruher Fahrzeugklima-Symposium > 22.03.2018DLR.de • Folie 6
Temperaturbedingte Zellalterung
• Batteriealterung und Einsatzfähigkeit werden durch die Zelltemperatur stark beeinflusst
3x2,4x1,6x2,3x
B. Dr.-Ing. Eberleh, „Thermomanagement für Li-ionen Batterien als Schlüssel für Reichweite, Leistung und Lebensdauer,“ in VDI-Konferenz: Thermomanagement für elektromotorisch angetriebene Fahrzeuge, Stuttgart, 2012.
Lebensdauererhöhung durch eine Temperierung auf 23°C farblich dargestellt
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> Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen > Bastian Mayer • 15. Karlsruher Fahrzeugklima-Symposium > 22.03.2018DLR.de • Folie 7
D. Neumeister, W. Achim und T. Heckenberger, „Systemeinbindung einer Lithium-Ionen-Batterie in Hybrid- und Elektrofahrzeuge,Automobiltechnische Zeitschrift (ATZ), Bd. 112, Nr. 4, pp. 250-255, 2010
Direkte Kühlungmit der HVAC
• HVAC-Systeme müssten größer werden
• größerer Verflüssiger größere Kühlöffnungen (cw ↑) stärkere Lüfter (Lärm)
• größere oder schnelldrehende Verdichter
• Chillersysteme können die Temperaturinhomogenität der Zellen durch starke Erwärmung des Kühlmediums nicht ausreichend kompensieren
Indirekte Kühlungmit der HVAC
Aktuelle Batterietemperiersysteme
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Lösungsansatz
Vorhandene Kühl- und Kältekreise im Elektro-PKW
Indirekte Kühlungmit der HVAC
Direkte Kühlungmit der HVAC
Kopplung der Systeme
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+ Vereinfachter Umschaltbetrieb der HVAC
+ Integration der Batteriekühlung/-heizung in die vorhandenen Kühlkreisläufe für E-Maschine, Umrichter und On-board Ladegerät
+ Erhöhung der Leistungsfähigkeit und Effizienz
+ Einsatz von alternativen Kältemitteln
+ Geräuschminderung
- Zusätzliche Komponenten
- Brennbarkeit von alternativen Kältemitteln
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Vor- und Nachteile
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100 20001
5
10
Pres
sure
[bar
]
specific Enthalpy [kJ/kg]
-15°C
-10°C
-5°C
0°C
5°C
10°C15°C
20°C25°C
30°C35°C
45°C
50°C55°C
x=0,2 x=0,4 x=0,6 x=0,8
40°C
55° , 14,6
, 5° , , 2,7
R1234yfsource: NIST Standard Reference Database 23, Version 9.0
Coupled system
Decoupled system
Δ ,
, 15° , , 4,9
Δ ,
R1234yf85%48%Π
116%
R290 Propan90%54%Π
197%
Abschätzung 1-stufiger Prozess
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+ Vereinfachter Umschaltbetrieb der HVAC
+ Integration der Batteriekühlung/-heizung in die vorhandenen Kühlkreisläufe für E-Maschine, Umrichter und On-board Ladegerät
+ Erhöhung der Leistungsfähigkeit und Effizienz
+ Einsatz von alternativen Kältemitteln
+ Geräuschminderung
- Zusätzliche Komponenten
- Brennbarkeit von alternativen Kältemitteln
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Vor- und Nachteile
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> Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen > Bastian Mayer • 15. Karlsruher Fahrzeugklima-Symposium > 22.03.2018DLR.de • Folie 12
100 20001
5
10
Pres
sure
[bar
]
specific Enthalpy [kJ/kg]
-15°C
-10°C
-5°C
0°C
5°C
10°C15°C
20°C25°C
30°C35°C
45°C
50°C55°C
x=0,2 x=0,4 x=0,6 x=0,8
40°C
55° , 14,6
, 5° , , 2,7
R1234yfsource: NIST Standard Reference Database 23, Version 9.0
Coupled system
Decoupled system
Δ ,
, 15° , , 4,9
70°
Δ ,
R290 Propan19%36%Π
141%
Abschätzung 1-stufiger Prozess
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> Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen > Bastian Mayer • 15. Karlsruher Fahrzeugklima-Symposium > 22.03.2018DLR.de • Folie 13
Stand der Technik: Thermische Schnittstelle (1)
SeitenkühlungBoden-/ Kopfkühlung
LuftkühlungAbleiterkühlung
A. Wiebelt, T. Isermeyer, T. Siebrecht und T. Heckenberger, „Thermomanagement von Lithium-Ionen-Batterien,“ ATZ, Bd. 111, Nr. 07-08, pp. 500-504, 2009
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> Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen > Bastian Mayer • 15. Karlsruher Fahrzeugklima-Symposium > 22.03.2018DLR.de • Folie 14
Stand der Technik: Thermische Schnittstelle (1)
Quellenangaben im Anhang
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> Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen > Bastian Mayer • 15. Karlsruher Fahrzeugklima-Symposium > 22.03.2018DLR.de • Folie 15
• Patent DE 10 2015 013 377 A1• Zellen im Kühlfluid• 3M Novec
• Elektrisch nichtleitend• Nicht brennbar und nicht entflammbar
Stand der Technik: Thermische Schnittstelle (2)
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> Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen > Bastian Mayer • 15. Karlsruher Fahrzeugklima-Symposium > 22.03.2018DLR.de • Folie 16
Patentanmeldung erfolgt
+ =
Integration der Kühlstruktur in den Stromableiter
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> Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen > Bastian Mayer • 15. Karlsruher Fahrzeugklima-Symposium > 22.03.2018DLR.de • Folie 17
Probleme:
• Gleichmäßige Verteilung des Fluidstroms• Kein Ausgleich der Toleranz des
Rollbondings• Fertigbarkeit am Rand nicht gegeben• Temperaturunterschiede durch
fortlaufenden Druckverlust• Rohrleitungen auf beiden Seiten• Großes Innenvolumen
Erste Generation
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> Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen > Bastian Mayer • 15. Karlsruher Fahrzeugklima-Symposium > 22.03.2018DLR.de • Folie 18
Zweite GenerationVariante 1
Variante 2 Variante 3
![Page 19: Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen · 2. Grundbegriffe Batterietechnik 3. Herausforderung Batterieabwärme 4. Temperaturbedingte Zellalterung 5. Aktuelle](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022071414/610e6f0bc11f4966c276e2a5/html5/thumbnails/19.jpg)
• FEM Simulation mit ANSYS Mechanical• Wärmeübergangskoeffizienten und Druckverlust aus Korrelation• Vereinfachtes Zellmodell 0,5 20• Batteriepack mit 16p14s ~2,4 kWh• Schnellladung BOL mit 4C -> 2,8 W Abwärme pro Zelle
> Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen > Bastian Mayer • 15. Karlsruher Fahrzeugklima-Symposium > 22.03.2018DLR.de • Folie 19
Kim, S.-M. & Mudawar, I. Review of databases and predictive methods for pressure drop in adiabatic, condensing and boiling mini/micro-channel flows, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, 77, 74-97 Kim, S.-M. & Mudawar, I. Review of databases and predictive methods for heat transfer in condensing and boiling mini/micro-channel flows International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, 627-652
FEM Simulation
70 mm
![Page 20: Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen · 2. Grundbegriffe Batterietechnik 3. Herausforderung Batterieabwärme 4. Temperaturbedingte Zellalterung 5. Aktuelle](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022071414/610e6f0bc11f4966c276e2a5/html5/thumbnails/20.jpg)
> Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen > Bastian Mayer • 15. Karlsruher Fahrzeugklima-Symposium > 22.03.2018DLR.de • Folie 20
Variante 1
Variante 2
Variante 3
Ergebnisse
Variante 1 Variante 2 Variante 3
Rohrlänge 10,6 m 7,01 m 6,04 m
Druckverlust 2,17 bar 1,45 bar 1,26 bar
Temperatur am Plattenende 2,7°C 7,1°C 8,3°C
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• Förderung des Projekts in der Landesinitiative Elektromobilität III
• Temperierung der schnellgeladenen Batterie (DLR)
• Elektrischer Allradantrieb mit ABS-Funktion und Drehmomentverteilung (Uni Ulm)
• Fahrzeugkonzept für Lastenmoped im Unterauftrag (Feddz)
• Projektbeginn April 2018
> Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen > Bastian Mayer • 15. Karlsruher Fahrzeugklima-Symposium > 22.03.2018DLR.de • Folie 21
Förderprojekt ZEC-Bike (Zero Emission Cargo Bike)
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• Weitere Detaillierung der thermischen Schnittstelle• Einbindung eines verbesserten Zellmodells• Implementierung des Druckverlusts und Auswirkung auf
• Verdampfungstemperatur• Wärmeübergangskoeffizient
• Berücksichtigung der elektrischen Verbindungstechnik• Kühl- und Kältekreislaufsimulation von Kopplungskonzepten• Prüfstand zur Ermittlung der Parameter für
• Verdichter• Kühlplatten• Verflüssiger
• Demonstration in realem Batteriesystem
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Ausblick
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Dipl.-Ing. Bastian Mayer
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) Institut für FahrzeugkonzeptePfaffenwaldring 38-40 70569 StuttgartGermany
Tel: +49 (0711) 6862 8061Fax: +49 (0711) 6862 258Email: [email protected]
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> Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen > Bastian Mayer • 15. Karlsruher Fahrzeugklima-Symposium > 22.03.2018DLR.de • Folie 24
Anhang - QuellenFolie 3: „Feddz Datenblatt“ [Online]. Availablehttp://www.feddz.de [Zugriff am 03. November 2016]
„Energica Ego Datenblatt“ [Online]. Available http://www.energicamotor.com/energica-ego-electric-superbike/ [Zugriff am 03. November 2016]
V. Reber, „Neue Möglichkeiten durch Laden mit 800 Volt,“ Porsche Engineering Magazin, pp. 8-15, 2016.
„Porsche Mission E Website“ [Online]. Available http://www.porsche.com/microsite/mission-e/germany.aspx [Zugriff am 03. November 2016]
„Weltpremiere Urban eTruck“ [Online]. Available: https://www.daimler.com/produkte/lkw/mercedes-benz/weltpremiere-urban-etruck.html. [Zugriff am 03. November 2016]
Folie 14: F. Schoewel & E. Hochgeiger,.The high voltage batteries of the BMW i3 and BMW i8Advanced Automotive Battery Conference, 2014
V. Hennige, The Tesla Model S Battery, Advanced Automotive Battery Conference, 2015
D. Dickinson, Fotos Smart ed Batterie, Batterietag Aachen, 2013
C. Ebner, K. Danzer & C. Platz, Batteriepackage des E-Scooter-Konzepts von BMW MotorradATZ, 03/2012, pp. 248-253