Methodische Konzeptentwicklung zur Batterietemperierung mittels Peltier-ElementenK. Oetringer, B. Mayer

EinleitungDie bestehende Temperaturempfindlichkeitvon batterieelektrischen Energiespeichern inFahrzeuganwendungen gibt Anreiz zurEntwicklung neuer innovativerTemperierungskonzepte. Ein Ansatz dazu istder Einsatz von Peltier-Elementen (TEM).Diese erfüllen die Funktion einerWärmepumpe. Daher besteht das Potentialmit einem Aufbau die Funktionen Heizenund Kühlen abdecken zu können. In diesemZusammenhang wird die in der VDI 2221beschriebene Vorgehensweise zuranwendungsorientierten Auswahl vonKonzepten verfolgt. Die ermitteltenGrundideen sollen für den generellenAnwendungsfall Gültigkeit besitzen und miteiner Entscheidungsgrundlage objektivbewertet werden. Fig. 1: Beispielsystem ELMOTO HR2

Fig. 3: Funktionsstruktur einer Batterietemperierungim batterieelektrischen Fahrzeug

Vorgehensweise nach VDI 2221Es wird zunächst eine Funktionsstruktur fürdie oberste Abstraktionsebene im Fahrzeug-gesamtsystem erstellt. Dabei ist wichtig,dass die Gültigkeit für den generellenAnwendungsfall erhalten bleibt.Die Funktionen sind die Eingangsgrößen fürdie morphologische Konzeptentwicklung.Dort werden für diese Funktionen Lösungengesucht deren Hauptbestandteil dievorausgesetzten Fahrzeugkühlsysteme sind.

Bewertung nach GewichtungDie Anforderungen werden entsprechenddem Einsatzzweck gewichtet. Für dasBeispiel: Klein-Fahrzeug wird die geringeKomplexität und der möglichst geringeIntegrationsaufwand stärker bewertet alsenergetische Aspekte. Zwei Konzepteerreichen eine relativ hohe Bewertung undwerden im Folgenden näher beschrieben.

KontaktKerstin Oetringer M. Eng.

Deutsches Zentrum für Luft- und RaumfahrtInstitut für Fahrzeugkonzepte

Pfaffenwaldring 38-4070569 Stuttgart

Kerstin.Oetringer@dlr.de+49(0) 711/ 6862-516

Entsprechend der drei Grund-SzenarienHeizen, Kühlen und Normalbetriebentstehen drei morphologische Kästen. Füralle drei werden Konzepte erstellt indemLösungsansätze für die jeweiligenFunktionen miteinander verbunden werden.Dabei ergibt sich eine Vielzahl vonKombinationsmöglichkeiten. Gemäß derallgemeingültigen Festforderungen werdenLösungen eingeschränkt und Konzepteausgewählt. So werden vier Konzepte, diebei allen Szenarien gleich sind und dreiweitere Konzepte, die ein Umschaltenzwischen den genutzten Kreisläufenvorsehen, ausgewählt.Die entstandenen Konzepte haben nochkeinen Bezug zu einem konkretenAnwendungsfall. Allein die vorgegebeneFunktion der Batterietemperierung imbatterieelektrischen Fahrzeug ist ihnengemein. Im nächsten Schritt, derBewertung, wird nun auf den konkretenAnwendungsfall eingegangen.

Um diesem Rechnung zu tragen erstrecktsich die Betrachtung auf die Haupt-Kühlsysteme im batterieelektrischenFahrzeug.

Randbedingungen Batterie & Klima• Traktionsbatterie: Lithiumionenzellen• Temperaturerhöhung um 1 °C verringert

die Lebensdauer um 2 Monate [4]

• Temperaturbereich 20-40°C

Fig. 2: Thermische Randbedingungen in städtischen Ballungszentren

• Bei 10 °C verdoppelt sich derInnenwiderstand im Vergleich zu 25 °C [5]

Leistungsfähigkeit sinkt Verluste steigen

• Auslegung auf 96% der klimatischenRandbedingungen in Europa (-2,5 … 27,5°C)

• Grenzwerte liefert die Betrachtungstädtischer Ballungsräume

Dieses Vorgehen wurde exemplarischdurchgeführt und 2 Konzepteherausgestellt. Im weiteren Verlauf derArbeiten werden die ausgewähltenKonzepte auf simulativer Basis ausgearbeitetund ausgelegt. Des Weiteren wird dasgleiche Vorgehen auch auf andereAnwendungsfälle angewendet werden.

Quellen:[1] S. Pischinger et. al.: AUFGABEN BEIM

THERMOMANAGEMENT VON HYBRID- UNDELEKTROFAHRZEUGEN, ATZ 04|2014

[2] Ch. Kuper, M. Hoh, G. Houchin-Miller, J. Fuhr: ThermalManagement of Hybrid Vehicle Battery Systems. EVS24,Stavanger, Norway, 13-16.05, 2009

[3] Dr. Grünwald, MAHLE Behr GmbH & Co. KG: BatteryThermal Management with Thermoelectricity 18.11,2013

[4] Salvio Chacko, Yongmann M. Chung, Journal of PowerSources: www.elsevier.com/locate/jpowsour Thermalmodelling of Li-ion polymer battery for electric vehicle drivecycles, Aufgerufen am 01.02.2013

[5] B. Eberleh: Thermomanagement für Lithium-Ionen Batterien,VDI-Konferenz: Thermomanagement für elektromotorischangetriebene Fahrzeuge, Stuttgart 12.12, 2012

‐10‐505

1015202530354045

Januar

Februar

März

April

Mai

Juni

Juli

August

September

Oktober

November

Dezember

Durschnittstemperatur [°C]

Abu Dhabi ‐ max.Temperatur Mumbai ‐ max. Temperatur

Shanghai ‐ max. Temperatur Rio de Janeiro ‐ max. Temperatur

Fig. 4: Bewertung der sieben Konzepte undHerausstellen der besten Konzepte für das Beispiel:Klein-Fahrzeug (ELMOTO)

Konzept 11,774

Konzept 22,338

Konzept 31,794

Konzept 42,09

Konzept 51,300

Konzept 61,868

Konzept 71,908 Konzept 8

1,79

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

2,4

2,6

Bewertung (0 ‐3)

Fig. 5: Schematische Darstellung von Konzept 2 (links)und Konzept 4 (rechts)

Konzept 2Dieses Konzept erreicht für die Anwendungim Kleinfahrzeug die höchste Bewertung.Das resultiert vor allem aus der gutenthermischen Anbindung der TEM in einemWasser-Wasser-Wärmeübertrager, was einehohe erreichbare Leistungsdichte versprichtund der geringen Komplexität desKonzepts. Durch die hohe erreichbareLeistungsdichte brauchen nur wenigePeltier-Elemente zum Einsatz kommen.Daher werden dafür auch weniger Kostenanfallen.

Konzept 4In diesem Konzept werden die Peltier-Elemente direkt an die Batterie angebundenund die Abwärme über eine Berippung andie Umgebung abgegeben. Ein Eingriff inden Batterieaufbau ist daher obligatorisch.Es zeigt die geringste Komplexität allerKonzepte auf und ist deshalb für diesenAnwendungsfall interessant. Im Vergleichzu Konzept 2 werden mehr TEM zumEinsatz kommen, da die thermischeAnbindung schlechter sein wird.

Zusammenfassung & AusblickDiese Arbeit zeigt wie durch einesystematische Vorgehensweise 7allgemeingültige Konzepte für eineBatterietemperierung im batterie-elektrischen Fahrzeug entstehen. DieKonkretisierung auf einen Anwendungsfallerfolgt durch Bewertung und Gewichtungder Anforderungen.