Experimentelle Untersuchung eines Hochtemperatur-Wärmespeichers für Elektrofahrzeuge

Kurzfassung

Aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung im Fahrzeugbereich steht, im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, nicht mehr ausreichend anfallende Abwärme zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums zur Verfügung. Zur Deckung des Heizenergiebedarfs im Winter bei Batterie betriebenen Elektrofahrzeugen wird derzeit hauptsächlich die Batteriekapazität genutzt, was eine Reichweitereduktion von bis zu 40% zur Folge hat. Zur Reduzierung des Reichweitenverlusts werden deshalb innovative Beheizungskonzepte gefördert. Großes Potential bietet die passive Beheizung in Form eines elektrothermischen Energiespeichers (ETES). Dieser Hochtemperaturfeststoffspeicher wird während des Beladevorgangs der Fahrzeugbatterie elektrisch beheizt. Im Fahrbetrieb kann dann die gespeicherte Wärme bedarfsgerecht dem Fahrgastraum, mittels Durchströmen des ETES mit dem Wärmeträgerfluid Luft, zugeführt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die experimentelle Untersuchung eines elektrothermischen Speichers und die anschließende Bewertung hinsichtlich des Einsatzes in elektrisch betriebenen Fahrzeugen. Dazu wird ein bereits bestehender Versuchsteststand umgebaut und der ETES in diesen integriert. Im Rahmen der experimentellen Untersuchung werden zwei verschiedenen Beladetemperaturen (600°C, 700°C) mit jeweils 5 unterschiedlichen Entladevolumenströmen (50m3/h, 100m3/h, 150m3/h, 200m3/h, 250m3/h) untersucht. Mittels Bypasssytem wird der Speicher bei einer Austrittstemperatur von 100°C entladen. Für ein Mittelklassefahrzeug mit dem Innenraumvolumen von 2,5m3 wird eine Heizleistung von 4,8kW über einen Zeitraum von 30 Minuten benötigt. Ziel ist es den daraus resultierenden Heizenergiebedarf von 2,4 kWh sicher zu stellen. Die Beladung des TES soll anwendungsnah in ca. 20 bis 30 Minuten erfolgen. Für die Integration in ein Fahrzeug ist Gewicht und Bauraum entscheidend, was eine hohe Energiedichte (150Wh/kg) fordert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine maximale Beladezeit von 34 Minuten erreicht wird. Die maximale Energiedichte von 118,79Wh/kg liegt 21% unter der geforderten Zielgröße. Der TES eignet sich dennoch für den Einsatz in Elektrofahrzeugen, da der Heizenergiebedarf erfüllt wird und mitunter 52% (3,64 kWh) über der Zielgröße liegt. Der in der Messkampagne maximal erreichte Wirkungsgrad beträgt 88%. Beladezeit und Energiedichte haben das Potential durch Optimierung des bestehenden Konzepts hinsichtlich Beladetechnik und Dimensionierung in zukünftigen Arbeiten optimiert zu werden.