Methodische Konzeptentwicklung zur Batterietemperierung mittels Peltier-Elementen

Kurzfassung

Die bestehende Temperaturempfindlichkeit von batterieelektrischen Energiespeichern in Fahrzeuganwendungen gibt Anreiz zur Entwicklung neuer innovativer Temperierungskonzepte. Bisherige Veröffentlichungen zu diesem Thema behandeln unter anderem den Einsatz von Peltier-Elementen. Bei diesen erfolgt durch das Zuführen von elektrischer Energie ein Wärmetransport (Funktion einer Wärmepumpe). Außerdem besteht das Potential mit einem Aufbau die Funktionen Heizen und Kühlen abdecken zu können. Dabei ist die Leistungszahl (COP-Wert) vor allem stark abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Kalt- und Warmseite, kann aber relativ große Werte annehmen (COP > 3). Bei konventionellen Lösungen, die zum Heizen elektrische Energie direkt in Widerstandswärme umsetzen, ist die Leistungszahl (COP = 1) gering, dafür aber konstant. Bisherige Arbeiten werfen einen Blick auf bestimmte Anwendungsfälle und behandeln maximal zwei Konzepte zum Einsatz von Peltier-Elementen in Batterietemperierungen. Dabei bleibt die Gewichtung der Auswahlkriterien unklar. Diese Veröffentlichung verfolgt die in der VDI 2221 beschriebene Vorgehensweise zur anwendungsorientierten Auswahl von Konzepten. Die ermittelten Grundideen sollen für jeden Anwendungsfall Gültigkeit besitzen und mit einer Entscheidungsgrundlage objektiv bewertet werden. Dabei wird wie folgt vorgegangen. Zunächst werden die Anforderungen und Randbedingungen aus den betroffenen Teilsystemen (Batterie, Kühlsystem) für die jeweiligen Anwendungsfälle recherchiert. Anschließend wird in der Konzeptphase zunächst eine Funktionsstruktur erstellt. Diese gliedert die Anwendung in Teilfunktionen auf, für welche Teillösungen gesucht werden können. Bei der Suche nach Lösungen wird der Fokus auf die Integrierbarkeit in bestehende Systemlösungen geachtet. Der Eingriff in den Batterieaufbau und die Wärmeübertragung innerhalb der Batterie sind zunächst nicht Teil der Betrachtung. Die Teillösungen werden schließlich mit Hilfe des Morphologischen Kastens zu Konzepten kombiniert. Aufbauend auf der Anforderungsliste wird eine Bewertungsystematik zur Vorauswahl der Konzepte erstellt. Daraus gehen anwendungsspezifische Lösungen hervor, die für eine Beispielanwendung weiter verfolgt werden. Die Simulation der verschiedenen Konzepte im Vergleich zum Status-Quo liefert die Auswahlgrundlage und die Potentiale der Technologie für den Anwendungsfall. Je nach Gewichtung der Auswahlkriterien kann somit das optimale Batterietemperierungskonzept für den Anwendungsfall gefunden werden.