Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen · 2. Grundbegriffe Batterietechnik 3....

Kältemittelbasierte Direkttemperierung von BatteriesystemenEin alternatives Kühlkonzept zur Schnellladung von zwei- und vierrädrigen E-Fahrzeugen

Dipl.-Ing. Bastian Mayer, Institut für Fahrzeugkonzepte

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

> Kältemittelbasierte Direkttemperierung von Batteriesystemen > Bastian Mayer • 15. Karlsruher Fahrzeugklima-Symposium > 22.03.2018DLR.de • Folie 2

Übersicht


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


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

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


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


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


Lösungsansatz

Vorhandene Kühl- und Kältekreise im Elektro-PKW

Indirekte Kühlungmit der HVAC

Direkte Kühlungmit der HVAC

Kopplung der Systeme

+ 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


Vor- und Nachteile


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

+ 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


Vor- und Nachteile


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


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



Quellenangaben im Anhang


• Patent DE 10 2015 013 377 A1• Zellen im Kühlfluid• 3M Novec

• Elektrisch nichtleitend• Nicht brennbar und nicht entflammbar



Patentanmeldung erfolgt

+ =

Integration der Kühlstruktur in den Stromableiter


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


Zweite GenerationVariante 1

Variante 2 Variante 3

• 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


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


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

• 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


Förderprojekt ZEC-Bike (Zero Emission Cargo Bike)

• 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


Ausblick

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]


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

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