Ziel des Projektes, das 2017 startete, war die Entwicklung eines neuartigen Batteriekonzepts für Elektrofahrzeuge, um die Faktoren Reichweite, Kosten, Kühl- und Heizbedarf sowie Leistung von Elektrofahrzeugen zu verbessern.
Das Forschungsteam des Klimatisierungsspezialisten Konvekta hatte im Rahmen des Projekts die Aufgabe, eine konstante Temperierung der Batterie sicherzustellen, um so den zuverlässigen Betrieb, konstante Leistung und eine hohe Lebensdauer der Hochleistungs- und Hochenergiezellen zu gewährleisten. Dies umfasste zusätzlich die Temperierung des Fahrzeuginnenraumes sowie die Klimatisierung der elektrischen Komponenten wie Ladegerät, Motor und Umrichter. Als Fahrzeug entschied man sich für ein Pkw (Audi A3), der von einem Verbrennungsmotor auf Elektroantrieb umgebaut wurde. Eine besondere Herausforderung stellte hierbei der geringe Bauraum für das System in Kombination mit Spitzenlasten von bis zu 20 kW bei der Batteriekühlung da.
„Gerade in der Automobilindustrie setzt man noch oft auf elektrische Heizgeräte, um den Innenraum im Winter mit warmer Luft zu versorgen. Diese Form der Heizung schlägt sich massiv auf die Reichweite / den Energieverbrauch eines E-Fahrzeugs nieder, da der Strom direkt aus der Fahrzeugbatterie bezogen wird“, erklärt Konvekta.
Anders sei das bei einem System mit einer CO2-Wärmepumpe. Durch unterschiedliche Aggregats- sowie Druckzustände des Kältemittels werde die Wärme aus der Umgebungsluft und aus wärmeerzeugenden Komponenten des Fahrzeugs (z. B. den Achsen) gesammelt. Diese Energie werde vervielfacht und zur Beheizung bereitgestellt. Auf Basis der in den vergangenen Jahren gewonnen Erfahrungen habe das Unternehmen aus dem hessischen Schwalmstadt eine neue Form der CO2-Wärmepumpe entwickelt können, mit dem Schwerpunkt einer reichweitenoptimierten Batterie- und Fahrzeugtemperierung mit thermischer Vorkonditionierung aus dem elektrischen Netz.
Das Klimakonzept „hyPowerRange“ habe eine neue Steuerung sowie eine eigene Sensorik bekommen. Die theoretische Auslegung und Entwicklung der Wärmetauscher durch eigenen Simulationstools, sowie die Validierung im Prüfstand erfolgten am Standort Schwalmstadt.
Des Weiteren habe man eine Weiterentwicklung des thermischen Speichers aus dem Projekt „Heat2Go“ integriert. „Heat2Go“ ist ein schnellladefähiger, modularer Wärmespeicher für elektrische Stadtbusse. Dieser Wärmespeicher nimmt in einem geringen Zeitfenster zugeführte thermische Energie durch einen Wechsel des Aggregatzustandes von fest zu flüssig auf. Die dort gespeicherte Wärmeenergie wird während der Fahrt kontinuierlich an den Innenraum sowie an temperaturbedürftige Nebenverbraucher abgegeben. Hierfür benötigt das System keine Energie aus den Bordbatterien.
„Durch das Projekt ‚hyPowerRange‘ konnten Erfahrungen und Erkenntnisse gewonnen werden, die mittelfristig in den nächsten Generationen der CO2-Wärmepumpen für E-Busse zum Einsatz kommen. So brachte das Projekt neuen Input im Bereich Regelung des Temperaturmanagements. In der Anwendung bedeutet dies eine Steigerung der Effizienz und die Vermeidung von Energieverlusten“, erläutert Konvekta.
Durch die Weiterentwicklung der thermischen Speicher (Heat2go) habe man eine homogene Temperaturverteilung erreichen können, die bei der direkten Verschaltung von Hochleistungs- und Hochenergiezellen einen Betrieb aller Zellen innerhalb des „Komfortbereichs“ gewährleiste. Dadurch werde ein sicherer Betrieb, konstante Leistung und eine hohe Lebensdauer der Batterie garantiert, so das Unternehmen weiter. Zudem werde durch das Abfedern von Leistungsspitzen und das Verlängern der Stillstandszeit des Verdichters zusätzlich Energie eingespart und der Verdichter geschont.
Der kompakte Bauraum habe eine Neukonzeption des Wärmetauschers erfordert, der als CO2-Gaskühler und Verdampfer fungiert. Das Ergebnis sei eine Gewichtsersparnis von bis zum einem Drittel bei gleicher Leistung.
Das Projektkonsortium bestand neben Konvekta aus der Hochschule Kempten, der ABT Sportsline, dem Betrandt Ingenieurbüro, der BMZ Batterien-Montage-Zentrum GmbH, der Fraunhofer-Institute für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) sowie für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES).