hyPowerRange: Klimatisierungstechnologie für Elektrobusse

In dem vom BMWi geförderte Projekt „hyPowerRange“ wird ein neuartiges hybrides Batteriekonzept entwickelt und erprobt. Das Ziel des Forschungsprojekts ist es, die Faktoren Reichweite, Kosten, Kühl- und Heizbedarf sowie Leistung von Elektrofahrzeugen zu verbessern. Viele Energiespeicher sind entweder auf Energie oder auf Leistung ausgelegt. Doch optimal wäre es, beide Stärken zu verbinden. 

Die Herausforderungen

Die Aufgabe des Forschungsteams der Konvekta AG war es, 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. 

Kombination aus CO₂-Wärmepumpe und Heat2go

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 bzw. den Energieverbrauch eines E-Fahrzeugs nieder, da der Strom direkt aus der Fahrzeugbatterie bezogen wird. 

Anders ist das bei einem System mit einer CO₂-Wärmepumpe. Durch unterschiedliche Aggregats- sowie Druckzustände des Kältemittels wird die Wärme aus der Umgebungsluft und aus wärmeerzeugenden Komponenten des Fahrzeugs (z.B. den Achsen) gesammelt. Diese Energie wird vervielfacht und zur Beheizung bereitgestellt. Auf Basis der Erfahrungen der letzten Jahre wurde eine neue Form der CO₂-Wärmepumpe entwickelt, mit dem Schwerpunkt einer reichweitenoptimierten Batterie- und Fahrzeugtemperierung mit thermischer Vorkonditionierung aus dem elektrischen Netz.

Das Klimakonzept hyPowerRange bekam eine neue Steuerung sowie eine eigene Sensorik. Die theoretische Auslegung und Entwicklung der Wärmetauscher durch eigenen Simulationstools sowie die Validierung im Prüfstand erfolgten am Standort Schwalmstadt der Konvekta AG. 

Des Weiteren wurde 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. 

Klimatechnik von Morgen 

Durch 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. 

Durch die Weiterentwicklung der thermischen Speicher (Heat2go) konnte eine homogene Temperaturverteilung erreicht werden, die bei der direkten Verschaltung von Hochleistungs- und Hochenergiezellen einen Betrieb aller Zellen innerhalb des „Komfortbereichs“ gewährleistet. Dadurch werden ein sicherer Betrieb, konstante Leistung und eine hohe Lebensdauer der Batterie garantiert. Weiterhin wird durch das Abfedern von Leistungsspitzen und das Verlängern der Stillstandzeit des Verdichters zusätzlich Energie eingespart und der Kompressor geschont.

Der kompakte Bauraum erforderte eine Neukonzeption des Wärmetauschers, der als CO₂-Gaskühler und Verdampfer fungiert. Das Ergebnis ist eine Gewichtsersparnis von bis zu einem Drittel bei gleicher Leistung.