Kühlsystem und Betriebsstrategie für die Elektro-Mobilität der Zukunft

Bild 1: Lieferfahrzeug mit gekühlten und beheizten Frachträumen   [Quelle: GreenIng GmbH & Co. KG]

Innovatives prädiktives Thermomanagement für ein urbanes autonom fahrendes Elektro-Lieferfahrzeug

• Wie sieht das Kühlsystem für die Elektro-Mobilität aus?
• Was ist die perfekte Betriebsstrategie für den Transport von Personen und Waren?
• Wie kann gleichzeitig die elektrische Reichweite maximiert werden?

Alle diese Fragestellungen werden im deutsch-französischen Förderprojekt „Innovative Predictive High Efficient Thermal Management System – InnoTherMS“ bearbeitet.

Seit Dezember 2018 arbeitet TheSys in diesem internationalen Förderprojekt mit neun Partnerunternehmen aus Frankreich und Deutschland zusammen und trägt die Verantwortung für die Konzeption der Kühlsystemarchitektur und die zugehörige prädiktive Betriebsstrategie. Das Projekt mit einem Budget von 4 Mio. € hat eine Laufzeit von 3 Jahren.

Stellen Sie sich vor,

sie wohnen in der Stuttgarter Innenstadt und haben kein eigenes Fahrzeug. Sie nutzen das vielfältige Mobilitätsangebot für die Fahrten im Stadtgebiet und lassen sich ihr Essen und ihre Getränke von ihrem Lieblingsrestaurant zuliefern, gerne Linsen und Spätzle mit heißen Saitenwürstchen, einem knackigen Salat und als Nachtisch Eis mit heißer Himbeersauce.

Ihr Essen wird von einem elektrischen Lieferfahrzeug gebracht, das mit gekühlten und beheizten Frachträumen ausgestattet ist, Bild 1 oben, und pünktlich zur Mittagszeit bei ihnen vorfährt.

Der technische Hintergrund ist komplex.

Das Fahrzeug-Kühlsystem muss nicht nur diese Frachträume temperieren, sondern es soll gleichzeitig allen Passagieren in der Kabine ein individuelles Wohlfühlklima liefern und muss außerdem die Antriebsbatterie und den Antriebsstrang kühlen oder beheizen, je nach Fahrbetrieb. Gleichzeit soll der Energiebedarf hierfür minimal sein, damit das Fahrzeug nicht kurz vor ihrer Haustür stehen bleibt.

Die Lösung ist ein integratives Kühl- und Heizsystem mit einer energie-effizienten Kälte- und Wärmeerzeugung sowie einer Nutzung und Speicherung sämtlicher Abwärmen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus. Die Architektur des Kühlsystems wird gerade im Rahmen einer Fahrzeug-Co-Simulation entwickelt und optimiert. Basis hierfür sind Messungen an einem elektrischen Lieferfahrzeuges im Stuttgarter Straßenverkehr, Bild 2.

 Bild 2: Thermodynamisches Simulationsmodell für ein elektrisches Lieferfahrzeug

Auch die Betriebsstrategie hat es in sich.

Die oft konkurrierenden Komfort-Anforderungen von Passagieren, Fracht und Fahrzeugantrieb werden in einer prädiktiven Betriebsstrategie hinterlegt. Das bedeutet, dass Betriebsstrategien und Regelungseingriffe kontinuierlich für die vorausliegende Fahrtstrecke mit einer Vorschau von bis zu 2 Stunden optimiert werden, weil der Transportauftrag und das Verkehrsgeschehen aus einer Car2x-Umgebungskommunikation bekannt sind, Bild 3.

Der Transportauftrag, z.B. die Beladung und Entladung von heißen und/oder kalten Essenspaketen an definierten Stationen, wird in einem Transportprofil vorgegeben. Hieraus ergeben sich mithilfe der GPS-Routenplanung die Fahrtroute und das Straßenprofil, welches die Einflüsse von Straßensteigung und Fahrtrichtung abbildet. Ein nachgeschaltetes Verkehrsprofil liefert die Fahrgeschwindigkeit (Berufsverkehr, freie Straße, Ampelstopps) und in Kombination mit dem Wetterprofil (Winter/Sommer, sonnig/bewölkt) die Umgebungstemperatur und die Intensität der Sonneneinstrahlung. Zudem gibt es manuelle Eingriffe von Seiten der Passagiere beim das Öffnen von Türen und Fenstern kombiniert mit Komfortwünschen an die Fahrzeugklimatisierung.

Bild 3: Betriebsprofile und Strategie einer prädiktiven Betriebsstrategie

Alle diese Profile werden als Randbedingungen der Fahrzeugsimulation aufgeprägt. Das Ergebnis der Simulation, die elektrische Reichweite wird durch Optimierungen von thermischen Komponenten, der Thermomanagement-Architektur und einer prädiktiven Betriebsstrategie maximiert.

Und was ist der Beitrag von TheSys?

TheSys bringt seine langjährige Fachkompetenz auf dem Gebiet der Kühlsystementwicklung und thermodynamischen Simulation ein. Von der Auslegung der Wärmeübertrager, über die Optimierung mit Hilfe der 3d-CFD-Berechnung bis hin zur transienten Fahrzeugsimulation mit dem Simulationstool GT-Suite. TheSys übernimmt die Abbildung von neuen Kühlungskomponenten, die von den Projektpartnern entwickelt werden, und bindet diese in eine Co-Simulationsumgebung ein, die durch ein „Vehicle Operation Cockpit“ gesteuert wird. Dies erlaubt dann eine automatische  Optimierung der zugehörigen prädiktiven Betriebsstrategien.

Sie sehen,

es ist eine komplexe technische Herausforderung bis diese Technologie in ihrer Stadt einmal verfügbar sein wird. Wir wissen, es ist möglich.

TheSys und seine Projektpartner sind in der Entwicklung schon weit vorangekommen. Aktuell bewerten und validieren wir neue thermische Komponenten und Kühlsystemarchitekturen und entwickeln die Betriebsstrategie. Im kommenden Jahr werden wir die prädiktive Regelung konkretisieren und das thermische Fahrzeugkonzept vorstellen.

Und wie geht es weiter?

Aktuell ist geplant, die Methodik und das prädiktive Kühlsystem auf urbane Elektro-Busse zu übertragen damit sie zukünftig auf einem angenehm temperierten Sitzplatz entspannt und komfortabel reisen wenn sie zur Abwechslung im Restaurant essen.

Wir und unsere Projektpartner wissen, die Mühe lohnt sich. In Zukunft wird es bei uns warme Linsen und Spätzle für zu Hause geben und Coq au Vin mit kalter Crème brûlée bei unseren französischen Freunden.

Und wann möchten Sie ihr Mittagessen zu Hause genießen?