Bei rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen sinkt durch die Bereitstellung der zur Beheizung und Klimatisierung notwendigen Energie direkt aus dem Fahrzeugakkumulator die Maximalreichweite um bis zu 47 % bei -7 °C Umgebungstemperatur. Neben aktiven Optimierungsansätzen, die im Wesentlichen auf eine Wirkungsgradsteigerung des Klimatisierungs- und Beheizungssystems abzielen, bietet die thermische Kabinenisolation als passive Maßnahme ein bisher kaum betrachtetes Potenzial. Die Bewertung von Isolationsmaßnahmen in PKW-Baugruppen gestaltet sich komplex. Einerseits, weil der Wärmedurchgang von der inhomogenen Temperatur- und Strömungsverteilung an den Bauteiloberflächen im Kabineninneren abhängig ist, andererseits, weil Interaktionseffekte der Wärmeübertragungsmechanismen im Baugruppeninneren den Wärmetransfer erheblich beeinflussen. Ansätze, den Wärmetransfer in Fahrzeugbaugruppen von Kabinensimulationsmodellen ganzheitlich dreidimensional abzubilden, scheitern zum heutigen Zeitpunkt an zu hohen Rechen- und Postprocessingaufwänden. Die vorliegende Arbeit zeigt eine methodische Vorgehensweise, die die Evaluation von Isolationsmaßnahmen in der lastfallspezifischen Fahrzeugumgebung und unter Berücksichtigung limitierter Rechenressourcen ermöglicht. Dies geschieht über die Verknüpfung mathematischer Ersatzmodelle aus der simulationsgestützten statistischen Versuchsplanung mit Prognoseergebnissen aus detaillierten CFD-Komponentenmodellen. Unter der Zielvorgabe Reichweiteneinbrüche im Winter zu reduzieren und gleichzeitig eine verstärkte Kabinenaufheizung im Sommer zu vermeiden, wird das Verhalten der Fahrzeugkabine auf eine veränderte Isolationswirkung von Boden-, Stirnwand-, Dach-, Türen- und Säulenstruktur untersucht. Aus den Ergebnissen leitet sich eine Isolationsstrategie für die Fahrgastzelle von Elektrofahrzeugen ab. In einer für die Evaluation von Isolationsmaßnahmen entwickelten Bewertungslogik wird abschließend der thermodynamische Effekt dem Realisierungsaufwand und den mit der Umsetzung der Maßnahme verbundenen Kosten gegenübergestellt. Als umsetzungsnahe Handlungsempfehlung ergibt sich eine Baugruppenstrategie, die sich aus der Isolation von vier Komponenten zusammensetzt: einer Schaumstoff-Materialsubstitution im Bodenbereich, einer Polyurethan-Türinnenverkleidung, einer Low-e-Sprühschaum-Kombination im Luftspalt des Daches sowie einer vollständigen Beschichtung der Säulenverkleidungen im Nichtsichtbereich. Dies erhöht die Fahrzeugreichweite für ein Fahrzeug des Typus einer elektrifizierten Mercedes-Benz B-Klasse bei -7 °C Umgebungstemperatur und 55 km/h Konstantfahrt um bis zu 8,0 km. Im Sommer führt diese Maßnahmenkombination darüber hinaus zu einer um etwa 1,5 °C verringerten mittleren Kabinentemperatur nach fünfstündiger passiver Standaufheizung.
For pure electric automobiles the appropriation of energy for heating and acclimatization alone affects a reduction of up to 47 % in the maximum operating range at -7 °C. Alongside active optimization efforts aimed at higher efficiencies of air conditioning and heating systems, thermal cabin insulation as a passive measure disburses untapped research potential. The evaluation of insulation measures in cabin interior components presents itself as a complex task. This is attributed predominantly to the effective heat transfer playing out as a function not only of the inhomogeneous temperature and fluid flows on surfaces of components, but also being significantly altered by the interplay of various heat transfer mechanisms in component interiors'. Contemporary efforts to model this complex heat transfer scenario in automotive components through holistic three dimensional cabin simulation models have failed due to high computational and post-processing involvement. Within the framework of the load case specific automotive environment and under consideration of limited computational means, the presented work develops a methodological scientific approach for the investigation and assessment of insulation measures. This is accomplished through the linking of reduced mathematical models (developed from a simulation supported Design of Experiments (DOE)) with predicted results from detailed Computational Fluid Dynamics (CFD) modeling. Minimization of range reduction in winter and the simultaneous prevention of cabin over-heating in summer are outlined as clear objectives. A critical analysis of the thermal behavior of the drive cabin under an effected change in insulating efficiency of the floor, firewall, roof, doors and pillar structures is hence carried out. The results yield a practical concrete insulating strategy for electrical vehicles. Finally, the developed logical approach to the evaluation of insulation measures compares the thermodynamic effect, the implementation complexity and the cost feasibility associated. As a practical recommendation a sub-assemble strategy presents itself that comprises the insulation of four components: a foam substitution in the floor area, an interior door panel made of polyurethane, a low-e spray foam combination in the roof air gap and additional lowe coatings within the pillar structures. At a surrounding temperature of -7 °C and a constant velocity of 55 km/h, this increases the operating range of an electric vehicle analogous to the Mercedes-Benz B-Class by up to 8.0 km. Additionally, in summer following a duration of five hours passive heat-up, the combination of measures yields a reduction of 1.5 °C in the average cabin temperature.
Die thermische Isolation der PKW-Fahrgastzelle als passive Maßnahme zur Optimierung von Reichweite und Komfort für Elektrofahrzeuge
2014
213 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen
Theses
German
Wärmetransfer , Isolation , Wärmedurchgang , Elektrofahrzeug , Temperaturverteilung , Umgebungstemperatur , Klimatisierungsautomatik , Fahrgastzelle , Simulationsmodell , statistische Versuchsplanung , Säulenverkleidung , mathematisches Modell , CFD-Modell , Materialsubstitution , fluide Strömung , thermisches Verhalten , Fahrerhaus , Reichweite (Funktechnik)
Thermische Isolation der Fahrgastzelle von Elektrofahrzeugen
Tema Archive | 2013
|Thermische Isolation der Fahrgastzelle von Elektrofahrzeugen
Automotive engineering | 2013
|