Neues Forschungsprojekt COOLEV

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Wer ein Elektroauto kauft, möchte sicher sein, dass er beim „Tanken“ auf langen Strecken möglichst wenig Zeit verliert. Die Schnellladefähigkeit stellt deshalb ein zentrales Element auf dem Weg zur Langstreckentauglichkeit und somit zur Kundenakzeptanz von Elektrofahrzeugen dar. Das Projekt „CoolEV“ leistet hier durch die Entwicklung eines innovativen Kühlsystems für Ultraschnellladeprozesse einen wesentlichen Beitrag.

Der Fokus liegt auf der Entwicklung eines ganzheitlichen Systems, das eine system- und fahrzeugseitige Kühlung vorsieht und gleichzeitig eine Verwertung der beim Schnelladen entstandenen Abwärme ermöglicht. Hierdurch soll ein nutzergerechtes Schnelladen von bis zu 400 kW Gleichstrom möglich und die Gesamtenergiebilanz von Elektrofahrzeugen deutlich gesteigert werden.

Ausgangslage

Der Marktforderung nach Elektrofahrzeugen mit mehr Reichweite und kürzeren Ladezeiten wird in naher Zukunft zunehmend durch schnellladefähige Langstreckenfahrzeuge und die entsprechende Ladeinfrastruktur erfüllt. Die vor wenigen Jahren als Schnellladen bezeichnete Ladeleistung von 50 kW wurde inzwischen, zumindest was den Ausbau der Infrastruktur betrifft, mehrfach übertroffen.

Ein Schnellladen mit bis zu 400 kW Gleichstrom ist mit neuen Batteriekonzepten möglich, allerdings liegen die Ladeverluste bei bis zu 40 kW. Um die dadurch entstehende Verlustwärme aus dem Fahrzeug abzuführen, ist ein Kühlsystem erforderlich, das für eine wirtschaftliche Serienanwendung nach aktuellem Stand zu groß, zu schwer und zu teuer ist. Um die Ladezeiten weiter zu reduzieren bzw. bei größeren Batterien die Ladezeiten zumindest auf dem heutigen Niveau halten zu können, sind weitere Forschungen notwendig.

Projektidee

Das Forschungsprojekt CoolEV untersucht zukünftige Möglichkeiten und Grenzen des Schnellladens hinsichtlich Wärmeabfuhr, Effizienz, Nutzerfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit. Über eine ganzheitliche Betrachtung, die die unterschiedlichen Anforderungen der einzelnen Komponenten auf Fahrzeug- wie auf Ladeinfrastrukturseite berücksichtigt, soll ein innovatives Kühlsystem entwickelt werden.

Dabei soll ein Teil der erforderlichen Kühlleistung über eine spezielle Thermoschnittstelle vom Fahrzeug zur Ladesäule verlagert werden, denn dort lassen sich leistungsstärkere Kühleinheiten deutlich leichter integrieren. Eine große Herausforderung sind hier die unterschiedlichen Anforderungen von Batterie, E-Antrieb und Leistungselektronik bezüglich Durchflussmenge und Temperaturniveau des Kühlmediums. Die einzelnen Komponenten müssen entsprechend ihres individuellen Bedarfs gekühlt werden.

Auch die Verwertung der beim Schnellladen entstehenden Abwärme soll ermöglicht werden. Durch die Verbesserung der Gesamtenergiebilanz von Elektrofahrzeugen könnte damit ein entscheidender Beitrag zur Wettbewerbsfähigkeit, Wirtschaftlichkeit und Marktdurchdringung zukünftiger Elektrofahrzeuge geliefert werden.

Ziele

Das Forschungsprojekt CoolEV verfolgt das Ziel, ein nutzergerechtes Ultraschnellladen mit bis zu 400 kW durch effiziente und wirtschaftliche Kühlsysteme zu ermöglichen. Dies soll über zwei Ansatzpunkte gelingen:

Gesamthaftes Fahrzeugkühlungskonzept: Batterie, E-Antrieb und Leistungselektronik sollen über einen gemeinsamen Kreislauf mit einem nichtleitenden Kühlmittel direkt gekühlt werden.

Verbesserte Gesamtenergiebilanz: Durch die Nutzung der beim Schnellladen entstehenden Abwärme wird die Gesamtenergiebilanz von Elektrofahrzeugen verbessert. Hierfür soll ein Konzept inklusive Geschäftsmodell und Ladelogistik entstehen.

Praxisanwendungen

Innerhalb der Projektlaufzeit entsteht zum einen ein Demonstratorfahrzeug mit optimierter Kühlung der Batterie und der elektrischen Antriebskomponenten. Zum anderen wird über eine prototypische Ladeinfrastruktur simuliert, wie sich die beim Schnellladen entstandene Verlustwärme nutzen lässt.

Die Forschungsergebnisse dienen als Grundlage für die Weiterentwicklung langstreckentauglicher Batteriekonzepte zur Serienreife. Vor allem für Fahrzeuge aus dem Premiumsegment, aber auch für die Elektrifizierung im Nutzfahrzeugsegment haben diese Konzepte höchste Relevanz.

Erkenntnisse fließen in die Lehre ein

Der Esslinger Projektleiter Prof. Dr. Alexander Müller: „Die Ergebnisse werden wissenschaftlich verwertet, indem die Erkenntnisse einer breiten Öffentlichkeit durch Beiträge bei Tagungen und Veranstaltungen zur Verfügung gestellt werden. Unsere Erkenntnisse fließen zudem in die Lehre ein und tragen damit zur Aktualität von Lehrveranstaltungen in der Fakultät Fahrzeugtechnik bei.“

Konsortium

Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG (Konsortialführer), Institut für Fahrzeugtechnik Stuttgart (IFS), Hochschule Esslingen, Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW), HYDAC COOLING GmbH

Ansprechpartner: Prof. Dr. Alexander Müller, Fakultät Fahrzeugtechnik

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Christiane Rathmann
M.A. Christiane Rathmann