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10.08.2018

Hitzefrei im Elektromobil

Neuartige Materialien steigern Komfort und Reichweite

Abkühlung ist die größte Sehnsucht vieler Menschen in diesem Sommer. Das gilt auch während dem Unterwegssein. Wie sich mit geschicktem Thermomanagement nicht nur die Temperatur im Fahrzeug, sondern auch die Reichweite von Elektromobilen positiv beeinflussen lässt, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF im Rahmen des EU-Forschungsprojekts „Optemus“ (Projektnummer: 653288) gezeigt.

  • Zu einem ganzheitlichen, nutzerorientierten Energiemanagement im Innenraum eines Elektrofahrzeugs trägt zum Beispiel ein „Phase Changing Material“ (PCM) in der Instrumententafel bei, das die Wärme aus der Sonneneinstrahlung ableitet (© Fiat)

    Zu einem ganzheitlichen, nutzerorientierten Energiemanagement im Innenraum eines Elektrofahrzeugs trägt zum Beispiel ein „Phase Changing Material“ (PCM) in der Instrumententafel bei, das die Wärme aus der Sonneneinstrahlung ableitet (© Fiat)

  • Temperaturverläufe an der Ober- und Unterseite einer Platte aus Komposit: Aufgrund des Phasenübergangs ermöglicht das PCM-Material eine zeitdefinierte Speicherung der Energie, was wiederum die Oberflächentemperatur sinken lässt (© Fraunhofer LBF)

    Temperaturverläufe an der Ober- und Unterseite einer Platte aus Komposit: Aufgrund des Phasenübergangs ermöglicht das PCM-Material eine zeitdefinierte Speicherung der Energie, was wiederum die Oberflächentemperatur sinken lässt (© Fraunhofer LBF)

  • Vergleich der Temperaturverläufe des im Fraunhofer LBF entwickelten Kompositmaterials mit konventionell in Armaturenbrettern verwendetem Material (© Fraunhofer LBF)

    Vergleich der Temperaturverläufe des im Fraunhofer LBF entwickelten Kompositmaterials mit konventionell in Armaturenbrettern verwendetem Material (© Fraunhofer LBF)

  • Aufbau des Smart Cover Panels (© Fraunhofer LBF)

    Aufbau des Smart Cover Panels (© Fraunhofer LBF)

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Auch in Deutschland kommt die Elektromobilität langsam in Schwung. Im vergangenen Jahr hat sich die Zahl der Elektrofahrzeuge auf 93 000 nahezu verdoppelt. „Um den Absatz von Elektrofahrzeugen weiter zu steigern, ist es nicht nur notwendig, die Performance, wie beispielsweise die Reichweite, zu optimieren, sondern auch den Komfort der Insassen zu steigern“, sagt Paul Becker, der das Forschungsprojekt im Fraunhofer LBF leitet. „Dazu gehört unter anderem ein sinnvolles und kundenorientiertes thermisches Management im Fahrzeuginneren.“

Teilziel des Projekts war es, neuartige Materialien für den Einsatz im Armaturenbrett zu entwickeln. Sie sollen die maßgeblich von der Sonneneinstrahlung verursachte Wärme von der Oberfläche ableiten und damit die Wärmestrahlung verringern. Diese Aufgabe lösten die Wissenschaftler mithilfe eines Kompositmaterials und des Kühlsystems. Im Projekt wurde der gesamte Produktentstehungsprozess von der Definition der Anforderungen, Design, Herstellung des Materials und experimentellen Materialcharakterisierung sowie Fertigung eines Prototyps umgesetzt.

Verbesserte Thermobilanz am Armaturenbrett

Im Laufe des Projekts experimentierte das Team in Darmstadt an unterschiedlichen Trägermaterialien und integrierten verschiedene Füllstoffe wie Bornitrid und Graphit. Am Ende stand ein Material, das einen Phasenübergang durchlaufen kann, ein sogenanntes Phase Changing Material (PCM) mit einem Trägermaterial aus Polyethylen und dem Füllstoff Graphit. Das Graphit verleiht dem Kompositmaterial eine sehr gute thermische Leitfähigkeit und bewirkt eine schnelle Wärmeableitung. Der PCM-Anteil sorgt laut Fraunhofer LBF für eine hervorragende Energiespeicherung.

Unter dem Bauteilnamen „Smart Cover Panel“ wurden die Arbeitsprinzipien von Graphit und PCM-Material im Projekt zusammengefasst. Um die Vorteile des neuen Materials zu demonstrieren, bauten die Wissenschaftler dieses Bauteil in die Instrumententafel eines Elektrofahrzeugs ein, um anschließend einen Kreisprozess von Aufheiz- und Kühlphase zu erzeugen. Für die Kühlung sorgten Peltier-Elemente. Diese elektrothermischen Wandler werden ihrerseits mit externen Lüftern gekühlt. Die Energie für Peltier-Elemente und Kühler kommt aus einer zusätzlichen 12-Volt-Batterie, die mit Photovoltaikstrom gespeist wird.

Höhere Lebenserwartung der elektronischen Bauelemente

Die beim Phasenübergang freiwerdende Energie nutzten die Forscher, um die Peltier-Elemente nur für eine bestimmte Zeitspanne einzuschalten. Auf diese Weise müssen die Lüfter nicht konstant auf Maximalleistung laufen. Durch eine entsprechende Regelung wird das Kühlsystem an die Temperatur im Material gekoppelt. Dadurch soll die Lebenserwartung der elektronischen Bauelemente steigen. Durch eine geschickte Einstellung des Start-Punktes des Arbeitskreises wird das Smart Cover Panel durch das Sonnenlicht selbst geregelt. Das bedeutet: Die Kühlung startet nur an heißen Sommertagen, und im Winter bleibt die Wärme wie gewünscht im Armaturenbrett.

Temperatur um etwa die Hälfte reduziert

Das neu entwickelte Material wurde mit dem konventionell in Armaturenbrettern verwendeten Polypropylen-Talkum-Compound experimentell verglichen. Dazu beanspruchten die LBF-Wissenschaftler beide Materialien mit einer Strahlungsleistung von 1200 W/m². Nach der Versuchsdauer von 1000 s beträgt die Temperaturdifferenz auf der Oberfläche der Probekörper rund 41 °C. Darüber hinaus spart die Kompositstruktur die Energie ein, die für den Betrieb der Klimaanlage nötig ist – das kommt der Reichweite des Fahrzeugs zugute.

Auf das Kompositmaterial wurde zusätzlich sogenanntes TISS-Material (Thickness Insensitive Spectrally Selective) aufgeklebt, das die Haptik und die Oberflächeneigenschaften verbessern soll. Es reflektiert große Teile der Infrarotstrahlung und verringert somit die Energieaufnahme. (ys)

Weiterführende Information
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Unternehmensinformation

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Bartningstr. 47
DE 64289 Darmstadt
Tel.: 6151 7050
Fax: 6151 705214

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