Hitzefrei im Elektromobil

Wie sich mit geschicktem Thermomanagement nicht nur die Temperatur im Fahr­zeug, sondern auch die Reich­weite von Elektro­mobilen positiv beein­flussen lässt, haben jetzt Wissen­schaftler des Fraun­hofer-Instituts für Betriebs­festig­keit und System­zuver­lässig­keit LBF im Rahmen des EU-Forschungs­projekts OPTEMUS gezeigt. Im Zentrum steht ein neu ent­wickeltes Komposit­material, das bei konstanter Sonnen­ein­strahlung die Ober­flächen­tempe­ratur am Armaturen­brett eines Elektro­fahr­zeugs deut­lich senkt. Die Forscher des Fraun­hofer-LBF erzielten dabei eine Tempe­ratur­reduzie­rung um 46 Prozent. Darüber hinaus spart die neu­artige Struktur die Energie ein, die für den Betrieb der Klima­anlage nötig ist. Das kommt der Reich­weite des Fahr­zeugs zugute.

„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. Dazu gehört unter anderem ein sinn­volles und kunden­orien­tiertes ther­misches Manage­ment im Fahr­zeug­inneren“, sagt Paul Becker, der das Forschungs­projekt leitet. Teil­ziel des Projekts OPTEMUS war es, neue Materi­alien für den Ein­satz im Armaturen­brett zu ent­wickeln, welche 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.

Im Laufe des Projekts experimentierten die Forscher an unter­schied­lichen Träger­materi­alien und inte­grierten ver­schie­dene Füll­stoffe wie Bor­nitrid und Graphit. Am Ende stand ein Material, das einen Phasen­über­gang durch­laufen kann, ein Phase Changing Material, kurz 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 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 das Armaturen­brett 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 Batterie, die mit Photo­voltaik­strom gespeist wird.

Die beim Phasenübergang freiwerdende Energie nutzten 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. Das soll zu einer höheren Lebens­erwar­tung der elektro­nischen Bau­elemente führen. Dank einer geschickten Ein­stel­lung des Start­punkts des Arbeits­kreises wird das Smart Cover Panel durch das Sonnen­licht selbst geregelt. Das bedeutet: Die Kühlung startet nur in heißen Sommer­tagen, im Winter bleibt die Wärme im Armaturen­brett.

Das neu entwickelte Material wurde mit dem konventionell in Armaturen­brettern ver­wen­deten Poly­propylen-Talkum-Compound experi­men­tell ver­glichen. Dazu bean­spruchten die Wissen­schaftler beide Materi­alien mit einer Strah­lungs­leistung von 1200 Watt pro Quadrat­meter. Nach der Versuchs­dauer von tausend Sekunden beträgt die Tempe­ratur­diffe­renz auf der Ober­fläche der Probe­körper etwa 41 Kelvin. Das ent­spricht einer Tempe­ratur­reduk­tion von etwa 46 Prozent. Auf das Komposit­material wurde zusätz­lich TISS-Material – Thick­ness Insen­sitive Spectrally Selective – auf­ge­klebt, das für bessere Haptik und Ober­flächen­eigen­schaften sorgt. TISS reflek­tiert große Teile der Infra­rot­strah­lung und ver­ringert somit die Energie­auf­nahme.

Fh.-LBF / RK