Senki-Diagramm
Definition Energiemanagement
Energiemanagement ist die Summe aller Maßnahmen, die geplant und durchgeführt werden, um die geringstmögliche Energiemenge bei gegebenem Komfort- bzw. Funktionsniveau zu verbrauchen. Energiemanagement kann in jedem System angewandt werden, in dem Energie verbraucht wird.
Welche Aktivitäten gibt es beim Energiemanagement?
Die Energiemanagement-Aktivitäten konzentrieren sich auf:
- Energieeinsparung,
- Energierückgewinnung,
- Energieträgerwechsel.
Welche Diskrepanzen gibt es zwischen Bereitstellung und Nutzung der Energie? Was ist das Ziel?
Zwischen der Bereitstellung von Energie und deren Nutzung besteht dabei häufig eine starke Diskrepanz in:
• der zeitlichen Abfolge
• der örtlichen Lage / dem betroffenen Bauteil
• der Energieform
• der Leistung
Ziel: System so steuern, dass Primärenergiebedarf minimiert wird
Welche Energiequellen gibt es?
Primäre Energiequelle in einem konventionellen Fahrzeug: chemische Energie des Kraftstoffes
Sekundäre Energiequelle: Hochvoltbatterie welche elektrische Energie speichert
Die Fahrzeugbewegung selbst ist ein relevanter Energiespeicher
Die thermische Kapazität des Antriebsstranges (ggf. zusätzlich verbauter Wärmespeicher) stellt einen Speicher für thermische Energie dar.
Welche Energiewandler gibt es?
VKM: chemische Energie in mechanische Energie und thermische Energie
Generator: mechanische Energie in elektrische Energie und thermische Energie
E-Maschine: elektrische Energie in mechanische Energie und thermische Energie
Klimakompressor: mechanische Energie in thermische Energie
PTC: elektrische Energie in thermische Energie
TEG: thermische Energie in elektrische Energie
Welche Energieüberträger gibt es?
Kraftstoffsystem: chemische Energie vom Tank zum Verbrennungsmotor
elektrische Bordnetz: elektrische Energie z.B. vom Generator zum Fensterheber
Kühlsystem: Wärmeenergie z.B. vom Verbrennungsmotor zur Umgebung
Antriebsstrang: mechanische Energie z.B. vom E-Motor an die Räder
Welche Energiesenken gibt es?
Fahrzeugbewegung / die Überwindung der Fahrwiderstände
Temperierung (Heizung und Kühlung) des Fahrzeuginnenraums a
Aufheizung aber auch Kühlung des Antriebsstranges
Betrieb der Komfortelektronik
Elektrisches Bordnetzmanagement
Das Elektrische Bordnetzmanagement umfasst Aktivierungszeiträume, und Betriebsmodi aller elektrischen Bauteile.
Hybrid Betriebsstrategie
Die Hybrid Betriebsstrategie umfasst die Betriebsstrategie des Antriebsstrangs.
Was ist Thermomanagement?
Thermomanagement ist die optimale Verteilung, bedarfsgerechte Speicherung und Wandlung aller im Fahrzeug auftretenden Wärmeströme.
Welche Ziele verfolgt das TMM?
Verbrauchsreduzierung
Betriebssicherheit (Bauteiltemperierung)
Innenraumkomfortsteigerung
Was ist Exergie?
Exergie bezeichnet hierbei den Anteil, welcher maximal in andere Energieformen umgewandelt werden kann. (der nicht wandelbare Anteil wird als Anergie bezeichnet)
Was ist der Carnot-Wirkungsgrad?
Verhältnis Exergie zu Anergie
Der Carnot Wirkungsgrad beschreibt, zu welchen Anteil eine vorhandene Wärmeenergie unter idealen Randbedingungen in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann.
Carnot-Wirkungsgrad ist immer höher als der “normale“ Wikrungsgrad!
Was sind die Aufgaben des klassischen Kühlkreislaufes?
Primäraufgabe:
Wärmeabfuhr aus dem Verbrennungsmotor. (Der abzuführende Wärmestrom ist dabei in grober Näherung proportional zur mechanischen Motorleistung.)
Sicherstellen einer stabilen und geeigneten Betriebstemperatur (je nach Motorkonzept zw. 80°C und 110°C) •
Sekundäraufgaben:
Bereitstellung von Wärme für die Innenraumheizung
Temperierung der Schmiermedien von Motor und Getriebe
Wie sieht der klassische Kühlkreislaug aus?
Zweck, Aufbau und Übertragerleistung Hauptkühler
Zweck: Wärmeübertragung vom Kühlmittel an die Umgebungsluft
Aufbau:
Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager in Kreuzstrombauweise
Steigerung der Übertragerfläche auf der Luftseite durch Lamellenpakete
Bei früheren Ausführungen häufig mit integriertem Ausgleichsbehälter
Übertragerleistung: 50 bis 500kW (je nach Motorleistung) bei einer typischen Eintrittstemperaturdifferenz (Wasser zu Luft) von 50 bis 80 Kelvin
Zweck, Aufbau und Übertragerleistung Heizungswärmetauscher
Zweck: Wärmeübertragung vom Kühlmittel an einen Luftstrom zur Innenraumklimatisierung
- Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager in Kreuzstrombauweise
- Vergrößerung der Übertragerfläche auf der Luftseite durch Lamellenpakete
- ähnelt einem „verkleinerten Hauptkühler“
Übertragerleistung: 5 bis 10kW
Zweck, Aufbau Motorölkühler
Zweck:
Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und Motoröl
Im betriebswarmen Zustand: Wärmeabfuhr vom Öl in das Kühlmittel (Ölkühlung)
In der Startphase: Wärmezufuhr aus dem Kühlmittel in das Öl (Ölheizen)
- Flüssig-Flüssig-Wärmeübertrager in Gegenstrombauweise
- Typisch auch in U-Durchströmung (kompakte Bauweise)
- Plattenbauweise aus Aluminiu
Zweck, Aufbau Getriebeölkühler
Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und Getriebeöl
- Plattenbauweise aus Aluminium
Wie ist die Zusammensetzung der Kühlflüssigkeit?
Wasser-Glykol Mischung (40:60) bis (60:40)
Warum wird Glykol beigemischt?
Frostschutz (Gefrierpunkt -38°C bei 50:50)
Korrosionsschutz
Anhebung der Siedetemperatur (109°C bei 50:50 und 1bar
Was ist der Nachteil von Glykol?
Reduzierung der Wärmekapazität
Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit
Wie sieht ein Kühlkreislauf im Hybridfahrzeugen aus?
Welche Temperaturen sind bei den Hybridkomponenenten zu berücksichtigen?
E-Maschine:
max. Temperatur: >90°C (Einbindung in HT Kreislauf möglich)
LE:
max. Temperatur: 60 - 80°C elektronik: (Einbindung in NT Kreislauf erforderlich)
Batterie:
max. Temp.: je nach Typ und Hersteller (typisch 45°C)
min. Temperatur: für optimale Leistung und Lebensdauer >15°C
Besonderheit: Hohe Eigenwärmekapazitä
Wie sieht ein Kühlkreislauf im E-fahrzeug aus?
Varianten der Batteriekühlung
passive und aktive Wasserkühlung
Luftkühlung
Ölkühlung
keine Kühlung
Wie funktioniert ein Thermostat?
Kühlmittel im Zufluss temperiert Wachspatrone
Bei Erreichen der Schalttemperatur (z.B. 90°C) dehnt sich das Wachs aus
Wachs hebt das Tellerventil gegen die Federkraft aus dem Ventilsitz hebt (öffnet)
Wachs kann auch durch eine elektrische Beheizung beheizt werden (durch MSG) -> bedarfsgerechte Temp-Regelung
Audi Drehschieber
Elektromagnetische betätigte Ventile für die verschiedenen Kreisläufe
Abgaswärmekrümmer
Auslassventile werden zu einem Kanal im Zylinderkopf zusammengeführt
Vorteile:
Abgaskühlung erlaubt einen weitgehenden Verzicht auf eine Volllastanfettung zum Bauteilschutz (Temp des Abgases wird schon gekühlt)
Wärmeeintrag aus dem Abgas beschleunigt das Aufwärmverhalten des kalten Motor -> schnellerer Kaltstart
Aufgabe Wärmespeicher
Verbrauchsreduzierung durch Verkürzung der Kaltstartphase
Komfortsteigerung durch beschleunigte Bereitstellung von Heizungswärme
Emissionsreduzierung durch beschleunigtes Anspringverhalten des Katalysators
Grobkonzept Wärmespeicher
Überschüssige Wärme in Abgas oder Kühlmittel wird einem Speicher zugeführt
Beim nächsten Kaltstart (z.B. am nächsten Morgen) wird diese Energie zur Aufheizung des kalten Antriebsstrangs sowie Innenraumes eingesetzt.
Schematische Skizze einer Heatpipe
Energie steckt im Phasenwechsel
Über Druck wird die Verdampfungs-T eingestellt
Keine Pumpe notwendig, weil im Verdampfer eine feine Kapillarstruktur enthalten ist. In der Struktur steht die Flüssigphase. Durch unterschiedliche Abstoßungskräfte in der flüssigphase untereinander bzw. zur Wand wird die Phase an der Wand hoch geschoben. Dadruch wird eine Druckdifferenz erzeugt zwischen Flüssigphase und nicht-Flüssigphase. Durch Druckdifferenz kann auf die Pumpe verzichtet werden.
Vorteile und Nachteile der Heatpipe
Gute Wärmeabfuhr auf engem Raum
Keine bzw. nur sehr geringe Temperaturdifferenz zwischen Heiß- und Kaltseite erforderlich
Selbstabschaltung bei Überschreiten einer Maximaltemperatur
Nachteil:
Aufbau und Auswahl der Materialien
Anwendungen der Heatpipe
Kühlung der Dioden in LED (Front)Scheinwerfern
Kühlung der Leistungselektronik sowie der Batterien in E- und Hybridfahrzeuge
Verdunstungskühlung - Konzept
Ausnutzung des Verdampfungsenthalpie des Wassers für Kühlungszwecke.
Verdunstungskühlung - Vorteile
Hohe Kühlleistung
Kühlung unter Umgebungstemperatur möglich
Verdunstungskühlung - Anwendungen
Steigerung der Leistung des Hauptkühlmittelkühler
Ladeluftkühlung durch Wassereinspritzung
Abgaskühlung
Innenraumklimatisierung mittels Verdunstungskühlung*
PTC - ziele, Prinzip, Vor- und Nachteile
Ziel/ Aufgabe: Zuführung zusätzlicher Heizleistung in Kühlmittel („WasserPTC“) oder Innenraumluft („Luft-PTC“)
Prinzip: Heizwendel (Ohm'scher Wiederstand) erwärmt sich bei elektrischem Stromfluss
• einfach
• kostengünstig
• leistungsfähig (bei wenig Bauraum)
Nachteil: Wirkungsgrad Strom – Wärme begrenzt auf 1 (vgl. Wärmepumpe und Peltier Element!)
Abgas-Kühlmittel-Wärmetauscher - Ziel, Aufbau, Einbindung
Ziel:
Nutzung von Abgasabwärme zur Innenraumbeheizung und zur Beschleunigung der Motorerwärmung im Kaltstart.
Gegenstromwärmetauscher in Rohrbündel- oder Plattenbauweise in der Regel aus Edelstahl (Korrosions- und Temperaturbeständigkeit).
Einbindung:
Abgasseitig i.d.R. nach Abgasnachbehandlung. Zur Begrenzung des Wärmeeintrags in Kombination mit einem Bypass
Wasserseitig i.d.R. im Heizungswärmetauscherzweig.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen der Medium A entnommenen Wärmeleistung und der Medium B zugeführten Wärmeleistung. Er ist somit vorrangig ein Merkmal zur Charakterisierung der Wärmeverluste des Wärmetauschers an die Umgebung. Er ist einheitenlos
Wärmepumpe - physikalisches Prinzip
links-laufender Kreisprozess:
Wärmeaufnahme erfolgt auf geringem Temperatur- und Druckniveau
Wärmeabgabe erfolgt auf höherem Temperatur- und Druckniveau
(elektrischer) Kompressor verdichtet ein gasförmiges Arbeitsmedium ( -> bei dem Druck will das dampfförmige Wasser flüssig werden)
Druck und Temperatur des Arbeitsmediums steigen
heiße Arbeitsmedium wird dem Kondensator (Verflüssiger) zugeführt, wo es Wärmeenergie an ein wärmeaufnehmendes Medium (z.B. Kühlmittel oder Luft zur Innenraumheizung) abgibt und kondensiert (Phasenwechselenergie)
Über ein Expansionsventil wird der Druck des Arbeitsmedium stark reduziert (Der Systemdruck fällt unter den Dampfdruck des Arbeitsmediums) -> bei dem Druck will Wasser zu Gas werden
Arbeitsmedium verdampft auf niedrigem Temperaturniveau und niedrigem Druckniveau. Die dazu notwendige Energie bezieht es mittels eines Wärmetauschers (dem Verdampfer) aus der Umgebung
maximale Leistungszahl
Leistungszahl
Die Leistungszahl ε (im Englischen COP für coefficient of performance) beziffert das Verhältnis von genutzter Wärmeleistung zu aufgewandter mechanischer Leistung (Antriebsleistung des Verdichters).
Gütegrad
Unterschied zwischen Wärmepumpe/Kälteanlage
Die Unterscheidung erfolgt anhand des als Nutzleistung betrachteten Wärmestroms:
Wärmepumpe: Nutzleistung ist der auf dem hohem Temperatur Niveau abgegebene Wärmestrom
Klimaanlage: Nutzleistung ist der auf dem niedrigen Temperatur Niveau aufgenommene Wärmestrom
Peltier-Element - Aufbau, Vorteile, Nachteile
p- und n-dotierte Halbleiterelemente
Verschaltung der Halbleiterelemente elektrisch in Reihe, thermisch parallel
Handelsübliches Halbleitermaterial: Bi2Te3
Peltier-Effekt:
Anlegen einer Spannung und Ausbildung eines Temperaturgradienten
Hohe Leistungsdichte
Wechsel von Heiz- und Kühlanwendung durch elektrische Umpolung möglich
Nachteile:
Wirkungsgrad i.d.R. schlechter als bei vergleichbaren Wärmepumpen
Hohe Materialkosten
Absorption
Absorption: Bindung / Einlagerung von Molekülen eines Stoffes A in der flüssigen oder festen Phase eines Stoffe B. Die Moleküle dringen hierbei tief in das Volumen des absorbierenden Medium sein. Treibende Kraft ist die Affinität (Löslichkeit) beider Medien ineinander. Es findet keine chemische Reaktion statt. (vgl. chem. Wärmespeicher
Adsorption
Bindung /Anlagerung von Molekülen eines Stoffes an der Oberfläche der festen Phase eines Stoffes B. Treibende Kraft sind Van-der-Waals Kräfte. Es erfolgt ebenfalls keine chemische Reaktion.
Magnetokalorik
Material verlässt Kühlschrank und ist kalt
wird Magnetfeld ausgesetzt
atome werden ausgerichtet
entropie wird vermindert (alle in gleich richtung) (gesamtentropie darf sich nicht ändern -> deswegen wird es wärmer)
warmes material zirkuliert an der außenluft und gibt wärme ab
aber nur umgebunfstemperatur
magnetfeld deaktivieren
material wird wieder unordentlich und hat wieder mehr entropie
aber gesamtentropie ist konstant
also muss scheibe sich abkühlen
temperatur kleiner umegbungstemperatur
wird jetzt in den kühlschrank gerbacht
ist kühlschranktemperatur
material verlässt kühlschrank und materialscheibe wird sich wieder erwärmen, weil entropie verloren durch magnetisierung und temperatur muss sich erhöhren wegen der konstanz gesamtentropie
magnetischer und thermischer Anteil der Entropie ändern sich - aber gesamtentropie muss immer konstant sein
Magnetokalorik - Anwendungen und Vorteile
Bisherige Anwendungsfelder:
Tiefsttemperatur-Kühlanlagen (Kryogenik)
Mögliche, neue Anwendungsfelder:
Kühlschränke Klimaanlagen
Vorteile im Vergleich zu konventionellen Kühlschränken/Klimaanlagen:
Hohe Wirkungsgrade
Geräusch- und Vibrationsarm
Keine kritischen Arbeitsmedien
nachteile:
Leistungsdichte begrenzt
Haltbarkeit (?)
Dampfkreisprozess
Ein Dampfkreisprozess ist als Wärmekraftmaschine ein rechts-laufender Kreisprozess, d.h.
Wärmeaufnahme erfolgt auf hohem Temperatur- und Druckniveau
Wärmeabgabe erfolgt auf geringerem Temperatur- und Druckniveau
Eine (elektrische) Speisewasserpumpe fördert ein flüssiges Arbeitsmedium auf niedrigem Temperaturniveau zum Verdampfer
Im Verdampfer erfolgt eine Wärmezufuhr welche zu einer Druck und Temperaturerhöhung und aufgrund der starken Temperaturerhöhung zu einem Phasenwechsel des Arbeitsmediums führt -> Dampf
Das dampfförmige Arbeitsmedium wird bei hohem Druck dem Expander / der Arbeitsturbine zugeführt, wo es Expansionsarbeitet verrichtet (Nutzarbeit des Kreisprozesses) (Überhitzung für Entdrosselung, damit da kleine Tröpfchen entstehen)
Das (noch immer dampfförmige) Arbeitsmedium wird auf nun niedrigerem Druck- und Temperaturniveau dem Kondensator zugeführt wo eine Verflüssigung (Kondensation) unter Wärmeabgabe erfolgt (4-1)
TEG
Ziel / Aufgabe: Ein Thermoelektrischer Generator dient der Wandlung von Wärmeleistung in elektrische Leistung. Vielfach untersuchtes Anwendungsgebiet ist die Wandlung von Verlustwärme des Verbrennungsmotorabgases in elektrische Leistung zur Bordnetzversorgung
Vorteile
Flexibilität in Baugröße und Design
Relativ geringe Wirkungsgrade
Hohe Kosten je Watt Nutzleistung
Häufig sehr enger Arbeitstemperaturbereic
Seebeck-Effekt
In jedem leitfähigen Festkörper, der einem Temperarturgefälle ausgesetzt ist, verschieben sich elektrische Ladungen->Thermodiffusion
Ursache der Thermodiffusion ist, vereinfacht ausgedrückt, die temperaturabhängige (und im oben beschriebenen Fall somit auch ortsabhängigen) Geschwindigkeitsverteilung der Ladungsträger.
Die Ladungsträgerbewegung im heißen Ende ist schneller als im kalten Ende. Ein sich (stark vereinfacht!!) zwischen heißem und kaltem Ende bewegendes Elektron bewegt sich am kalten Ende deutlich langsamer, als am heißen, hält sich am kalten Ende folglich länger auf.
Die Ladungsträgerdichte am kalten Ende ist somit größer als am heißen Ende. Diese Ladungstrennung bewirkt den Aufbau eines elektrischen Feldes mit der Spannung U_thermo.
ZT-Zahl
Dimensionsloser Kennzahl zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit eines thermoelektrischen Materials [R = elektrischer Widerstand; k = thermische Leitfähigkeit; T = absolute Temperatur
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