Kompositmaterial Wie geschicktes Wärmemanagement im E-Fahrzeug die Reichweite steigern kann

Ein neu entwickeltes Kompositmaterial kann die Innentemperatur im Elektrofahrzeug deutlich senken. Zudem spart die neuartige Struktur Energie ein, die für den Betrieb einer Klimaanlage nötig ist. Diese wiederum kommt der Reichweite des Fahrzeugs zugute. Wie das funktioniert zeigt das Fraunhofer LBF im EU-Forschungsprojekt Optemus.

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Im vergangenen Jahr hat sich die Zahl der Elektrofahrzeuge in Deutschland 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. Dazu gehört unter anderem ein sinnvolles und kundenorientiertes thermisches Management im Fahrzeuginneren“, betont Paul Becker, der das Forschungsprojekt Optemus des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF leitet.

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Teilziel des Projekts war es, neuartige 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 des Fraunhofer LBF 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.

Elektrofahrzeug zum Test mit neuem Bauteil ausgestattet

Im Laufe des Projekts experimentierten die Darmstädter Forscher 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. Den Wissenschaftlern zufolge verleiht das Graphit dem Kompositmaterial eine sehr gute thermische Leitfähigkeit und bewirkt eine schnelle Wärmeableitung. Der PCM-Anteil sorgt für die „Energiespeicherung“.

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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 12 Volt-Batterie, die mit Photovoltaikstrom gespeist wird.

Kühlsystem an Temperatur im Material koppeln

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

Die neuartige Struktur spart zudem die Energie ein, die für den Betrieb der Klimaanlage nötig ist. Das kommt der Reichweite des Fahrzeugs zugute.

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Oberflächentemperatur des Armaturenbrettes um 46 % gesenkt

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 pro Quadratmeter. Nach der Versuchsdauer von 1000 Sekunden beträgt die Temperaturdifferenz auf der Oberfläche der Probekörper rund 41 °C. Das entspricht einer Temperaturreduktion von etwa 46 %. Auf das Kompositmaterial wurde zusätzlich sogenanntes 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.

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