Klimatisierung näher am Menschen

Ineffizienz hat auch Vorteile: Zum Beheizen des Fahrzeugs konnte man bisher einfach die Abwärme des Benzinmotors nutzen. Wärmere Tage erleichtert eine Klimaanlage. Doch bei Elektrofahrzeugen stellt sich die Frage einer effizienten Klimatisierung neu, denn gute Elektromotoren liefern kaum Abwärme.

Im Rahmen des BMBF-Verbundprojekts „Visio.M“ erforschten Wissenschaftler der TU München daher, wie in Autos möglichst energieeffizient ein als angenehm empfundenes Klima hergestellt werden kann. Das Ergebnis ihrer Arbeiten, den Visio.M-Prototyp, zeigen die Forscher auf der Hannover Messe vom 13. bis 17. April 2015 auf dem Stand der Bundesregierung (Halle 27, Stand G 64).

Bei bisherigen Elektrofahrzeugen wurden meist Konzepte von Benzinern übernommen. Deren Energiehunger wirkt sich allerdings spürbar auf die Reichweite aus. Die Wissenschaftler der Lehrstühle für Ergonomie und für Thermodynamik prüften daher alle in Frage kommenden Einzellösungen erneut auf ihren Beitrag zu Effizienz, Komfort und Preis.

Körpernahe Klimatisierung

Schnell stellte sich bei den Forschungsarbeiten eine körpernahe Klimatisierung als effiziente Alternative heraus. Anders als bisher wird dabei nicht der gesamte Innenraum temperiert sondern gezielt nur dort Wärme zu- oder abgeführt, wo es den Insassen direkt zugute kommt.

„Unserer Probandenstudien zeigten, dass eine Gesamtklimatisierung nicht notwendig ist“, sagt Marius Janta, Mitarbeiter am Lehrstuhl für Ergonomie der TU München. „Heizen wir an kalten Tagen den Sitz von innen, so empfinden das die Insassen als angenehm. Mit einer geringen Energiemenge können wir so die unangenehme Kälteempfindung deutlich reduzieren.

“Die Temperierung der Sitze übernehmen im Visio.M Peltier-Elemente. Dies sind Halbleiterbauteile, die sowohl heizen als auch kühlen können. „Zwar sind Peltier-Elemente relativ teuer, doch sie wärmen oder kühlen sofort“, sagt Alexander Präbst, Mitarbeiter am Lehrstuhl für Thermodynamik der TU München. „Verglichen mit dem winterlichen Kaltstart eines Benziners haben wir hier sogar einen Komfortgewinn.“

Da Peltier-Elemente sehr leicht sind, kommen sie auch in der zentralen Klimaanlage zum Einsatz. Bis zu 1,6 kW können die hier eingebauten Peltier-Elemente leisten. Die in den Sitzen eingebauten Elemente haben eine Maximalleistung von 150 W pro Sitz. An sehr kalten Tagen kann ein Bioethanol-Brenner zugeschaltet werden, der weitere 4,5 kW Heizleistung bringt, ohne die Reichweite zu verringern.

Ganzheitliches Thermomanagement

Höchste Effizienz erreicht der Visio.M, indem nicht nur Heizung und Kühlung der Insassen sondern auch die Temperierung der Leistungselektronik in einem ganzheitlichen Thermomanagement-System integriert werden. Im Winter kann so die Abwärme des Elektromotors und der Leistungselektronik auch zur Heizung des Innenraums heran gezogen werden, und im Sommer kann Reservekapazität der Klimaanlage helfen, die Leistungselektronik zu kühlen.

Gesteuert wird das Thermomanagement-System durch eine intelligente Software. Basis ist ein an der TU München entwickelter, evolutionärer Optimierungs-Algorithmus. Sie wertet die verschiedenen Sicherheit und Komfort beeinflussenden Sensorsignale für Temperatur und Luftfeuchtigkeit aus und sucht auf der Basis eines vereinfachten rechnerischen Modells selbsttätig die optimalen Einstellungen hinsichtlich Komfort, Sicherheit und Energieeffizienz.

Eine weitere Komfortverbesserung ließe sich durch Fernsteuerung der Klimatisierung per Smartphone erzielen. Schon kurz vor seiner Ankunft kann der Fahrer Heizung oder Kühlung starten. Auch eine Vortemperierung während des Ladevorgangs wäre nachträglich zu realisieren. Solche und ähnliche Erweiterungen sind dank der offenen Software-Plattform des Visio.M sehr einfach und ohne Werkstattbesuch möglich.

Die intelligente Verknüpfung aller Heiz- und Kühlfunktionen für Insassen und Leistungselektronik führt im Visio.M zu einer sehr kompakten Klimatisierungseinheit. „Hier zeigen wir einen Weg auf, der auch für Benzinmodelle Vorbildcharakter haben könnte.“ Beim Benziner spart eine effiziente Klimatisierung vor allem beim Kühlen. Darüber hinaus benötigt das kompakte System weniger Bauraum, was neue Freiheiten für Design und Sicherheit schafft.

Am Forschungsprojekt „Visio.M“ beteiligten sich, neben den Automobilkonzernen BMW AG (Konsortialführer) und Daimler AG, die Technische Universität München als wissenschaftlicher Partner, sowie Autoliv B. V. & Co. KG, die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), Continental Automotive GmbH, Finepower GmbH, Hyve AG, IAV GmbH, InnoZ GmbH, Intermap Technologies GmbH, LIONSmart GmbH, Amtek Tekfor Holding GmbH, Siemens AG, Texas Instruments Deutschland GmbH und TÜV SÜD AG. Das Projekt wurde im Rahmen des Förderprogramms IKT 2020 und des Förderschwerpunkts „Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität – STROM“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) über zweieinahlb Jahre gefördert und hatte ein Gesamtvolumen von 10,1 Mio. Euro.

Kontakt:

Alexander Präbst

Technische Universität München

Lehrstuhl für Thermodynamik (Prof. Dr.-Ing. Thomas Sattelmayer)

Tel.: +49 89 289 16237

E-Mail: praebst@td.mw.tum.de

Marius Janta

Technische Universität München

Lehrstuhl für Ergonomie (Prof. Dr. Klaus Bengler)

Tel.: +49 89 289 15367

E-Mail: janta@lfe.mw.tum.de