HLK-Systeme – schaffen Sie Ihre Komfortzone
Es war ein Sommer der Extreme. In jüngster Zeit wurden wir von Waldbränden auf Hawaii und in Sibirien, Hagelstürmen in Deutschland und Italien sowie Überschwemmungen in Mitteleuropa, der Türkei und Libyen heimgesucht. Die Häufigkeit extremer Wetterphänomene steigt und wirkt sich auf alle Regionen der Welt aus.
Nach Angaben der Weltorganisation für Meteorologie war der Sommer 2023 der heißeste Sommer seit Beginn der Aufzeichnungen. Der Zeitraum zwischen Juni und August 2023 war erheblich wärmer als alle anderen erfassten Dreimonatszeiträume auf der Erde.
Wie behält man bei über 40° Celsius einen kühlen Kopf? Oder was wärmt einen, wenn eisige Kälte einbricht? Wie lässt sich mit HLK-Systemen mehr Behaglichkeit erreichen?
Der Durchbruch der Elektrofahrzeuge
Es ist ein unaufhaltsamer Trend: Verbrennungsmotoren mit Kraftstoffantrieb (Internal Combustion Engines, ICE) in PKW, LKW und Bussen – selbst in landwirtschaftlichen Traktoren – werden zunehmend durch verschiedene Varianten von Elektro- und Hybridantrieben ersetzt. Wir befinden uns erst am Anfang dieser Substitutionskurve. Dennoch stellen die Kräfte der Regierung (z. B. das kalifornische Verkaufsverbot für neue Benzinfahrzeuge, SUV und leichte Nutzfahrzeuge ab 2035), der Branche und der Verbrauchernachfrage eine gemeinsame Anstrengung dar, die Vorherrschaft des Benzins im Transportwesen zu beenden. Bis Gas- und Dieselmotoren offiziell der Vergangenheit angehören, werden noch Jahrzehnte vergehen – ähnlich wie bei der Ablösung von Segelschiffen und später Dampfschiffen durch ölbetriebene Schiffe –, doch der Tag, an dem alle Menschen Elektrofahrzeuge fahren werden, wird in diesem Jahrhundert mit Sicherheit kommen.
Die begrenzte Reichweite stellt momentan eine der größten technischen Hürden für die Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen dar. Die Reichweite heutiger Elektrofahrzeuge liegt deutlich unter der eines durchschnittlichen benzinbetriebenen Fahrzeugs. Solange Sie sich nicht in einer wirklich abgelegenen Gegend befinden und Ihre Tankanzeige im Auge behalten, werden Sie stets in erreichbarer Nähe eine Tankstelle finden. Dem gegenüber steht die Reichweitenangst, ein reales und wissenschaftlich belegtes Hindernis für die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen. Die Reichweitenangst basiert auf der Befürchtung, mit leerer Batterie liegenzubleiben und keine unmittelbare Lademöglichkeit zu haben.
In diesem Video veranschaulicht Associated Press die Problematik der reduzierten Reichweite von E-Fahrzeugen bei niedrigen Temperaturen. Aufgrund der extremen Temperaturbedingungen stellte sich der im Video gezeigte Elektro-Schulbus als zu kostenintensiv heraus. Durch die Simulation des Energiemanagements lassen sich die Kosten auch bei niedrigen Temperaturen reduzieren. Siemens kooperiert weltweit mit Fahrzeugherstellern und Batterielieferanten, um durch optimiertes Energie- und Wärmemanagement der Batteriesysteme und Fahrzeuge die Reichweite und den Fahrgastkomfort zu steigern und dabei die Gesamtkosten zu reduzieren.
Thermischer Komfort in Elektrofahrzeugen
Die Reichweite von Elektrofahrzeugen wird durch verschiedene Faktoren bestimmt, darunter die Topologie. Auch unser menschliches Grundbedürfnis nach maximalem Komfort spielt dabei eine Rolle – vor allem beim Fahren.
HLK-spezifische Anforderungen: Vergleich zwischen E-Mobilität und Verbrennungsmotoren
Die Reichweite von Elektrofahrzeugen wird maßgeblich durch eine Herausforderung beeinträchtigt, an deren Lösung EV-Konstrukteure mit Hochdruck arbeiten: der thermische Komfort im Fahrzeuginnenraum. Bei der Heizung, Lüftung und Klimatisierung (HLK) sehen sich Konstrukteure von Elektrofahrzeugen mit völlig anderen Herausforderungen konfrontiert als ihre Kollegen im konventionellen Fahrzeugbau, wenn es darum geht, ein komfortables Raumklima in der Fahrzeugkabine zu gewährleisten. Die Unterschiede sind bemerkenswert:
1. Extreme Wetterbedingungen beeinflussen EV-Batterien
Die Temperatur wirkt sich auf chemische und physikalische Reaktionen in EV-Batterien aus. Mit steigender Temperatur erhöht sich die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen. Je höher die Temperatur, umso schneller laufen die Reaktionen ab und umso mehr Energie wird erzeugt. Bei sinkenden Temperaturen verlangsamen sich die physikalischen und chemischen Reaktionen in der EV-Batterie, was zu einer reduzierten Leistung des Elektrofahrzeugs führt. An sehr kalten Tagen verbraucht die Batterie mehr Energie für die Innenraumheizung als für den eigentlichen Fahrbetrieb des Busses.
2. Der Verbrennungsmotor erzeugt naturgemäß viel Wärme
Im Sommer geht die vom ICE produzierte Wärme ungenutzt verloren. Im Winter lässt sie sich leicht für mehr Kabinenkomfort nutzen.
3. Elektrofahrzeuge produzieren kaum nutzbare Wärmeenergie
Die von Elektromotoren erzeugte geringe Abwärme wird üblicherweise zur Erwärmung des Akkus genutzt. Für die Kabinenheizung steht keine zusätzliche „Zufallsenergie“ zur Verfügung.
4. Der Energieverbrauch für die Heizung in Elektrofahrzeugen übersteigt den der Klimaanlage bei Weitem
Der Energiebedarf der Batterie zur Beheizung eines Elektrofahrzeugs ist deutlich höher als der Energiebedarf für die Klimatisierung.
5. Der Innenraumkomfort bei Elektrofahrzeugen ist ein Balanceakt
Die Entwicklung eines energieeffizienten HLK-Systems für ein Elektrofahrzeug ist eine technische Herausforderung, bei der mehrere und – oft widersprüchliche – Kompromisse in Einklang gebracht werden müssen.
Energieeffiziente HLK-Systeme unter allen Fahrbedingungen
Zum Glück für die meisten von uns leben wir nicht in der harten Realität der Winter von September bis April. Wir, die breite Masse, genießen über das ganze Jahr hinweg deutlich wärmere Jahreszeiten.
Unternehmen, die das Problem des Innenraumkomforts bei Elektrofahrzeugen lösen und die Funktion energieeffizienter HLK-Systeme verbessern möchten, sollten die neuesten Fortschritte der Simulations- und Analysesoftware von Siemens genauer betrachten.
Lösung von Konstruktionsfragen
Die Tools haben bereits zu wichtigen Zeit- und Kosteneinsparungen geführt und zahlreiche Konstruktionsfragen geklärt:
Minimierung des Energieverbrauchs des HLK-Systems
Um Fahrgastkomfort und maximale Akkulaufzeit sicherzustellen, sind umfangreiche Untersuchungen erforderlich. Diese Werkzeuge geben Konstrukteuren die Freiheit, ohne Einschränkungen zu denken und zu konstruieren.
Analyse thermischer Kompromisse
Die richtigen Software-Tools reduzieren den Zeitaufwand für die Steuerungsentwicklung und Konstruktionsabwägungen. Auch wenn „schneller als Echtzeit“ nach einer Fantasie der Konstrukteure klingen mag, ist dies bereits Realität für Konstrukteure, die heute mit der Siemens-Software-Suite und deren fortgeschrittenen und integrierten automatischen CFD-zu-1D-Kopplungstechniken arbeiten. Gehören Sie nicht dazu, lohnt es sich, den Umgang mit Konstruktions- und Analysefragen bei gleichzeitiger Minimierung der Rechenkomplexität zu erlernen. Weitere Informationen finden Sie im Blog-Beitrag: Die Beherrschung der Kunst des Kabinenkomforts mit 3D-CFD in Systemsimulationen und Steuerungsentwicklungen.
Innovation ermöglichen
Die Grundlage für Innovation ist die Iteration. Mit Analysesoftware wie Simcenter STAR-CCM+ und Simcenter Amesim können Unternehmen durch virtuelle Tests neue und innovative Hardware evaluieren, die den Fahrer- und Insassenkomfort sowie den Energieverbrauch optimiert. Hierzu zählen beheizte Sitze, Lenkräder sowie Kabinenverkleidungen mit integrierter Strahlungsheizung.
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Um mehr über den Einfluss von Siemens-Software auf die Entwicklung energieeffizienter HLK-Systeme zu erfahren, empfehlen wir Ihnen unser aktuelles On-Demand-Webinar: Konstruktion energieeffizienter HLK-Systeme für einen verbesserten thermischen Komfort der Fahrgäste.
