Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Elektromobilität – zwischen Behaglichkeit und Reichweite

08.04.2013
Wohlfühltemperatur oder Reichweite? Bislang mussten sich Besitzer von Elektroautos zwischen diesen beiden Optionen entscheiden. Der erhöhte Energiebedarf entsteht dadurch, dass die Heizleistung nicht durch Abwärme des Motors verfügbar ist, sondern rein durch elektrische Energie erzeugt werden muss.

Die Gruppe um Diplom-Informatiker Sebastian Stratbücker der Abteilung Raumklima des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP erforscht derzeit in Zusammenarbeit mit der Volkswagen AG im Verbundprojekt „E-Komfort“ Klimatisierungskonzepte für Elektroautos, die den Besitzer nicht mehr vor diese Wahl stellen.


Live-Anzeige der lokalen Äquivalenttemperaturen auf einem virtuellen segmentierten Mensch-Modell
Fraunhofer IBP

Ihr Ansatz: Um die Batterieladung zugunsten der Reichweite effektiv zu verwenden, soll der Verbrauch für die Klimatisierung durch gezielte, punktuelle Beheizung und Kühlung der Fahrgastzelle minimiert werden.

Der menschliche Körper ist ständig mit warmen und kalten Umgebungsbedingungen konfrontiert, sei es zu Hause im Wohnzimmer oder in der Fahrgastzelle eines Autos. Jedoch gibt es erhebliche Unterschiede, hinsichtlich der Homogenität der Raumtemperaturen: Während in einem Wohnzimmer die Temperatur recht gleichmäßig ist, gibt es im Fahrzeug erhebliche Temperaturunterschiede, beispielsweise zwischen Vorder- und Rücksitz sowie dem Fußraum.

Um unangenehme Temperaturunterschiede zu vermeiden und ein möglichst behagliches Innenraumklima herzustellen, ist bei konventionellen Klimatisierungskonzepten eine Beheizung oder Kühlung des gesamten Fahrgastraumes erforderlich. Bislang soll im Bereich des Passagiers überall die gleiche Temperatur herrschen. Aber: »Bei diesem Ansatz wird sehr viel Energie dafür verschwendet, zunächst alle Bauteile sowie die Raumluft zu erwärmen«, erklärt Stratbücker, Leiter der Gruppe „Simulation“. Ein großer Teil der verfügbaren Akkuleistung eines Elektroautos würden demnach zur Klimatisierung einer Fahrgastzelle verbraucht. Das führe letztendlich zu einer deutlichen Reduzierung – im Winter um bis zu 50 Prozent – der Reichweite, erläutert der Diplom-Informatiker.

Um eine Lösung zu finden, musste sich die Forschergruppe um Sebastian Stratbücker zunächst einmal Gedanken machen, welche Kriterien für die Behaglichkeit in einem Elektroauto ausschlaggebend sind. Dabei nutzten die Wissenschaftler die langjährige Erfahrung in der Abteilung Raumklima, wenn es um die Erfassung und Auswertung von Raumklimaparametern geht. Die Abteilung beschäftigt sich seit jeher mit Fragestellungen rund um das Thema Behaglichkeit. Dafür werden sowohl messtechnische Einrichtungen, statistische Auswertungen von umfangreichen Probandenstudien als auch vermehrt simulationsgestützte Methoden für den Entwurf und die Optimierung von Raumklimasystemen genutzt. Diese Kompetenzen werden unter anderem auch im Bereich der Gebäudesimulation eingesetzt, um beispielsweise in der Planungsphase eine optimale Auslegung hinsichtlich des thermischen Komfort und der Energieeffizienz zu finden.

Bisherige Bewertungsgrößen wie der „Predicted Mean Vote-Wert“ (PMV-Wert), also das „vorausgesagte mittlere Votum“ nach DIN ISO 7730, lassen sich jedoch nicht ohne weiteres vom Gebäudebereich auf den Fahrzeugbereich übertragen. Der PMV-Wert, der nur das durchschnittliche Empfinden einer größeren Personengruppe darstellt, basiert auf einer globalen Aussage zum thermischen Empfinden, sprich: für den Körper insgesamt und nur für stationäre, unveränderliche Umgebungstemperaturen nahe dem Komfortbereich. Deswegen haben die Forscher des Fraunhofer IBP in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt „E-Komfort“ unter anderem erst die notwendigen Methoden entwickelt, um das thermische Empfinden des Menschen mit Hilfe von geeigneten Messgrößen zu ermitteln. Eine davon ist das neuentwickelte Klimamesssystem DressM AN (Dummy REpresenting Suit for Simulation of huMAN heatloss).

Das neue Systemkonzept setzt dabei verstärkt auf den Einsatz von kommerziell verfügbaren Komponenten und eine vollständige Eigenentwicklung der Systemsoftware am Fraunhofer IBP. Im Rahmen des Forschungsvorhabens „E-Komfort“ wurde ein neuer Komfortsensor entwickelt, der die Messung der sogenannten Äquivalenttemperatur ermöglicht. Dieses in der DIN EN ISO 14502-2 definierte Klimasummenmaß umfasst die Größen Lufttemperatur, Luftgeschwindigkeit und Wärmestrahlung. Damit werden thermische Umgebungsbedingungen mit nur einem Zahlenwert beschreibbar, was eine vergleichende Bewertung unterschiedlicher Klimaszenarien ermöglicht. Die Untersuchungen von klimawirksamen lokalen Heiz- und Kühlmaßnahmen führen die Wissenschaftler des „E-Komfort“-Projekts dann an einem aktuellen Elektrofahrzeug mit den Partnern Volkswagen AG und der P+Z Engineering GmbH durch.

Darüber hinaus kommen Simulationsprogramme zum Einsatz, die die unterschiedlichen Temperatureinwirkungen auf den menschlichen Körper mit Hilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD), zu Deutsch: numerische Strömungssimulation, untersuchen. Warme Anströmung aus der Lüftungsanlage, Sonneneinstrahlung, kalte Abstrahlung von Glasscheiben und die thermophysiologische Reaktion des Menschen darauf – das alles gilt es zu berücksichtigen, wenn man realitätsnahe Berechnungen durchführen möchte. »Unsere Simulationswerkzeuge unterscheiden einzelne Körperteile und Hautsektoren, um lokale Einflüsse und Reaktionen der Menschen untersuchen zu können«, so Stratbücker.

»Mit Hilfe des Simulationsprogramms kann detailliert nachgestellt werden, wie die menschliche Thermoregulation auf veränderliche und inhomogene Reize reagiert.« Wenn es kalt wird, ziehen sich die Gefäße der menschlichen Haut zusammen, um möglichst wenig Wärme an die Umgebung abzugeben. Den entgegengesetzten Effekt nutzt der Körper, um auf Hitze zu reagieren: Die Gefäße erweitern sich, um die Temperatur auf der Hautoberfläche durch vermehrten Blutfluss zu erhöhen bevor unangenehmes Schwitzen einsetzt. Die Haut fungiert dabei als äußerst sensible Membran zwischen Körper und Umwelt.

Mit diesen aufwändigen Untersuchungen und Simulationen bekommen die Wissenschaftler Erkenntnisse, welche Körperteile besonders berücksichtigt werden müssen, wenn sie das Wohlgefühl in einer Fahrgastzelle erhöhen wollen. »Durch Modelle, die aus Probandenversuchen hervorgegangen sind, weiß man, welche Regionen des Körpers besonders empfindlich auf kleine Temperaturschwankungen reagieren und welche einen größeren Toleranzbereich aufweisen«, erklärt Stratbücker. Die Forscher versuchen, durch gezielte lokale Maßnahmen das gesamte Behaglichkeitsempfinden in den Komfortbereich zu bringen, wie beispielweise durch Sitzheizung, Wärmestrahler oder kleine Ventilatoren.

Allen gemeinsam ist, dass sie bei sehr niedrigem Leistungsverbrauch ihre Wirkung sehr nah am Menschen entfalten, so dass dadurch ein globales Wohlgefühl hergestellt werden kann und der Akku des E-Fahrzeuges dabei möglichst wenig beansprucht wird. Durch punktuelle Kühlung oder Wärmezufuhr soll, so die Ambition der Wissenschaftler, der Zielkonflikt zwischen Reichweite und Behaglichkeit aufgelöst werden.

Nachdem die Laufleistungsoptimierung von Elektrofahrzeugen hier im Hauptfokus der Forscher steht, die Klimaanlage im E-Fahrzeug ein wesentlicher Verbraucher ist und die Temperatur einen der wichtigen Wohlfühlfaktoren darstellt, beschäftigen sie sich vor allem mit der Klimaoptimierung in der Fahrgastzelle. »Hier können wir unsere Kernkompetenzen im Bereich thermischer Komfort umfassend miteinbringen«, so der Fraunhofer-Wissenschaftler.

Messtechniken, Erfahrung mit Probandenstudien und die Möglichkeit, thermische Randbedingungen und thermophysiologische Reaktionen nachstellen und simulieren zu können, qualifizierten das Fraunhofer IBP für das Vorhaben.

Nun sind die Forscher daran, die gewonnenen Daten aus den komplexen Simulationsfällen zusammenzufassen, um daraus einfachere Modelle zur Reichweitenoptimierung und das Thermomanagement in Elektroautos zu entwickeln. Es müssen neuartige Fahrzeugkonzepte für die Automobilbranche entworfen und standardisiert werden. Denn die Nutzerakzeptanz gegenüber Elektromobilität wird nicht nur von den Kosten abhängen, sondern vor allem davon, ob sich die stetig wachsende Zahl von Elektroautobesitzern immer noch fragen muss: Wohlfühltemperatur oder Reichweite?

Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP
Fraunhoferstr. 10
83626 Valley

Presse- und Öffentlichkeitsarbeit:
Dipl.-Journ. Janis Eitner
Tel. +49 (0) 8024-643-203
Fax +49 (0) 8024-643-366
janis.eitner@ibp.fraunhofer.de

SebastianStratbücker | Fraunhofer-Institut
Weitere Informationen:
http://www.ibp.fraunhofer.de
http://www.ibp.fraunhofer.de/de/Presse_und_Medien/Forschung_im_Fokus.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Hochauflösende IR Kamera mit Mikroskopoptik
23.10.2017 | Optris GmbH

nachricht »ILIGHTS«-Studie gestartet: Licht soll Wohlbefinden von Schichtarbeitern verbessern
18.10.2017 | Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Salmonellen als Medikament gegen Tumore

HZI-Forscher entwickeln Bakterienstamm, der in der Krebstherapie eingesetzt werden kann

Salmonellen sind gefährliche Krankheitserreger, die über verdorbene Lebensmittel in den Körper gelangen und schwere Infektionen verursachen können. Jedoch ist...

Im Focus: Salmonella as a tumour medication

HZI researchers developed a bacterial strain that can be used in cancer therapy

Salmonellae are dangerous pathogens that enter the body via contaminated food and can cause severe infections. But these bacteria are also known to target...

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Konferenz IT-Security Community Xchange (IT-SECX) am 10. November 2017

23.10.2017 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Luftfracht

23.10.2017 | Veranstaltungen

Ehrung des Autors Herbert W. Franke mit dem Kurd-Laßwitz-Sonderpreis 2017

23.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Boost für Lipidforschung: Grazer Forscher erleichtern Lipidanalyse

24.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Bildung von Magma-Ozeanen auf Exoplaneten erforscht

24.10.2017 | Physik Astronomie

Magma sucht sich nach Flankenkollaps neue Wege

23.10.2017 | Geowissenschaften