GRK 1856 mobilEM - Integrated Energy Supply Modules for Roadbound E-Mobility

  Übersicht des Graduiertenkollegs Urheberrecht: mobilEM

Die Notwendigkeit zur drastischen Reduktion der weltweiten Treibhausgasemissionen bei gleichzeitig wachsendem Energiebedarf stellt sowohl die Energieversorgung als Umwandlungs- und Speicher-techniken vor neue Herausforderungen. Ein vielversprechender Ansatz für den Verkehrssektor ist eine Elektrifizierung des Antriebsstrangs kombiniert mit der Elektrizitätsgewinnung aus regenerativen Quellen, um die Abhängigkeit von knappen Erdöl- und Gasressourcen zu verringern. Derzeit verfügbare elektrische Energiespeicher für die mobile Anwendung sind insbesondere hinsichtlich ihrer Energie- und Leistungsdichte unzureichend.

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Carsten Wulff

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Forschungsschwerpunkte

Dieses anspruchsvolle Thema wird vom DFG-Graduiertenkolleg „Integrierte Energieversorgungsmodule für straßengebundene Elektromobilität” (mobilEM) an der RWTH aufgegriffen. Das Forschungsprogramm schließt physikalische Grundlagen von elektrochemischen Energiespeichern sowie deren Kombination mit kraftstoffbetriebenen Aggregaten zur Reichweitenverlängerung, sogenannten Range-Extendern, ein. Range-Extender erlauben eine sinnvolle Dimensionierung des elektrischen Speichers und können dessen thermische Konditionierung unterstützen. Darüber hinaus kann eine effiziente Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums erreicht werden.

Das kürzlich eröffnete Center for Mobile Propulsion (CMP) bietet ideale Bedingungen für die Teilnehmerinnen und Teilnehmer, ihre Experimente und theoretischen Forschungsarbeiten durchzuführen. Echtzeitvernetzte Labore werden dort für die Untersuchung von Batterien, elektromechanischen Energiewandlern, chemisch-mechanischen Energiewandlern und kompletten Hybridantrieben bereitgestellt.

Innerhalb von viereinhalb Jahren wird das Kolleg Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den verschiedenen Bereichen elektrische Energiespeiche, Leistungselektronik, Verbrennungskraftmaschinen, elektrische Maschinen, Thermomanagement sowie Regelung und Systemsimulation zusammenführen. Dabei liegt ein Hauptaugenmerk auf der Wechselwirkung zwischen den Komponenten innerhalb des gesamten Fahrzeugs.

Das Forschungsprogramm ist in vier Forschungsschwerpunkte und ein Hauptinteraktionsfeld unterteilt:

Elektrische Energiespeicher

Elektrochemische Zellen können als die zentrale Schlüsseltechnologie für die Elektrifizierung mobiler Antriebe bezeichnet werden. Dieser Forschungsschwerpunkt beschäftigt sich mit den neuen Batterietechnologien basierend auf Li/Luft und Zink/Luft, die eine signifikante Verbesserung der Energiedichte im Vergleich zu vorhandenen Lithium-Ionen-Batterien versprechen.

Leistungselektronik

Für die elektrische Energieübertragung sind leistungselektronische Bauteile sowohl zur Kopplung der elektrischen Komponenten im Energieversorgungsmodul als auch für die Einbindung des Speichersystems in die stationäre Stromversorgung erforderlich. Eine Herausforderung in diesem Forschungsbereich besteht in der Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung bei gleichzeitig reduziertem Bauvolumen und reduzierten Kosten.

Range-Extender-Modul

Auf absehbare Zeit wird es erforderlich sein, den rein elektrischen Antrieb durch ein verbrennungsmotorisches Modul zu unterstützen, um gewohnte Reichweiten von Fahrzeugen realisieren zu können. Hierbei sind insbesondere zwei Wege denkbar: Entweder wird die mechanische Leistung des Verbrennungsmotors direkt in den Antriebsstrang eingekoppelt oder es wird zunächst mit zu minimierenden Wandlungsverlusten ein Generator angetrieben, dessen elektrische Leistung in ein ausschließlich elektromotorisches Antriebskonzept eingekoppelt wird.

Thermomanagement

In einem integrierten Energieversorgungsmodul werden hohe Anforderungen an die thermischen Randbedingungen der eingesetzten elektrischen Energiespeicher und Systeme gestellt. Um die Funktionsfähigkeit unter allen Betriebsbedingungen und eine ausreichende Lebensdauer der Systeme zu gewährleisten, ist die Sicherstellung der Grenztemperaturen von Batterie, E-Motor und Leistungselektronik durch geeignete Kühlung bedeutend. Das Range-Extender-Modul eröffnet dabei zusätzliche Freiheitsgrade zur Konditionierung des Batteriesystems und ist zentraler Bestandteil des übergeordneten Fahrzeugthermomanagements.

Regelung und Systemsimulation

Die Forschenden dieses Interaktionsfelds entwickeln physikalisch basierte, ggf. echtzeitfähige Modelle aus den Ergebnissen, die von den Komponentenuntersuchungen der einzelnen Forschungsschwerpunkte zur Verfügung gestellt werden. Modellbasierte prädiktive Regler werden für den energetisch optimalen Betrieb des Gesamtsystems Range-Extender und Energiespeicher erforscht.

Qualifizierungskonzept

Ringvorlesungen und speziell zugeschnittene Qualifizierungsveranstaltungen ermöglichen den Graduierten, sich in ihrem Forschungsgebiet weiterzubilden und gleichzeitig das bei dieser Thematik unverzichtbare, transdisziplinäre Grundlagenwissen anderer beteiligter Disziplinen zu erwerben.

Sprecher

Sprecher des Graduiertenkollegs ist Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger vom Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) an der RWTH Aachen.