E-Auto: Schnell laden mit optimaler Temperatur

Ein wichtiges Kriterium bei der Akzeptanz von E-Autos in der Bevölkerung ist neben der Reichweite die Dauer der Ladezeiten. Im Projekt CEVOLVER wurde das Ziel verfolgt, mit einem Elektroauto mit kleiner Batterie eine Strecke von 700 Kilometer zurückzulegen, und dabei möglichst wenig Zeit für das Laden zu verbringen, sodass das Elektroauto im Vergleich zu einem Verbrenner für die gleiche Strecke nur etwa 25 Minuten länger braucht.

Mit Ende 2022 wurde das von der europäischen Kommission geförderte Projekt abgeschlossen. Neben Bosch waren neun weitere Partner aus 6 EU-Ländern involviert. CEVOLVER steht für Connected Electric Vehicle Optimized for Life, Value, Efficiency and Range. Das Projekt verfolgte einen nutzerzentrierten Ansatz zur Optimierung der Entwicklung und des Betriebs von Elektrofahrzeugen.

Im Fokus standen die optimale Auslegung der Komponenten wie Batterie, Elektromotor sowie Kühl- und Kältemittelkreislauf, die Anpassung und Entwicklung neuer Innovativer Sortierfunktionen, Regel-Strategien, Optimierungs-Algorithmen sowie die Vernetzung des Fahrzeugs an die Cloud. Informationen zu allen Inhalten und Ergebnissen des CEVOLVER-Projekts gibt es unter cevolver.eu.

Entscheidend für die Dauer des Ladevorgangs ist unter anderem die Temperatur der Batterie in einem Elektroauto. Wird die Batterie vor dem Ladevorgang entsprechend vorbereitet – also abgekühlt oder aufgeheizt – kann das die Ladezeit erheblich beeinflussen. Je nach Fahrweise wird während der Fahrt die Batterie aufgeheizt. Möchte man Schnellladen, muss die Batterie vor dem Laden abgekühlt werden. Im Winter kann es auch umgekehrt sein, die Batterie muss vor dem Schnellladen aufgewärmt werden. Ideal für das Schnelladen ist, wenn das Fahrzeug die Ladestelle mit einer Batterie-Temperatur von 22 bis 25 Grad Celsius erreicht.

Es muss somit bereits während der Fahrt die Batterie entsprechend konditioniert werden. „Die Kunst ist, dass diese Konditionierung der Batterie energieoptimiert, also nicht zu früh und nicht zu spät startet. Diesen idealen Zeitpunkt und die optimale Batterietemperatur herauszufinden, ist sehr komplex und ist nur mit prädiktiven Algorithmen möglich, die aus den Streckendaten den Energieverbrauch und die Ankunftszeit an der Ladestelle berechnen“, so Engelbert Trunner. Dieser Fast-Smart-Charging Algorithmus für die Konditionierung der Batterie wurde gemeinsam mit den Kollegen der Vrije Universität in Brüssel entwickelt.

Neben der Vorbereitung der Batterie auf das Schnellladen hat sich das CEVOLVER-Team mit Effizienzsteigerungen im Bereich Thermalmanagement beschäftigt. Unter anderem wurden Lösungen erarbeitet, um die Abwärme vom Elektromotor und der Leistungselektronik für das Aufwärmen der Batterie bei kalten Umgebungstemperaturen zu nutzen. Als weitere Möglichkeit zur Temperierung der Batterie hat das Team den Einsatz des Klimakompressors im Wärmepumpenbetrieb untersucht und das Energieeinsparungspotential von 4,8 % in der Klimakammer bei Temperaturen von -7°C nachgewiesen.

Engelbert Trunner: „In E-Autos ist der Klimakompressor mit Kältemittelkreislauf schon heute eingebaut. Dieser wird in erster Linie dazu genutzt, um den Fahrerraum zu kühlen, aber auch im Wärmpumpenbetrieb zu heizen. Der Wärmepumpenbetrieb kann jedoch auch zum Kühlen und Heizen der Batterie genutzt werden und damit kann Energie gespart und die Reichweite erhöht werden.“

Auch mit dem Thema eco-driving und trip-planning hat sich das ESH-Team in Wien beschäftigt. Damit gemeint ist ein energieeffizienter Fahrstil sowie die Wahl einer ökonomischen Route. Den Fahrenden eines Elektroautos wird ein Reiseplan am Display angezeigt, der über die Reiseroute, den vorausberechneten (prädizierten) Verbrauch und Ladestops informiert. Die vom Reiseplaner vorausberechneten Daten werden im Laufe der Fahrt regelmäßig mit den realen Daten verglichen. Bei einer Abweichung – weil der Fahrer zum Beispiel schneller fährt als geplant – wird die Routenplanung neu erstellt und falls erforderlich, werden die Ladestops neu berechnet und angezeigt. Zusätzlich erhält der Fahrer den Hinweis, dass er zu schnell im Sinne der Energieeffizienz unterwegs ist.

Das Team hat in den letzten vier Jahren des CEVOLVER-Projekts viel gelernt. Die Ergebnisse fließen nun direkt in aktuell laufende Entwicklungsthemen ein. Für Engelbert Trunner war auch die Form der Zusammenarbeit eine ganz Neue: „Ich habe zum ersten Mal an einem von der EU geförderten Projekt in dieser Dimension und mit so vielen Partnern gearbeitet. Wir haben sehr gute Erfahrungen gemacht und die Zusammenarbeit hat super funktioniert. Auch wenn wir gerade zu Beginn einige bürokratische Hürden zu bewältigen hatten. Aufgrund der Inkompatibilität der eingesetzten Tools von den Partnern und Bosch konnten wir zum Beispiel die mit Matlab/Simulink erstellten Modelle und Codes nicht ohne Probleme mit den Partnern austauschen. Das war ein Hürdenlauf, hier eine Lösung zu finden.“

In einem Nachfolgeprojekt (EU-Call) sollen die Themen und Ergebnisse weiterbearbeitet werden. Neben weiteren Vernetzungsthemen und Cloud Services soll auch der Innenraum des E-Autos im Fokus stehen. Ende dieses Jahres soll es weitergehen.