Wie Energy Harvesting die Leistung von Batterien in Elektrofahrzeugen bei extremen Temperaturen verbessert

Die einschränkenden Faktoren bei der Elektrifizierung von Fahrzeugen sind heute die Ladegeschwindigkeit der Batterie und die Effizienz der Energieumwandlung in nutzbare Arbeit. Das betrifft neben der Fahrzeugreichweite auch das Wärmemanagement im Fahrzeuginnenraum. Extreme Temperaturen beeinträchtigen die Leistung des Fahrzeugs und die Lebensdauer der Batterie erheblich. Mit Energy Harvesting kann das Batterie-Wärmemanagementsystem (BTMS) die Batterietemperatur in extremen Umgebungen regeln und dadurch die Leistung und Reichweite optimieren, die Ladegeschwindigkeit erhöhen oder die Temperatur im Innenraum steuern. Um sich auf breiter Basis durchsetzen zu können, müssen Elektrofahrzeuge unter allen Bedingungen, also auch bei extremer Hitze (38 °C und mehr) und Kälte (-7 °C und weniger), die vom Fahrer erwartete Leistung liefern.

Was ist Energy Harvesting in Elektrofahrzeugen?

Energy Harvesting wird in der Automobilbranche häufig als Energierückgewinnung bezeichnet. Dabei wird die Energie aus der Umgebung genutzt und in elektrische Energie umgewandelt. Dieses Konzept gilt für alle verfügbaren Energiequellen in der Umgebung, einschließlich Sonne, Wind, Vibration oder Wärmestrahlung. Damit können Mikrocontroller mit extrem niedrigem Stromverbrauch betrieben werden, um den Bedarf an Batterieleistung für kleine Lasten zu verringern, oder MEMS-Sensoren, die die Fahrzeugleistung überwachen.

Um die zentralen Herausforderungen von Elektrofahrzeugen zu bewältigen, kann die zusätzliche, zurückgewonnene Energie die primäre Energieversorgung des Fahrzeugs im Betrieb ergänzen, was zu Effizienzsteigerungen und größerer Reichweite führt. Ein weiterer Vorteil ergibt sich beim Laden, wenn mit der erzeugten Abwärme die Batterie erwärmt oder bei extremer Kälte der Innenraum vorgewärmt wird.

Das Wärmemanagementsystem kann bei extremen Temperaturen zum Schutz der Batterie und zur Steigerung ihrer Leistung durch die Nutzung von drei Energieformen ergänzt werden: Sonnen-, Wärme- und Bewegungsenergie.

Nutzung von Sonnenenergie

Im tiefsten Winter können die Temperaturen in der nördlichen Hemisphäre unter -18 Grad Celsius fallen. Einer der wichtigsten Vorteile von Verbrennungsmotoren (ICEs) besteht darin, dass die Verbrennungsreaktion eine endlose Wärmequelle bietet, die den Motor und den Innenraum erwärmt. Bei Elektrofahrzeugen steht diese Wärme nicht zur Verfügung. Deshalb setzen die Ingenieure elektrische Widerstandsheizungen ein, um die Batterie, die ihre maximale Leistung bei Temperaturen zwischen 25 und 35 °C erreicht, und den Innenraum zu erwärmen. Der Strom für diese Heizelemente kommt direkt aus der Batterie.

Jüngste Entwicklungen konzentrierten sich auf Wärmepumpen für Kraftfahrzeuge, die durch ein Kältemittel mit einem Siedepunkt unterhalb der Umgebungstemperatur drei Einheiten Nutzwärme aus jeder eingesetzten Stromeinheit erzeugen. Da die Sonne auch im Winter scheint, kann durch den Einbau von Photovoltaikanlagen in Fahrzeugen zusätzliche Sonnenenergie eingefangen werden. Forscher haben gezeigt, dass die Fahrzeugreichweite durch die Nutzung von Sonnenenergie um knapp 23 Prozent erhöht werden kann. Zudem wurden mit diesem Ansatz der Stromverbrauch und die Ladezeit um etwa 10 Prozent gesenkt und die Lebensdauer der Batterien um den gleichen Wert erhöht. Darüber hinaus eignen sich Elektrofahrzeuge hervorragend für die Nutzung von Sonnenenergie, da die Batterie die notwendige Speicherkapazität bietet, um die mit Sonnenenergie einhergehenden Stromschwankungen auszugleichen.

Nutzung von Wärmeenergie

Trotz aller Herausforderungen für das Wärmemanagement von Elektrofahrzeugen bieten extreme Temperaturen aufgrund hoher Temperaturunterschiede Möglichkeiten für eine schnelle Wärmeübertragung. Bei extrem hohen Außentemperaturen wandelt ein thermoelektrischer Generator den Temperaturunterschied in Elektrizität um, wodurch die primäre Batterieleistung ergänzt und die Stromlast reduziert wird.

Dieser Ansatz ist bei hohen Temperaturunterschieden zwischen der Umgebung und der Batterie bzw. dem Innenraum am effizientesten, hat aber in absoluten Zahlen nur einen Wirkungsgrad von etwa 5–10 Prozent, da die Anwendung eine geringe Wärmequalität aufweist (38 bis 66 °C). Zusätzliche Wärme reduziert jedoch die Verbrauchsspitzen, wenn das Wärmemanagementsystem erstmals aktiviert wird.

Nutzung von Bewegungsenergie

Die Energiegewinnung aus Sonne und Wärme kann zwar die Effizienz bei extremen Temperaturen verbessern, hängt aber immer noch von den Bedingungen der Sonneneinstrahlung bzw. der Umgebungstemperatur ab. Aus diesem Umstand heraus eröffnet sich die Möglichkeit, kinetische Energie zu nutzen, die aus den Aktionen und Eigenschaften gewonnen wird, die in jedem Fahrzeug während des Betriebs entstehen.

Ein Beispiel für die Gewinnung von Bewegungsenergie ist das regenerative Bremsen, bei dem ein Teil der Bremsenergie über ein Piezomaterial in die Batterie zurückfließt, um zusätzliche Energie bereitzustellen. Ähnlich wie der Temperaturunterschied bei der Nutzung von Wärmeenergie besteht ein direkter Zusammenhang zwischen dem Antriebspotenzial (in diesem Fall die Bremskraft) und dem Grad der Energierückgewinnung, der den primären Energieverbrauch der Batterie reduziert. Dieses Verfahren hat jedoch einen wesentlich besseren Wirkungsgrad als thermoelektrische Generatoren und kann bis zu 70 Prozent der anfallenden Bremsenergie zurückgewinnen.

Weitere Anwendungen für die Nutzung von Bewegungsenergie sind Stoßdämpfer und Vibrationssensoren, die in ähnlicher Weise eine höhere Energierückgewinnung bei hohen mechanischen Krafteinwirkungen erzielen.

Fazit

Extreme Temperaturen können Automobilhersteller vor große Herausforderungen stellen – von der Batterielebensdauer über Reichweitenverluste bis hin zu Komforteinbußen für die Fahrzeuginsassen. Der Einsatz von Strategien zur Nutzung von Sonnen-, Wärme- und Bewegungsenergie kann wichtige sekundäre Energiequellen zum Ausgleich hoher Energiebelastungen schaffen, wenn das Wärmemanagementsystem erstmalig aktiviert wird.

Mithilfe der oben beschriebenen Sensoren lassen sich Technologien für Elektrofahrzeuge für extreme Temperaturen entwickeln, die Energieüberschüsse im äußeren Betriebsbereich in nutzbare Energie umwandeln. Die Nutzung von Sonnen-, Wärme- und Restenergie verbessert das Nachhaltigkeitsprofil eines Fahrzeugs erheblich.

Quellen

• Witt, Jon. „Winter & Cold Weather EV Range Loss in 7,000 Cars.“ Recurrentauto.com, 12. Dezember 2022. https://www.recurrentauto.com/research/winter-ev-range-loss.

• Argue, Charlotte. „To What Degree Does Temperature Impact EV Range?“ GEOTAB, 26. Februar 2023. https://www.geotab.com/blog/ev-range/.

• Enescu, Diana. „Thermoelectric Energy Harvesting: Basic Principles and Applications,“ February 21, 2019. https://www.intechopen.com/chapters/65239.

• Toll, Micah. „Regenerative Braking: How It Works and Is It Worth It in Small EVs?,“ 24. April 2018. https://electrek.co/2018/04/24/regenerative-braking-how-it-works/#:~:text=Efficiency%20of%20the%20regenerative%20braking,of%2060%2D70%25%20efficient.