Ziel der Entwicklung
Die politischen, gesetzlichen, ökonomischen und gesellschaftlichen Rahmenbedingungen führen weltweit zunehmend zu einem gestiegenen Bewusstsein für CO2-Ausstoß bedingte Klimaveränderungen, Smog Belastungen in Metropolen und die Endlichkeit der Rohstoffressourcen und Reserven. Sie sind wesentliche Motivation für Entwicklungen integrierter und smarter Technologien in der Fahrzeugindustrie zur Kostensenkung und Steigerung der Effizienz von Verbrennungsmotoren, des Antriebsstranges und die zunehmende Elektrifizierung der Antriebe. Die Optimierung verbrennungsgetriebener Motoren reduziert die zur Beheizung des Fahrgastraumes verfügbare Abwärme, so dass Zuheizungen benötigt werden. Für die nahezu abwärmefreien Elektrofahrzeuge stellt die Antriebsleistung die primäre Energiesenke dar. Die Reduzierung des sekundären Energieverbrauchs beinhaltet einen wesentlichen Faktor zur Steigerung der Energieeffizenz. Derzeit verfügbare Technologien zur Beheizung sind elektrisch betriebene positive temperature coefficient Heizung und Hochvoltheizungen, die in Entfrostungsbetrieb sowie Anheiz- und Beharrungsbetrieb durch hohe Leistungs- und Stromaufnahmen charakterisiert sind. Weiterer Nachteil ist vielfach die Integration in mehrkreisige Wärmeübertragungssysteme mit wässrigem Wärmeübertragungsfluid. Neben Effizienzverlusten durch die Wärmeübertragung ist das Heizverhalten durch erhöhte thermische Trägheit charakterisiert, was teilweise mit höheren Heizleistungen kompensiert wird. Deshalb werden auch luftseitige Heizer mit geringerer Trägheit und verbesserter Effizienz eingesetzt. Für Vollhybride und beziehungsweise oder Plug-in-Hybride sowie Elektrofahrzeuge ist die Heizproblematik gravierend, da sie nur elektrisch erfolgen kann und die Batteriekapazität beschränkt ist. Trotz aktueller Entwicklungen in der Elektromobilitätsindustrie sind effiziente batterieschonende Beheizungsmethoden eine bestehende Herausforderung. Hohe Heizleistungen, lange Ansprechzeiten oder Integrationskonzepte mit kompliziertester Verschaltung der Heizaggregate und Klimaaggregate von Kraftfahrzeugen stellen aus Sicht des Antragsstellers keine zufriedenstellende und nur ungenügend weitreichende Lösung dar. Mit dem exponentiellen Anstieg nationaler wie globaler E-Fahrzeugzahlen bietet die Entwicklung neuer effizienterer Fahrzeugbeheizungssysteme ohne die Nachteile konventioneller E-Heizungen enormes Marktpotential.
Vorteile und Lösungen
Die Konzeption der Leistungselektronik funktioniert indem über den Signalgenerator die Erzeugung des 2,45 Gigahertz Erregersignals erfolgt. Die Aufbereitung dieses Primärsignals im Bereich weniger Megawatt bis maximal fünf Watt erfolgt in einem Vorverstärkermodul. Der Hochfrequenz Verstärker wird im Bereich 250 Watt ausgelegt und stellt das 2,45 Gigahertz Leistungssignal zur Antennenabstrahlung in einen geeigneten Hohlleiter zur Verfügung. In diesem sind Abstrahlantenne und Konvertierungskörper so angeordnet, dass sie in optimierte Wechselwirkung zur Wärmeumwandlung treten können. Mittels eines Metall Oxid Halbleiter Feldeffekttransistor Endstufenmoduls wird bei einer Betriebsspannung von direct current 32 Volt eine maximale Ausgangsleistung von 250 Watt und diese entsprechen 54 Dezibel Milliwatt, zur Verfügung gestellt. Der Verstärkungsfaktor beträgt bei voller Leistung 30 Dezibel. Um diese Ausgangsleistung zu erreichen, muss die Endstufe mit 24 Dezibel Milliwatt angesteuert werden. Das Hohlleitersystem ist auf exakt 50 abzustimmen und wird an den Ausgang der Endstufe angeschlossen. Mittels stufenloser Signalerhöhung am Generator können die gewünschten Werte zur Leistungsskalierung am Ausgang eingestellt werden. System zur Abstimmung der Sendeleistung arbeiten indem im Hohlleiter die Eigenschaft genutzt wird, die Hochfrequenz Strahlung mit geringsten Verlusten weiterzuleiten. Damit bei der Leistungswandlung, dem Transport im Hohlleiter und der Absorption der Hochfrequenz Strahlung im Absorber, sogenannte Strahlenfalle, der höchstmögliche Wirkungsgrad erzielt werden kann, ist der Aufbau auf 50 Wellenwiderstand abzustimmen. Mittels einer Signaldurchleitung und Reflexionsmessung kann das exakte Resonanzverhalten bestimmt werden. Die Berechnung der erforderlichen Luftströme erfolgt indem der benötigte Luftstrom von einem stufenlos regelbaren Radialgebläse zur Verfügung gestellt wird. Zur Auslegung der Gebläseleistung wurden die erforderlichen Volumenströme auf die Richtwerte zur Fahrgastraumbelüftung bezogen. Mit der entwickelten 2,5 Gigahertz Konfiguration wurde in drei kompatiblen Gebläsestufen zur Fahrgastzellen Klimatisierung eine Lufterwärmung von 38.000, 28.000, 26.000 erreicht. Hauptmerkmale der entwickelten Hochfrequenz Strecke sind ein gekapseltes, wassergekühltes Metall Oxid Halbleiter Feldeffekttransistor Endstufenmodul, welches das generierte Signal stufenlos bis 250 Watt verstärkt und an den Monopolstrahler abgibt. Die Hochfrequenz Energie wird von hohlzylindrischen, Impedanz abgestimmten Ferritkörpern konvertiert. Diese erwiesen sich als vergleichsweise effektivstes Material sowie dielektisch, thermisch und mechanisch stabil. Reststrahlung im Strömungskanal wurde nur im Bereich des Signalrauschens detektiert, so dass die Absorptionsrate nahezu 100 Prozent beträgt. Für den als Wärmetauscher fungierenden Konvertierungskörper konnte eine kostengünstige Werkstofflösung abgegrenzt werden. Die Rückreflektion durch den Ferritpack konnte mit der gewählten Anordnung auf sieben bis acht Prozent begrenzt werden. Eine weitere Reduzierung kann durch eine verfeinerte präzisere Abstimmung des Hohlleiters, die geometrische Anordnung des Ferritpacks zur Antenne beziehungsweise eine Weiterentwicklung der Antennengeometrie erreicht werden. Der Wirkprinzip bedingt bei der Hochfrequenz Energiekonvertierung anfallende Abwärmeanteil kann über den Wasserstrom zur Kühlung der Endstufe aufgenommen und zur Temperierung peripherer Komponenten eingesetzt werden. Voruntersuchungen zur Abwärmenutzung der Endstufe wurden im Rahmen des Projektes bereits durchgeführt und haben gezeigt, dass sich Potenziale zwischen 60 und nahezu 100 Prozent zur Abwärmeintegration ergeben. Eine Quantifizierung hierzu soll unter anderem Inhalt weiterführender Forschungsarbeiten sein. Die gezeigte Heizdynamik im Zusammenhang mit erwärmten Luftmengen pro Modul und dessen absehbar geringen Baugrößen sind für dezentrale Lösungen adressierbar. Die Reststrahlung in physiologisch unbedenklichen Bereichen sowie die Betriebsweise im Niederspannungsbereich stellt die Basis für Sicherheitsstandards dar, die auch für Lösungen im Automobilbau interessant sind. Tests in der zweiten Projektphase belegen, dass die Abwärme des Leistungsverstärkers direkt genutzt werden kann, um beispielsweise in den Flüssigkreislauf zur Akkutemperierung eingekoppelt zu werden. Damit kann ein Wirkprinzip bedingter niedrigerer Wirkungsgrad in der Gesamtenergiebilanz weiter kompensiert werden. Mit den im Projekt geleisteten Arbeiten wurden aus Sicht des Institutes die Grundlagen für eine energetische und mechanische Integrativität im Fahrzeugbereich entwickelt und damit die angestrebte Zielstellung in der Vorlaufforschung erreicht.
Zielgruppe und Zielmarkt
Zielgruppen und Zielmärkte sind in Branchen zu suchen wie im PKW-Fahrzeugbau, Nutz-/Schienenfahrzeugbau, Erwärmungsanwendungen in Fertigungsanwendungen, in der Holzverarbeitung, Lebensmittel-/ Kunststoffverarbeitung, pharmazeutischen Industrie, Trocknungsanwendungen, Reaktorbeheizung in der chemischen Industrie, prozessintegrierte Substrattrocknung bei Belüftungstrocknern, Sterilisation von Lebensmitteln und das prozessintegrierte Reinigung von Filtersystemen. Als Ergebnisse des Forschungsvorhabens konnte am Institut wissenschaftlich fundiertes Prozessverständnis und grundlegendes Anwendungswissen zu Leistungselektronik von Halbleiterleistungstransistoren, Auslegung von Antennen, Kavitäten zur Hochfrequenz Energieübertragung für Erwärmungsanwendungen, Hochfrequenz Wirkenergieübertragung mit Halbleiterleistungstransistoren, Hochfrequenz basierte Erwärmung dielektrisch wirksamer Funktionswerkstoffe, Methoden zur Auslegung thermofluidmechanisch und dielektrisch optimierter Wärmeübertragungsstrukturen, intelligenten Klimatisierungslösungen für kleine und mittlere Anwendungen, konstruktions- und fertigungstechnische Erfahrung zur Herstellung von Wärmeüberträgerstrukturen aus dielektrisch wirksamen Funktionswerkstoffen, ein adaptierbarer Demonstratorversuchsstand zur Erprobung und Validierung des Wirkprinzips in variablen Anwendungsszenarien bei der Lufterwärmung, Erfahrung bei der Dimensionierung sicherheitsrelevanter Abschirmelemente, Auslegungskriterien und Prozessgrenzen sowie Aussagen zur Skalierbarkeit der Technologie und Konzepte, Strategien und Methoden zur Integration von Hochfrequenz Beheizern in der Beispielanwendung Fahrgastzellen-Beheizung in E-Fahrzeugen gewonnen, beziehungsweise entwickelt werden. Die Arbeiten innerhalb des Projektes haben die Funktionalität des Ansatzes bewiesen. Bei den Arbeiten konnte ein Verfahren entwickelt werden, das eine effektive Lufterwärmung mittels Hochfrequenz Strahlung ermöglicht. Das entwickelte System bietet die Möglichkeit, den Hochfrequenz Heizvorgang für mobile Plattformen genau zu dosieren und bei längerem Betrieb die Klimatisierung mit hohen Abwärmeanteilen zu betreiben. Die erzielten technologischen Ergebnisse stellen die Basis für ein breites internes Innovationspotenzial dar. Die entwickelten Ansätze beziehungsweise die abgeleiteten erweiterten Verwertungsmöglichkeiten können kurz dargestellt werden durch drahtlosen Energietransfer für Sensor-Aktor, Komponenten im Fahrzeugbau zur Reduzierung des Materialeinsatzes in Form von Kabelbäumen, Ausführung des Energietransfer-Kanals als tragende Struktur im Fahrzeug zur Reduzierung der verbauten Konstruktions- und Materialanteile; gegebenenfalls weitere Aufgabenübernahme der strukturellen Teile, Weitere Optionen zur Reduzierung des konstruktiven Aufwandes für e-Mobilität Plattformen und Verringerung der Variantenstreuung von Kernbaugruppen, skalierbare Energieverteiler ist die Baugruppe mit energietechnischer und tragender Funktion, Reduzierung des Aufwandes der Fahrzeugfertigung, darunter finaler Montageaufwand. Weitere Verwertungsmöglichkeiten stellen außerdem nicht mobilisierbare Anwendungsmöglichkeiten beziehungsweise Applikationen dar, indem Teilaspekte der entwickelten Technologie übertragen werden. Im Bereich Hochfrequenz-Technologie werden somit aufbauende Forschungs- und Industrieprojekte wie öffentlich geförderte Forschungsprojekte, Forschungs- und Entwicklungsaufträge beziehungsweise Technologietransfer an industrielle Dienstleister und Anwender umsetzbar.
