Die im Rahmen der Mobilitätswende angestrebte weitgehende Umstellung weiter Bereiche des Individualverkehrs von kraftstoffbetriebenen auf batterieelektrische Fahrzeuge (battery electric vehicles, BEV) kommt insbesondere in Deutschland nur schleppend voran. Die dafür ursächliche geringe Akzeptanz von Elektroautos liegt vor allem an den vergleichsweise höheren Anschaffungskosten bei geringerer Reichweite, an der Verfügbarkeit von Ladeinfrastruktur und der als unkomfortabel empfundenen Dauer des Ladevorgangs. Da die Preise für Li-Ionen-Zellen bereits stark gesunken sind und bei der Ladeinfrastruktur erhebliche Fortschritte erreichbar scheinen, rückt die Problematik von geringer Reichweite in Verbindung mit langen Ladezeiten zunehmend in den Vordergrund. In diesem Zusammenhang ist die bekanntermaßen erhebliche Reduktion der Batterielebensdauer durch hohe Ladeleistungen von großer Bedeutung, weil kurze Ladezeiten nur durch hohe Ladeleistungen erzielbar sind.

Die etablierte Standardtechnologie für BEV ist der Lithium-Ionen-Akkumulator (LIA). Bei der Verwendung in Fahrzeugen wird eine Vielzahl von Einzelzellen in Reihe geschaltet, um die im Fahrzeug benötigte Spannung von typischerweise einigen hundert Volt zu erreichen. Da die Einzelzellen beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen oder unterschiedlichen Zellentemperaturen unterschiedliche Kapazitäten aufweisen und empfindlich auf Überladung oder Tiefentladung reagieren, muss durch ein Batteriemanagementsystem (BMS) eine Überwachung der Einzelzellen erfolgen und erforderlichenfalls der Ladezustand der Einzelzellen durch geeignete Maßnahmen immer wieder aneinander angeglichen werden.

Kernelement der dargestellten kombinierten Regelung und Vorsteuerung des Ladestroms für die Zelle ist eine zu entwickelnde Diagnosemethode, die mit den im BMS zur Verfügung stehenden Mitteln den Alterungszustand (state of health, SOH) der zu ladenden Zelle ermittelt. Schreitet diese Alterung schneller voran als über einen Vorgabewert definiert, so wird von einem Ladestromregler der Ladestrom reduziert. Ist die aktuelle Alterung dagegen langsamer als tolerierbar, so wird der Ladestrom erhöht und damit ein schnelleres Laden realisiert. Zur Entlastung des Reglers wird zusätzlich eine Vorsteuerung (inverses SOH-Modell) entwickelt, die basierend auf den aktuell vorliegenden Randbedingungen (z.B. Zellentemperatur, Ladezustand, etc.) einen maximalen Ladestrom ermittelt.

Rahmendaten Projekt

• Projektleiter: Prof. Dr. Josef Kainz/HSWT TUM Campus Straubing
• Projektbearbeiter: Jinghua Sun, M. Sc./HSWT TUM Campus Straubing
• Projektmitwirkung extern: Dipl.-Ing. Markus Stutika/Vitesco Technologies GmbH
• Projektdauer: 01.01.2021 – 31.12.2023
• Projektpartner: Vitesco Technologies GmbH
• Projektförderung: Bayerisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst

Eine erfolgreiche Weiterführung der Energiewende im Stromsektor mit noch höheren Anteilen erneuerbarer Energien, deren Einspeisung wetterbedingten, tageszeitlichen und saisonalen Schwankungen unterliegen, steigert den Bedarf an wirtschaftlich betreibbaren Stromspeichern. Die Pumpspeichertechnologie ist technisch ausgereift, wird aber bisher nur im großen Maßstab für zentrale Anlagen eingesetzt

Das hier vorgestellte Forschungsvorhaben als Kooperationsprojekt des Ingenieurbüros IB Pfeffer und des Fachgebiets für Energietechnik der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf konzentriert sich auf die Skalierung der Pumpspeichertechnologie auf Kleinstanwendungen mit Leistungen kleiner 100 kW. Vorteilhaft für kleinere Anlagen wird dabei die vergleichsweise kleineren Umwelteingriffe, die größere Akzeptanz in der Bevölkerung und die Möglichkeit, damit Speichertechnologien auch für kleinere Stromerzeuger zugänglich machen zu können, angesehen.

Den der Skalierung geschuldeten Anstieg der spezifischen Baukosten soll mit folgenden Ansätzen entgegen gewirkt werden:

• Zur Reduzierung der anfänglichen Investitionskosten wird auf standardisierte, am Markt verfügbare Kreiselpumpen gesetzt. Diese erlauben nicht nur den Pumpbetrieb sondern können bei Umkehrung der Durchflussrichtung als Turbine eingesetzt werden (Pumpe als Turbine – PAT) bei einem erreichbaren hydraulischen Wirkungsgrad von bis zu 80%.
• Die Planungs- und Projektierungskosten sollen durch ein konsequent verfolgtes modulares Baukastenprinzip reduziert werden, sowohl was die mechanischen Komponenten als auch die Anlagensteuerung betrifft.
• Notwendige Kennfelder der Anlagenkomponenten – in erster Linie die vollständigen Kennfelder der Kreiselpumpen – werden in einem für das Projekt konzipierten hydraulischen Prüfstand ermittelt.

Rahmendaten Projekt

• Projektleiter: Prof. Dr. Josef Kainz/HSWT TUM Campus Straubing
• Projektbearbeiter: Florian Lugauer, MSc/HSWT TUM Campus Straubing
• Projektdauer: 01.01.2018 – 31.12.2021
• Projektpartner: IB P F E F F E R – Ingenieurbüro für Energie- und Umwelttechnik
• Projektträger: Bayerisches Staatsministerium für Bildung und Kultus, Wissenschaft und Kunst
• Förderprogramm: Programm zur Förderung der angewandten Forschung und Entwicklung an Hochschulen für angewandte Wissenschaften – Fachhochschulen

Zylinderdrucksensor (Bild: ENT / TUMCS)

Getrieben durch die immer restriktivere Gesetzgebung im Automobilbereich steigt die Bereitschaft der Automobilhersteller, hochleistungsfähige Sensoren, welche bisher nur für Prüfstandsuntersuchungen genutzt wurden, auch in der Serie zu verbauen. Ein Beispiel für einen solchen Sensor ist der Zylinderdrucksensor, durch dessen Einsatz ein besserer Einblick in den Verbrennungsprozess möglich ist.

Einer der ersten Serienzylinderdrucksensoren, wird von Continental entwickelt. Für Forschungs- und Entwicklungsaufgaben begannen Continental und die Hochschule Weihenstephan – Triesdorf 2016 ein gemeinsames Projekt. Ziele, des unter der Leitung von Herrn Prof. Dr. Josef Kainz stehenden Projekts sind unter anderen, verringern des Verbrauchs und damit der Emissionen, steigern des Wirkungsgrads und bessere Regelungen unter dynamischen Lastzuständen. Ermöglicht werden sollen diese Neuerungen durch den Zugriff auf den Verlauf der Energiefreisetzung im Brennraum die durch eine ausreichend schnelle Druckerfassung im Zylinder. Ausgehend davon werden charakteristische Prozessgrößen berechnet, die dann zur Regelung der nachfolgenden Verbrennung genutzt werden können. Regelgrößen sind unter anderen der Zündzeitpunkt, die Einspritzung, Stellglieder wie die Drosselklappe oder das Abgasrückführungsventil. Die Schwierigkeit bei diesem Vorhaben liegt vor allem darin, die Prozessgrößen auch unter realen Betriebsbedingungen bestimmen zu können. Hierzu werden Messungen am Fahrzeug und am Motorenprüfstand sowie Simulationen durchgeführt.

Rahmendaten Projekt

• Projektleiter: Prof. Dr. Josef Kainz/HSWT TUM Campus Straubing
• Projektbearbeiter: Dipl. Ing. (FH) Simon Härtl, M.Sc./HSWT TUM Campus Straubing
• Projektdauer: 01.03.2016 – 30.04.2019
• Projektpartner: Continental Automotive GmbH
• Projektträger: Continental Automotive GmbH