45
Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air Conditioning, Heat Recovery and Future Fuels Fakultät Maschinenwesen, Institut für Energietechnik, Bitzer–Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik Ingolstadt, 26.09.2013 Prof. Dr.-Ing. U. Hesse Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

  • Upload
    others

  • View
    5

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Thermal Systems for Vehicle Thermal Management,

Air Conditioning, Heat Recovery and Future Fuels

Fakultät Maschinenwesen, Institut für Energietechnik, Bitzer–Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Ingolstadt, 26.09.2013

Prof. Dr.-Ing. U. Hesse Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Page 2: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Vehicle Thermal Management

Engine Cooling only

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 2

/http://pdphoto.org/PictureDetail.php?mat=pdef&pg=7906/

Page 3: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Vehicle Thermal Management

Electric Powertrain and Passenger Comfort

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 3

/ATZ-Online/

Page 4: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Content

• Road map and definitions Thermal management

• Temperature levels

• Engine thermal management

• MAC – mobile air conditioning

– Working fluids

– Functionalities

• Waste heat recovery

• Future fuel

• Conclusion

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 4

Page 5: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Road Map Vehicle Thermal Management

r future fuel

r electric powertrain

r waste heat recovery

r A/C with new refrigerants

r engine thermal management

r air conditioning (A/C)

r engine cooling and heating

r engine cooling only

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 5

Page 6: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Content

• Road map and definitions Thermal management

• Temperature levels

• Engine thermal management

• MAC – mobile air conditioning

– Working fluids

– Functionalities

• Waste heat recovery

• Future fuel

• Conclusion

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 6

Page 7: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Temperature Levels

Combustion Engine

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 7

Heat Source Heat Sink

Te

mp

era

ture

Le

ve

l

A/C

Heater

A

mb

ien

t

Engine exhaust gas

Engine - coolant

Page 8: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Temperature Levels

Electric Vehicle

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 8

Heat Source Heat Sink

Te

mp

era

ture

Le

ve

l

Range Extender

Thermal Storage (HT)

E - Motor

AC Inverter, DC-DC

Battery

A/C Thermal Storage (LT)

Battery

Heater

A

mb

ien

t

Page 9: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Temperature Levels

Fuel Cell Electric Vehicle with LH2 Tank

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 9

Heat Source Heat Sink

Te

mp

era

ture

Le

ve

l

Fuel Cell

Thermal Storage (HT)

E - Motor

AC Inverter, DC-DC

Battery

A/C Thermal Storage (LT)

Battery

Heater

A

mb

ien

t

LH2 Tank

Page 10: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Content

• Road map and definitions Thermal management

• Temepature levels

• Engine thermal management

• MAC – mobil air conditioning

– Working fluids

– Functionalities

• Waste heat recovery

• Future fuel

• Conclusion

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 10

Page 11: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Combustion Engine Vehicle Thermal Management

• Automotive cooling systems

– designed for the highest necessary heat rejection

– this operating state is reached only during 3-5% of operation

– in most cases the thermal situation is subcritical

– the engine is overcooled

• A demand-responsive engine cooling system provides:

– 3 to 5 % reduced fuel consumption

– increased passenger comfort .. faster heat-up

– environmental compatibility .. reduced tail pipe emissions

• specific components

• specific control strategies

• demand-responsive cooling system

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 11

Page 12: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Components of a Thermal Management System - Overview

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 12

/ SAE Technical Paper 1999-01-0238/

Page 13: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Content

• Road map and definitions Thermal management

• Temperature levels

• Engine thermal management

• MAC – mobile air conditioning

– Working fluids

– Functionalities

• Waste heat recovery

• Future fuel

• Conclusion

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 13

Page 14: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Automotive Air Conditioning

Air conditioning only

• Refrigerant: R134a

• HVAC Evaporator

• Frontend Condenser

• Belt driven compressor - variable capacity - fixed capacity

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 14

/Source: IPETRONIK/

/Source: Behr/

Page 15: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 15

condenser

receiver

compressor

expansion valve

internal heat exchanger (optional)

evaporator

R134a system

Automotive Air Conditioning

Page 16: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Automotive Air Conditioning

• Passenger comfort

• Performance .. cool down

• Environment .. ozone depletion

• Environment .. global warming

• Enhanced efficiency .. fuel consumption => credits

• Extended functionality .. heat pumping, el. powertrain cooling (battery, inverter, DC/DC)

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 16

l

Page 17: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Automotive Air Conditioning

• Refrigerants: Transition CFC-12 to HFC-134a

– Omission of ozone depletion

– Significant reduction of global warming effect

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 17

F-gases: effect of globaly produced F-gases as Gt CO2 equivalent (grey: CFC and HCFC, red: HFC)

Page 18: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Automotive Air Conditioning

• 0,11 % of total global greenhouse emissions are due to the HFC refrigerants used in mobile air conditioning (MAC)

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 18

0,23 % refrigerants stat.

0,11 % refrigerants MAC

Page 19: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Automotive Air Conditioning

DIRECTIVE 2006/40/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 17 May 2006

• 1 January 2011: no type-approval for vehicle fitted with an A/C system designed to contain fluorinated greenhouse gases with a GWP > 150

• 1 January 2017: new vehicles fitted with an air-conditioning system designed to contain fluorinated greenhouse gases with a GWP > 150: (a) certificates of conformity no longer considered (b) registration refused and sale & entry into service prohibited

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 19

GWP (global warming potential): R134a: 1430, R1234yf: 4, CO2: 1 /IPCC/

Page 20: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Automotive Air Conditioning

Refrigerants:

• HFO 1234yf

– Properties and behavior close to R134a

– GWP: 4 /IPCC/ resp. <1 /Reviews of Geophysics; Volume 51, June 2013/

– Serial vehicles already in the market

– Mildly flammable

– Ignition in presence of oil @ 600 .. 800 °C

– Decomposition products include hydrogen fluoride (HF, LC50 = 966 ppm) and carbonyl fluoride (COF2, LC50 = 360 ppm) /Graz, 2008/

– R1234yf: ignition of refrigerant in a test car after a simulated accident with a refrigerant leakage (some do some do not ignite)

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 20

Page 21: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Automotive Air Conditioning

Refrigerants:

• Natural refrigerants - hydro carbons, e.g. propane (R290) GWP = 3 - CO2 (R744) GWP = 1

• Propane:

– Similar pressure levels and components

– Efficient refrigerant

– Used already in not OEM approved „retrofit“

– Highly flammable => Secondary fluid needed => Reduced efficiency

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 21

Page 22: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Automotive Air Conditioning

Refrigerants:

• CO2 (R744):

– Transcritical cycle

– Pressure level 120 to 160 bar (25 to 32 bar with R134a)

– All new components and control

– Also interesting for heat pump function

– Higher efficiency than R134a at lower ambient temperature

– Lower efficiency than R134a at high ambient temperature

– Development of application for MAC had been terminated in 2005

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 22

Page 23: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

gac cooler

compressorexpansion

valve

internal heat exchanger

evaporator

CO2 system

accumulator

Cycle and Process with CO2 (R744)

transcritical process

pkrit = 7,38 MPa

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 23

Page 24: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Specific enthalpy

lg (

Pre

ssure

)

35 bar

120 bar

Cooling

w a

Process with CO2 (R744)

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 24

Page 25: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Specific enthalpy

lg (

Pre

ssure

)

20 bar

35 bar

120 bar

w/o a

Heating

Process with CO2 (R744)

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 25

Page 26: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

/F. Wiescholek, Visteon, Small Cars with R744, VDA Wintermeeting, Saalfelden, 2007/

Cool Down Performance R744 / R134a

Ambient temp.: 43 °C, RH: 40 %, Sunload: 1000 W

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 26

Page 27: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Efficiency R744 / R134a (SAE ARCRP 1)

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 27

/Pedrag Hrnjak, VDA-Wintermeeting 2007/

Page 28: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

CO2 Time Schedule

An approach:

• Restart of development

• Building base of serial suppliers

• Enhance efficiency and NVH (competitive to current R134a)

• Development

• Serial project development

• Process and industrialization

• Of tool samples

• Full validation

• SOP

• DIRECTIVE 2006/40/EC: phase out of R134a in all new cars by 1 January 2017

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 28

2013 2014 2015 2016 2017 2018

Page 29: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Content

• Road map and definitions Thermal management

• Temperature levels

• Engine thermal management

• MAC – mobile air conditioning

– Working fluids

– Functionalities

• Waste heat recovery

• Future fuel

• Conclusion

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 29

Page 30: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

4-Way-Valve

CO2 Air / Air Heat Pump Cycle

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 30

Page 31: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

CO2 Air / Air Heat Pump Cycle

4-Way-Valve

“flash fogging”

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 31

Page 32: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

IF :

+ heating with „former“ evaporator

+ low ambient temperature

+ low wind shield temperature

+ high humidity

Flash Fogging

Limited Vision

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 32

Page 33: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Advanced Heat Pump Cycle

engine

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 33

/SAE Phoenix 2004/

Page 34: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Wind tunnel test: -20 °C

heating mode: after 5 min

engine

Heating mode

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 34

Page 35: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Fuel Consumption

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 35

Page 36: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Electric Powertrain

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 36

Page 37: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Heat Pump for electric Vehicle

Assumption:

• Heating demand: 3 kW

• Distance: 180 km @ 60 km/h

• Energy Heating 9 kWh

• 45 % of a 20 kWh battery

+

battery

-

. QH

Pel

battery capacity

traction

heating

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 37

Page 38: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Heat Pump for electric Vehicle

Assumption:

• Heating demand: 3 kW

• Distance: 180 km @ 60 km/h

• Energy Heating 9 kWh

• Heat pump @ a COP of 3

• 15 % of a 20 kWh battery

+

-

. QH

. Q0

Pel

battery capacity

traction

heat pump

saving

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 38

Page 39: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Content

• Road map and definitions Thermal management

• Temperature levels

• Engine thermal management

• MAC – mobile air conditioning

– Working fluids

– Functionalities

• Waste heat recovery

• Future fuels

• Conclusion

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 39

Page 40: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Sept. 26th, 2013 40

Waste Heat Recovery

• Waste heat of a combustion engine

– Development of components and system e.g.: turbo, piston or scroll expander

– Conept: Rankin Cycle with natural working fluid

– Savings: up to 5% fuel consumption (long distance truck)

ICSAT Ingolstadt Hesse ThM

Page 41: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Content

• Road map and definitions Thermal management

• Temperature levels

• Engine thermal management

• MAC – mobile air conditioning

– Working fluids

– Functionalities

• Waste heat recovery

• Future fuel

• Conclusion

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 41

Page 42: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Compressed Gas

Cryo-compressed

Liquid Solid storage

Source: Dynetek

Source: BMW

Source: BMW

•Physisorption

•Metal hydrides

•Complex hydrides

•Chemical hydrides

1 kg - 6 kg one or more pressure vessels

4 kg - 12 kg insulated cryogenic pressure vessel

7 kg - 12 kg insulated cryo-vessel

Hydrogen Storage

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 42

Page 43: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Content

• Road map and definitions Thermal management

• Temperature levels

• Engine thermal management

• MAC – mobile air conditioning

– Working fluids

– Functionalities

• Waste heat recovery

• Future fuel

• Conclusion

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 43

Page 44: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

Summary

• Management of different heat sources and heat sinks

• at different temperature levels

– From 22 K (LH2)

– Around ambient temperature

– Up to 800 K (exhaust gas)

• for powertrain component thermal management and climate control

– Conventional and electric powertrain

– Sustainable A/C and heat pump refrigerants

• Benefit

– Efficiency

– Function and durability

– Passenger comfort and safety

Sept. 26th, 2013 ICSAT Ingolstadt Hesse ThM 44

Page 45: Thermal Systems for Vehicle Thermal Management, Air

Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Bitzer-Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo- und Kompressorentechnik

20.09.2013 45

Prof. Dr.-Ing. Ullrich Hesse

Technische Universität Dresden

Institut für Energietechnik

Bitzer Stiftungsprofessur für Kälte-, Kryo-

und Kompressorentechnik

01062 Dresden

Tel.: +49 351 463 32548

e-mail: [email protected]