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Projekt Elektromobilität im Servicebetrieb – Ein Thermomanagementproblem im Modell bearbeiten

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Projekt Elektromobilität im Servicebetrieb – Ein Thermomanagementproblem im Modell bearbeiten

Ausbildung | Kfz-Mechatronik / Fahrzeugtechnik | ca. 6 × 15 Minuten plus Projektabgabe

Leitfrage: Wie lässt sich eine auffällige Batterietemperatur in einem sicheren Modell erklären, simulieren und durch eine begründete Regelstrategie beeinflussen?

Dein Produkt: ein fortlaufendes Projektdossier mit Fallkarte, Systemskizze, Regelkreis, Simulationskurve, Prüfdaten, Energiebilanz und begründeter Serviceempfehlung.

Einleitung

Ausbildungsfall – Serviceauftrag S-17 (frei erfunden): Ein Elektrofahrzeug meldet im virtuellen Prüfstand „Temperaturanstieg unter Last“. Eine erste Kühlstrategie reagiert spät. Du sollst nicht am Fahrzeug arbeiten, sondern die Ursache im Modell untersuchen und zwei Strategien vergleichen.

Sicherheitsgrenze: Ausschließlich Papier, frei zugängliche Fachinformationen, Tabellenkalkulation und spannungsfreie Computersimulation. Keine Arbeiten, Messungen, Öffnungen oder Schalthandlungen an realen HV-Komponenten oder Traktionsbatterien; auch PV-Spannungen nur theoretisch oder im sicheren Simulator. Es gibt keine Arbeitsfreigabe und keine Befähigungsbescheinigung. Reale Tätigkeiten erfordern eine betriebliche Gefährdungsbeurteilung, die jeweils passende Qualifikation, Herstellervorgaben und ausdrückliche Fachfreigabe. Prüfe den aktuellen Stand der DGUV Information 209-093 und der DGUV-FAQ Elektromobilität, Stand 10/2025.

Bildauftrag: Markiere gedanklich die Traktionsbatterie und die elektrischen Antriebskomponenten. Nicht alle Wärmeleitungen sind dargestellt.

Dossier-Vorlage (im Heft oder digital):

D1 Fallkarte: Problem, Ziel und Sicherheitsgrenze.
D2 Wärmeskizze: Wärmequellen, Kühlkreislauf und Wärmesenken.
D3 Regelkreis: Sensor, Istwert, Entscheidung und Kühlung.
D4 Simulation: Formeln, zwei Temperaturkurven und Energiebedarf.
D5 Prüfbewertung: Datenqualität, Unsicherheiten und Alternativerklärungen.
D6 Abgabe: Entscheidung mit Belegen und Reflexion.

Lerneinheit 1: Woher kommt die Wärme?

Dauer: 10–15 Minuten | Dossier D1–D2

Eine Antriebsbatterie erwärmt sich bei Belastung unter anderem durch elektrische Verluste. Thermomanagement führt Wärme ab oder nutzt sie gezielt. Batterie, Leistungselektronik und Innenraum können verschiedene Temperaturanforderungen haben. Es gibt keine universelle zulässige Batterietemperatur für alle Fahrzeuge. Fachquelle: Bosch Mobility

Beobachte die Baugruppe; das Foto ist kein Schaltplan für Servicearbeiten.

Übertrage das Prinzip: Wärmeleitung an einer Kühlplatte, Konvektion im Kühlmittel, Wärmeabgabe an die Umgebung.

Mini-Auftrag (Basis): Zeichne Batterie → Kühlplatte → Kühlmittel → Wärmeübertrager → Umgebung. Zeichne Wärmepfeile und unterscheide sie von der Strömungsrichtung. Dossier: D2.

Feedback: Ein Wärmepfeil zeigt den Transport thermischer Energie; der Kühlmittelpfeil zeigt Stoffbewegung. Beide Richtungen sind nicht automatisch identisch.

Lerneinheit 2: Welche Bauteile wirken zusammen?

Dauer: 10 Minuten | Dossier D2

Bei einer indirekten Batteriekühlung transportiert ein Kühlmittel Wärme zu einem Wärmetauscher. Ein Chiller kann Wärme zwischen Kühlmittel- und Kältemittelkreis übertragen. Die Wärmepumpe kann in geeigneten Betriebszuständen Wärme effizient auf ein anderes Temperaturniveau bringen. Schaltungen unterscheiden sich je nach Fahrzeug. Fachquelle: HELLA Tech World

Das Schema zeigt ein Wärmepumpen-Grundprinzip, keine fahrzeugspezifische Leitungsführung.

Video: WeberAuto/Weber State University, „Understanding Coolant Flow in a Tesla“ (englisch, fahrzeugspezifisches Beispiel). Beobachte nur die Strömungswege.

Mini-Auftrag (Anwendung): Ergänze in D2 Pumpe, Sensor, Ventil und Chiller als Funktionsblöcke. Feedback: Ein Chiller überträgt Wärme; er ist weder ein Temperatursensor noch zwangsläufig die Pumpe.

Lerneinheit 3: Vom Messwert zur Regelung

Dauer: 15 Minuten | Dossier D3

Ein Temperatursensor liefert einen Istwert; der Regler vergleicht ihn mit der Zielvorgabe und verändert eine Stellgröße. Bei einem NTC-Sensor sinkt der elektrische Widerstand typischerweise mit steigender Temperatur. Das ist keine Aufforderung, an einem Fahrzeug Spannung oder Widerstand zu messen.

Lies die Kennlinie: höhere Temperatur, kleinerer NTC-Widerstand.

Video: The Engineering Mindset, „Thermistor Basics – NTC PTC“ (englisch).

Übertrage: Sollwert r → Regler C → Kühlmodell P → Temperatur y → Rückmeldung.

Nur für diesen Ausbildungsfall: 35 °C ist die frei festgelegte Modellobergrenze, kein Herstellergrenzwert. Eine einfache Modellstrategie schaltet 500 W thermische Kühlung ein, sobald der simulierte Temperaturwert mindestens 33 °C erreicht. Die Ausschaltgrenze von 32 °C schafft eine Hysterese.

Vertiefung: MATLAB, „What Is PID Control?“ (englisch). Im Projekt genügt zunächst eine Zweipunktentscheidung mit Hysterese.

Mini-Auftrag (Basis): Beschrifte den Regelkreis mit Sollwert, Istwert, Regelabweichung, Regler, Stellgröße und Modell. Dossier: D3.

Feedback: Ohne Rückmeldung des Istwerts wäre es keine geschlossene Temperaturregelung.

Lerneinheit 4: Den Temperaturverlauf simulieren

Dauer: 15–20 Minuten | Dossier D4

Alle folgenden Werte sind didaktisch erfunden und rechnerisch erzeugt, keine Fahrzeugmessungen und keine Service-Sollwerte.

Modellgröße	Festlegung
Anfangstemperatur	29 °C
Umgebungstemperatur	20 °C
Intervall	5 min = 300 s
Effektive Wärmekapazität	30 000 J/K
Wärmedurchgang UA	8 W/K
Wärmezufuhr unter Last	600 W
Verfügbare Kühlleistung	0 / 500 / 800 W thermisch
Elektrischer Bedarf der Kühlung	0 / 250 / 400 W elektrisch
Ziel	Temperatur höchstens 35 °C im betrachteten Modell

Rechenregel je Zeitschritt:

$T_{k + 1} = T_{k} + \frac{300}{30000} (600 - 8 (T_{k} - 20) - P_{K u e h l, t h, k})$

Die Temperaturdifferenzen haben die Einheit K; $P_{K u e h l, t h}$ ist abgeführte Wärmeleistung, nicht elektrische Leistung. Verwende das Modell ausschließlich in der Tabellenkalkulation.

Prüfdatensatz A – späte Kühlung (Simulation):

Zeit in min	Modelltemperatur in °C	Kühlleistung im folgenden 5-min-Intervall in W thermisch
0	29,0	0
5	34,3	0
10	39,1	500
15	38,6	500
20	38,1	800
25	34,7	800
30	31,5	Ende

Vergleich B – frühe, moderate Kühlung: Bis Minute 5 bleibt die Kühlung aus, ab Minute 5 bis Minute 30 wirkt in jedem Intervall 500 W thermische Kühlung. Berechne die Temperaturen in einer zweiten Tabellenspalte.

Startprüfung: Ohne Kühlung ergibt der erste Schritt $29 + 0,01 (600 - 8 \cdot 9) = 34,28$ °C. Im Vergleich B folgt bei Minute 10 etwa 34,14 °C.

Gestufte Hilfen:

Hilfe A: Trage die Temperatur aus der vorherigen Zeile in die neue Formel ein.
Hilfe B: Verwende für jedes Intervall die Kühlleistung, die in dessen Startzeile steht.
Hilfe C: Prüfe erst die Einheit: 5 min sind 300 s; 300/30 000 ergibt 0,01 K/W.

Mini-Auftrag (Anwendung): Zeichne A und B in ein gemeinsames Temperatur-Zeit-Diagramm; markiere die Modellobergrenze als waagerechte Linie. Dossier: D4.

Lerneinheit 5: Energieaufwand und Prüfdaten bewerten

Dauer: 15 Minuten | Dossier D4–D5

Für elektrische Energie gilt $E = P_{e l} \cdot t$ . In der Tabelle steht der elektrische Kühlbedarf gesondert von der thermischen Kühlleistung.

Kontrollwerte: A: 250 W über 10 min plus 400 W über 10 min = 108,3 Wh. B: 250 W über 25 min = 104,2 Wh. B bleibt im gerechneten Beispiel bei höchstens 34,3 °C; A erreicht rund 39,1 °C. Diese Aussage gilt nur für die gewählten Annahmen.

Zweite Prüfspur – virtuelle Sensoranzeige:

Zeitpunkt	Modell A	Sensoranzeige B (synthetisch)
0 min	29,0 °C	29,2 °C
10 min	39,1 °C	39,3 °C
20 min	38,1 °C	44,0 °C
30 min	31,5 °C	31,6 °C

Auffälligkeit: Der zusätzliche Wert bei 20 min passt nicht gut zur sonstigen Reihe. Denkbar sind ein Messfehler, ein anderes Temperaturniveau oder ein örtlicher Temperaturunterschied. Aus dem Datensatz allein lässt sich keine Ursache beweisen.

Mini-Auftrag (Transfer): Notiere mindestens zwei Hypothesen und entwirf eine rein virtuelle Plausibilitätsprüfung. Dossier: D5.

Feedback: Eine Einzelabweichung rechtfertigt keine reale Reparaturanweisung; zuerst müssen Datenherkunft, Sensorposition und Modellgrenzen geprüft werden.

Lerneinheit 6: Serviceentscheidung und Transfer

Dauer: 15 Minuten plus Abgabe | Dossier D6

Entscheidung für das Modell: B ist unter den hier festgelegten Bedingungen vorzuziehen: niedrigerer Temperaturhöchstwert und etwas geringerer elektrischer Energieaufwand. Das beweist nicht, dass diese Strategie in jedem realen Fahrzeug optimal ist.

Stresstest: Setze die Umgebungstemperatur versuchsweise auf 30 °C und berechne die erste Modellzeile neu. Die Temperatur nach fünf Minuten beträgt dann 35,08 °C. Die bisherige Empfehlung muss also neu geprüft werden.

Projektabgabe: Reiche D1–D6 mit einer beschrifteten Skizze, zwei Kurven, verwendeten Formeln, einer kurzen Unsicherheitsanalyse und einer begründeten Empfehlung ein. Kennzeichne alle erfundenen Daten sichtbar.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Warum braucht eine belastete Traktionsbatterie Thermomanagement? (Um thermische Belastungen innerhalb vorgesehener Betriebsbereiche zu halten) (!Um die Batterie dauerhaft auf Umgebungstemperatur zu fixieren) (!Um jede Form elektrischer Verluste zu beseitigen) (!Um die Temperaturmessung zu ersetzen)

Welche Aufgabe erfüllt ein Temperatursensor im Regelkreis? (Er stellt den Istwert bereit) (!Er erzeugt die Kühlleistung) (!Er ersetzt den Wärmeübertrager) (!Er bestimmt die Fahrzeugfreigabe)

Was geschieht bei einem typischen NTC bei steigender Temperatur? (Der elektrische Widerstand sinkt) (!Der elektrische Widerstand bleibt immer gleich) (!Der Sensor erzeugt automatisch mehr Kühlmittel) (!Die Wärmekapazität wird null)

Welche Funktion erfüllt ein Chiller bei indirekter Batteriekühlung? (Er ermöglicht Wärmeübertragung zwischen Kühlmittel und Kältemittel) (!Er ist die Traktionsbatterie) (!Er ersetzt alle Temperaturfühler) (!Er liefert die Fahrzeugantriebsenergie)

Welches Merkmal kennzeichnet einen geschlossenen Regelkreis? (Die Regelgröße wird zurückgemeldet) (!Der Istwert wird niemals erfasst) (!Die Temperatur ist unabhängig von der Last) (!Ein Sensor ist grundsätzlich verboten)

Wozu dienen zwei unterschiedliche Schaltschwellen? (Sie können häufiges Ein und Ausschalten vermindern) (!Sie ersetzen sämtliche Stellglieder) (!Sie machen eine Regelabweichung unmöglich) (!Sie entfernen jede Messunsicherheit)

Wie viel Sekunden entsprechen fünf Minuten? (300) (!30) (!500) (!3000)

Wie hoch ist die erste berechnete Temperatur ohne Kühlung im Projektmodell? (34,28 Grad Celsius) (!29 Grad Celsius) (!39,14 Grad Celsius) (!20 Grad Celsius)

Welche Größe nutzt Du für die elektrische Energiebilanz? (Elektrische Leistung mal Zeit) (!Thermische Kühlleistung ohne Zeit) (!Temperatur mal Widerstand) (!Kühlmittelvolumen ohne Zeit)

Was folgt fachlich aus einer einzelnen auffälligen Sensoranzeige? (Die Ursache bleibt zunächst offen und muss geprüft werden) (!Ein Sensor muss sofort real ausgebaut werden) (!Die Batterie ist sicher defekt) (!Die Modelltemperatur ist immer falsch)

Memory

Temperatursensor	Istwert
Regler	Stellentscheidung
Chiller	Kreisübergreifender Wärmeübergang
Wärmekapazität	Temperaturträgheit
Hysterese	Unterschiedliche Schaltschwellen
Simulation	Berechnung eines Modellverlaufs

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Wärmequelle	Innere Verluste
Kühlplatte	Wärmeaufnahme am Batteriemodell
Temperatursensor	Erfasster Istwert
Stellglied	Veränderung der Kühlwirkung
Energiebilanz	Elektrischer Leistungsbedarf über Zeit

Kreuzworträtsel

Sensor	Welcher Baustein erfasst die Temperatur?
Chiller	Wie heißt ein Wärmetauscher zwischen Kühlmittel und Kältemittel?
Regler	Welches Glied entscheidet anhand einer Abweichung über die Stellgröße?
Hysterese	Wie heißt der Abstand zwischen Ein- und Ausschaltschwelle?
Konvektion	Wie heißt der Wärmetransport durch strömende Fluide?
Simulation	Wie heißt die rechnerische Nachbildung des Verlaufs?

LearningApps

Lückentext

Das Projekt bearbeitet ein Thermomanagementproblem ausschließlich im

.

Eine Batterie kann sich durch elektrische

erwärmen.

Der Temperatursensor liefert den

.

Der Regler beeinflusst die

.

Der Chiller überträgt

zwischen Kreisläufen.

Eine Hysterese vermindert häufige

.

Das Rechenintervall beträgt fünf

.

Die Temperatur wird mit der effektiven

modelliert.

Die Einheit der elektrischen Energie ist hier die

.

Eine auffällige Einzelmessung erfordert eine

.

Die simulierte Obergrenze von 35 Grad Celsius ist kein allgemeiner

.

Offene Aufgaben

Leicht – Basis

Sicherheitskarte: Gestalte ein Plakat „Im Simulator erlaubt – am Fahrzeug nicht erlaubt“ und begründe zwei Grenzen.
Wärmebild: Zeichne D2 mit zwei Wärmequellen und einer Wärmesenke; fotografiere Deine Skizze.
Sensor-Comic: Erstelle drei Bilder von der Temperaturänderung bis zum Istwert.
Regelkreis-Karte: Beschrifte D3 und erkläre die Rückmeldung in einem 30-Sekunden-Audioclip.

Standard – Anwendung

Temperaturkurve: Rechne Variante A nach und stelle die Werte als Diagramm dar.
Energievergleich: Berechne für A und B den elektrischen Kühlbedarf in Wh und erläutere die Trennung von Wärme und Strombedarf.
Schaltstrategie: Gestalte eine einfache grafische Regelentscheidung mit Schaltschwellen im Simulator.
Prüfgespräch: Führe ein Rollenspiel als Serviceannahme durch und dokumentiere zwei mögliche Deutungen der Auffälligkeit bei Minute 20.

Schwer – Transfer

Umgebungstest: Simuliere 30 °C Umgebung und entwickle eine neue, überprüfbare Modellentscheidung.
Modellkritik: Erstelle ein kurzes Video über mindestens drei Grenzen des vereinfachten Batteriemodells.
Quellen-Audit: Vergleiche zwei Fachquellen und dokumentiere Autor, Datum, Aussage, Übertragbarkeit und Medienlizenz.
Service-Pitch: Präsentiere D1–D6 als begründete Empfehlung an eine fiktive Werkstattleitung; begrenze sie ausdrücklich auf den Simulator.

Begründetes Feedback und Hilfekarten

Stufe	Musterergebnis / Rückmeldung	Warum?
Basis	Richtig: Sensor → Istwert → Regler → Kühlwirkung → neue Temperatur. Nachbessern: Pfeil der Rückmeldung ergänzen.	Die Regelung reagiert auf das gemessene Ergebnis.
Anwendung	Richtig: A erreicht etwa 39,1 °C und benötigt 108,3 Wh; B erreicht etwa 34,3 °C und benötigt 104,2 Wh. Nachbessern: thermische und elektrische Wattwerte nicht verwechseln.	Temperaturgrenze und elektrischer Energieaufwand müssen gemeinsam betrachtet werden.
Transfer	Richtig: Bei 30 °C Umgebung steigt schon der erste simulierte Wert auf 35,08 °C. Nachbessern: alte Strategie erneut testen statt unbesehen übernehmen.	Eine Modellentscheidung hängt von Randbedingungen und Datenqualität ab.

Zusatzhilfe für Lehrkräfte: Lass zuerst nur die Pfeile legen (Basis), dann die Tabellenformel übernehmen (Anwendung) und erst danach Grenzwerte oder Umgebung variieren (Transfer). Bewerte die Begründung stärker als das bloße Ankreuzen.

Lernkontrolle

Zusammenhang erklären: Begründe, weshalb eine funktionierende Pumpe ohne zuverlässigen Temperatur-Istwert trotzdem zu problematischen Entscheidungen führen kann.
Zielkonflikt prüfen: Erläutere am Vergleich A/B, weshalb maximale Kühlleistung nicht automatisch die beste Strategie ist.
Modellgrenzen erkennen: Nenne drei reale Einflussgrößen, die das vereinfachte Modell ausblendet, und erläutere ihre möglichen Folgen.
Daten beurteilen: Entwickle einen Plan zur virtuellen Prüfung der Abweichung bei Minute 20, ohne eine Ursache als sicher zu behaupten.
System übertragen: Zeige, wie sich eine geänderte Umgebungstemperatur auf Wärmeabgabe und Regelentscheidung auswirkt.
Verantwortung begründen: Erläutere, warum aus diesem Lernprojekt keine Berechtigung für HV-Arbeiten abgeleitet werden darf.

Lernnachweis

Abzugeben: das vollständige Projektdossier D1–D6 mit eigener Skizze, Regelkreis, nachrechenbarer Tabelle, zwei beschrifteten Temperaturkurven, elektrischer Energiebilanz, Quellenangaben, Datenkritik und eigener Entscheidung.

Bewertungskriterium	Nachweis
Sichere Abgrenzung	ausschließlich fiktiver Modellfall, keine HV-Arbeitsschritte
Fachliche Erklärung	Wärmewege und Regelkreis korrekt beschriftet
Nachvollziehbare Rechnung	Einheiten, Formel, beide Varianten überprüfbar
Kritische Auswertung	Abweichungen und Unsicherheiten reflektiert
Begründete Abgabe	Aussage durch Kurven und Zahlen gestützt

Bewertungsvorschlag: je 0–2 Punkte, maximal 10 Punkte. Dieser Lernnachweis ist keine Fachqualifikation, kein Qualifizierungsnachweis und keine Freigabe für Arbeiten an HV-Fahrzeugen.

OERs zum Thema

Fachlich geprüfte Ausgangsquellen:

DGUV Information 209-093, Ausgabe 08/2021 und DGUV-FAQ, Stand 10/2025: Qualifizierung, Gefährdungsbeurteilung und Tätigkeitsgrenzen. Vor realen Tätigkeiten aktuelle Fassungen und betriebliche Vorgaben prüfen.
Bosch Mobility – Thermomanagement: Wärmeströme und Funktionsbereiche.
HELLA Tech World – Thermal Management: Kühlmittel, Chiller und Kältemittel.
U.S. Department of Energy – Aufbau eines Elektroautos: allgemeine Fahrzeugkomponenten.
PhET – Energieformen und Energieumwandlungen: ergänzende sichere Energiesimulation, kein fahrzeugspezifisches Thermomanagementmodell.

Mediennachweis – Wikimedia Commons (Originale unverändert eingebunden):

Electric car diagram.svg – Ian Furst, CC BY-SA 4.0.
Battery thermal management system.jpg – Tank.xing, CC BY-SA 4.0.
Kettle-convection-conduction-radiation.png – P.wormer, CC BY-SA 3.0.
Heatpump.svg – Ilmari Karonen, gemeinfrei.
NTC Thermistor RT Characteristic1.svg – Miroslav Cika, CC BY-SA 3.0.
Simple feedback control loop.svg – Ap / Chetvorno, CC BY-SA 3.0.

Videos: WeberAuto: Coolant Flow, The Engineering Mindset: NTC/PTC und MATLAB: PID Control. Hinweis: Extern eingebettete YouTube-Videos sind nicht automatisch offen lizenzierte OER. Ihre Rechte verbleiben bei den jeweiligen Anbietern; kein Upload, Download oder Remix wird vorausgesetzt.

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