Die Beheizung des Fahrgastraums und die Steuerung der Temperatur der Batterien mit einer Wärmepumpe erhalten die Reichweite von Elektromotoren
Die Gewährleistung einer angenehmen Temperatur im Fahrgastraum, auch bei kalter Witterung, ist längst kein Problem mehr. Die in Autos eingebauten Verbrennungsmotoren verlieren aufgrund ihres geringen Wirkungsgrads (25-40 %) bei der Energieumwandlung etwa 60 % ihrer Energie in Form von Abwärme, die an die Umwelt abgegeben wird. Im Winter kann ein Teil dieser Wärme durch das HVAC-System (Heating, Ventilation & Air Conditioning) genutzt werden, um eine angemessene Temperatur im Fahrgastraum zu gewährleisten. Im Einzelnen wird die Wärme, die dem Verbrennungsmotor durch das Kühlmittel entzogen wird, über den Wasser-Luft-Kühler des HVAC-Systems an den Innenraum abgegeben.
Bei Elektrofahrzeugen ist dies nicht der Fall, da sie von Natur aus viel effizienter sind als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor (der Wirkungsgrad eines Elektromotors liegt bei 80-90 %), so dass sie viel weniger Wärme erzeugen. Eine Lösung, um eine angenehme Temperatur zu erreichen, ist die Verwendung einer PTC-Heizung (Positive Temperature Coefficient), die elektrische Energie über einen Widerstand in Wärme umwandelt. Bei sehr kalter Witterung kann dieses Gerät jedoch eine beträchtliche Menge an Energie absorbieren, die der Antriebsbatterie des Fahrzeugs entzogen wird, was sich negativ auf die Reichweite auswirkt.
Häufig wird angenommen, dass die Verringerung der Reichweite bei niedrigen Temperaturen auf eine geringere Batterieleistung zurückzuführen ist. Obwohl Lithium-Ionen-Batterien bei extremen Temperaturen nicht optimal arbeiten, wirkt sich dies viel weniger auf die Reichweite aus als die Belastung durch Zusatzfunktionen wie die PTC-Heizung. Darüber hinaus haben die Automobilhersteller Wärmemanagementsysteme für die Batterien entwickelt, um sie in einem optimalen Temperaturbereich zu halten, was die Leistungsminderung weiter einschränkt.
Prozentualer Unterschied zwischen der tatsächlichen Reichweite eines Elektrofahrzeugs und der Nennreichweite in Abhängigkeit von der Temperatur, basierend auf der EPA-Messmethodik
Quelle: Geotab (www.geotab.com)
Im Allgemeinen nimmt die Reichweite eines Elektrofahrzeugs ab, wenn sich die Außentemperatur von 20-23° C entfernt, und sinkt deutlich, wenn sie unter 0° C fällt.
Ein wichtiger Aspekt bei der Auswirkung kalter Witterungsbedingungen auf die Verringerung der Reichweite ist die Art der Fahrzeugnutzung (Dauerbetrieb oder Stop-and-Go), bei der die PTC-Heizung mehr Energie zur Beheizung des Fahrgastraums verbrauchen kann, was zu einer Verringerung der zulässigen Reichweite um bis zu 50 % führen kann.
Nachfolgend finden Sie die Ergebnisse der Reichweitenreduzierung bei 0° C aus Daten, die bei einer Stichprobe von 10.000 Elektrofahrzeugen in den USA erhoben wurden. Die Studie wurde von Recurrent Auto durchgeführt, einer US-amerikanischen Plattform, die sich darauf spezialisiert hat, Händlern und Verbrauchern Informationen und Analysen zu Batterien für Elektrofahrzeuge zur Verfügung zu stellen.
Die Wärmepumpe
Eine immer beliebtere Lösung zur Verringerung des Energiebedarfs für die Beheizung des Fahrgastraums im Vergleich zu PTC-Heizungen ist ein Wärmepumpen-Wärmemanagementsystem. Dieses Gerät findet aus Umweltgründen immer mehr Verbreitung in häuslichen Heizungsanlagen, ist aber auch im Automobilbereich von Bedeutung.
Dabei handelt es sich um ein System, das mit Hilfe eines Kühlkreislaufs in umgekehrter Richtung zur Kühlung (wie bei Klimaanlagen) Wärme aus einer heißen Quelle aufnimmt und dorthin überträgt, wo sie benötigt wird. In einem Elektroauto wird nicht nur die in der äußeren Umgebung vorhandene Wärmeenergie auch bei niedrigen Temperaturen genutzt, sondern die Wärme wird auch in Komponenten wie dem Elektromotor, dem Getriebe, dem Wechselrichter, der Batterie und dem Ladegerät entwickelt.
Die Wärmepumpe nutzt diese Energie, um den Fahrgastraum oder andere Komponenten (z. B. die Batterie) zu beheizen, und verbraucht dabei viel weniger Energie als Geräte wie PTC-Heizer. Dies kommt der Reichweite der Fahrzeugbatterie zugute, die sich um 10 bis 25 Prozent erhöht.
In der hier vorgestellten Recurrent-Auto-Studie werden die Temperaturen in Grad Fahrenheit (32° F entspricht 0° C, 14° F entspricht -10° C) und die Entfernung in Meilen (eine Straßenmeile entspricht 1,6 km) angegeben.
Ein integriertes Wärmemanagement mit einer Wärmepumpe besteht aus mehreren Elementen. Sie besteht aus zwei Wärmetauschern, den sogenannten Chillern und Kondensatoren, einem Kompressor und einem Ventil für das Kühlmittel, deren Aufgabe es ist, die (heißen und kalten) Ströme je nach Bedarf zu den Verbrauchern des Fahrzeugs zu leiten, das sie versorgen.
Im Kaltwassersatz, der ein „Verdampfer“ mit einem Expansionsventil ist, findet ein Wärmeaustausch zwischen zwei Flüssigkeiten statt: Seine Aufgabe ist es, dem Kühlmittel (bestehend aus Wasser und Glykol) Wärme zu entziehen, indem das Kältemittel von der flüssigen in die gasförmige Phase übergeht. Im Kompressor wird das Kältemittel in gasförmigem Zustand komprimiert und erhöht seine Temperatur. Anschließend wird das Kältemittel in den flüssigkeitsgekühlten Verflüssiger geleitet, wo es unter Abgabe von Wärme an das Kühlmittel wieder in den flüssigen Zustand übergeht. Die so gewonnene Wärmeenergie wird zur Erwärmung der von außen kommenden und in den Fahrgastraum geleiteten Luft genutzt. Das Kühlmittel fließt dann zurück in den Kühler und der Zyklus wiederholt sich.
Integriertes Wärmemanagementsystem (ITMS)
Zwei Beispiele für Wärmemanagementeinheiten von UFI Filters, die in die Wärmepumpe integriert sind.
Kontrollierte Temperaturen
Die Aufgabe der Wärmepumpe beschränkt sich jedoch nicht auf die Bereitstellung von Warmluft für den Fahrgastraum. Sie spielt auch eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der optimalen Betriebstemperatur der Batterie, die bei den heutigen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyt zwischen 15 und 30° C liegt. Das von der Wärmepumpe verwaltete Kühlmittel wird je nach Bedarf zum Heizen oder Kühlen der Batterie verwendet.
Es ist wichtig zu betonen, dass die Wärmepumpe auch in Zukunft eine wichtige Rolle spielen wird, wenn sich andere Batterietypen als die derzeitigen durchsetzen werden, wie z. B. Festkörperbatterien, die eine größere Autonomie und kürzere Ladezeiten bieten. Bei diesem Batterietyp, der heute in einigen Automobilanwendungen eingesetzt wird, ist der Elektrolyt zwischen Anode und Kathode nicht flüssig, sondern fest; die optimale Betriebstemperatur liegt je nach Chemie zwischen 50 und 110 °C. Die Wärmepumpe hat daher die Aufgabe, die Flüssigkeit zu erwärmen, um diesen Wert zu gewährleisten, aber auch zu kühlen, um zu verhindern, dass sie 150° C überschreitet.
Eine breite Palette von Komponenten
In diesem Sektor, der sich mit der zunehmenden Beliebtheit von batteriebetriebenen Fahrzeugen stark entwickeln wird, ist UFI Filters bereits in der Lage, Erstausrüster sowohl mit Einzelkomponenten, wie z. B. dem Kühler und dem flüssigkeitsgekühlten Kondensator, als auch mit kompletten Modulen zu beliefern.
Kühler und flüssigkeitsgekühlte Kondensatoren werden von UFI Filters mit der speziellen Technik des Vakuumlötens hergestellt, einem Verfahren, das es ermöglicht, die Produkte vollständig aus Aluminium herzustellen, indem die Platten in einem Vakuumofen übereinandergelegt werden, wodurch die Gefahr der Sauerstoffanreicherung vermieden wird und die Zugabe anderer Materialien überflüssig wird. UFI Filters entwickelt auch einen Trockner/Akkumulator, eine Art Filtertrockner, der im Kältemittelkreislauf eingesetzt wird, sowie das Kanalsystem.
