Künftige Fahrzeugklimaanlagen können mehr
Bild: Mahle
Elektrifizierung als neue Herausforderung
Gänzlich neue Herausforderungen für die Klimatisierung ergeben sich durch die immer populäreren E-Fahrzeuge. Denn zum einen muss die kostbare, aber temperaturempfindliche Li-Ionen-Batterie vor Überhitzung, aber auch vor zu kalten Temperaturen effektiv geschützt werden. Zum anderen kommt – zumindest bei reinen E-Fahrzeugen ohne Verbrennungsmotor – die gesamte Energie für den Innenraumkomfort und die Temperierung der Batterie aus dieser selbst.
Optimalerweise sollte sich die Innentemperatur der Batterie während des Betriebs, also auch während des Ladens, in einem Fenster zwischen circa 0 °C und + 40 °C bewegen. Liegt die Temperatur deutlich darunter oder darüber, altert die Batterie schneller und muss vorzeitig getauscht werden, was für den Fahrzeugbesitzer mit hohen Kosten verbunden ist. Aufgrund dieses engen Temperaturfensters muss die Klimaanlage den Energiespeicher temperieren. Je höher der Elektrifizierungsgrad des Fahrzeugs ist, desto höher ist auch der dazu nötige Aufwand.
Aktuelle Batteriekühlungskonzepte
Die kompakteste Methode, um eine entsprechende Batterie zu kühlen, ist die direkte Kühlung mittels Kältemittel aus dem Kältekreislauf der Fahrzeugklimaanlage. Dabei steht eine Kühlplatte, die gleichzeitig einen Kältemittelverdampfer darstellt, in direktem Kontakt mit den Li-Ionen-Zellen im Inneren der Batterie. Die Kühlkanäle auf der Platte sind dabei so auszulegen, dass an jedem Ort und zu jeder Zeit verdampfendes Kältemittel vorhanden ist, um die notwendige Temperaturhomogenität zwischen den Zellen zu gewährleisten. Der Batterieverdampfer wird dabei parallel zum Hauptverdampfer geschaltet und lässt sich unabhängig von der Klimaanforderung des Fahrzeuginnenraums betreiben. Aufgrund der kompakten Bauweise ist diese Systemauslegung vor allem für Fahrzeuge mit knappem Bauraum geeignet.
Die Kühlung über das Motorkühlmittel dagegen ist die flexibelste und energieeffizienteste Methode. Dabei fließt Kühlflüssigkeit, die in einem Sekundärkreislauf mit Hilfe eines Chillers durch verdampfendes Klimakältemittel gekühlt wird, durch die Kühlplatte der Batterie. Im Winterbetrieb, also bei niedrigen Außentemperaturen, könnte allerdings ein zusätzlicher Niedertemperatur-Kühlmittelkühler das Kühlen übernehmen.
Heizen im Winter als neue Herausforderung
Bei Plug-in-Hybriden, E-Fahrzeugen mit Range Extender und reinen E-Fahrzeugen reicht die im elektrischen Fahrmodus im Antriebssystem anfallende Abwärme nicht aus, um die Fahrzeugkabine zu heizen. Eine Herausforderung, die es so beim reinen Verbrenner nicht gibt, da dieser jederzeit genügend Abwärme produziert, und das quasi umsonst. Bei einem E-Fahrzeug ist deshalb je nach Kabinengröße ein vom Antriebssystem unabhängiges Heizsystem mit einer Leistung von bis zu 7 kW notwendig. Prinzipiell könnten ein elektrischer Hochvolt (HV)-Heizer oder eine Wärmepumpe diese Aufgabe erfüllen, doch die hierfür erforderliche elektrische Leistung müsste die Fahrzeugbatterie liefern – was wiederum die Reichweite drastisch verkürzt. Bei Einsatz eines elektrischen Hochvolt- Heizers sinkt diese bei einem Kompaktfahrzeug um fast 50 Prozent, beim Einsatz einer Wärmepumpe dagegen nur um rund 15 Prozent.
Im Vergleich zu elektrischen Heizsystemen hat die Wärmepumpe den höchsten Wirkungsgrad und sie verringert die Reichweite des Fahrzeugs am wenigsten. Aus diesem Grund ist sie besonders für reine E-Fahrzeuge interessant, denn dort ist der Reichweitenverlust im Heizbetrieb am kritischsten. Die Funktion der Wärmepumpe kann von dem dafür eigens modifizierten Kältemittelkreislauf der Klimaanlage übernommen werden, da sie prinzipiell wie eine Klimaanlage funktioniert, nur eben umgekehrt. Die Wärmepumpe bietet folgende Komfort- und Sicherheitsfunktionen: Heizen im Winter, Entfeuchten der Innenluft und Klima betrieb im Sommer.
Allerdings bringt eine Wärmepumpe auch gewisse Einschränkungen mit sich: Sie verliert bei niedrigen Temperaturen deutlich an Leistung und arbeitet irgendwann überhaupt nicht mehr – und wenn der Außenwärmeübertrager vereist, muss auf Abtaubetrieb umgeschaltet werden, bei dem allerdings keine Heizleistung anfällt. Deshalb ist es notwendig, die WP mit einem HV-Luft- oder HV-Kühlmittelheizer zu kombinieren.
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