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Intelligentes Thermomanagement im E-Auto
Das Wärmepumpensystem am Beispiel des Toyota bZ4X, dessen Kältemittelkreislauf Wärme mit zwei weiteren Kreisläufen austauscht. mehr …
Wärmepumpe im E-Auto (Grundprinzip)
Indem die Wärmepumpe das Prinzip der klassischen Klimaanlage durch zusätzliche bauliche Maßnahmen umkehrt, kann sie sowohl kühlen als auch heizen.
Grundlage dafür ist der Wärmeaustausch zwischen Kältemittel und der durch die Lamellen des Verdampfers und Kondensators strömenden Luft. Im Kühlmodus wird am Verdampfer der Luft Wärme entzogen, sodass sie kalt im Innenraum ankommt.
Am Kondensator in der Fahrzeugfront dient die einströmende Luft als Kühlmedium, die dem Kältemittel Wärme entzieht.
Um den Fahrzeuginnenraum auch heizen zu können, muss das System um diverse Bauteile erweitert werden, etwa Ventile, Leitungen und einen weiteren Kondensator.
Der Kondensator kann je nach Systemauslegung direkt zur Lufterwärmung dienen oder als Primärquelle für einen weiteren flüssigkeitsdurchströmten Heizkörper. Weitere hier nicht abgebildete Detailvarianten sind möglich.
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Um Wärmepumpen noch effizienter zu machen, sind sie in E-Fahrzeugen oft noch mit dem Kühlkreislauf des Hochvoltsystems über Wärmetauscher (auch Chiller genannt) gekoppelt. Im Winter kann dessen Abwärme zusätzlich einen Beitrag zur Innenraumheizung leisten.
Vor allem dient diese Verbindung jedoch der (indirekten) Kühlung der HV-Batterie bei hohen Temperaturen, da der Kältemittelkreislauf im Kühlmodus Wärme aus dem HV-Kühlkreislauf abtransportiert.
Klimaanlage als Basis
Da sich wie schon erwähnt, die thermodynamischen Vorgänge in einem Wärmepumpensystem grundsätzlich denen der Klimaanlage gleichen, ist es denkbar, dass diese auch als Heizung für den Fahrgastraum fungiert. Dazu sind einige zusätzliche Leitungen, Ventile et cetera notwendig. Damit dient der Klimakreislauf im Sommer zum Kühlen und im Winter als Heizung. Für letzteres strömt das Kältemittel nicht wie üblich zunächst zum Kondensator in der Fahrzeugfront, sondern zu einem zusätzlichen Kondensator (siehe indirekter Kondensator in der Grafik). Dieser kann je nach Systemauslegung auf zwei Arten die Innenraumheizung sicherstellen: Entweder er wird mit Luft angeströmt (die sich erwärmt und somit als Heizluft für den Fahrgastraum zur Verfügung steht) oder der Kondensator fungiert als Wärmetauscher, mit dem ein Flüssigkeitskreislauf inklusive Heizkörper gekoppelt ist.
Wärmepumpe als Zusatzheizer
Eine weitere Variante: eine zusätzliche Heizung, die auf dem Prinzip der Wärmepumpe basiert. Zum Beispiel bietet Volkswagen für seinen e-Golf (Golf VII) optional eine solche Zusatzheizung an. Ansatz für diese Lösung ist die Tatsache, dass elektrische Hochvolt-PTC-Heizer zwar effizient heizen, aber durch ihren hohen Energiebedarf die Reichweite deutlich schmälern. Sind ein PTC-Heizer und eine Wärmepumpe vorhanden, kann die Temperierung des Fahrgastraums zunächst durch das weniger stromverbrauchende Wärmepumpensystem erfolgen. Reicht dessen Heizleistung nicht mehr aus, kommt der mit mehr Leistung aufwartende elektrische Heizer ins Spiel.
Damit die als Zusatzheizung fungierende Wärmepumpe arbeiten kann, nutzt sie beispielsweise die Abwärme von flüssigkeitsgekühlten Hochvoltkomponenten und/oder die erwärmte Kühlluft aus der Hochvoltbatterie.
In diesem Kontext wichtig zu wissen: Bei solchen Wärmepumpen muss es sich nicht zwangsläufig um Kompressions-Systeme mit einem speziellem Arbeitsgas handeln. Vielmehr kann – wie in Gebäuden – auch Wasser im Kreislauf zirkulieren, um die an einer Stelle zugeführte Wärme an anderer Stelle für Heizzwecke abzugeben.