Thermomanagement bei Hybridfahrzeugen - Behr

Heat up. Cool down.
Technischer Pressetag 2009
Thermomanagement bei
Hybridfahrzeugen

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Technischer Pressetag 2009
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Inhalt
Editorial
Kühlung von Li-Ionen-Batterien –
mehr als nur eine weitere Kühlungsaufgabe
Kühlung für elektrische Fahrzeuge
mit erhöhter Reichweite
Thermischer Komfort im Fahrzeug –
neue Fahrzeugkonzepte erfordern
neue Klimakonzepte

Dr. Markus Flik
Vorsitzender der
Geschäftsführung
Wir haben uns schon früh mit dieser
neuen Technologie auseinandergesetzt
und verfügen heute über ein breites
Wissen, wenn es um das Thermomanagement
von Hybridfahrzeugen geht.
Editorial
Sehr geehrte Damen und Herren,
Thermomanagement für Hybridfahrzeuge 3
es gibt einen klaren Trend zu kleineren Fahrzeugen und kleineren Motoren, da
der CO 2 -Ausstoß der Fahrzeugfl otte drastisch gesenkt werden muss. Sicher ist,
dass der Verbrennungsmotor weiterentwickelt werden wird, um die steigenden
Anforderungen an Verbrauchs- und Emissionssenkung in den kommenden Jahren
erfüllen zu können. Um jedoch die zukünftigen CO 2 -Grenzen einzuhalten, wird
man die größeren Fahrzeugklassen in gewissem Umfang elektrifi zieren.
Wo steckt der Ansatzpunkt für das Thermomanagement von Hybridfahrzeugen?
Bei den Hybridfahrzeugen erzeugt der elektrische Antriebsstrang nur eine
geringe Abwärme. Das heißt, dass die Wärmeströme im Kühlmittel durch das
Thermomanagement besser geregelt werden müssen und als weitere Energiequelle
die im Abgas enthaltene Energie genutzt werden muss. Wir müssen
unsere Klimasysteme wesentlich effi zienter gestalten, damit ein hoher Innenraumkomfort
im Sommer nicht auf Kosten der Reichweite geht.
Um eine beschleunigte Alterung der temperatursensiblen Li-Ionen-Zellen zu
verhindern, müssen die Li-Ionen-Batterien an das Klimasystem des Fahrzeugs
angebunden werden. Bei Elektrofahrzeugen mit erhöhter Reichweite sind zwei
Wärmequellen verbaut deshalb müssen auch beide gekühlt werden. Das heißt,
das Kühlmodul muss aus mindestens zwei Kühlmittelkühlern aufgebaut sein.
Diese zukünftigen Thermomanagementsysteme erfordern aufgrund der hohen
Komplexität eine enge Zusammenarbeit zwischen den Fahrzeugherstellern und
uns als Systemlieferant. Das heißt, dass wir uns auch auf die neuen Herausforderungen
einstellen müssen. Die Kühlung der Li-Ionen-Batterie erfordert
ein interdisziplinäres Vorgehen. Sie vereint das Know-how der klassischen
Motorkühlung mit Aufgabenstellungen der Fahrzeugklimatisierung. So müssen
wir aber auch verstehen, wie die elektrochemischen Vorgänge in der Zelle ablaufen,
um unser Kühlungskonzept daran anpassen zu können.
Sie sehen: eine für uns spannende Technologie, die Behr neue Geschäftsfelder
eröffnet. Wir haben uns deshalb schon früh mit dieser neuen Technologie auseinandergesetzt
und verfügen heute über ein breites Wissen, wenn es um das
Thermomanagement von Hybridfahrzeugen geht. Sie werden auf den folgenden
Seiten sehen, welche technischen Lösungen für Hybridfahrzeuge bereits existieren
und wo die Herausforderungen für die künftigen Fahrzeugkonzepte liegen.
Ihr
Dr. Markus Flik
Vorsitzender der Geschäftsführung

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Technischer Pressetag 2009
Kühlung von Li-Ionen-Batterien –
mehr als nur eine weitere Kühlungsaufgabe
Dr. Thomas Heckenberger,
Leiter Technologiecenter
Die Lithium-Ionen-Batterie kann nur in
einem Temperaturfenster von bis zu
ca. 40 °C betrieben werden. Vor allem
in den Sommermonaten ist deshalb
eine Anbindung an das Klimasystem
des Fahrzeugs notwendig.
Der Markt für Fahrzeuge und mobile
Arbeitsmaschinen erlebt derzeit einen
historischen Umbruch. Unter dem
Druck der Emissionsgesetzgebung und
der Kraftstoffverteuerung entwickeln
Hersteller hocheffi ziente Antriebe oder
suchen gar nach einer Alternative
zum reinen Verbrennungsmotor für
bestimmte Anwendungsgebiete. Es
hat sich deshalb ein starker Trend zur
Elektrifi zierung des Antriebsstrangs in
Form verschiedener Hybridvarianten
oder gar zu reinen Elektrofahrzeugen
hin entwickelt.
Die Li-Ionen-Batterie
Die Schlüsselkomponente ist dabei der
elektrische Energiespeicher. Lithium-
Ionen-Batterien stellen derzeit die
interessanteste Option unter den verfügbaren
Speichertechnologien dar,
die in den kommenden Generationen
von Hybrid- und Elektrofahrzeugen
zum Einsatz kommen werden.
Die Vorteile gegenüber der bislang
verwendeten Nickel-Metallhydrid-
Batterie sind:
höhere Leistungs- und Energiedichte
sehr kompakte Abmessungen
hoher Lade- und Entladewirkungsgrad
hohe Zyklierfähigkeit
Hinzu kommt eine lange kalendarische
Lebensdauer. Vor einem Serienstart
müssen die Fahrzeughersteller Lebensdauern
von acht bis zehn Jahren
sicherstellen, da dem Endkunden ein
Austausch der Batterie nach wenigen
Jahren – verbunden mit hohen
Kosten – nicht zu vermitteln ist.
Eine Li-Ionen-Batterie kann jedoch
nur in einem bestimmten Temperatur-
fenster effi zient betrieben werden:
Ab Betriebstemperaturen von 40 °C
an wird die Batterielebensdauer reduziert.
Bei sehr niedrigen Temperaturen
unter ca. – 10 °C lässt die Leistung
der Batterie nach und der Wirkungsgrad
sinkt deutlich. Und schließlich
darf der Temperaturgradient in einer
Batteriezelle und innerhalb der
Batterie von Zelle zu Zelle lediglich
fünf bis zehn Kelvin betragen.
Li-Ionen-Hochleistungsbatterien
werden in hybriden Antriebssträngen
mit einer sehr hohen Dynamik betrieben.
Während den kurzzeitigen
Spitzenbelastungen, z. B. beim
Bremsen (Rückgewinnung (Rekuperation)
der Bremsenergie) und
Beschleunigen (Beschleunigungsunterstützung
(Boosten), muss die Batterie
in sehr kurzer Zeit eine hohe Leistung
erbringen. Diese kurzen Spitzenbelastungen,
bei denen sehr hohe Ströme
fl ießen, führen aufgrund des Innenwiderstands
zu einer signifi kanten
Erwärmung der Li-Ionen-Zellen. Der
Lade- und Entladewirkungsgrad ist
mit ca. 95 Prozent sehr hoch, dennoch
ist die entstehende Abwärme
nicht vernachlässigbar. Hinzu kommt,
dass vor allem in den wärmeren
Monaten die Innentemperatur des
Fahrzeugs deutlich über 40 °C liegen
kann und damit der Betrieb von
Li-Ionen-Batterien ohne Kühlung
nicht möglich ist.
Was passiert nun, wenn die Li-Ionen-
Batterie unzureichend oder nicht
homogen gekühlt wird? Bei hohen
Temperaturen altern die Zellen
schneller und ihre Leistung und
Kapazität geht zurück. Folge: Die Zelle
erreicht nicht die erforderlichen zehn
Jahre Lebensdauer. Die Alternative

Li-Ionen-Batterie
K
Tmax
= < 40 °C
Tin Zelle
= 5 - 10
Tzw. Zelle
= 5 K
Gekühlte Luft
Kältemittel direkt
Sekundärkreislauf
Abbildung 1 | Kühlung Li-Ionen-Batterie
wäre, die Batterie bei zu hohen Temperaturen
auszuschalten. Alle Vorteile
des Hybridfahrzeugs – elektrisches
Boosten oder die Rekuperation der
Bremsenergie – wären dann nicht
verfügbar. Und beim reinen Elektrofahrzeug
wäre dies sogar unmöglich:
die Li-Ionen-Batterie ist hier der
einzige Energielieferant.
Eine Lebensdaueranforderung von zehn
Jahren ist deshalb ohne hinreichende
thermische Konditionierung der
Batterie nicht realisierbar. Also muss
die Zelle bei allen Betriebszuständen
in einem thermisch unkritischen
Zustand unter ca. 40 °C gehalten
werden. Hierfür bedarf es eines leistungsfähigen
Thermomanagements.
Aus den Anforderungen für das
Thermo management von Li-Ionen-
Batterien wird ersichtlich, dass man
hier an die Grenzen der klassischen
Motorkühlung stößt. Es gibt drei
verschiedene Ansätze, eine Li-Ionen-
Batterie zu kühlen (Abbildung 1):
1. Mit gekühlter Luft. In der Regel
wird hierfür klimatisierte Luft aus
dem Fahrzeuginnenraum genutzt
oder in einem eigens für die
Batterie installierten Klimagerät
erzeugt.
2. Mit einem zusätzlichen Verdampfer
in Form einer Kühlplatte in der
Batterie. Die Batteriezellen sind
dabei auf dieser Kühlplatte montiert.
Sie weist Kanäle auf, in
Kältekreislauf
denen Kältemittel aus dem
Kältekreislauf des Klimasystems
verdampft.
3. Ein Wärmeübertrager („Chiller“)
überträgt die niedrige Temperatur
des verdampfenden Kältemittels
auf einen zweiten Kreislauf
(Sekundärkreislauf), der wiederum
die Zellen in der Batterie kühlt.
Auch hier wird eine Kühlplatte in
der Batterie benötigt.
Zellaufbau, mögliche Kühlungspfade
und Zelltypen
Abbildung 2 zeigt den schematischen
Aufbau einer Li-Ionen-Zelle. Sie ist
aus metallischen, beschichteten Elektroden
aufgebaut. Diese Schichten
dienen als Speicher für die Li-Ionen.
Die Isolierung zwischen positiver und
negativer Elektrode wird durch einen
elektrisch nicht leitenden Separator
sichergestellt, der aber durchlässig
für die Li-Ionen ist. Als Elektrolyt
λh λr Abbildung 3 | Zelltypen
Gute Wärmeleitfähigkeit:
Entlang der Elektroden
In den Ableitern
Im metallischen Gehäuse
Geringe Wärmeleitfähigkeit:
Senkrecht zu den Elektroden
In Hohlräumen
Mögliche Kühlkontaktstelle
Wärmeströme
Abbildung 2 | Zellaufbau
und Kühlungspfade
λ h
Thermomanagement für Hybridfahrzeuge 5
dient ein organisches Lösungsmittel,
in dem Leitsalze gelöst sind.
Derzeit sind drei verschiedene Zelltypen
erhältlich (Abbildung 3):
Hohlräume
Isolation
1. Rundzellen: Anode, Separator und
Kathode sind aufgerollt und in
einem zylindrischen Gehäuse aus
Aluminium eingefügt.
2. Prismatische Zellen: fl ache Wickel
in einem rechteckigen Aluminiumgehäuse
3. Pouch- oder Coffeebag-Zelle: Die
einzelnen Lagen des Aktivmaterials
sind gestapelt oder gefaltet und in
einer fl exiblen Aluminiumverbundfolie
verpackt.
Aus rein kühlungstechnischer Sicht,
eignet sich die prismatische oder die
Pouch-Zelle für den Fahrzeugeinsatz
am besten. Der Grund dafür liegt in
der Geometrie der Zelle. Bei der
λ d
Ableiter Kathode
Ableiter Anode
Elektrodenstapel aus:
Kathoden, Anoden,
Separator
Zylindrisch Prismatisch Pouch („coffeebag“)
λ h
Gehäuse
λ d

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Technischer Pressetag 2009
Montage Zellen
in Batterie
Kühlungseffektivität
Bauraumbedarf
in Batterie
a) Luftkühlung b) Boden- bzw.
Kopfkühlung
+ +
0
–
Abbildung 4 | Kühlkonzepte für Zellen
Rundzelle steht relativ wenig Oberfl
äche für den Wärmetransport aus
dem Zellinnern zur Verfügung. Dies
führt zu einem größeren radialen
Temperaturgradienten von innen nach
außen. Zudem erschwert die gewölbte
Außenfl äche einen optimalen thermischen
Kontakt zu den Wärmeleitelementen,
mit denen die Abwärme
der Zelle zu einer Wärmesenke abgeführt
werden kann.
Letztendlich spielen bei der Auswahl
des zu verwendeten Zelltyps jedoch
auch Kriterien wie Serienreife, Verfügbarkeit,
Sicherheit, Lebensdauer
und Kosten eine entscheidende Rolle,
sodass die bewährte Rundzelle derzeit
recht häufi g zum Einsatz kommt.
Physikalisch bedingt folgt aus einer
guten elektrischen Leitfähigkeit eines
Materials auch eine gute thermische
Leitfähigkeit. Entlang der metallischen
Elektrodenlagen ist deshalb
die thermische Leitfähigkeit um zwei
Größenordnungen höher als senkrecht
dazu. Grund hierfür ist, dass die Separatoren
zwischen den Elektroden
als thermische Isolatoren wirken.
In Abbildung 4 sind prinzipielle Kühlkonzepte
für die Zelle auf Zellebene
schematisch dargestellt. Man unterscheidet
zwischen zwei verschiedenen
+
+
+ +
c) Kühlbleche
zwischen Zellen
0
+
+
d) Fluidführende
Kühlbleche
–
+ +
–
e) Ableiterkühlung
Konzepten: Luftkühlung oder Kühlung
über einen thermischen Kontakt.
Bei der Luftkühlung (Abbildung 4a)
umströmt kalte Luft die Zelle und
kühlt dabei die frei zugänglichen
Oberfl ächen. Möglich sind bei dieser
Art der Kühlung alle Zelltypen, wobei
aus strömungstechnischer Sicht die
Rundzelle hier gewisse Vorteile hat.
Die Schnittstelle zum Kühlsystem ist
relativ einfach. Allerdings ist der
Bauraumbedarf für die Kühlluftkanäle
zwischen den Zellen, für die Zu- und
Abführkanäle zum Batteriemodul sowie
für ein etwaiges Kleinklimagerät zur
Luftkonditionierung erheblich. Auch
ist die Kühlungseffektivität nicht zufriedenstellend
und die Homogenität
der Zellkühlung schwierig darzustellen.
Dagegen sind Kühlungsarten, in denen
die Zellen in thermischem Kontakt zum
Kühlapparat stehen und die Wärme
zu einer Wärmesenke abführen, hinsichtlich
Bauraumbedarf und Kühlungseffektivität
deutlich überlegen. Dabei
ergeben sich jedoch neue Herausforderungen
bei der Gestaltung der
thermischen Kontaktierung, weil in
vielen Fällen eine elektrische Isolation
gegenüber dem Zellgehäuse erforderlich
ist. Bei Zellen mit geringer Höhe
und genügend dicken Zellwänden
reicht es aus, lediglich den Zellboden
oder -kopf thermisch zu kontaktieren
+
+
+ +
(Abbildung 4b) – die Zellen werden
einfach auf eine Kühlplatte gestellt.
Die Zellen können sehr dicht gepackt
werden: der Bauraumbedarf ist deshalb
sehr gering. Pouch-Zellen sind für
diese Art der Kühlung eher ungeeignet,
da die Wärmeabfuhr in erster
Linie über die Gehäusewand der Zelle
zum Zellboden und von dort in die
Kühlplatte erfolgt. Pouch-Zellen haben
in der Außenfolie eine umlaufende
Naht, die einen optimalen thermischen
Kontakt verhindert.
Ist die Wärmeabfuhr durch das Zellgehäuse
nicht ausreichend, müssen
Wärmeleitelemente zwischen den
Zellen in Form von Wärmeleitrippen
(Abbildung 4c) oder sogar fl uidführenden
Platten (Abbildung 4d)
eingebracht werden. Letzteres führt
allerdings zu einem hohen Montageaufwand
in der Serienfertigung, weil
sehr viele solcher Platten bei der
Montage der Zellen in der Batterie
dicht verbunden werden müssen.
Eine besonders effi ziente Art der
Kühlung stellt die Ableiterkühlung
dar (Abbildung 4e). Hierbei wird
direkt über die Ableiter und die
Elektroden das Zellinnere gekühlt.
Man nutzt dabei den direkten metallischen
Pfad und damit den Weg entlang
einer guten Wärmeleitfähigkeit
in den Elektrodenstapel hinein.
Besonders Pouch-Zellen sind für
diese Art der Kühlung geeignet, da
deren fl ach gestaltete Ableiter eine
ausreichend große Angriffsfl äche für
die Kontaktierung bieten. In allen
Fällen wird die Abwärme der Zellen
in eine Kühlplatte geleitet. Dort
nimmt entweder Kühlwasser oder
ein verdampfendes Kältemittel die
Wärme auf und führt sie über das

Kühl- oder Kältesystem des Fahrzeugs
an die Umgebung ab.
Einbindung der Batteriekühlung
in das Kühlsystem des Fahrzeugs
Wie schon eingangs erwähnt, ist
eine Einbindung der Batteriekühlung
in den Kältekreislauf der Klimaanlage
aufgrund der relativ niedrigen zulässigen
Betriebstemperatur der
Li-Ionen-Zellen unabdingbar.
Im Falle der Luftkühlung der Batterie
(Abbildung 5) entnimmt man die
Kühlluft aus der klimatisierten
Fahrzeugkabine oder erzeugt sie in
einem separaten Kleinklimagerät
(Abbildung 6), ähnlich einem Heckklimagerät
in Oberklassefahrzeugen.
Der große Bauraumbedarf der Luftkanäle
hin zur Batterie und das
Gewicht des Gebläses oder Kleinklimagerätes
sind jedoch erheblich. Hinzu
kommen eventuell störende Geräu sche
im Innenraum durch das Gebläse.
Besonders zu beachten ist der Sicherheitsaspekt
bei der Nutzung von
Kabinenluft, weil hierbei eine direkte
Verbindung zwischen der Kabine und
dem Inneren der Batterie besteht.
Wesentlich kompakter ist die Kühlung
der Li-Ionen-Batterie direkt mit Kältemittel
(Abbildung 7). Der Batterieverdampfer
ist dabei parallel zum
Hauptkältekreislauf geschaltet und
sitzt als Kühlplatte ausgestaltet direkt
in der Batterie. Es sind nur zwei
zusätzliche Kältemittelleitungen notwendig,
nämlich Saug- und Druckleitung.
Die von der Batterie erzeugte
Wärme wird vom verdampfenden Kältemittel
aufgenommen. Die Abstimmung
des Gesamtkreislaufs ist aufwendig,
da zwei Kältenutzer mit völlig unterschiedlichen
Betriebscharakeristika
Kondensator Kondensator Kondensator
Kältemittelkreislauf
Abbildung 5 | Kühlsysteme für Batterien – Luftkühlung Kabinenluft
Kompressor
Kältemittelkreislauf
Abbildung 6 | Kühlsysteme für Batterien – Luftkühlung autark
Kompressor
Kältemittelkreislauf
Verdampfer Verdampfer Verdampfer
Kabine Kabine
Abbildung 7 | Kühlsysteme für Batterien – Direktkühlung mit Kältemittel
von einem Kältekreislauf bedient
werden müssen. Für den Kühlbetrieb
ist ein gewisser Anteil der Kompressorleistung
des Klimasystems notwendig,
die aber gegenüber der Leistungsanforderung
des Kabinenklimasystems
gering ist.
Mit dieser Kühlungsart kann die
Batterie im Winter nicht beheizt
werden. Eine kalte Batterie ist aber
weniger leistungsfähig als eine
wohltemperierte und kann bei Temperaturen
deutlich unter dem Gefrierpunkt
kaum noch geladen werden.
Im Mild-Hybrid kann man dies
tolerieren. Im Extremfall steht die
Batterieverdampfer
Verdampferplatte
Batterie
Thermomanagement für Hybridfahrzeuge 7
Batterie
Batterie
Verdampferplatte
Hybridfunktion nur eingeschränkt
zur Verfügung, Fahren ist dennoch möglich.
Im reinen Elektrofahrzeug dagegen
wird man eine Batterieheizung vorsehen
müssen, um im Winter immer starten
und fahren zu können.
Im Mild-Hybrid ist die Kältemittelkühlung
die bevorzugte Lösung, da sie mit
geringstem Installationsaufwand verbunden
ist. Der S400 BlueHYBRID von
Mercedes-Benz geht bald in Serie und ist
mit einer solchen Kältemittelkühlung für
die Li-Ionen-Batterie ausgestattet.
Bei größeren Batterien, wie sie bei
Plug-in und reinen Elektrofahrzeugen

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Technischer Pressetag 2009
Batteriekühler
Kondensator
Kompressor
Kältemittelkreislauf
Verdampfer
Abbildung 8 | Sekundärkreislauf mit Chiller und Kühlplatte in Batterie
verwendet werden, spielt das Thema
Energieeffi zienz der Kühlung eine entscheidende
Rolle, weil die Reichweite
durch den Energiebedarf der Kühlung
verringert wird. Zudem erfordert die
Verfügbarkeit von elektrischer Energie
auch bei sehr kalten Witterungsbedingungen
eine Batterieheizung, s. o.
Die Kühlung der Batterie über einen
Sekundärkreislauf (Abbildung 8) erfüllt
all diese Forderungen. Die Kühlung
erfolgt dabei über einen separaten
Kühlwasserkreislauf. Dieser Sekundärkreislauf
wird bei Temperaturen
zwischen ca. 15 und 30 °C betrieben.
Bei niedrigen Außentemperaturen
genügt dafür ein Luftkühler, ähnlich
einem konventionellen Motorkühler.
Übersteigen die Außentemperaturen
die erforderlichen Temperaturen, muss
dieser Sekundärkreislauf vom Kältekreislauf
des Klimasystems zusätzlich
Abbildung 9 | Direktkühlung mit Kältemittel im Mercedes Benz S400 BlueHYBRID
Kühlmittelkreislauf
Chiller Kühlplatte
Batterie
Heizung
rückgekühlt werden. Dafür hat Behr
spezielle Wärmeübertrager, sogenannte
Chiller entwickelt, die sehr kompakt
und mit hoher Leistungsdichte Wärme
aus dem Sekundärkreislauf auf das
verdampfende Kältemittel übertragen.
Was hat dies mit Energieeffi zienz zu
tun? Die Kühlung mit dem Kältekreislauf
verbraucht mehr Energie als der
Betrieb eines Kühlwasserkreislaufs, da
ja der Klimakompressor angetrieben
werden muss. Deshalb versucht man
dies so weit wie möglich zu vermeiden.
Das Kühlmittel lässt sich im Gegensatz
zum Kältemittel auch beheizen,
so dass eine Erwärmung der Batterie
möglich wird. Damit kann die Batterie
im wirkungsgradoptimalen Temperaturfenster
betrieben werden. Es
wird momentan diskutiert, aus welcher
Quelle eine solche Batterieheizung
gespeist werden kann.
Den Preis, den man dafür bezahlen
muss: ein erhöhter Bauraumbedarf,
erhöhtes Gewicht sowie eine höhere
Systemkomplexität durch zusätzliche
Komponenten wie Pumpe, Ventile,
Chiller und Niedertemperaturkühler,
die natürlich Kosten verursachen.
Erste Serienaufträge für solche Chiller
und Niedertemperaturkühler liegen
uns vor.
Aktuelle Beispiele
Abbildung 9 zeigt die Li-Ionen-Batterie
des Mercedes-Benz S400 BlueHYBRID.
Der kompakte Kühlapparat ist nicht nur
für die Kühlung der Zellen zuständig,
sondern dient auch als Aufnahme für
die Zellen. Gekühlt wird die Batterie
direkt mit Kältemittel und ist analog
Abbildung 7 als Verdampferplatte
direkt in den Kältekreislauf des Fahrzeugs
eingebunden. Der Kühlapparat
besteht weiterhin aus einer umlaufenden
Wandung sowie zahlreichen
Wärmeleitelementen, die mit der
Verdampferplatte verbunden sind.
Sie sorgen für die Kühlung des Innenbereiches
der Batterie, indem sie die
Wärmeleitung aus den Zellen in die
Verdampferplatte unterstützen. In
Abbildung 10 | Direktkühlung mit Kältemittel
oder Kühlmittel und Ableiterkühlung

Spannung: ≤ 500 V
Stromstärke: ≤ 300 A
Leistung: 65 kW
CAN
Laden/
Entladen
der Verdampferplatte sind Kanäle eingebracht,
in denen das Kältemittel
verdampft und somit die Abwärme
aus den Zellen aufnimmt. Die Kanalstruktur
ist so gewählt, dass sich eine
homogene Temperaturverteilung über
die gesamte Platte ergibt. Diese
Homogenität sowie die gleichmäßige
Wärmeleitung in den Kühlelementen
und in der Behälterwand sorgen in
ihrem abgestimmten Zusammenspiel
dafür, dass der gesamte Zellbereich
gleichmäßig gekühlt wird.
Im Rahmen eines vom BMBF geförderten
Verbundvorhabens hat Behr in
Zusammenarbeit mit der Li-Tec Battery
GmbH & Co. KG und der ISEA RWTH
Aachen ein automotive-taugliches
Li-Ionen-Batterie-Funktionsmuster für
die Anwendung in hybriden Antriebssträngen
entwickelt (Abbildung 10).
Um eine möglichst hohe Packungsdichte
bei gleichzeitig optimalem
Thermomanagement und geringem
Fahrzyklus
Klimaprofi l
Abbildung 11 | Klima-Batterie-Systemprüfstand – Batterie, AC-Kreislauf/Sekundärkreislauf unter realen Betriebsbedingungen
Gewicht zu erreichen, werden fl ache
Pouch-Zellen eingesetzt und über die
elektrischen Ableiter gekühlt. In einem
Bauraum einer normalen Bleibatterie
der Größe H8 werden 38 Batteriezellen
mit einer Kapazität von 6 Ah pro Zelle
inklusive Batteriemanagementsystem
und Thermomanagement integriert.
Zusammenfassung
Es gibt nicht ein einziges „wahres“
Kon zept zur Kühlung von Li-Ionen-
Batterien. Je nach Zelltyp und
Einsatzprofi l der Batterie kommen
unterschiedliche Kühlungslösungen
zum Tragen.
Die immer komplexeren Kühlungsaufgaben
erfordern einen stetig steigenden
Entwicklungsaufwand. Vieles
kann heute schon über numerische
Simulation virtuell analysiert und vorentwickelt
werden. Zur Validierung
benötigt man jedoch immer noch die
Bestätigung durch das Experiment.
Thermomanagement für Hybridfahrzeuge 9
Evaporator test section Condenser test section
Aus diesem Grund hat Behr einen in
seiner Art einmaligen, speziellen Klima-
Batterie-Systemprüfstand aufgebaut,
der es ermöglicht, eine reale Batterie
unter realen Betriebsbedingungen,
gekoppelt mit einem realen Kältekreislauf
zu betreiben (Ab bildung 11).
Dabei wird die Batterie entlang eines
frei wählbaren kundenspezifi schen
Fahrzyklus be- und entladen. Durch
zwei voneinander getrennte Klimakammern
(jeweils für Batterie und
Fahrzeuginnenraum) lassen sich die
thermischen Rand bedingungen für das
Kühlsystem realitätsnah darstellen.
Die Kühlung von Li-Ionen-Batterien
ist also mehr als nur eine weitere
singuläre Kühlungsaufgabe. Sie
erfordert vielmehr ein komplexes
Thermomanagement und die sorgfältige
Analyse und Abstimmung
aller beteiligten Kühl- und Kältesysteme
und deren Komponenten
im Fahrzeug.

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Technischer Pressetag 2009
Kühlung für elektrische Fahrzeuge
mit erhöhter Reichweite
Dr. Simon Edwards,
Leiter Vorentwicklung Nkw
Elektrische Fahrzeuge mit erhöhter
Reichweite besitzen zwei Wärmequellen.
Das Kühlmodul unterscheidet
sich also von einem Kühlmodul eines
traditionellen Fahrzeugs.
In Zukunft wird das Automobil sicherlich
elektrisch angetrieben werden,
vielleicht sogar unterstützt von einer
Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle.
Welche Rolle spielt die klassische
Motorkühlung vor diesem Hintergrund?
Derzeit noch das große Handicap des
elektrischen Antriebs ist die Reichweite.
Ein wichtiger Schritt hin zur
vollständigen Elektrifi zierung des
Antriebsstranges ist das Fahrzeug
mit erhöhter Reichweite („range
extended vehicle“). Im Folgenden soll
gezeigt werden, was die Unterschiede
und Herausforderungen im Vergleich
zur klassischen Motorkühlung sind,
inwieweit Behr schon in der Kühlung
solcher Fahrzeugantriebe aktiv war,
welche Kompetenz aufgebaut und
welche Komponenten und Systeme
schon entwickelt worden sind.
Was ist ein elektrisches Fahrzeug
mit erhöhter Reichweite?
In einem klassischen Antriebsstrang
treibt ein Verbrennungsmotor über ein
Getriebe die Räder an (Abbildung 1).
In einem Mild-Hybrid, wie z. B. dem
S400 BlueHYBRID von Mercedes-Benz,
Abbildung 1 | Elektrisches Fahrzeug mit erhöhter Reichweite
für den Behr die Batteriekühlung
liefert, wird der Verbrennungsmotor
von einem parallel geschalteten elektrischen
Motor unterstützt. Dieser
ermöglicht die Start-Stopp-Funktionalität
und wegen des zusätzlichen
Drehmoments kann der Verbrennungsmotor
entsprechend „downgesized“
werden. Im einem richtigen Full-
Hybrid, wie z. B. dem Toyota Prius,
können die Räder bei niedrigen Geschwindigkeiten
und niedriger Last
rein elektrisch angetrieben werden.
Entlang dieser Entwicklung wird die
Batterie immer wichtiger und der
Verbrennungsmotor immer weiter
downgesized. Mit den steigenden Anforderungen
an die vom elektrischen
Motor zur Verfügung gestellte Energie
steigen auch die Anforderungen an
die Batterie. Die Vorzüge, die Batterie
über Nacht laden zu können („plugin“),
steigen.
Der nächste Schritt besteht nun darin,
den Verbrennungsmotor vom Antriebsstrang
zu trennen und rein elektrisch
zu fahren. Wenn die dafür erforderliche
Energiedichte verfügbar wäre, könnte
auf den Verbrennungsmotor komplett
Normaler Antriebsstrang Hybrid-Antriebsstrang „E-REV“-Antriebsstrang
Motor
Getriebe
Batterie
Kupplung
E-Maschine
E-Maschine
Batterie
E-Maschine

Generator
Elektrischer Antrieb Plug-in-Port
verzichtet werden. Je nach Nutzungsprofi
l ergeben sich mit den derzeit
zur Verfügung stehenden Batterien für
ein Mittelklassefahrzeug Reichweiten
um die 50 km, bevor der elektrische
Energiespeicher wieder aufgeladen
werden müsste. Zu wenig, als dass
sich ein solches Fahrzeug auf dem
Markt durchsetzen könnte.
Die Lösung ist, dass der Verbrennungsmotor
beibehalten wird. Er wird beträchtlich
downgesized und arbeitet
lediglich als ein in Serie geschalteter
Generator, der die Batterie während der
Abbildung 3 | Kühlmodul des Opel Insignia
Lithium-Ionen-Batterie
Abbildung 2 | Chevrolet Volt mit Hybrid-Architektur © GM Corp.
Fahrt lädt und gleichzeitig für einen
elektrischen Vortrieb sorgt. Damit
kann die Reichweite des E-Fahrzeugs
beträchtlich erhöht werden.
Wahrscheinlich das bekannteste Beispiel
einer solchen Hybrid-Architektur
ist der Chevrolet Volt (Abbildung 2),
der auf der GM-Voltec-Plattform aufbaut.
Sie kann darauf ausgelegt
werden, mit Strom aus unterschiedlichen
Quellen betrieben zu werden.
Das Fahrzeug wird von einem elektrischen
Motor angetrieben. Der Antrieb
ist damit unabhängig von der Art
Thermomanagement für Hybridfahrzeuge 11
des Verbrennungsmotors. So können
bis zu 65 km rein elektrisch gefahren
werden. Zusätzlich kann die Batterie
über Nacht über Plug-in-Ports direkt
über die Steckdose aufgeladen werden.
Das Kühlmodul für ein elektrisches
Fahrzeug mit erhöhter Reichweite
Was unterscheidet dieses Kühlmodul
von dem Kühlmodul traditioneller
Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor als
Antriebsaggregat?
Als Beispiel für ein typisches
Kühl modul eines aktuellen Mittelklasse
wagens ohne elektrifi zierten
Antriebsstrang dient das Kühlmodul
des neuen Opel Insignia, für den
Behr das komplette Kühlmodul in
Systemverantwortung entwickelt
hat und auch liefert (Abbildung 3).
Zu dem zeigt Abbildung 4 die unterschiedlichen
Motoren des Insignias:
vom 1,6l-I4-Zylinder bis zu einem
2,8l-V6-Zylinder Benzinmotor sowie
einem 2.0L-4-Dieselmotor und das
Kondensatorrahmen
Kondensator
Ölkühlschleife
Ladeluftkühlerkühler
Kühlmittelkühler
Lüfterzarge
Lüftermotor

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Technischer Pressetag 2009
Benzinmotoren
Antrieb
Schadstoffarm nach
Kraftstoff
Anzahl der Zylinder
Hubraum in cm3 Max. Leistung in kW (PS)/bei min-1 Max. Drehmoment in Nm/bei min-1 Dieselmotoren
Antrieb
Schadstoffarm nach
Kraftstoff
Anzahl der Zylinder
Hubraum in cm3 Max. leistung in kW (PS)/ bei min-1 Max. Drehmoment in Nm/bei min-1 1.6
ECOTEC®
Frontantrieb
EURO5
Super
4
1.598
85(115)/6.000
155/4.000
Abbildung 4 | Unterschiedliche Motoren des Opel Insignia
Kühluft
CAC
Radiator
2.0 CDTI
ECOTEC®
Frontantrieb
EURO5
Diesel
4
1.956
81(100)/4.000
260/1.750-2.500
mit manueller und Automatikschaltung.
Die von Behr geschätzten Leistungskurven
für diese Motoren zeigen
Bandbreiten von 85 kW bis 191 kW
bei 6.000 bis 6.300 Umin-1 für die
Benzinmotoren und von 81 kW bis
140 kW bei 4.000 bis 4.500 Umin-1
für die Dieselmotoren (Abbildung 5).
EGR DPF
Ladeluft
Abgas
Hauptkühlungskreislauf
1.8
ECOTEC®
Frontantrieb
EURO5
Super
4
1.796
103(140)/6.300
175/3.800
Abbildung 5 | Motorleistung und Kühlkreislauf (Dieselmotor) des Opel Insignia
200
175
150
125
100
75
50
25
0
Motorleistung [kW]
1.6 Turbo
ECOTEC®
Frontantrieb
EURO5
Super
4
1.598
132(180)/5.500
230/2.000-4.000
2.0 CDTI
ECOTEC®
Frontantrieb
EURO5
Diesel
4
1.956
96(130)/4.000
300/1.750-2.500
Da die Mehrzahl der heutigen Motoren
turboaufgeladen und zudem eine
Fahrzeugklimaanlage Standard ist,
besteht unser Kühlmodul aus den in
Abbildung 3 gezeigten Komponenten:
einem großfl ächigen Kondensator
für die Klimatisierung mit einer
Leistung von 18 kW,
Diesel
Otto
Motordrehzahl [U min –1 ]
0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000
2.0 Turbo
ECOTEC®
Frontantrieb
EURO5
Super
4
1.998
162(220)/5.300
350/2.000-4.000
2.0 CDTI
ECOTEC®
Frontantrieb
EURO5
Diesel
4
1.956
118(160)/4.000
350/1.750-2.500
7.000
1.6 Turbo
ECOTEC®
Adaptiver 4 x 4
Allradantrieb
EURO5
Super
4
1.998
162(220)/5.300
350/2.000-4.000
2.8 V6 Turbo
ECOTEC®
Adaptiver 4 x 4
Allradantrieb
EURO5
Super
6
2.792
191(260)/5.500
350/1.900-4.500
2.0 BiTurbo CDTI
ECOTEC®
Adaptiver 4 x 4
Allradantrieb
EURO5
Diesel
4
1.956
81(100)/4.000
260/1.750-2.500
einer Lenkhilfeölkühlerschleife,
die 1,65 kW an Wärmemenge abführen
kann,
einem Ladeluftkühler, der 40 kW
an Wärmemenge abführen kann,
einem großfl ächigen Kühlmittelkühler,
mit einer Leistung von
150 kW,
einem im Wasserkasten eingebauten
Getriebeölkühler, der 7 kW
an Wärmemenge abführen kann,
einem Doppellüfter, der bis zu
2,2 kg/s Luft bei 2.950 Umin-1
liefert.
Wie sieht nun das Kühlmodul für ein
Fahrzeug wie dem Chevrolet Volt im
Vergleich dazu aus?
Der erste gravierende Unterschied
ist, dass hier der Verbrennungsmotor
lediglich dazu dient, über einen
Generator elektrische Energie nach
Bedarf zur Verfügung zu stellen.
Alternativ ist auch eine Brennstoffzelle
denkbar, in diesem Beispiel soll
jedoch nur auf einen Verbrennungsmotor
eingegangen werden.

Im Vergleich zu den Motoren des
Opel Insignias ist der Motor des
Volts stark downgesized und vereinfacht
(Abbildung 6). Obwohl ein
aufgeladener Dreizylindermotor angedacht
ist, wird zuerst wahrscheinlich
ein nicht aufgeladener 1,4-Liter-
Benzinmotor mit vier Zylindern und
einer Leistung von 53 kW zum Einsatz
kommen, der mit bis zu 85 Prozent
Ethanolbei mischung betrieben werden
kann. Da der Motor nicht mechanisch
mit den Rädern verbunden ist, kann
seine Dreh zahl auf einen optimalen
Bereich hin begrenzt werden. Der
Motor ist dadurch hinsichtlich Effi -
zienz optimiert.
Was heißt das für das Kühlsystem?
Da ein Benzin- und nicht ein Dieselmotor
zum Einsatz kommt, braucht es
keine Abgaskühlung. Der Motor ist
auch nicht aufgeladen, sodass auch
der Ladeluftkühler wegfällt. Da der
Motor stark downgesized und im Vergleich
zu z. B. einem Motor des Opel
Insignias stark vereinfacht ist, sollte
der Kühlmittelkühler auch einfacher
ausfallen. All das trifft zu. Bei genauerem
Hinsehen zeigt sich jedoch,
dass die Kühlung komplizierter als
gedacht ist.
Tatsächlich besitzt das Kühlmodul
des Volts vier anstatt nur drei Wärmeübertrager
wie im Falle des Insignias
(Abbildung 7):
Vorne am Modul: ein großfl ächiger
Niedertemperatur-Batteriekühler,
der so ausgelegt ist, dass die
Li-Ionen-Batterie des Volts bei
Temperaturen von um die 30 °C
hält.
Danach: ein großfl ächiger Kondensator
mit genügend Leistung, um
Kühluft
Radiator
TWC
Ladeluft
Abgas
Hauptkühlungskreislauf
Abbildung 6 | Motorleistung und Kühlkreislauf (Verbrennungsmotor) der GM Voltec-Plattform
den thermischen Komfort für die
Fahrzeuginsassen zu halten.
An dritter Stelle eine neue Komponente:
ein Kühler, für die Leistungselektronik
des Hybridantriebs.
An vierter Stelle, ein Hochtemperatur-Kühlmittelkühler,
optimiert
für den downgesizeten Motor.
Abschließend: ein doppelter,
bürstenloser Lüfter und der abgedichtete
Rahmen des Kühlmoduls,
damit die Luftströmung
durch und um das Kühlmodul
herum kontrolliert werden kann.
Betrachtet man den notwendigen
Kühlkreislauf, so erkennt man, dass
dieser wesentlich komplexer ist als
der Kühlkreislauf des Insignias oder
eines anderen herkömmlichen Verbrennungsmotors.
Eine Komplexität,
die nur von einem Systemlieferant
wie Behr verstanden und beherrscht
werden kann.
Abbildung 7 | Mögliches Kühlmodul für ein elektrisches Fahrzeug mit erhöhter Reichweite
200
175
150
125
100
75
50
25
0
Motorleistung [kW]
Thermomanagement für Hybridfahrzeuge 13
Diesel
Otto
Volt?
Motordrehzahl [U min –1 ]
0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000
7.000
Batteriekühler
Kondensator
Modulrahmen
Leistungselektronikkühler
Kühlmittelkühler
Lüfterzarge
Lüftermotoren

14
Technischer Pressetag 2009
Thermischer Komfort im Fahrzeug –
neue Fahrzeugkonzepte erfordern neue Klimakonzepte
Peter Kroner,
Leiter Vorentwicklung
Klimatisierung
Der Klimakomfort hat bei Elektro-
und Hybridfahrzeugen Einfl uß
auf die Reichweite. Deshalb muss,
wie bei allen Nebenaggregaten,
auch bei der Klimatisierung Energie
eingespart werden.
Schichtung
Kühler Kopf
Warme Füße
Abbildung 1 | Klimakomfort im Fahrzeug
Der Klimakomfort in heutigen Fahrzeugen
hat einen sehr hohen Stand erreicht:
variable Luftströmung, vertikale
Temperaturschichtung, angenehme
Akustik, mehrere Klimazonen, angenehmer
Geruch, verschiedene Klimastile
sind die Stichworte dazu, Abbildung 1.
Die neuen Fahrzeugkonzepte, die
heute entwickelt werden, stellen die
Klimatechnik jedoch vor ganz neue Anforderungen,
so hat bei einem Elektro-
Automobil der Klimakomfort Einfl uss
auf die Reichweite; deshalb muss, wie
bei allen Hilfsaggregaten, auch bei der
Klimatisierung Energie gespart werden:
durch effi zientere Systeme, neue Konzepte
und zusätzliche Funktionen wie
etwa die Klimatisierung der Kabine
vor Fahrtantritt. Die Lithium-Ionen-
Technik bei Hybridfahrzeugen wiederum
erfordert aus Lebensdauer- und
Leistungsgründen eine geregelte
Kühlung der Batterie, bei tiefen Temperaturen
auch eine Beheizung. Behr
arbeitet an Lösungen für alle diese
Probleme; die schon vorliegenden
werden im Folgenden dargestellt.
Zonen-Klimatisierung
Zugfreie Belüftung Akustik
1. Fahrzeugkonzepte
Abbildung 2 zeigt die neuen Fahrzeugkonzepte,
ihre Verteilung über die
Fahrzeugklassen sowie ihren prognostizierten
Marktanteile im Jahr 2015.
Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren
wird es weiterhin – und sicherlich
noch viele Jahre – in allen Klassen
geben. Die Start-Stopp-Automatik wird
es ebenfalls in allen Klassen geben;
Mild-Hybrids von der Oberklasse bis
einschließlich Mittelkasse. Full-Hybrids
werden der Ober- und Mittelklasse
vorbehalten bleiben. Elektro-Automobile
wird es hauptsächlich in den
kleinen Klassen, teilweise auch in der
Kompaktklasse geben.
1.1 Fahrzeuge mit
Verbrennungsmotoren
Abbildung 3 zeigt die Charakteristik
des Klimasystems von herkömmlichen
Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor:
Antrieb des Kältekreislaufs
durch einen vom Motor über einen
Keil riemen angetriebenen Kälte mittelkom
pressor, Nutzung von Motorab-

Oberklasse
Mittelklasse
Kompaktklasse
Kleinwagen
Kleinstwagen
Szenario
Markt 2015
Abbildung 2 | Neue Fahrzeugkonzepte, ihre Verteilung über die Fahrzeugklassen und die
prognostizierte Marktanteile im Jahr 2015
Kühlen
Heizen
Effi zienz
Akustik
Int. combustion
engine
Verbrennungsmotor
Elektrisches System: U = 12 V
Kältekompressor
riemengetrieben
Motorabwärme
Kraftstoffmehrverbrauch
Klimatisierung
Abbildung 3 | Klimasysteme bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor
wärme und eventuell Abgaswärme
für die Heizung. Es werden hohe
Anforderungen an die Klima ti sie rungs -
akustik gestellt, die von den Geräuschen
des Verbrennungsmotors
beeinfl usst, teilweise über deckt
wird. In der letzten Zeit sind hier
einige wichtige Verbesserungen
erzielt worden: Klimageräte mit
strö-mungsgünstigeren Luftführungen
(Silent-HVAC) und rauscharme Gebläse
(Silent-Blower). (HVAC – Heating,
Ventilating, Air-Conditioning)
Bei diesen konventionellen Klimasystemen
– Abbildung 4 zeigt einen
Kältekreislauf – geht es hauptsächlich
darum, den Kraftstoffmehrverbrauch
des Fahrzeugs infolge der Klimatisierung
zu senken. Zu diesem Zweck
hat Behr die Konzepte ECO-A/C® und
Start/stop
Basisniveau durch Verbrennungsmotor
Mild
hybrid
Kälteleistung
jederzeit verfügbar
Heizen nach
Kaltstart und im
Normalbetrieb
Full
hybrid
Elektro-
Automobile
Behr Systeme
ECO-A/C®
High-Performance
Wärmeübertrager
ECO-Heat
High-Performance
Wärmeübertrager
ECO-A/C®
ECO-Heat
Silent-HVAC
Silent-Blower
ECO-Heat entwickelt, mit denen folgende
Einsparziele erreicht werden
können: bei ECO-A/C® auf Basis von
2007 eine Senkung von 20 % bis
2012, bei ECO-Heat gegenüber heute
eine Senkung um 30 %, ebenfalls bis
2012, Abbildung 5.
Bei ECO-A/C® wird das erreicht durch
1. hocheffi ziente Wärmeübertrager im
Kältekreislauf,
2. den Einsatz eines inneren Wärmeübertragers
3. eine energiesparende Einstellung
des Kältemittel-Expansionsventils
am Verdampfer.
Bei ECO-Heat wird die Verbrauchssenkung
erreicht durch
1. hocheffi ziente Wärmeübertrager
im Heizkreislauf
Thermomanagement für Hybridfahrzeuge 15
2. eine luftseitige Absperrung des
Kühlers (Kühler-Jalousie)
3. eine Wärmerückgewinnung aus
dem Abgas, die für die Kabinen-
Heizung oder für eine schnellere
Aufheizung des Motors genutzt
werden kann
4. durch einen partiellen Umluftbetrieb,
bei dem die Regelung
die Gefahr von Scheibenbeschlag
ausschließt.
Die Effi zienzverbesserungen durch
ECO-A/C® und ECO-Heat werden –
wo möglich – auch in den Klimasystemen
für die neuen Fahrzeugkonzepte
genutzt.
1.2 Micro- und Mild-Hybrids
Unter Micro-Hybrids werden Fahrzeuge
verstanden, bei denen ein herkömmlicher
Verbrennungsmotor mit einer
Start-Stopp-Automatik ausgerüstet
ist. Mild-Hybrids hingegen sind zusätzlich
mit einem (kleinen) Elektromotor
und einer stärkeren Batterie
ausgestattet. Der elektrische Hilfsantrieb
wird ausschließlich für eine
Unterstützung beim Anfahren und
für eine größere Kraftentfaltung
Hochleistungskondensator
Kompressor
Expansionsventil
Hochleistungs- oder
Speicherverdampfer
Innerer
Wärmeübertrager
Abbildung 4 | Kältemittelkreislauf eines Fahrzeugsystems

16
Technischer Pressetag 2009
CO 2 -Emission
(g/km)
Kraftstoff-
Verbrauch
(Liter/100 km)
Abbildung 5 | Krafstoff- und CO 2 -Reduktionspotenziale durch ECO-A/C® und ECO-Heat
Kühlen
Heizen
Effi zienz
Akustik
Elektrisches System:
Micro => U = 12 V, Start-Stopp
Mild => U > 12 V, P < ca. 15 kW, Start-Stopp,
el
Rekuperation, Li-Ionen-Batterien
Abbildung 6 | Klimasystem bei Micro- und Mild-Hybrids
Kühlen
Heizen
Effi zienz
Akustik
Kältekompressor
riemengetrieben
Motorabwärme
Elektrisches System
U >> 12 V P > ca. 15 kW Start-Stopp, Rekuperation,
el
Elektrisches Fahren, Plug-in-Aufl adung, Li-Ion-Batterien
Abbildung 7 | Klimasystem bei Full-Hybrids
ECO-A/C®
Durchschnittlicher jährlicher Verbrauch
– Kühlen –
125 %
1997
Kraftstoffmehrverbrauch
Klimatisierung
Stopp-Phasen ohne
Verbrennungsmotorakustik
Kältemittelkompressor
elektrisch
Motorabwärme
und/oder elektrisch
Kraftstoffmehrverbrauch
Klimatisierung
Stopp-Phasen + elektrisches Fahren
ohne Verbrennungsmotorakustik
100 % 100 %
15 12 10
0,6 0,5 0,4
2007
keine Kälte
in Stopp-Phase
Restwärme und/oder PTC
in Stopp-Phasen
„aus der Batterie“
Standkühlung möglich
Heizungsmanagement
erforderlich
ECO-Heat
Durchschnittlicher jährlicher Verbrauch
– Heizen –
80 % 70 %
2012
10
heute
7
0,4 0,3
2012
Behr Systeme
ECO-A/C®
Speicherverdampfer
ECO-Heat
ECO-A/C®
ECO-Heat
Silent-HVAC
Silent-Blower
Behr Systeme
ECO-A/C®
Batterie-Kühlung
ECO-Heat
Hochvolt-PTC
ECO-A/C®
ECO-Heat
Silent-HVAC
Silent-Blower
beim Überholen, dem sogenannten
„Boosten“, eingesetzt. Die Batterie
kann beim Mild-Hybrid meist durch
Rückgewinnung von Bremsenergie aufgeladen
werden. In Abbildung 6 ist
die Charakteristik der Klimatisierung
für beide Hybridtypen aufgelistet.
Kühlen: Antrieb des Klimasystems
durch einen riemengetriebenen Kompressor.
Da dieser bei Motorstillstand
ruht, wird der Klimakomfort im Sommer
bei kurzen Motorstopps, etwa vor
Ampeln, durch einen Kältespeicher,
dem sogenannten Speicherverdampfer,
aufrechterhalten.
Heizen: durch Motorabwärme, einschließlich
Restwärmenutzung bei
kurzen Stopps und/oder durch elektrische
Zuheizung (PTC-Heizer)
Akustik des Klimasystems: In den
Stopp-Phasen wird das Geräusch des
Klimasystems nicht mehr anteilig
durch das Motorgeräusch kaschiert und
dadurch dominant. Die Akustik des
Systems musste deshalb so verbessert
werden, dass sie auch ohne die Kaschierung
durch das Motorgeräusch
nicht als unangenehm, wenn möglich
sogar als angenehm empfunden wird,
auch und gerade in den hohen Gebläsestufen.
Auch hier kommen wieder die
Verbesserungen durch Silent-HVAC
(Heating, Ventilating, Air-Conditioning)
und Silent-Blower zum Tragen.
Kraftstoffeinsparung durch Start-
Stopp: Durch die Motor-Stopp-Phasen
können im Schnitt im Stadtverkehr bis
zu 8 % Kraftstoff eingespart werden.
Vorausgesetzt, es wird ein Speicherverdampfer
eingesetzt. Ohne diesen
Kältespeicher muss der Motor wegen
der schnell steigenden Innentem-

peratur bei warmem Wetter – und
wegen der Gefahr von Geruchsabbildungung
– oft schon lange vor Ende
der Stopp-Phase wieder eingeschaltet
werden, wodurch das Kraftstoffeinsparpotenzial
von Start-Stopp auf etwa
die Hälfte sinkt.
1.3 Full-Hybrids
Full-Hybrids können nicht nur boosten,
sondern auch – je nach dem elektrischen
System – mehr oder weniger
lange Strecken rein elektrisch fahren.
Dafür sind sie mit einem kompletten
elektrischen Antriebsstrang ausgestattet,
der natürlich eine viel stärkere
Batterie erfordert als ein Mild-Hybrid.
Heute werden dafür überwiegend noch
Nickel-Metallhydrid-Batterien eingesetzt,
die aber zunehmend durch die
leistungsfähigeren Lithium-Ionen-
Batterien ersetzt werden. Beide Batterietypen
können während der Fahrt
durch Umwandlung von Bremsenergie
(Rekuperation) in elektrischen Strom
ganz oder teilweise wieder aufgeladen
werden. Abbildung 7 enthält die
Charakteristik des Klimasystems für
Full-Hybrids.
Kühlen: Mit dem elektrischen Kompressor
kann die Fahrzeugkabine
sowohl beim verbrennungsmotorischen
wie beim elektrischen Fahren gekühlt
werden, auch wenn beim verbrennungsmotorischen
Betrieb der Motor bei
Stopps und im Stau zeitweilig still
steht, solange es der Batteriestatus
zulässt. Auch das Vorkühlen eines
aufgeheizten Innenraumes kurz vor
Antritt der Fahrt ist möglich, etwa
mithilfe einer Fernbedienung. Der
Klimakomfort wird dadurch beträchtlich
erhöht, weil bei einem Hitzestau
oft Temperaturen von über 50 °C, oft
sogar über 60 °C auftreten, die immer
Elektrischer Kompressor
als belastend empfunden werden,
auch wenn sie bei eingeschalteter
Klimaanlage nur kurz ertragen werden
müssen. Eine längere Standkühlung
ist abhängig von der zur Verfügung
stehenden Batteriekapazität möglich.
Heizen: Da nur der Verbrennungsmotor
Abwärme für die Beheizung
liefert, muss beim rein elektrischen
Fahren elektrisch geheizt werden.
Dafür wird ein Hochvolt-PTC eingesetzt.
Beim Fahren mit Verbrennungsmotor
muss, falls die Motorabwärme zum
Beheizen nicht ausreicht, elektrisch
zugeheizt werden, was ein Heizungsmanagement
erfordert.
Akustik: Da bei den Full-Hybrids der
Verbrennungsmotor längere Zeiträume
steht, ist die Verbesserung der Akustik
des Klimasystems noch dringender und
wichtiger als bei den Mild-Hybrids.
Auch dafür stehen die verbesserten
Komponenten von Silent-HVAC und
Silent-Blower zur Verfügung.
Temperieren der Batterie: Mit dem
Trend zu leistungsfähigeren Lithium-
Ionen-Batterien entsteht eine neue
technische Herausforderung, denn
diese Batterien müssen, um einen
robusten und langfristigen Betrieb
zu gewährleisten, in einem engen
Hochvolt-PTC
Thermomanagement für Hybridfahrzeuge 17
Expansionsventil
Abbildung 8 | Klimasystem (Kältekreislauf und Klimagerät) für Elektro-Automobile
Temperaturfenster betrieben werden.
Bei Kühlung der Batterie direkt über
den Kältekreislauf konkurrieren beispielsweise
Komfort und Batterie um
die Energie. Die Frage heißt: Kabine
temperieren oder Fahren.
Plug-in-Hybrids: Plug-in-Hybrids
ermöglichen ein Aufl aden der Batterie
an der Steckdose. Dadurch kann bei
ausreichender Ladezeit mit voller
Batterie und vortemperierter Kabine
gestartet werden. Das energieintensive
schnelle Aufheizen und Kühlen
der Kabine ist dadurch nicht mehr
erforderlich.
1.4 Elektro-Automobile
Die Reichweite von E-Fahrzeugen, ein
wichtiges Kriterium für ihren Einsatz,
hängt neben der Leistungsfähigkeit
der Batterie von der Effi zienz aller
elektrischen Verbraucher ab, also auch
vom Klimasystem. Die Effi zienz dieses
Systems, Abbildung 8 zeigt ein solches,
musste deshalb beträchtlich erhöht
werden. Dazu entwickelte Behr das
schon genannte System ECO-A/C®.
Die Charakteristik des Klimasystems
für Elektro-Automobile ist in Abbildung
9 aufgeführt.
Kühlen: Es erfolgt wie beim Full-
Hybrid durch das vom elektrischen
Hochleistungsverdampfer

18
Technischer Pressetag 2009
Kühlen
Heizen
Effi zienz
Akustik
Elektrisches System:
Batterie und Elektromotor Erweiterung: Range-Extender
Unterstützende Maßnahmen
am Fahrzeug
Plug-in-Aufl adung
Kältemittelkompressor
elektrisch
Elektrisch
Kraftstoffmehrverbrauch beeinfl usst
die Reichweite
Akustik der Klimatisierung im Vordergrund
Abbildung 9 | Klimasysteme bei Elektro-Automobilen ohne/mit Range-Extender
Kompressor angetriebene Klimasystem.
Durch eine Stromversorgung
aus dem Netz (Plug-in-Aufl adung)
kann die Kabine vor Antritt der Fahrt
vorgekühlt werden, ebenso auf Parkplätzen
mit einer Ladestation.
Heizen: Die Heizung kann wahlweise
als Luft- oder Wasserheizung ausgelegt
werden. Für die Luftheizung wird
ein Hochvolt-PTC eingesetzt. Für die
Wasserheizung wird das Fahrzeug mit
einem kleinen, di-rekt elektrisch beheizten
Wasserkreislauf ausgestattet.
Auch bei der Heizung ist eine Vorkonditionierung
der Kabine aus dem
Netz möglich.
Effi zienz der Klimaanlage: Bei der
Klimatisierung (Kühlen und Heizen)
muss man neben den effi zienzsteigernden
Maßnahmen am Klimasystem
selbst auch an eine verbesserte Isolierung
der Kabine denken oder an
eine Reduzierung der Sonneneinstrahlung
durch Abschatten der Scheiben
oder eine Senkung ihres Transmissionsgrades.
Klimakomfort gegen Reichweite:
Es besteht auch die Möglichkeit, die
Anforderungen an den Klimakomfort
in bestimmten Fahrsituationen zu
„aus der Batterie“
Standkühlung möglich
Elektrische Luftund/oder
Wasserheizung
Behr Systeme
ECO-A/C®
Batterie-Kühlung
Hochvolt-PTC
ECO-A/C®
Silent-HVAC
Silent-Blower
senken, etwa wenn ein Ziel oder eine
Ladestation nur durch eine Erhöhung
der normalen Reichweite erreicht
werden kann. Denkbar ist hier eine
Wahlmöglichkeit zwischen einem Komfortstil,
einem Reichweitenstil und
eventuell noch einem dritten, einem
mittleren Stil.
Beim Reichweitenstil könnte die
Klimatisierung zurückgefahren
werden, etwa durch: Verlangsamung
der Abkühlung des Innenraums, eine
höhere Innenraumtemperatur oder
eine schwächere Durchströmung der
Kabine. Damit der Fahrer eine für seine
Bedürfnisse und für die anderen Fahrzeuginsassen
optimale Entscheidung
zwischen den Stilen treffen kann,
muss das Batteriemanagement die
Auswirkungen des gewählten Stils auf
Reichweite und Fahrdauer berechnen
können. Die dafür erforderliche Zieleingabe
und Routenplanung könnte
durch eine Kopplung mit dem Navigationsgerät
abgefragt werden. Dann
wäre auch eine Berücksichtigung von
Staumeldungen möglich.
Akustik des Klimasystems: Bei
E-Fahrzeugen rückt die Klimaanlagenakustik
analog zum elektrischen
Fahren bei den Full-Hybrids in den
Vordergrund, da das Geräusch des
Verbrennungsmotors entfällt.
Kühlen der Batterie: Siehe dazu die
entsprechende Beschreibung unter
„Full-Hybrids“
1.5 E-Automobile mit Range-
Extender
Eine Möglichkeit die Reichweite zu
erhöhen, liegt in der Erzeugung des für
den Antrieb benötigten elektrischen
Stroms on-board durch einen kleinen
Verbrennungsmotor, der auch als
Range-Extender bezeichnet wird.
Das Klimasystem der Elektro-Automobile
mit Range-Extender funktioniert
wie das der E-Fahrzeuge ohne
bord eigene Stromproduktion, aber
mit dem Unterschied, dass durch
Strom erzeugung im Fahrzeug immer
genug Strom zum Betrieb der Klimaanlage
zur Verfügung steht, Komfort,
Reichweite und Fahrweise also nicht
zwingend aufein ander abgestimmt
werden müssen.
2. Klimasysteme und Komponenten
für neue Fahrzeugkonzepte
2.1 Komponenten für ECO-A/C®
und ECO-Heat
Die wesentlichen Komponenten
und Maßnahmen für ECO-Heat und
ECO-A/C® sind (Abbildung 10):
ECO-A/C®:
hocheffi ziente Wärmeübertrager
energiesparende Einstellung des
Expansionsventiles
innerer Wärmeübertrager
Regelungsstrategie, z. B. Frischluft-Umluft-Regelung
Energieeffi ziente elektrische
Baugruppen

ECO-Heat:
hocheffi ziente Wärmeübertrager
Kühlerjalousie
Regelungsstrategie
Abgaswärmerückgewinnung
2.2 Speicherverdampfer für
Start-Stopp-Automatik
Der Speicherverdampfer besteht aus
zwei Blöcken: einem Hauptverdampfer-
und einem Speicherverdampferblock.
Beide werden im Kühlbetrieb parallel
vom Kältemittel durchströmt; dabei
wird das im Speicherblock vorhandene
zweite Medium, ein Latentmedium,
so weit gekühlt, dass es gefriert
und damit „Kälte speichert“. In den
Stopp-Phasen wird das Latentmedium
nicht länger gekühlt, es beginnt
zu schmelzen. Die dafür benötigte
Wärme entzieht sie der Kabinenluft,
die den Kältespeicher im Umluftbetrieb
durchströmt. Bei der Fahrt wird der
Speicher dann wieder durch Einfrieren
des Latentmediums beladen. Bei einer
Verdampfereintrittstemperatur von
25 °C ist der Speicher nach 30 Sekunden
wieder zu 70 % beladen, nach
einer Minute komplett. Mit dem Speicherverdampfer
kann der Klimakomfort
in der Kabine in 95 % aller Stopp-
Phasen im Stadtverkehr (gemessen in
Stuttgart) aufrecht erhalten werden.
2.3 Hochvolt-PTC
Für das elektrische Fahren bei den
Full- und den Plug-in-Hybrids, wie
generell bei den E-Fahrzeugen, steht
keine Motorabwärme für die Beheizung
der Fahrzeugkabine zur Verfügung.
Deshalb entwickelt Behr auf Basis
seiner seit vielen Jahren bewährten
PTC-Technologie neue Hochvolt-Zuheizer,
die im Winter für eine angeneh me
Temperatur im Fahrzeug sorgen. Diese
elektrischen Zuheizer können wie
System
125 %
1997
Akustik
100 % 100 %
2007
ECO-A/C®
80 % 70 %
2012
heute
Abbildung 10 | Klimasysteme und Komponenten für neue Fahrzeugkonzepte
die heute von Behr eingesetzten PTC
bauraumsparend in das Klimagerät
integriert werden. Eigensichere Hochvolt-Zuheizer
und die dafür benötigten
Leistungsregler sind heute verfügbar.
2.4 Kühlsysteme für Lithium-
Ionen-Batterien
Für eine wirkungsvolle und sichere
Kühlung der Li-Ionen-Batterien hat
Behr drei verschiedene Kühlsysteme
entwickelt:
1. Kältemittelkühlung durch einen
Anschluss der Batterie an den
Kältekreislauf des Klimasystems
2. Kühlung durch einen Kühlmittel-
Sekundärkühlkreislauf
3. Kühlung durch klimatisierte
Kabinenluft oder (im Winter) durch
Außenluft.
Für die Kühlung durch das Klimasystem
muss es mit einem zusätzlichen
Verdampfer ausgestattet sein. (Für
ein detaillierte Darstellung dieser
Kühlsysteme siehe den Beitrag
von Dr. Heckenberger: Kühlung für
elektrische Fahrzeuge mit erhöhter
Reichweite)
2012
2.5 Akustik: Silent-HVAC
Kältekreislauf: Um die Effi zienz zu
steigern, sind im Kältekreislauf ver-
Thermomanagement für Hybridfahrzeuge 19
ECO-Heat Speicherverdampfer Hochvolt-PTC
Akustik Kältekreislauf Silent Blower Silent-HVAC
schiedene Anpassungen notwendig.
Die dadurch entstehenden akustischen
Effekte werden durch gezielte Maßnahmen
im Kältekreislauf entschärft.
Ziel ist es, die Akustik so weit zu
verbessern, dass das heutige Niveau
unterschritten werden kann, um in
Stopp-Phasen oder beim elektrischen
Fahren akustisch unauffällig zu sein.
Gebläse (Silent-Blower): Um das
Gebläsegeräusch zu reduzieren, wurden
akustisch verbesserte, rauscharme
Gebläse und verbesserte Gebläsemotorentkopplungen
entwickelt.
Klimagerät (Silent-HVAC): Die Luftwege
im Klimagerät werden akustisch
optimal ausgelegt. Für die Dämpfung
unvermeidlicher Strömungsgeräusche
werden neue, schalltransparente
Materialien sowie Resonanz- oder
Interferenz-Schalldämpfer eingesetzt.
Komponenten
Batteriekühlung

Behr GmbH & Co. KG
Mauserstraße 3
70469 Stuttgart
Deutschland
Telefon: + 49 (0) 711/896-0
Fax: + 49 (0) 711/896-4000
www.behrgroup.com