amz_2011_11

technik trends
Kühler Kopf
und warme Füße
_ Mit der Elektrifizierung des Antriebsstrangs entstehen neue
Anforderungen an die Klimatisierung, denn der Energiebedarf zum
Kühlen und Heizen reduziert die Reichweite enorm. Doch Klimakomfort
und Fahrsicherheit müssen auch bei Hybrid- und E-Fahrzeugen
gewährleistet sein, sagen die Thermomanagementexperten bei Behr.
V ereiste
oder beschlagene
Scheiben sind ein ernstzunehmendes
Sicherheitsrisiko,
dem sich jedoch mit einer wirkungsvollen
Fahrzeugheizung
begegnen lässt. Bei Automobilen mit
Verbrennungsmotor ist dies für gewöhnlich
kein Problem. Bei Hybridfahrzeugen
jedoch – gleichgültig ob Mild- und Full-
Hybrid – steht für die Heizung deutlich
weniger Motorabwärme zur Verfügung,
was demnach auch deutlich weniger
Heizleistung bedeutet. „Bei einem reinen
Elektrofahrzeug fällt die Abwärme des
Verbrennungsmotors sogar ganz weg und
die geringe Abwärmemenge des elektrischen
Antriebsstrang reicht bei weitem
nicht aus, um Komfort und Sicherheit
bieten zu können“, berichtet Dr. Markus
Wawzyniak, Leiter Vorentwicklung Klimatisierung
beim Stuttgarter Thermomanagement-Spezialisten
Behr.
Aus diesem Grund benötigen E-Mobile
und Hybridfahrzeuge eine Zusatzheizung.
Das alleinige Heizen mit einem
Hochvolt-PTC-Zuheizer ist für den Experten
allerdings keine Lösung, da dessen
Energiebedarf ja aus der Batterie gedeckt
werden müsste, was die Reichweite des
Fahrzeugs inakzeptabel stark reduzieren
würde. Die Thermomanagement-Spezialisten
bei Behr befassen sich daher schon
seit geraumer Zeit mit praktikablen Lösungen,
um diese Probleme zu lösen.
18 amz - auto | motor | zubehör Nr. 11-2011
Energieströme im E-Fahrzeug
Dazu haben Wawzyniak und sein Team
die Energieströme eines rein elektrisch
angetriebenen Fahrzeugs bei exakt definierten
Rand- und Betriebsbedingungen
ermittelt: Bei einer Außentemperatur
von minus 15 Grad Celsius (°C) und
einem hundertprozentigen Frischluftbetrieb
mit einem Luftmassenstrom von
fünf Kilo je Minute (kg/min) ist bei einer
Fahrgeschwindigkeit von Tempo 18,3
(= Durchschnittsgeschwindigkeit im Stadtzyklus
(ECE) im Neuen Europäischen Fahrzyklus
(NEFZ)) eine elektrische Leistung von
rund 2,5 Kilowatt (kW) notwendig.
Um jedoch eine Innenraumtemperatur
von 22 °C aufrecht zu erhalten, ist den Experten
zufolge mit 4,5 Kilowatt (kW) aber
eine nahezu doppelt so hohe Leistung erforderlich.
„Der Elektromotor und die Leistungselektronik
geben nur etwa 0,4 kW
Abwärme ans Kühlmittel ab, es besteht
also ein Heizleistungsdefizit von rund
vier kW, das nur von der Batterie gedeckt
werden kann“, erläutert Wawzyniak. Die
daraus resultierende Reichweitenreduzierung
sei aber völlig inakzeptabel. „Je höher
der Grad der Elektrifizierung des Fahrzeugs,
desto wichtiger ist es, den Heizleistungsbedarf
durch passive und aktive Maßnahmen
zu reduzieren“, sagt Wawzyniak.
Als passive Maßnahmen bezeichnet
der Experte die Reduzierung der Wärme-
Hybrid- und Elektrofahrzeuge verlangen
spezielle Lösungen beim Thermomanagement.
Vor allem das Heizen und Klimatisieren ist
eine Herausforderung. Foto: Toyota
verluste an der Karosserie sowie der thermischen
Massen im Innenraum – Hausaufgaben,
die der Fahrzeughersteller erledigen
muss. Die aktiven Maßnahmen, etwa das
Heizen mit Hilfe von Wärmepumpen und
elektrischen Zuheizern, indes gehörten zu
den Kernkompetenzen von Behr.
Vielversprechend:
die Wärmepumpe
Eine Wärmepumpe bietet laut Wawzyniak
– verglichen mit anderen Heizsystemen
für Hybrid- und Elektrofahrzeuge – die
besten Voraussetzungen für einen hohen
Wirkungsgrad, zudem verringere sich damit
die Reichweite des Fahrzeugs am wenigsten.
Die Funktion der Wärmepumpe
kann dem Experten zufolge der modifizierte
Kältemittelkreislauf einer herkömmlichen
Klimaanlageanlage übernehmen:
„Schließlich funktioniert eine Wärmepumpe
wie eine Klimaanlage, nur umgekehrt.“
Die Abbildungen auf der nächsten Seite
zeigen schematisch die Verschaltung einer
Luft-/Luft- beziehungsweise Luft-/Kühlmittel-Wärmepumpe
mit den Funktionen:
• Heizen im Winter,
• Enteisen des Außenwärme-
übertragers,
• Entfeuchten der Innenluft,
• Klimabetrieb im Sommer.
Heizen und enteisen
Das im Kompressor verdichtete und erhitzte
Kältemittelgas gibt seine Wärme
im Heizer, laut Wawzyniak „funktional
ein Kondensator“, an die Innenraumluft
ab und verflüssigt sich dabei. Anschließend
gelangt es über ein Drosselorgan
und ein Schaltventil in den an
der Fahrzeugfront montierten Außenwärmeübertrager
(„funktional ein Verdampfer“).
Nach der Drossel liegt die Kältemitteltemperatur
zirka fünf Kelvin (K)
unterhalb der Außenlufttemperatur.
„Nur deshalb kann das Kältemittel die
zum Verdampfen nötige Wärme von
der Außenluft überhaupt aufnehmen“,
erklärt der Fachmann. Nach dem Verdampfen
im Außenwärmeübertrager
gelangt das Kältemittelgas über den
Kältemittel-Akkumulator wieder in den
Kompressor – der Kältemittelkreislauf ist
damit geschlossen.
Bei hoher Luftfeuchtigkeit und gleichzeitig
niedrigen Außentemperaturen
kann jedoch der Außenwärme-übertrager
im Heizbetrieb vereisen. „Da dessen
Betriebstemperatur immer rund fünf K
unter der Außentemperatur liegt, besteht
die Vereisungsgefahr schon bei Außentemperaturen
von fünf Grad Celsius.