1. Überblick über das thermische Management im Cockpit (Klimaanlage im Automobilbereich)
Die Klimaanlage ist der Schlüssel zum Temperaturmanagement im Auto. Sowohl Fahrer als auch Passagiere wünschen sich Komfort. Die wichtigste Funktion der Klimaanlage besteht darin, durch die Regulierung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftstrom im Fahrgastraum für ein angenehmes Fahrklima zu sorgen. Gängige Klimaanlagen arbeiten nach dem Prinzip der Verdunstung und Kondensation, um die Temperatur im Fahrzeuginnenraum zu kühlen oder zu heizen. Bei niedrigen Außentemperaturen wird warme Luft in den Innenraum geleitet, damit Fahrer und Passagiere nicht frieren; bei hohen Außentemperaturen sorgt kühle Luft für ein angenehmes Klima. Daher spielt die Klimaanlage eine entscheidende Rolle für die Klimatisierung des Fahrzeugs und den Komfort der Insassen.
1.1 Klimaanlagensystem und Funktionsprinzip von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben
Da sich die Antriebssysteme von Elektrofahrzeugen und Fahrzeugen mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren unterscheiden, wird der Klimakompressor bei diesen Fahrzeugen vom Verbrennungsmotor, bei Elektrofahrzeugen hingegen vom Elektromotor angetrieben. Daher kann der Klimakompressor in Elektrofahrzeugen nicht vom Verbrennungsmotor angetrieben werden. Ein elektrischer Kompressor verdichtet das Kältemittel. Das Grundprinzip von Elektrofahrzeugen ist dasselbe wie bei Fahrzeugen mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren: Die Kühlung des Fahrgastraums erfolgt durch Kondensation zur Wärmeabgabe und Verdampfung zur Wärmeaufnahme. Der einzige Unterschied besteht darin, dass der Kompressor elektrisch betrieben wird. Aktuell kommt hauptsächlich ein Scrollverdichter zum Einsatz.
1) Halbleiterheizsystem: Halbleiterheizungen nutzen Halbleiterelemente und -anschlüsse zum Kühlen und Heizen. Das Thermoelement ist dabei die Basiskomponente. Zwei Halbleiterbauelemente bilden ein Thermoelement. Durch Anlegen von Gleichstrom entsteht an der Grenzfläche eine Wärme- und Temperaturdifferenz, die den Innenraum der Kabine erwärmt. Der Hauptvorteil der Halbleiterheizung liegt in der schnellen Erwärmung des Innenraums. Der Hauptnachteil ist der hohe Stromverbrauch. Für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben, bei denen eine hohe Reichweite wichtig ist, ist dies ein entscheidender Nachteil. Daher erfüllt diese Technologie nicht die Anforderungen an energieeffiziente Klimaanlagen in diesen Fahrzeugen. Es besteht daher ein dringender Bedarf an Forschung zu Halbleiterheizverfahren und der Entwicklung effizienter und energiesparender Methoden.
2) Positiver Temperaturkoeffizient(PTC) LufterhitzerDie Hauptkomponente eines PTC-Heizelements ist der Thermistor, der durch einen elektrischen Heizdraht erhitzt wird und elektrische Energie direkt in Wärmeenergie umwandelt. Das PTC-Luftheizsystem ersetzt den Warmluftkern herkömmlicher Fahrzeuge durch einen PTC-Heizkörper. Ein Ventilator befördert die zu erwärmende Außenluft durch den PTC-Heizkörper und leitet sie anschließend in den Innenraum. Da das System direkt Strom verbraucht, ist der Energieverbrauch von Elektrofahrzeugen im Betrieb relativ hoch.
3) PTC-Wassererwärmung:PTC-KühlmittelerhitzerÄhnlich wie die PTC-Luftheizung erzeugt auch das Kühlmittelheizsystem Wärme durch Stromverbrauch. Im Gegensatz dazu erhitzt das Kühlmittelheizsystem das Kühlmittel zunächst mit einem PTC-Thermostat auf eine bestimmte Temperatur und pumpt es dann in den Warmluftkern. Dort tauscht es Wärme mit der Umgebungsluft aus, und ein Ventilator bläst die erwärmte Luft in den Fahrgastraum, um diesen zu heizen. Anschließend wird das Kühlwasser mit einem PTC-Thermostat erhitzt und zirkuliert. Dieses Heizsystem ist zuverlässiger und sicherer als die PTC-Luftkühlung.
4) Wärmepumpen-Klimaanlage: Das Prinzip der Wärmepumpen-Klimaanlage ist dasselbe wie das der herkömmlichen Kfz-Klimaanlage, jedoch kann die Wärmepumpen-Klimaanlage die Heizung und Kühlung des Fahrgastraums gleichzeitig realisieren.
2. Überblick über das Wärmemanagement von Stromversorgungssystemen
DerBTMSDas Wärmemanagement von Fahrzeugantrieben lässt sich in das von konventionellen Verbrennungsmotoren und das von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben unterteilen. Das Wärmemanagement konventioneller Verbrennungsmotoren ist mittlerweile sehr ausgereift. Da konventionelle Fahrzeuge von einem Verbrennungsmotor angetrieben werden, liegt der Fokus des Wärmemanagements im konventionellen Automobilbau auf dessen Wärmemanagement. Dieses umfasst im Wesentlichen das Motorkühlsystem. Über 30 % der Wärme im Fahrzeugsystem müssen über den Motorkühlkreislauf abgeführt werden, um eine Überhitzung des Motors unter Volllast zu verhindern. Das Motorkühlmittel wird zudem zur Beheizung des Fahrgastraums genutzt.
Die Antriebsanlage von Fahrzeugen mit konventionellem Kraftstoff besteht aus Motor und Getriebe, während Fahrzeuge mit alternativen Antrieben aus Batterien, Elektromotoren und elektronischer Steuerung bestehen. Die Methoden des Wärmemanagements beider Fahrzeugtypen haben sich stark verändert. Die Antriebsbatterie von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben arbeitet im normalen Temperaturbereich von 25–40 °C. Daher muss das Wärmemanagement der Batterie sowohl die Wärme halten als auch die Wärme abführen. Gleichzeitig darf die Temperatur des Motors nicht zu hoch werden, da dies seine Lebensdauer beeinträchtigt. Daher sind auch für den Motor während des Betriebs geeignete Maßnahmen zur Wärmeabfuhr erforderlich.
Veröffentlichungsdatum: 09.08.2024
