Das Wesen des Wärmemanagements liegt in der Funktionsweise von Klimaanlagen: „Wärmefluss und Wärmeaustausch“.
Das Wärmemanagement von Elektrofahrzeugen entspricht dem Funktionsprinzip von Klimaanlagen. Beide nutzen den umgekehrten Carnot-Zyklus, um durch die Kompressorarbeit die Form des Kältemittels zu verändern und so Wärme zwischen Luft und Kältemittel auszutauschen, wodurch Kühlung und Heizung erreicht werden. Das Wesen des Wärmemanagements ist der Wärmefluss und -austausch. Das Wärmemanagement von Elektrofahrzeugen entspricht dem Funktionsprinzip von Klimaanlagen. Beide nutzen den umgekehrten Carnot-Zyklus, um durch die Kompressorarbeit die Form des Kältemittels zu verändern und so Wärme zwischen Luft und Kältemittel auszutauschen, wodurch Kühlung und Heizung erreicht werden. Es ist im Wesentlichen in drei Kreisläufe unterteilt: 1) Motorkreislauf: hauptsächlich zur Wärmeabfuhr; 2) Batteriekreislauf: erfordert eine hohe Temperaturregelung und benötigt sowohl Wärme als auch Kühlung; 3) Cockpitkreislauf: benötigt sowohl Wärme als auch Kühlung (entspricht der Kühlung und Heizung einer Klimaanlage). Die Funktionsweise lässt sich vereinfacht so erklären, dass sichergestellt wird, dass die Komponenten jedes Kreislaufs die optimale Betriebstemperatur erreichen. Die Modernisierung zielt darauf ab, die drei Stromkreise in Reihe und parallel zu schalten, um Kälte und Wärme optimal zu nutzen. Beispielsweise leitet die Klimaanlage eines Autos die erzeugte Kühl- bzw. Wärmeenergie in den Fahrgastraum – der sogenannte „Klimaanlagenstromkreis“ für das Wärmemanagement. Ein weiteres Beispiel für die Modernisierung: Nach der Reihen- bzw. Parallelschaltung von Klimaanlagen- und Batteriestromkreis versorgt der Klimaanlagenstromkreis den Batteriestromkreis mit Kühl- bzw. Wärmeenergie. Dies stellt eine effiziente Lösung für das Wärmemanagement dar (und spart gleichzeitig Ressourcen im Batteriestromkreis bzw. ermöglicht eine energieeffiziente Nutzung). Das Wesen des Wärmemanagements besteht darin, den Wärmefluss so zu steuern, dass die Wärme dorthin gelangt, wo sie benötigt wird. Ein optimales Wärmemanagement ist energiesparend und effizient, um den Wärmefluss und -austausch zu gewährleisten.
Die Technologie für diesen Prozess stammt aus der Klimatechnik von Kühlschränken. Die Kühlung bzw. Heizung von Klimaschränken basiert auf dem Prinzip des umgekehrten Carnot-Zyklus. Vereinfacht gesagt, wird das Kältemittel im Kompressor verdichtet und erhitzt. Anschließend durchströmt das erhitzte Kältemittel den Kondensator und gibt die Wärme an die Umgebung ab. Dabei kühlt sich das exotherme Kältemittel wieder auf Normaltemperatur ab, strömt in den Verdampfer, expandiert und kühlt weiter ab. Danach kehrt es zum Kompressor zurück, um den nächsten Zyklus zu starten und Wärme mit der Luft auszutauschen. Expansionsventil und Kompressor sind die wichtigsten Bauteile in diesem Prozess. Das Thermomanagement in Fahrzeugen basiert auf diesem Prinzip und nutzt Wärme oder Kälte aus dem Klimaanlagenkreislauf in andere Kreisläufe, um die Fahrzeugtemperatur zu regulieren.
Frühe Elektrofahrzeuge verfügen über unabhängige Thermomanagementkreisläufe und weisen eine geringe Effizienz auf. Die drei Kreisläufe (Klimaanlage, Batterie und Motor) des frühen Thermomanagementsystems arbeiteten unabhängig voneinander: Der Klimaanlagenkreis war lediglich für die Kühlung und Heizung des Fahrgastraums zuständig, der Batteriekreis ausschließlich für die Temperaturregelung der Batterie und der Motorkreis ausschließlich für die Kühlung des Motors. Dieses unabhängige Modell führt zu Problemen wie der mangelnden Unabhängigkeit der Komponenten und einer geringen Energieeffizienz. Die unmittelbarsten Auswirkungen bei Elektrofahrzeugen sind komplexe Thermomanagementkreisläufe, eine geringe Batterielebensdauer und ein erhöhtes Fahrzeuggewicht. Daher besteht der Entwicklungspfad des Thermomanagements darin, die drei Kreisläufe von Batterie, Motor und Klimaanlage so weit wie möglich miteinander interagieren zu lassen und die Interoperabilität der Komponenten und der Energieversorgung zu maximieren, um ein kleineres Bauteilvolumen, ein geringeres Gewicht und eine längere Batterielebensdauer zu erreichen.
2. Die Entwicklung des Wärmemanagements ist der Prozess der Komponentenintegration und energieeffizienten Nutzung.
Betrachtet man die Entwicklungsgeschichte des Wärmemanagements der drei Generationen von Elektrofahrzeugen, so ist das Mehrwegeventil eine notwendige Komponente für Verbesserungen des Wärmemanagements.
Die Entwicklung des Wärmemanagements ist ein Prozess der Komponentenintegration und der Steigerung der Energieeffizienz. Der obige Vergleich zeigt, dass frühere Wärmemanagementsysteme im Vergleich zu den aktuell fortschrittlichsten Systemen vor allem durch eine stärkere Synergie zwischen den Schaltkreisen aufwarteten, um die gemeinsame Nutzung von Komponenten und die gegenseitige Energienutzung zu ermöglichen. Wir betrachten die Entwicklung des Wärmemanagements aus Investorensicht. Es ist nicht notwendig, die Funktionsprinzipien aller Komponenten zu verstehen, aber ein klares Verständnis der Funktionsweise der einzelnen Schaltkreise und der Entwicklungsgeschichte von Wärmemanagementschaltungen ermöglicht es uns, die zukünftige Entwicklungsrichtung von Wärmemanagementschaltungen und die damit einhergehenden Wertveränderungen der Komponenten besser vorherzusagen. Daher geben wir im Folgenden einen kurzen Überblick über die Entwicklungsgeschichte von Wärmemanagementsystemen, um gemeinsam zukünftige Investitionsmöglichkeiten zu identifizieren.
Das Wärmemanagement von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben besteht üblicherweise aus drei Kreisläufen. 1) Klimaanlagenkreis: Dieser funktionale Kreislauf ist gleichzeitig derjenige mit dem höchsten Wert im Wärmemanagement. Seine Hauptfunktion ist die Regulierung der Kabinentemperatur und die Koordination mit anderen parallel geschalteten Kreisläufen. Er liefert üblicherweise Wärme nach dem PTC-Prinzip.PTC-Kühlmittelvorwärmer/PTC-Lufterhitzer) oder Wärmepumpe und sorgt für Kühlung nach dem Prinzip der Klimaanlage; 2) Batteriekreislauf: Er dient hauptsächlich der Regelung der Betriebstemperatur der Batterie, um deren optimale Betriebstemperatur zu gewährleisten. Daher benötigt dieser Kreislauf je nach Situation gleichzeitig Wärme und Kühlung; 3) Motorkreislauf: Der Motor erzeugt im Betrieb Wärme und weist einen breiten Betriebstemperaturbereich auf. Dieser Kreislauf benötigt daher nur die erforderliche Kühlung. Wir beobachten die Entwicklung der Systemintegration und -effizienz durch den Vergleich der Änderungen im Wärmemanagement der wichtigsten Tesla-Modelle, Model S und Model Y. Insgesamt: Wärmemanagementsystem der ersten Generation: Die Batterie ist luft- oder flüssigkeitsgekühlt, die Klimaanlage wird mittels PTC beheizt und das elektrische Antriebssystem ist flüssigkeitsgekühlt. Die drei Kreisläufe sind im Wesentlichen parallel geschaltet und arbeiten unabhängig voneinander; Wärmemanagementsystem der zweiten Generation: Flüssigkeitskühlung der Batterie, PTC-Heizung, Flüssigkeitskühlung der elektrischen Motorsteuerung, Nutzung der Abwärme des Elektromotors, vertiefte Reihenschaltung der Systeme, Integration der Komponenten; Thermisches Managementsystem der dritten Generation: Wärmepumpen-Klimaanlagenheizung, Motorblockierheizung. Die Anwendung dieser Technologie intensiviert sich, die Systeme sind in Reihe geschaltet, und die Schaltung ist komplexer und hochintegriert. Wir sind überzeugt, dass die Entwicklung des thermischen Managements für Elektrofahrzeuge im Wesentlichen darauf basiert, auf der Wärmefluss- und Wärmeaustauschtechnologie aufzubauen, um 1) thermische Schäden zu vermeiden, 2) die Energieeffizienz zu verbessern und 3) durch die Wiederverwendung von Bauteilen Volumen und Gewicht zu reduzieren.
Veröffentlichungsdatum: 12. Mai 2023
