1. Anforderungen an das Wärmemanagement von Elektrofahrzeugen (Heizung/Klimaanlage)
Der Fahrgastraum ist der Raum, in dem sich der Fahrer während der Fahrt aufhält. Um ein komfortables Fahrumfeld zu gewährleisten, muss das Thermomanagement des Fahrgastraums Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Zulufttemperatur im Fahrzeuginnenraum regeln. Die Anforderungen an das Thermomanagement des Fahrgastraums unter verschiedenen Bedingungen sind in Tabelle 1 dargestellt.
Die Temperaturregelung der Antriebsbatterie ist eine wichtige Voraussetzung für den effizienten und sicheren Betrieb von Elektrofahrzeugen. Zu hohe Temperaturen können zu Flüssigkeitsaustritt und Selbstentzündung führen und somit die Fahrsicherheit beeinträchtigen; zu niedrige Temperaturen hingegen reduzieren die Lade- und Entladekapazität der Batterie. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte und ihres geringen Gewichts sind Lithium-Ionen-Batterien die am weitesten verbreiteten Antriebsbatterien für Elektrofahrzeuge. Die Anforderungen an die Temperaturregelung von Lithium-Ionen-Batterien und die anhand der Fachliteratur ermittelte Wärmebelastung der Batterie unter verschiedenen Bedingungen sind in Tabelle 2 dargestellt. Mit der stetig steigenden Energiedichte von Antriebsbatterien, der Erweiterung des Betriebstemperaturbereichs und der Zunahme von Schnellladegeschwindigkeiten gewinnt die Temperaturregelung der Antriebsbatterie im Wärmemanagementsystem zunehmend an Bedeutung, um nicht nur unterschiedlichen Fahrbedingungen und Lade- und Entlademodi gerecht zu werden. Die Temperaturregelung muss sich an die sich ändernden Betriebsbedingungen des Fahrzeugs anpassen. Dabei müssen die Gleichmäßigkeit des Temperaturfelds zwischen den Akkus sowie die Verhinderung und Kontrolle eines thermischen Durchgehens unter verschiedenen Umgebungsbedingungen wie extremer Kälte, hoher Hitze und hoher Luftfeuchtigkeit sowie heißen Sommern und kalten Wintern gewährleistet sein.
2. Die erste Stufe der PTC-Erwärmung
In der Anfangsphase der Industrialisierung von Elektrofahrzeugen basiert die Kerntechnologie im Wesentlichen auf dem Ersatz von Batterien, Motoren und anderen Antriebssystemen durch schrittweise Verbesserungen. Die Klimaanlagen von reinen Elektrofahrzeugen und von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor realisieren die Kühlfunktion beide durch den Dampfkompressionszyklus. Der Unterschied besteht darin, dass der Klimaanlagenkompressor von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor indirekt über einen Riemen vom Motor angetrieben wird, während der Kompressor im reinen Elektrofahrzeug den Kühlkreislauf direkt elektrisch antreibt. Beim Heizen von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor im Winter wird die Abwärme des Motors direkt zur Beheizung des Fahrgastraums genutzt, ohne dass eine zusätzliche Wärmequelle erforderlich ist. Die Abwärme des Motors von reinen Elektrofahrzeugen reicht jedoch nicht aus, um den Bedarf an Winterheizung zu decken. Daher stellt die Winterheizung ein Problem dar, das bei reinen Elektrofahrzeugen gelöst werden muss. Ein PTC-Heizelement (Positive Temperature Coefficient) besteht aus einem PTC-Keramikheizelement und einem Aluminiumrohr.PTC-Kühlmittelheizung/PTC-Lufterhitzer), das die Vorteile eines geringen Wärmewiderstands und einer hohen Wärmeübertragungseffizienz aufweist und in der Karosseriebasis von Verbrennungsmotoren eingesetzt wird. Daher verwendeten frühe Elektrofahrzeuge eine Dampfkompressionskältemaschine in Kombination mit einer PTC-Heizung, um das Wärmemanagement des Fahrgastraums zu erreichen.
2.1 Anwendung der Wärmepumpentechnologie in der zweiten Phase
Im praktischen Einsatz weisen Elektrofahrzeuge im Winter einen hohen Heizenergiebedarf auf. Thermodynamisch betrachtet liegt der COP von PTC-Heizungen stets unter 1, was zu einem hohen Energieverbrauch und einer geringen Energieausnutzung führt und die Reichweite von Elektrofahrzeugen erheblich einschränkt. Die Wärmepumpentechnologie nutzt den Dampfkompressionszyklus, um Niedertemperaturwärme aus der Umgebung zu gewinnen. Der theoretische COP im Heizbetrieb liegt über 1. Daher kann der Einsatz eines Wärmepumpensystems anstelle von PTC die Reichweite von Elektrofahrzeugen im Heizbetrieb erhöhen. Mit der stetigen Verbesserung der Kapazität und Leistung der Antriebsbatterie steigt auch deren thermische Belastung im Betrieb. Die herkömmliche Luftkühlung reicht für die Temperaturregelung der Antriebsbatterie nicht aus. Daher hat sich die Flüssigkeitskühlung als Hauptmethode zur Batterietemperaturregelung etabliert. Da die vom menschlichen Körper benötigte Komforttemperatur der Betriebstemperatur der Antriebsbatterie ähnelt, können die Kühlanforderungen des Fahrgastraums und der Antriebsbatterie durch Parallelschaltung von Wärmetauschern im Fahrgastraum-Wärmepumpensystem erfüllt werden. Die Wärme der Antriebsbatterie wird indirekt über den Wärmetauscher und die Sekundärkühlung abgeführt, wodurch der Integrationsgrad des Wärmemanagementsystems des Elektrofahrzeugs verbessert wurde. Trotz dieser Verbesserung umfasst das Wärmemanagementsystem derzeit lediglich die Kühlung der Batterie und des Fahrgastraums, und die Abwärme von Batterie und Motor wird nicht effektiv genutzt.
Veröffentlichungsdatum: 04.04.2023
