Herkömmliche Wärmepumpen-Klimaanlagen weisen in kalten Umgebungen eine geringe Heizeffizienz und unzureichende Heizleistung auf, was die Einsatzmöglichkeiten von Elektrofahrzeugen einschränkt. Daher wurden verschiedene Methoden zur Verbesserung der Leistung von Wärmepumpen-Klimaanlagen bei niedrigen Temperaturen entwickelt und angewendet. Durch die gezielte Erweiterung des sekundären Wärmetauschers wird bei der Kühlung der Antriebsbatterie und des Motorsystems die Restwärme zurückgewonnen, um die Heizleistung von Elektrofahrzeugen bei niedrigen Temperaturen zu verbessern. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Heizleistung der Wärmepumpen-Klimaanlage mit Abwärmenutzung im Vergleich zu herkömmlichen Wärmepumpen-Klimaanlagen deutlich gesteigert ist. Die Abwärmenutzungs-Wärmepumpe mit engerer Kopplung der einzelnen Thermomanagement-Subsysteme und einem höher integrierten Fahrzeug-Thermomanagementsystem kommt im Tesla Model Y und Volkswagen ID.4 zum Einsatz. Auch im CROZZ und anderen Modellen wurde sie bereits angewendet (siehe Abbildung rechts). Bei niedrigeren Umgebungstemperaturen und geringerer Abwärmenutzung reicht die Abwärmenutzung allein jedoch nicht aus, um den Heizleistungsbedarf in kalten Umgebungen zu decken. In diesen Fällen sind PTC-Heizelemente weiterhin erforderlich, um die fehlende Heizleistung auszugleichen. Mit der schrittweisen Verbesserung des Integrationsgrades des Wärmemanagements von Elektrofahrzeugen ist es jedoch möglich, die Abwärmenutzung durch eine angemessene Erhöhung der vom Motor erzeugten Wärme zu steigern. Dadurch werden die Heizleistung und der COP des Wärmepumpensystems erhöht und der Einsatz von … vermieden.PTC-Kühlmittelerhitzer/PTC-LufterhitzerDurch die weitere Reduzierung des Platzbedarfs des Wärmemanagementsystems wird der Heizbedarf von Elektrofahrzeugen auch bei niedrigen Temperaturen gedeckt. Neben der Rückgewinnung und Nutzung der Abwärme von Batterien und Motoren trägt auch die Rückluftnutzung zur Senkung des Energieverbrauchs des Wärmemanagementsystems bei. Forschungsergebnisse zeigen, dass durch gezielte Rückluftnutzung der Heizbedarf von Elektrofahrzeugen um 46 % bis 62 % gesenkt werden kann, ohne dass die Scheiben beschlagen oder vereist werden. Der Heizenergieverbrauch kann um bis zu 40 % reduziert werden. Denso Japan hat zudem eine entsprechende zweilagige Rückluft-/Frischluftstruktur entwickelt, die den durch die Belüftung verursachten Wärmeverlust um 30 % verringert und gleichzeitig das Beschlagen der Scheiben verhindert. Die Umweltverträglichkeit des Wärmemanagements von Elektrofahrzeugen unter extremen Bedingungen verbessert sich somit kontinuierlich und entwickelt sich in Richtung Integration und Nachhaltigkeit.
Um die Effizienz des Wärmemanagements der Batterie unter Hochleistungsbedingungen weiter zu verbessern und die Komplexität des Wärmemanagements zu reduzieren, stellt die direkte Kühlung und Heizung der Batterietemperaturregelung, bei der das Kältemittel direkt in den Batteriepack zum Wärmeaustausch geleitet wird, eine gängige technische Lösung dar. Die Konfiguration des Wärmemanagements für den direkten Wärmeaustausch zwischen Batteriepack und Kältemittel ist in der Abbildung rechts dargestellt. Die direkte Kühltechnologie kann die Wärmeaustauscheffizienz und -rate verbessern, eine gleichmäßigere Temperaturverteilung innerhalb der Batterie erzielen, den Sekundärkreislauf reduzieren und die Abwärmenutzung des Systems erhöhen, wodurch die Temperaturregelung der Batterie optimiert wird. Aufgrund des direkten Wärmeaustauschs zwischen Batterie und Kältemittel muss die Kühl- und Heizleistung jedoch durch den Betrieb des Wärmepumpensystems erhöht werden. Zum einen ist die Temperaturregelung der Batterie durch das Ein- und Ausschalten der Wärmepumpen-Klimaanlage begrenzt, was sich auf die Leistung des Kältemittelkreislaufs auswirkt. Zum anderen schränkt dies die Nutzung natürlicher Kühlquellen in den Übergangsjahreszeiten ein. Daher bedarf diese Technologie weiterer Forschung, Verbesserung und Anwendungsbewertung.
Forschungsfortschritte bei Schlüsselkomponenten
Das Thermomanagementsystem des Elektrofahrzeugs (Heizung/KlimaanlageDas Wärmepumpensystem besteht aus mehreren Komponenten, hauptsächlich elektrischen Kompressoren, elektronischen Ventilen, Wärmetauschern, verschiedenen Rohrleitungen und Flüssigkeitsbehältern. Kompressor, elektronisches Ventil und Wärmetauscher bilden dabei die Kernkomponenten. Angesichts der steigenden Nachfrage nach leichten Elektrofahrzeugen und des zunehmenden Integrationsgrades der Systeme entwickeln sich auch die Komponenten des Wärmemanagements in Elektrofahrzeugen in Richtung Leichtbau, Integration und Modularisierung. Um die Einsatzfähigkeit von Elektrofahrzeugen unter extremen Bedingungen zu verbessern, werden zudem Komponenten entwickelt und eingesetzt, die auch unter diesen Bedingungen zuverlässig funktionieren und die Anforderungen an das automobile Wärmemanagement erfüllen.
Veröffentlichungsdatum: 04.04.2023
