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11.07.2014 | Fahrzeugtechnik | Im Fokus | Onlineartikel

Mehr Reichweite dank effizienter Klimatisierung

Autor:
Andreas Burkert

Behaglichkeit kostet Reichweite. Damit Fahrer von Elektroautomobilen künftig weder schwitzen noch frieren, um ans Ziel zu kommen, optimieren Klimaexperten das Thermomanagement ausgesuchter Komponenten im Fahrzeug.

Bloß keine Energie verheizen. Infrarotreflektierende Scheiben sowie aktive Maßnahmen wie Wärmepumpe und Abwärme der Heckentlüftung sollen die Reichweite moderner Elektrofahrzeuge erhöhen. Im Winter kann ein E-Auto dadurch bis zu 30 Prozent weiter fahren, schreiben die Springer-Autoren Gerrit Suck und Carsten Spengler. Sie haben am aktuellen BMW i3 verschiedene passive und aktive Maßnahmen im Bereich der Klimatisierung untersucht und die Ergebnisse soeben in der Zeitschrift ATZ veröffentlicht. "Aufgrund der geringeren Energie im Hochvoltspeicher muss die Effizienz des Gesamtsystems sehr hoch sein. Diese hohe Effizienz führt dazu, dass im Betrieb bei einem Elektrofahrzeug deutlich weniger Abwärme als bei einem verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeug anfällt", erklären die Autoren in "Lösungen für das Wärmemanagement von Batteriefahrzeugen" die Herausforderung an die Klimatisierung.

Konkret betonen sie: "Geht man davon aus, dass ein Drittel der chemisch gebundenen Energie im Kraftstoff in Vortrieb umgesetzt wird, bedeutet das eine Abwärmemenge bei einem Kraftstoffvolumen von 50 Litern von mehr als 300 kWh. Bei einem angenommenen Wirkungsgrad eines Elektrofahrzeugs von 90 Prozent bei einer nutzbaren Kapazität von 20 kWh liegt die Abwärmemenge bei lediglich 2 kWh." Darüber hinaus liegen die Temperaturniveaus bei einem Elektrofahrzeug deutlich niedriger als bei einem konventionellen Automobil. "Bei konventionellen Fahrzeugen treten im motornahen Bereich Temperaturen von bis zu 1000 °C, bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen bis zu 90 °C auf." Wenig Potenzial für behagliches Fahren, und kaum noch die Möglichkeit, herkömmliche Klimasysteme zu nutzen.

Energieeffiziente Klimatisierung für Elektrofahrzeuge

Der Verbrauch zum Heizen (bis zu 5 kW) und Klimatisieren (bis zu 5,5 kW) kann abhängig vom Anwendungsfall in der Größenordnung wie der für den Vortrieb liegen. "Das führt dazu, dass sich die Reichweite in Abhängigkeit von der Außentemperatur deutlich reduzieren kann", wissen Suck und Spengler und beschreiben passive wie auch und aktive Maßnahmen. Dabei haben die passiven Maßnahmen den Vorteil gegenüber den aktiven Maßnahmen, dass keine Energie zur Erzielung des gewünschten Effekts aufgewendet werden muss. "Bei aktiven Maßnahmen muss der Nutzen des geringeren Energiebedarfs für das Thermomanagement 4021024 dem energetischen Aufwand der aktiven Maßnahmen gegenübergestellt werden."

Passive und aktive Maßnahmen zur Optimierung der Klimatisierung von E-Fahrzeugen

Passive Maßnahmen:

  • Infrarotreflektierende Scheiben
  • Thermische Dämmung der Karosserieflächen
  • Thermische Dämmung der Hochvoltbatterie

Aktive Maßnahmen:

  • Wärmepumpe
  • Infrarot-Heizflächen
  • Nutzung der Abwärme von der Heckentlüftung
  • Verdampfer-Bypass
  • Heizen des HV-Speichers

Die im Beitrag im Detail beschriebenen Maßnahmen und erzielten Einsparungen verdeutlichen die Notwendigkeit einer auf Energieeffizienz getrimmten Klimatisierung für Elektroautomobile. Neben der Energie für den Vortrieb ist nämlich die Energie für das Heizen und Kühlen des Fahrzeuginnenraums, in Abhängigkeit der Außentemperaturen, bestimmend. Den Autoren zufolge bietet sich dort "auch das größte Potenzial für Verbrauchsreduktionen". Allerdings gilt die Notwendigkeit auch für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor.

Chancen eines luftgekühlten Kondensators für den Klimaanlagen-Kreislauf

Insbesondere vor dem Hintergrund strikter CO2-Vorgaben stehen die Automobilentwickler in der Pflicht, auch dort die Klimatechnik auf Effizienz zu trimmen. Eine Möglichkeit zeigen François Charbonnelle, Philipe Jouanny, Samer Saab und Bertrand Gessier in "Wassergekühlte Kondensation für effizientes Energiemanagement" am ganzheitlichen Ansatz "Thermal Smart Grid" von Valeo auf. Der luftgekühlte Kondensator des Klimaanlagen-Kreislaufs wird dabei durch ein wassergekühltes System ersetzt.

Ein solcher wassergekühlter Kondensator könnte bei entsprechender Anpassung eines Niedertemperatur-Kühlmittel-Kühlers (NT) in den NT-Kreislauf des wassergekühlten Ladeluftkühlers integriert werden. Die Autoren sehen den wassergekühlte Kondensator (WK-KDS) für Klimaanlagen mit der Verknüpfung über den Niedertemperatur-Kreislauf als einen weiteren Schritt auf dem Weg zum ganzheitlichen thermischen Energiemanagement. "Dieser Ansatz ist gerade auch für komplexere Antriebsstränge wie zum Beispiel Hybridantriebe von Interesse. Hier bietet sich eine neue Möglichkeit, den Niedertemperatur-Kreislauf auch für die thermische Regelung von E-Motoren, DC/DC-Konvertern und Energiespeichern auszunutzen."

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