Abwärme aus E-Motoren steigert Heizleistung
In der Welt der Elektromobilität gilt die Effizienz im Winter nach wie vor als eine der größten Herausforderungen. Während der Fahrt in kalten Klimazonen sinkt die Reichweite von Elektrofahrzeugen oft drastisch, nicht zuletzt aufgrund des erhöhten Energiebedarfs für die Kabinenheizung. Gleichzeitig leidet die Leistungsfähigkeit der Batterie unter niedrigen Temperaturen, was den Druck auf das thermische Management erhöht. Um diese Probleme systematisch anzugehen, haben Forscher der Beijing Jiaotong University eine umfassende Studie zur Nutzung der Abwärme des elektrischen Antriebsstrangs veröffentlicht. Die Ergebnisse, die im Chinese Journal of Automotive Engineering erschienen sind, zeigen, dass die gezielte Rückgewinnung von Motorwärme die Heizleistung erheblich steigern kann – ohne die Gesamteffizienz des Fahrzeugs wesentlich zu beeinträchtigen.
Die Studie wurde von He Jiawen, Zhang Xin, Li Xinlin und Feng Shuo vom College of Mechanical, Electronic and Control Engineering der Beijing Jiaotong University geleitet. Ihr Ansatz basiert auf der Integration der Abwärme des E-Motors und des Leistungselektronik-Controllers in das Wärmemanagementsystem des Fahrzeugs. In herkömmlichen Elektrofahrzeugen wird diese Wärme über Kühlkreisläufe abgeführt und geht dabei verloren. Die Forschergruppe hat nun nachgewiesen, dass diese Energie gezielt zurückgewonnen und zur Beheizung der Fahrgastzelle genutzt werden kann – ein Paradigmenwechsel, der die Energiebilanz signifikant verbessern könnte.
Zentraler Bestandteil der Studie ist ein detailliertes Simulationsmodell, das mit der Software AMESim entwickelt wurde. Dieses Modell kombiniert das Wärmepumpensystem der Klimaanlage mit dem thermischen Management des Elektroantriebs. Es ermöglicht die Analyse komplexer Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Komponenten unter realitätsnahen Fahrbedingungen. Die Simulation berücksichtigt Parameter wie Fahrzeuggeschwindigkeit, Umgebungstemperatur, Luftstrom und Kompressordrehzahl, um die Leistung des Gesamtsystems präzise zu bewerten.
Ein zentrales Ergebnis der Arbeit ist die Quantifizierung der Abwärme, die während des Betriebs des Antriebs entsteht. Bei einer Geschwindigkeit von 60 km/h erzeugt der Motor selbst bis zu 1 402 Watt Wärme, während der Motorcontroller weitere 427 Watt beisteuert. Diese Zahlen verdeutlichen das immense Potenzial, das in der bisher ungenutzten Abwärme steckt – insbesondere bei mittleren bis hohen Geschwindigkeiten, wo die Verlustleistung am höchsten ist. Die Forscher zeigen, dass die Rückgewinnung dieser Wärme nicht nur die Heizleistung erhöht, sondern auch die Belastung der Batterie verringert, was sich direkt positiv auf die Reichweite auswirkt.
Die Studie beleuchtet zwei wesentliche Aspekte der Abwärmeverwertung: die Verteilung des Kältemittels und die Architektur des Wärmemanagementsystems. Bei der Kältemittelverteilung geht es darum, wie viel des Kältemittelsstroms zur Rückgewinnung der Motorwärme und wie viel zur Aufnahme von Umgebungswärme über den Außentauscher geleitet wird. Die Forscher haben herausgefunden, dass diese Verteilung entscheidend für die Gesamtleistung ist.
Bei niedrigen Geschwindigkeiten, beispielsweise 20 km/h, ergibt sich ein optimales Verhältnis, wenn etwa 80 % des Kältemittels zur Motorseite geleitet werden. Unter diesen Bedingungen steigt die vom System insgesamt aufgenommene Wärme um 58,69 %, und die Heizleistung der Kabine erhöht sich um 71,36 % im Vergleich zu einem System ohne Abwärmeverwertung. Der Leistungskoeffizient (COP) sinkt dabei leicht, was jedoch durch die deutlich höhere Heizleistung mehr als kompensiert wird. Dies zeigt, dass in städtischen Fahrprofilen mit häufigen Stopps und niedrigen Durchschnittsgeschwindigkeiten die Abwärme des Motors eine besonders wertvolle Energiequelle darstellt.
Bei höheren Geschwindigkeiten, konkret 60 km/h, wird der Effekt noch stärker. Wenn das gesamte Kältemittel zur Rückgewinnung der Motorabwärme genutzt wird (100 % Verteilung), steigt die vom System aufgenommene Gesamtwärme um beeindruckende 100,57 %. Die Heizleistung der Kabine erhöht sich um 100,37 %. Obwohl der COP um 5,26 % sinkt, ist der Gewinn an Heizenergie so groß, dass er für die Fahrgäste einen entscheidenden Vorteil darstellt – schnelleres Aufheizen der Kabine bei gleichzeitiger Entlastung der Batterie.
Diese Erkenntnisse unterstreichen die Notwendigkeit intelligenter Regelungsstrategien. Statt fester Verteilungsverhältnisse sollten zukünftige Systeme dynamisch auf die jeweiligen Fahrbedingungen reagieren. Ein solches adaptives System könnte basierend auf Geschwindigkeit, Außentemperatur und Heizbedarf automatisch entscheiden, wie viel Kältemittel zur Motorrückgewinnung und wie viel zur Umgebungswärmeaufnahme geleitet wird. Dies würde die Energieeffizienz über den gesamten Einsatzbereich optimieren und gleichzeitig den Komfort maximieren.
Neben der Kältemittelverteilung untersuchten die Forscher auch die Auswirkungen der Systemarchitektur. Sie verglichen zwei grundlegende Konfigurationen: eine parallele und eine serielle Anordnung der Wärmetauscher. In der parallelen Architektur fließt das Kältemittel nach dem Expansionsventil in zwei getrennte, gleichzeitige Stränge – einer zum Außentauscher, der andere zum Plattenwärmetauscher für die Motorrückgewinnung. In der seriellen Architektur durchläuft das Kältemittel zuerst den Außentauscher und dann den Motorwärmetauscher.
Die Ergebnisse sind eindeutig: Die parallele Architektur übertrifft die serielle in Bezug auf die Heizleistung deutlich. Bei 20 km/h liefert das parallele System 23,42 % mehr Heizleistung an die Kabine. Bei 60 km/h beträgt dieser Vorteil sogar 27,23 %. Der Grund liegt in der thermodynamischen Effizienz. In der seriellen Anordnung erwärmt sich das Kältemittel bereits im Außentauscher, wodurch die Temperaturdifferenz zum Motorwärmetauscher verringert wird. Da die Wärmeübertragung von dieser Differenz abhängt, wird die Effizienz der Abwärmeverwertung reduziert.
Noch gravierender ist der Effekt bei höheren Geschwindigkeiten. Wenn das Kältemittel durch die Rückgewinnung großer Mengen an Motorwärme bereits sehr warm ist, kann seine Temperatur höher liegen als die Umgebungsluft. In diesem Fall würde der Durchlauf durch den Außentauscher nicht zur Wärmeaufnahme, sondern zu einer unerwünschten Wärmeabgabe führen – ein klarer Verlust für das System. Die parallele Architektur vermeidet dieses Problem, indem sie es ermöglicht, den Außentauscher bei Bedarf zu umgehen. Dies führt zu höheren Saugtemperaturen am Kompressor, was dessen Leistung verbessert und die Gesamtheizleistung erhöht.
Interessanterweise verbraucht das parallele System aufgrund höherer Kältemittelmassenströme mehr elektrische Leistung am Kompressor. Der Anstieg der Heizleistung ist jedoch überproportional, sodass der Leistungskoeffizient (COP) trotzdem konkurrenzfähig bleibt. Bei 20 km/h liegt der COP des parallelen Systems bei 1,97 gegenüber 2,07 im seriellen System – ein moderater Rückgang im Austausch für einen deutlichen Leistungszuwachs. Bei 60 km/h ist der Unterschied im COP vernachlässigbar (2,29 vs. 2,27), während der Leistungsvorteil des parallelen Systems bei fast 27 % liegt. Dies legt nahe, dass in der Praxis, insbesondere in kalten Regionen, die höhere Heizleistung oft wichtiger ist als minimale Unterschiede in der Effizienz.
Die praktischen Implikationen dieser Forschung sind weitreichend. Für Automobilhersteller, die sich an strengere Energieeffizienzstandards halten und gleichzeitig den Komfort ihrer Kunden verbessern müssen, stellt die Integration fortschrittlicher Wärmemanagementsysteme einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil dar. Die Rückgewinnung von Abwärme verbessert nicht nur die Kabinenheizung, sondern trägt auch direkt zur Erhöhung der Reichweite bei – ein entscheidender Faktor bei der Kaufentscheidung für Elektrofahrzeuge.
Darüber hinaus trägt diese Technologie zu den übergeordneten Zielen der Nachhaltigkeit bei. Indem die Notwendigkeit für elektrische Zusatzheizungen wie PTC-Heizelemente reduziert wird – die mit einem Wirkungsgrad von unter eins arbeiten – können Fahrzeuge effizienter betrieben und ihre CO₂-Bilanz verbessert werden. Wärmepumpen, besonders wenn sie durch Abwärmeverwertung unterstützt werden, erreichen COP-Werte von über drei, was bedeutet, dass sie drei Einheiten Wärme pro eingesetzter Einheit elektrischer Energie liefern.
Die Studie unterstreicht auch die Bedeutung eines systemischen Ansatzes im Fahrzeugdesign. Traditionell wurden Komponenten wie Motor, Leistungselektronik und Klimaanlage weitgehend unabhängig entwickelt. Diese Forschung zeigt jedoch, dass eine synergetische Integration erhebliche Leistungssteigerungen ermöglicht. Indem das gesamte Fahrzeug als ein vernetztes Energienetz betrachtet wird, können Ingenieure Möglichkeiten identifizieren, Energieströme zu nutzen, die bisher als Abfall betrachtet wurden.
Der Blick in die Zukunft zeigt, dass die nächste Generation von Elektrofahrzeugen noch raffiniertere Strategien der thermischen Integration nutzen wird. Die Kombination der Motorabwärmeverwertung mit dem Batteriethermalmanagement könnte beispielsweise eine gleichzeitige Kabinenheizung und eine Batterievorkonditionierung ermöglichen – eine Funktion, die besonders beim Schnellladen bei kalten Temperaturen von Vorteil ist. Außerdem könnten alternative Kältemittel mit besserer Leistung bei tiefen Temperaturen, wie CO₂ (R744), die Effektivität von Wärmepumpensystemen in extremen Klimazonen weiter steigern.
Die Arbeit von He Jiawen und seinen Kollegen liefert eine solide wissenschaftliche Grundlage für diese Fortschritte. Ihr rigoroser Ansatz, der Simulationen mit experimentellen Daten aus Prüfstandsversuchen validiert, stellt sicher, dass die Ergebnisse nicht nur theoretisch fundiert, sondern auch praktisch relevant sind. Die Tatsache, dass die Simulationsresultate die realen Messwerte mit einem Fehler von unter 7 % genau abbilden, verleiht ihren Empfehlungen Glaubwürdigkeit und erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Umsetzung in der Praxis.
Während die globale Automobilindustrie weiter in Richtung Elektrifizierung voranschreitet, werden Herausforderungen im Bereich der Energieeffizienz und des Wärmemanagements weiter an Bedeutung gewinnen. Diese Studie ist ein klares Beispiel dafür, wie innovative Ingenieurskunst eine Schwäche – Abwärme – in eine Stärke verwandeln kann. Indem man neu über den Energiefluss im Fahrzeug nachdenkt, können Systeme entwickelt werden, die nicht nur effizienter, sondern auch komfortabler und nachhaltiger sind.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Integration der Abwärmeverwertung des Elektroantriebs in das Wärmemanagementsystem einen bedeutenden Schritt darstellt, um eine der Hauptbarrieren für die breite Akzeptanz von Elektrofahrzeugen zu überwinden: die Reichweitenangst im Winter. Durch die gezielte Optimierung der Kältemittelverteilung und der Systemarchitektur ist es möglich, die Heizleistung der Kabine erheblich zu steigern, ohne dabei die Energieeffizienz grundlegend zu beeinträchtigen. Die parallele Architektur erweist sich dabei als die überlegene Lösung, die eine höhere Heizleistung über verschiedene Fahrbedingungen hinweg bietet.
Diese Forschung trägt nicht nur zur Weiterentwicklung der Automobiltechnik bei, sondern ist auch ein Paradebeispiel für das interdisziplinäre, systemorientierte Denken, das für die Lösung komplexer ingenieurtechnischer Probleme erforderlich ist. Während die Elektrifizierung des Verkehrs weiter voranschreitet, werden Studien wie diese eine entscheidende Rolle dabei spielen, die nächste Generation von leistungsstarken, energieeffizienten Elektrofahrzeugen zu gestalten.
Abwärme aus E-Motoren steigert Heizleistung
He Jiawen, Zhang Xin, Li Xinlin, Feng Shuo, College of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University
Chinese Journal of Automotive Engineering, DOI: 10.3969/j.issn.2095‒1469.2024.05.11