Effiziente CO₂-Wärmepumpe für E-Autos bei Kälte
Die Elektromobilität steht vor einer zentralen Herausforderung: Wie lässt sich bei winterlichen Temperaturen eine komfortable Innenraumtemperatur sicherstellen, ohne die Reichweite des Fahrzeugs erheblich zu beeinträchtigen? Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren verfügen Elektrofahrzeuge (EVs) über keine Abwärme, die zur Beheizung des Fahrgastraums genutzt werden könnte. Stattdessen müssen sie auf elektrische Heizelemente zurückgreifen, die direkt aus der Hochvoltbatterie gespeist werden. Die am häufigsten eingesetzte Technologie, die Positive Temperature Coefficient (PTC)-Heizung, wandelt elektrische Energie direkt in Wärme um. Dieser Prozess ist jedoch ineffizient, da der Leistungskoeffizient (Coefficient of Performance, COP) stets unter 1 liegt – das bedeutet, dass mehr elektrische Energie verbraucht wird, als Wärme erzeugt wird. In kalten Klimazonen kann der Heizbedarf einen erheblichen Teil der verfügbaren Batteriekapazität beanspruchen, was die Reichweite drastisch reduziert und die sogenannte „Reichweitenangst“ der Nutzer verstärkt.
Um dieses Problem zu lösen, setzen führende Automobilhersteller zunehmend auf Wärmepumpen-Technologie. Im Gegensatz zu direkten Heizelementen funktionieren Wärmepumpen nach dem Prinzip des Wärmetransports: Sie entziehen der Umgebungsluft, dem Fahrzeuginnenraum oder anderen Komponenten Wärme und heben diese auf ein höheres Temperaturniveau an. Dieser Prozess ist thermodynamisch effizienter und kann Leistungskoeffizienten von deutlich über 1 erreichen. Das bedeutet, dass für eine Einheit elektrischer Energie mehrere Einheiten Wärme erzeugt werden können. Die Wahl des richtigen Kältemittels ist dabei entscheidend für die Effizienz, insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen.
Hier kommt Kohlendioxid (CO₂), auch als R744 bekannt, ins Spiel. CO₂ ist ein natürliches, ungiftiges und nicht brennbares Kältemittel mit einem globalen Erwärmungspotential (GWP) von nur 1, was es zu einer äußerst umweltfreundlichen Alternative gegenüber synthetischen Kältemitteln wie R134a oder R1234yf macht, die aufgrund ihrer hohen GWP-Werte zunehmend reguliert oder verboten werden. Neben seinen ökologischen Vorteilen zeichnet sich CO₂ durch eine herausragende Leistung bei niedrigen Umgebungstemperaturen aus. Im sogenannten überkritischen Betrieb, bei dem der Druck über dem kritischen Punkt liegt, zeigt der Kältemitteltrockner (Gas Cooler) eine signifikante Temperaturgleitkurve. Im Gegensatz zum isothermen Kondensationsprozess traditioneller Kältemittel ermöglicht dies eine effizientere Wärmeübertragung an die Heizluft, was besonders im Heizbetrieb von Vorteil ist. Diese Eigenschaft macht CO₂ zu einem idealen Kandidaten für die thermische Fahrzeugklimatisierung in gemäßigten und kalten Klimazonen.
Die Forschung an CO₂-Wärmepumpen für Automobile hat eine lange Geschichte. Bereits 1993 wurde erstmals die Verwendung von CO₂ als Kältemittel für die Fahrzeugklimaanlage vorgeschlagen. Seitdem haben zahlreiche Studien die theoretischen und praktischen Aspekte dieser Technologie untersucht und eine solide Grundlage für ihre Anwendung geschaffen. Dennoch haben viele bisherige Ansätze einen entscheidenden Nachteil: Sie konzentrieren sich ausschließlich auf die Beheizung des Fahrgastraums. Die thermische Zustandsüberwachung und -regelung der Hochvoltbatterie, die für die Leistung, Lebensdauer und Sicherheit des Elektrofahrzeugs von entscheidender Bedeutung ist, wird oft vernachlässigt oder durch separate, energieintensive Systeme gelöst.
Um die Gesamtenergieeffizienz eines Elektrofahrzeugs weiter zu steigern, ist eine integrierte Betrachtung des gesamten thermischen Managements unerlässlich. Die Lithium-Ionen-Batterie ist extrem temperaturempfindlich. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen sinkt die verfügbare Kapazität erheblich. Studien zeigen, dass bei einer Entladetemperatur von -10 °C die Kapazität bei einer Entladerate von 2C um mehr als 50 % gegenüber der Nennkapazität abnehmen kann. Dies führt direkt zu einem massiven Reichweiteneinbruch. Umgekehrt beschleunigen zu hohe Temperaturen (>40 °C) die Alterung der Batteriezellen und verringern deren Lebensdauer. Daher ist es unerlässlich, die Batterie innerhalb eines optimalen Temperaturfensters – typischerweise zwischen 20 °C und 40 °C – zu halten, insbesondere beim Start in kalten Umgebungen.
Genau hier setzt die bahnbrechende Forschung von Dr. Wu Yue von der SAIC Volkswagen Automotive Company an. In einer kürzlich veröffentlichten Studie stellt sie ein neuartiges, zweistufiges CO₂-Wärmepumpensystem vor, das gleichzeitig den Fahrgastraum und die Batterie beheizen kann. Dieser integrierte Ansatz nutzt die hohe Effizienz der Wärmepumpe, um nicht nur den Komfort der Insassen zu gewährleisten, sondern auch die Batterieleistung und -lebensdauer zu optimieren, und das alles mit minimalem Energieverbrauch aus der Batterie.
Das von Dr. Wu entwickelte System basiert auf einem CO₂-Kreislauf, der zwei parallele Heizkreise umfasst. Der erste Kreislauf dient der Beheizung des Fahrgastraums. Hier wird die vom Kompressor verdichtete, heiße CO₂-Flüssigkeit durch einen Innenraumwärmetauscher geleitet, wo sie Wärme an die vom Gebläse angesaugte Luft abgibt. Der zweite Kreislauf ist für die Batterieheizung vorgesehen. Hier wird die Wärme über einen Plattenwärmetauscher an das flüssige Kühlmittel übertragen, das durch die Batteriepackung zirkuliert. Beide Wärmetauscher sind parallel geschaltet, was eine flexible Verteilung der erzeugten Wärme ermöglicht.
Ein zentrales Element des Systems sind vier elektronische Expansionsventile (EEV), die eine präzise Steuerung des Kältemittelflusses und damit der Wärmeverteilung ermöglichen. Ein EEV im Luft-Heizkreis regelt den Durchfluss zum Innenraumwärmetauscher und damit die Menge an Wärme, die für den Fahrgastraum bereitgestellt wird. Ein weiteres EEV im Hauptstrom nach der Vereinigung der beiden parallelen Stränge steuert den Gesamtdruck und die Massenstrommenge im System. Die beiden verbleibenden EEVs im Wasser-Heizkreis – eines vor und eines nach dem Plattenwärmetauscher – ermöglichen eine feine Justierung des Kühlmittelflusses zur Batterie. Diese mehrstufige Ventilanordnung ist der Schlüssel zur adaptiven Leistungsverteilung.
Um die Leistungsfähigkeit des Systems zu bewerten, führte Dr. Wu Yue umfangreiche Versuche an einem Prüfstand durch, der die realen Betriebsbedingungen eines Elektrofahrzeugs simuliert. Die Experimente konzentrierten sich auf die Analyse des Einflusses der EEV-Öffnungen und der Eintrittstemperatur des Batteriekühlmittels auf die Heizleistung und den COP des gesamten Systems.
Die Ergebnisse zu dem EEV im Luft-Heizkreis waren aufschlussreich. Mit zunehmender Öffnung des Ventils stieg zunächst die Heizleistung für den Innenraum, erreichte aber bei einer Öffnung von etwa 70 % ein Maximum und nahm dann sogar ab. Gleichzeitig sank die Gesamtleistung des Systems. Dieser Effekt ist darauf zurückzuführen, dass eine zu große Öffnung des Luft-EEVs zu viel Kältemittel in den Luftkreislauf lenkt und den Wasser-Heizkreislauf benachteiligt. Da die Wärmeübertragung im flüssigen Kühlmittel effizienter ist als in Luft, führt eine ungleiche Verteilung zu einem Nettoverlust an Gesamtwärme und damit zu einem niedrigeren COP. Die Studie empfiehlt daher, die Öffnung des Luft-EEVs auf maximal 70 % zu begrenzen, um die Gesamtleistung zu maximieren. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die Einstellung dieses Ventils den Druckabfall am nachgeschalteten Verdampfer steuern kann, was einen wichtigen Beitrag zum Schutz der Komponenten vor Überdruck leistet.
Das EEV im Hauptstrom erwies sich als entscheidend für die systemweite Effizienzoptimierung. Bei Versuchen bei einer Umgebungstemperatur von -12 °C zeigte sich, dass eine Öffnung von 30 % des Haupt-EEVs die höchste Gesamtheizleistung und den besten COP erzielte. Bei dieser Einstellung waren der Systemdruck und die Überhitzung des Kältemittels optimal eingestellt, was einen effizienten Betrieb des Kompressors und eine effektive Wärmeabgabe im Gas Cooler gewährleistete. Abweichungen von diesem optimalen Punkt führten zu einer deutlichen Verschlechterung der Leistung, was die hohe Empfindlichkeit von CO₂-Systemen gegenüber Betriebsbedingungen unterstreicht.
Die beiden EEVs im Wasser-Heizkreis bieten eine außergewöhnliche Kontrolle über die Batterieheizung. Durch die gezielte Veränderung ihrer Öffnungen kann der Fluss durch den Plattenwärmetauscher präzise geregelt werden. Die Experimente zeigten, dass die Variation der Öffnung des hinteren EEVs zwischen 30 % und 100 % es ermöglichte, den Anteil der Gesamtheizleistung, der an die Batterie abgegeben wurde, von 52 % auf 71 % zu erhöhen, während der COP von 2,1 auf 2,8 anstieg. Eine noch größere Flexibilität wurde durch die Anpassung des vorderen EEVs erreicht, wodurch der Anteil der Batterieheizung auf 77 % gesteigert und der COP auf beeindruckende 3,1 verbessert werden konnte. Diese Ergebnisse demonstrieren eindrucksvoll, dass die Doppelventil-Konfiguration eine äußerst effektive Methode zur Lastverteilung und Leistungsoptimierung darstellt.
Ein besonders wertvoller Aspekt der Studie ist die thermische Stabilität des Systems über einen weiten Bereich von Kühlmittel-Eintrittstemperaturen. Da die Batterie während des Betriebs erwärmt wird, steigt die Temperatur des Kühlmittels, das in den Plattenwärmetauscher eintritt, von anfänglich subzero-Werten auf positive Werte an. Die Versuche zeigten, dass bei einer Erhöhung der Eintrittstemperatur von -16 °C auf 0 °C die Gesamtheizleistung des Systems um weniger als 5 % und der COP um weniger als 8 % schwankte. Diese Robustheit ist für die reale Anwendung von entscheidender Bedeutung, da sie bedeutet, dass das System eine konsistente Leistung erbringt, ohne dass ständig nachjustiert werden muss. Dies vereinfacht die Integration in die Fahrzeugsoftware und erhöht die Zuverlässigkeit.
Die Implikationen dieser Forschung gehen weit über die rein technische Leistung hinaus. Durch die gleichzeitige und effiziente Beheizung von Innenraum und Batterie reduziert das zweistufige CO₂-Wärmepumpensystem den Energiebedarf erheblich. Dies übersetzt sich direkt in eine verlängerte Fahrzeugreichweite, besonders in den Wintermonaten, wo der Heizbedarf am höchsten ist. Für den Endverbraucher bedeutet dies weniger Reichweitenangst und eine höhere Zufriedenheit mit seinem Elektrofahrzeug, insbesondere in kälteren Regionen. Für die Automobilhersteller bietet diese Technologie einen klaren Wettbewerbsvorteil in Märkten, in denen thermischer Komfort und Energieeffizienz entscheidende Kaufkriterien sind.
Darüber hinaus steht die Verwendung von CO₂ im Einklang mit globalen Nachhaltigkeitszielen. Mit zunehmend strengeren Vorschriften zur Reduzierung von Kältemittellecks und dem Lebenszyklus-Ökobilanz werden CO₂-basierte Systeme zur Standardlösung in der nächsten Generation von Elektrofahrzeugen. Die Technologie gewinnt bereits in Premiummodellen von Herstellern wie Tesla, BMW und Volkswagen an Bedeutung, wo thermische Effizienz und Umweltverträglichkeit von höchster Priorität sind.
Die Arbeit von Dr. Wu Yue unterstreicht auch die Notwendigkeit eines systemischen Denkens im Fahrzeugdesign. Anstatt die Klimatisierung des Fahrgastraums und das thermische Batteriemanagement als separate Systeme zu betrachten, integriert der zweistufige Ansatz beides in ein einheitliches, intelligentes Netzwerk. Diese ganzheitliche Strategie verbessert nicht nur die Energieeffizienz, sondern reduziert auch die Anzahl der Komponenten, das Gewicht und die Komplexität – alles entscheidende Faktoren bei der Fahrzeugentwicklung und -produktion.
Zukünftig könnten die in dieser Studie demonstrierten Prinzipien erweitert werden, um zusätzliche thermische Funktionen einzubeziehen, wie die Kühlung von Elektromotoren und Leistungselektronik oder die Integration mit der Abwärmenutzung aus dem Rekuperationsbremsen. Spätere Versionen könnten prädiktive Algorithmen nutzen, die thermische Lasten basierend auf Fahrprofilen, Wettervorhersagen und der Route antizipieren, um ein proaktives thermisches Management zu ermöglichen.
Die Studie verdeutlicht auch den Bedarf an fortschrittlichen Steuerstrategien. Bei mehreren EEVs und dynamischen Lastbedingungen erfordert das System eine anspruchsvolle Software, um die Leistung in Echtzeit zu optimieren. Techniken des maschinellen Lernens und adaptive Regelung könnten eingesetzt werden, um die Ventileinstellungen kontinuierlich basierend auf historischen Daten und den aktuellen Betriebsbedingungen zu verfeinern und die Effizienz weiter zu steigern.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das zweistufige CO₂-Wärmepumpensystem, das von Dr. Wu Yue und ihrem Team bei SAIC Volkswagen entwickelt wurde, einen bedeutenden Fortschritt im Bereich des thermischen Managements von Elektrofahrzeugen darstellt. Durch die effiziente Bereitstellung von Wärme für sowohl den Fahrgastraum als auch die Batterie adressiert das System zwei der dringendsten Herausforderungen beim Betrieb von Elektrofahrzeugen bei kaltem Wetter. Seine robuste Leistung, hoher COP und Anpassungsfähigkeit machen es zu einer überzeugenden Lösung für die nächste Generation von Elektrofahrzeugen. Während sich die Automobilindustrie mit rasantem Tempo der Elektrifizierung nähert, werden Innovationen wie diese entscheidend dafür sein, dass Elektrofahrzeuge nicht nur umweltfreundlich, sondern auch praktisch, komfortabel und zuverlässig unter allen Bedingungen sind.
Study on Performance of Two-way Heating CO₂ Heat Pump System for Electric Vehicles by Wu Yue from SAIC Volkswagen Automotive Company, published in Chinese Journal of Refrigeration Technology (doi: 10.3969/j.issn.2095-4468.2024.02.204)