Intelligente Wärmestrategie für Reichweiten-Elektrofahrzeuge
Die Heizung im Winter ist eine der größten Herausforderungen für die Elektromobilität. Während Verbrennungsmotoren als Nebenprodukt ihrer Arbeit reichlich Abwärme erzeugen, die problemlos zur Kabinenerwärmung genutzt werden kann, steht bei reinen Elektrofahrzeugen (BEV) nur die Energie aus der Batterie zur Verfügung. Die direkte Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme durch elektrische Heizpatronen (PTC) ist zwar einfach und zuverlässig, aber äußerst ineffizient, da sie einen Wirkungsgrad von maximal 100 % erreicht – jedes Watt an Wärme kostet ein Watt an elektrischer Energie. Dieser hohe Energieverbrauch kann die nutzbare Reichweite eines Elektrofahrzeugs in kalten Klimazonen um bis zu einem Drittel reduzieren, was als eine der Hauptursachen für die sogenannte „Reichweitenangst“ gilt.
Ein Forschungsteam der Chongqing University of Technology und des Technologiezentrums von Ningbo Shenglong (Group) Co., Ltd. hat nun eine bahnbrechende Lösung vorgestellt, die speziell für die einzigartige Architektur von Reichweiten-Elektrofahrzeugen (EREV) konzipiert ist. Diese Fahrzeuge kombinieren einen rein elektrischen Antriebsstrang mit einem kleinen Verbrennungsmotor, der ausschließlich als Generator dient, um die Batterie aufzuladen. Diese Hybridstruktur bietet eine entscheidende Vorteil: Sie verfügt über mehrere potenzielle Wärmequellen, die intelligent kombiniert werden können, um die Heizenergie aus der Batterie auf ein absolutes Minimum zu reduzieren.
Die von Dr. Yong Luo und seinen Kollegen entwickelte und in einer kürzlich veröffentlichten Studie detailliert beschriebene Lösung ist ein integriertes Wärmemanagementsystem, das vier verschiedene Wärmequellen nutzt: Abwärme des Verbrennungsmotors, Abwärme des elektrischen Antriebssystems (Motor, Generator, Leistungselektronik), eine Wärmepumpe, die Wärme aus der Außenluft entzieht, und als letzte Option eine elektrische PTC-Heizung. Das Geniale an diesem Ansatz ist nicht die Erfindung neuer Technologien, sondern die intelligente Vernetzung und Steuerung bestehender Systeme, um eine optimale Energieeffizienz zu erreichen.
Das Herzstück des Systems ist eine mehrstufige Steuerungsstrategie, die den Betriebsmodus basierend auf den realen Bedingungen dynamisch wechselt. Die Prioritäten sind klar definiert: Wenn der Verbrennungsmotor läuft und seine Kühlflüssigkeit eine ausreichend hohe Temperatur erreicht hat (typischerweise über 80 °C), wird die Heizung ausschließlich durch die Abwärme des Motors gespeist. Dieser Modus ist der effizienteste, da er kostenlose Energie nutzt, die ohnehin erzeugt wird. Es wird kein zusätzlicher elektrischer Strom benötigt, abgesehen von dem für die Heizungslüfter und Pumpen. Die effektive Leistungszahl (COP – Coefficient of Performance) dieses Systems liegt theoretisch im unendlichen Bereich, da keine primäre elektrische Energie für die Wärmeerzeugung verbraucht wird.
Sollte der Motor nicht laufen – zum Beispiel in der reinen Elektrofahrtphase, wenn die Batterie noch geladen ist – oder noch nicht warm sein, greift das System auf die zweitbeste Quelle zurück: die Abwärme des elektrischen Antriebssystems. Komponenten wie der Fahrmotor, der Generator und die Leistungselektronik erzeugen während des Betriebs ebenfalls erhebliche Wärmemengen. Die Forscher haben ein spezielles Wärmepumpensystem konzipiert, das diese niedriggradige Wärme aus dem Kühlmittel des elektrischen Antriebs (bei etwa 30 °C) aufnimmt und durch einen Verdichtungsprozess auf eine für die Kabinenerwärmung nutzbare Temperatur anhebt. Dieser „Abwärme-Wärmepumpen-Modus“ erreicht eine deutlich höhere Leistungszahl als eine direkte elektrische Heizung, typischerweise zwischen 2 und 4, was bedeutet, dass für jedes verbrauchte Watt elektrischer Energie zwei bis vier Watt an Wärme erzeugt werden.
In Situationen, in denen weder der Motor noch das elektrische Antriebssystem ausreichend warm sind – beispielsweise nach einem Kaltstart –, wird die Wärme aus der Umgebungsluft genutzt. Eine herkömmliche Luft-Wasser-Wärmepumpe entzieht der kalten Außenluft Wärme und überträgt sie in den Innenraum. Diese Technologie ist bei moderaten Winterbedingungen (etwa über -10 °C) sehr effizient, da die Temperaturdifferenz zwischen der Außenluft und dem gewünschten Innenraumtemperaturniveau noch günstig ist. Die Leistungszahl bleibt hier hoch, was den Energieverbrauch erheblich senkt.
Erst wenn die Umgebungstemperatur unter einen kritischen Schwellenwert fällt – die Simulationen der Forscher identifizierten diesen Punkt bei -10 °C –, wird die PTC-Heizung aktiviert. Bei extremen Minustemperaturen sinkt die Effizienz einer Luftwärmepumpe dramatisch, da die verfügbare Wärmeenergie in der Luft sehr gering ist und der physikalische Prozess des Wärmetransports zunehmend ineffizient wird. In diesem Fall ist die direkte elektrische Heizung, trotz ihres niedrigen Wirkungsgrads, die zuverlässigste und schnellste Möglichkeit, die Kabine zu erwärmen. Der entscheidende Punkt der Strategie von Luo und seinem Team ist, dass die PTC-Heizung nur als letzte Instanz verwendet wird, was den Gesamtenergieverbrauch massiv reduziert.
Um die Wirksamkeit dieser komplexen Strategie zu beweisen, haben die Forscher ein detailliertes Simulationsmodell des gesamten Fahrzeugs erstellt. Sie nutzten die Software AMESim, um die physikalischen Systeme – den Verbrennungsmotor, die Batterie, die elektrischen Maschinen und das komplexe, mehrkreisige Wärmemanagementsystem mit seinen Ventilen, Pumpen, Wärmetauschern und Kühlflüssigkeitsströmen – realistisch abzubilden. Dieses Modell wurde mit einem Steuerungsalgorithmus in Simulink gekoppelt, der die Entscheidungslogik für den Moduswechsel implementiert. Diese Art der „Joint Simulation“ ermöglicht es, das Zusammenspiel von Hardware und Software unter realistischen Bedingungen zu testen, ohne kostspielige Prototypen bauen zu müssen.
Die Simulationen wurden unter verschiedenen Umgebungsbedingungen durchgeführt, insbesondere bei Temperaturen von -20 °C, -10 °C und 0 °C, und basierten auf dem NEDC-Fahrzyklus (New European Driving Cycle). Die Ergebnisse waren beeindruckend. Die integrierte Mehrquellen-Heizstrategie zeigte in allen Szenarien den niedrigsten Gesamtenergieverbrauch. Bei einer eisigen Außentemperatur von -20 °C konnte der Heizenergieverbrauch im Vergleich zu einem Fahrzeug, das ausschließlich eine PTC-Heizung nutzt, um 32,1 % gesenkt werden. Im Vergleich zu einem Fahrzeug, das nur eine Luftwärmepumpe verwendet, war die Einsparung sogar noch dramatischer und betrug 50,7 %. Diese Zahlen sind von entscheidender Bedeutung, da jede eingesparte Kilowattstunde direkt in mehr Reichweite für den Antrieb umgewandelt werden kann.
Die Analyse der Leistungszahl (COP) im Zeitverlauf zeigt die dynamische Natur des Systems. Bei -20 °C startet die Heizung im PTC-Modus. Sobald das elektrische Antriebssystem warm genug ist, schaltet das System nahtlos auf den effizienteren „Abwärme-Wärmepumpen-Modus“ um. Wenn der Verbrennungsmotor gestartet wird und seine Kühlflüssigkeit die erforderliche Temperatur erreicht, erfolgt ein weiterer Wechsel auf den hochgradig effizienten „Motorabwärme-Modus“. Die Steuerung verwendet eine Hysterese von 10 °C, um häufige und unnötige Moduswechsel zu vermeiden. Zum Beispiel schaltet das System von der Luftwärmepumpe auf die PTC-Heizung bei -10 °C, kehrt aber erst bei -0 °C wieder zur Wärmepumpe zurück. Dies sorgt für eine stabile Innenraumtemperatur und schont die Komponenten.
Die praktischen Auswirkungen dieser Forschung sind weitreichend. Für Automobilhersteller bietet dieses System einen klaren Weg, um die Attraktivität ihrer EREV-Modelle in kalten Klimazonen zu erhöhen. Indem sie Abwärme nutzen, die bisher ungenutzt in die Umwelt abgestrahlt wurde, können sie die Winterreichweite ihrer Fahrzeuge signifikant verlängern. Dies ist ein entscheidender Faktor für die Akzeptanz der Elektromobilität in Regionen mit langen und kalten Wintern. Für Endverbraucher bedeutet dies weniger Sorgen um die Reichweite bei kaltem Wetter und niedrigere Betriebskosten. Für die Gesellschaft insgesamt trägt dies zur Verringerung des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen bei.
Diese Studie unterstreicht auch einen wichtigen Trend in der modernen Fahrzeugentwicklung: die Notwendigkeit eines ganzheitlichen Systemdenkens. Ein Fahrzeug ist kein einfaches Aggregat von Teilsystemen, sondern ein komplexes, vernetztes Ökosystem, in dem Energie und Informationen kontinuierlich fließen. Die Effizienz des Wärmemanagements hängt entscheidend von der engen Abstimmung zwischen Antriebsstrang, Batterie und Klimaanlage ab, die alle von einer zentralen Steuereinheit koordiniert werden.
Die Arbeit baut auf einer Vielzahl früherer Forschungen auf, die sich mit Wärmepumpen in BEVs oder der Nutzung von Abwärme aus Brennstoffzellen beschäftigt haben. Der entscheidende Vorteil der EREV-Plattform ist jedoch die Verfügbarkeit einer konstanten, hochwertigen Wärmequelle – den Verbrennungsmotor – wenn sie benötigt wird. Die Forschergruppe um Dr. Luo hat diese einzigartige Gelegenheit erkannt und genutzt, um ein System zu schaffen, das sowohl extrem effizient als auch äußerst anpassungsfähig ist.
Die Methodik der Studie ist ebenfalls bemerkenswert. Die Verwendung von AMESim und Simulink für die Joint Simulation ist ein Industriestandard, der es ermöglicht, komplexe Steuerungsstrategien virtuell zu validieren. Dies beschleunigt den Entwicklungsprozess erheblich, senkt die Kosten und reduziert das Risiko von Fehlern in späteren Entwicklungsphasen.
Zukünftige Forschungsarbeiten könnten in mehrere Richtungen gehen. Die Integration der Batterietemperierung in dasselbe System könnte eine noch umfassendere Lösung schaffen, bei der die Abwärme des Motors auch verwendet wird, um eine kalte Batterie im Winter aufzuwärmen, was deren Leistung und Lebensdauer verbessert. Die Erforschung neuer, umweltfreundlicherer Kältemittel mit besserer Leistung bei extremen Temperaturen könnte die untere Grenze für den effizienten Betrieb der Luftwärmepumpe weiter absenken. Darüber hinaus könnte die Einbindung von prädiktiven Algorithmen, die Wettervorhersagen und die geplante Route nutzen, die Systemeffizienz noch weiter steigern, indem beispielsweise der Motor vor dem Start gezielt vorgewärmt wird.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die von der Chongqing University of Technology entwickelte Mehrquellen-Heizstrategie einen signifikanten Durchbruch im Bereich des Fahrzeugwärmemanagements darstellt. Durch die intelligente Kombination von Motorabwärme, elektrischer Abwärme, einer Wärmepumpe und einer elektrischen Zusatzheizung haben die Forscher ein System geschaffen, das den Energieverbrauch für die Kabinenerwärmung drastisch reduziert. Dies führt nicht nur zu einer längeren Reichweite, sondern verbessert auch den Komfort und die Nachhaltigkeit von Elektrofahrzeugen. Während die Automobilindustrie weiterhin auf Elektrifizierung setzt, werden Innovationen wie diese entscheidend dafür sein, Elektrofahrzeuge für alle Klimazonen praktikabel und attraktiv zu machen.
Yong Luo, Hao Li, Long Zhang, Xiaobin Qiu, Lisha Li, Qiang Sun, Chongqing University of Technology, Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science), doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2024.11.008