Verformung der Heizluftleitung: Ursache im Software-Update
In der Welt der Elektromobilität, wo Effizienz und Zuverlässigkeit im Fokus stehen, können selbst hochentwickelte Systeme unerwartete Herausforderungen bergen. Ein jüngst untersuchter Fall im Bereich der thermischen Fahrzeugregelung zeigt, wie eine scheinbar geringfügige Komponente – die Heizluftleitung eines direkten Wärmepumpenklimasystems – zum Mittelpunkt einer tiefgreifenden technischen Untersuchung wurde. Ausgehend von vereinzelten Kundenberichten über eine Verformung des Heizkanals in einem Elektrofahrzeug (EV) entwickelte sich eine umfassende Analyse, die letztlich eine tief im Softwarecode verankerte Ursache aufdeckte – nicht etwa einen Hardwaredefekt.
Mit dem rasanten Wachstum des Elektrofahrzeugmarktes gewinnen Subsysteme wie die Klimatisierung zunehmend an Bedeutung. Dabei hat sich die Wärmepumpe als entscheidende Technologie zur Verbesserung der Energieeffizienz und zur Reichweitensteigerung, insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen, etabliert. Laut Branchendaten stieg die Durchdringungsrate von Wärmepumpensystemen in neuen Energiefahrzeugen in China von 11 % im Jahr 2020 auf 38 % im Jahr 2022. Diese Zahlen spiegeln eine wachsende Abhängigkeit von dieser Technologie wider. Gleichzeitig steigt jedoch auch die Verantwortung für langfristige Zuverlässigkeit und konsistente Leistung.
Trotz der zunehmenden Verbreitung von Wärmepumpensystemen bleiben detaillierte technische Analysen zu realen Feldausfällen in der öffentlichen Literatur selten. Die meisten verfügbaren Studien konzentrieren sich auf theoretische Modelle, Leistungsoptimierungen oder Labortests. Felduntersuchungen, insbesondere solche, die komplexe Wechselwirkungen zwischen Hardware und Software untersuchen, werden selten in der Tiefe dokumentiert. Eine kürzlich von Ingenieuren der Jiangxi Jiangling Group New Energy Vehicle Co., Ltd. durchgeführte Fallstudie ist daher besonders wertvoll – nicht nur, weil sie ein konkretes Problem löst, sondern auch, weil sie einen Präzedenzfall für eine systematische Fehlerdiagnose im Bereich der thermischen Fahrzeugregelung setzt.
Gegenstand der Untersuchung war ein Direktverdampfung-Wärmepumpensystem, das in einem serienmäßigen batterieelektrischen Fahrzeug (BEV) verbaut ist. Im Gegensatz zu indirekten Systemen, die einen sekundären Kühlmittelkreislauf nutzen, leitet das Direktverdampfungssystem das Kältemittel direkt durch das Innengerät, was eine höhere Effizienz und eine schnellere thermische Reaktion ermöglicht. Das System umfasst wesentliche Komponenten wie einen drehzahlgeregelten Verdichter, ein elektronisches Expansionsventil, einen Innenkondensator (für die Heizung), einen Außentauscher und eine Hochspannungs-PTC-Heizung (Positive Temperature Coefficient), die die Heizleistung bei extremen Kältebedingungen oder während der Systemanlaufphase unterstützt.
Die PTC-Heizung spielt eine entscheidende Rolle bei der Sicherstellung des Fahrzeugkomforts, wenn die Umgebungstemperatur unter den optimalen Betriebsbereich der Wärmepumpe fällt. Sie wird typischerweise während des Kaltstarts oder dann aktiviert, wenn der Kältemittelkreislauf die Heizanforderung allein nicht erfüllen kann. Da PTC-Heizungen Wärme durch elektrischen Widerstand erzeugen, können sie sehr hohe Oberflächentemperaturen erreichen – oft über 150 °C –, was ein kritisches thermisches Management in ihrem Einbauumfeld erforderlich macht.
In diesem konkreten Fall kehrten einige Fahrzeuge mit Berichten über sichtbare Verformungen des Kunststoffgehäuses um die Heizluftleitung in der Nähe des PTC-Auslasses in die Werkstätten zurück. Techniker stellten fest, dass das Duct-Material weich geworden und verformt war, teilweise mit Verfärbungen an benachbarten Komponenten wie den Dichtungen der Mischklappen. Obwohl das Problem die unmittelbare Sicherheit oder Funktionalität nicht beeinträchtigte, warfen die Beobachtungen Bedenken hinsichtlich der Langzeitdauerhaftigkeit, der Kundenzufriedenheit und eines möglichen Eskalationsrisikos auf.
Die anfänglichen Annahmen deuteten auf einen Materialversagen oder eine Umweltkontamination hin. War das Kunststoffgehäuse möglicherweise mit minderwertigem Harz hergestellt worden? Bestand die Möglichkeit, dass Fremdkörper in den Kanal gelangten und sich entzündeten? Oder hatte ein mechanischer Ausfall des Gebläsemotors oder des Luftstromreglers zu einer lokal begrenzten Überhitzung geführt?
Um diese Fragen systematisch zu beantworten, setzte das von Hu Chaochang geleitete Ingenieurteam die Fehlerbaumanalyse (FTA – Fault Tree Analysis) ein – eine deduktive Top-Down-Methode, die in sicherheitskritischen Branchen weit verbreitet ist, um alle möglichen Ursachen eines Fehlermodus zu identifizieren. Die FTA ermöglichte es dem Team, das beobachtete Symptom – die Verformung des Kanals – in eine hierarchische Struktur möglicher Ursachenfaktoren zu zerlegen, die von elektronischen Steuerungsfehlern über Materialeigenschaften bis hin zu Umwelteinflüssen reichten.
Der erste Zweig des Fehlerbaums untersuchte die Möglichkeit eines Steuergeräteausfalls. Die Klimaregelungseinheit (ACCU) ist für die gesamte thermische Systemsteuerung verantwortlich, einschließlich Verdichterdrehzahl, Kältemittelfluss, Geblätebetrieb und PTC-Aktivierung. Wenn die ACCU die PTC-Heizung nicht zum richtigen Zeitpunkt abschalten würde, könnte eine verlängerte Heizphase zu einer übermäßigen Temperaturerhöhung führen. Um diese Hypothese zu testen, führte das Team Bench-Tests mit dem Controller des fehlerhaften Fahrzeugs durch und simulierte verschiedene Betriebsszenarien. Es wurden keine Anomalien im Befehlsablauf oder bei den Signalausgängen festgestellt. Der Controller reagierte korrekt auf die Temperatur-Rückmeldung und gab Abschaltbefehle wie vorgesehen aus. Dies schloss einen Hardware-Ausfall des Controllers aus.
Als Nächstes konzentrierte sich das Team auf das HVAC-Gehäuse selbst. Mehrere interne Komponenten könnten theoretisch zur Überhitzung beitragen. Die Mischklappe, die den Luftstrom zwischen dem Wärmetauscher und den Bypass-Kanälen lenkt, könnte in einer Position klemmen, die die abgeführte Heizluft blockiert. Alternativ könnte ein Ausfall des Gebläsemotors oder seines Drehzahlregelmoduls zu einem Luftstau führen, während die PTC-Heizung aktiv bleibt – ein Zustand, der als „Trockenfeuerung“ bekannt ist und die Temperaturen rasch über sichere Grenzen hinaus ansteigen lassen kann.
Jede dieser Möglichkeiten wurde gründlich getestet. Das HVAC-Gerät wurde aus dem Fahrzeug entfernt und auf einem Prüfstand montiert, der reale Betriebsbedingungen nachbildete. Die Bewegung und die Positions-Rückmeldung der Mischklappe wurden über mehrere Zyklen hinweg überprüft und zeigten keine Anzeichen für Verklemmung oder falsche Kalibrierung. Der Gebläsemotor wurde bei allen sieben Drehzahleinstellungen für jeweils 1,5 Stunden betrieben, wobei Stromaufnahme, Luftstromausgabe und Temperaturanstieg kontinuierlich überwacht wurden. Es wurde keine Degradation oder kein Ausfall beobachtet. Ebenso zeigte das Drehzahlregelmodul während der gesamten Testsequenz eine stabile Leistung.
Eine subtilere Möglichkeit betraf den PTC-Temperatursensor. Dieses Bauteil liefert der ACCU in Echtzeit Rückmeldungen über die Austrittslufttemperatur und ermöglicht so eine geschlossene Regelung. Wenn der Sensor ausfällt – durch Unterbrechung/Kurzschluss oder ungenaue Widerstandswerte – könnte er die Steuerung in die Irre führen und diese glauben lassen, das System sei kühler, als es tatsächlich ist, was zu einer fortgesetzten Heizung führen würde. Um dies zu überprüfen, maß das Team den Widerstand des Sensors bei Raumtemperatur und fand ihn innerhalb der Spezifikation (7,45 kΩ gegenüber einem Stichproben-Durchschnitt von 7,40 kΩ). Noch wichtiger: Das Team setzte sowohl den fehlerhaften Sensor als auch bekannte funktionierende Einheiten einer kontrollierten Kammer mit erhöhten Temperaturen aus und erhöhte diese schrittweise von 70 °C auf 120 °C in 5-Grad-Schritten. Bei jedem Intervall blieben die Widerstandswerte konsistent mit den erwarteten Thermistorkurven, was auf keinen Drift oder Ausfall unter thermischer Belastung hindeutete.
Nachdem alle plausiblen Hardware- und Umweltursachen ausgeschlossen waren, wandte sich die Untersuchung externen Faktoren zu. Könnte eine externe Feuerquelle, wie eine brennende Zigarette oder Ablagerungen, innerhalb des Kanals gezündet haben? Die visuelle Inspektion ergab keine Rußspuren, Asche oder strukturellen Materialverlust – nur Verfärbungen und Weichheit, die mit einer langen Wärmebelastung übereinstimmen. Um dies zu bestätigen, führte das Team einen kontrollierten Brandtest an einer Probe des Dichtungsmaterials der Mischklappe durch, das aus thermoplastischem Elastomer besteht. Bei Flammenkontakt verfärbte sich das Material schwarz und verbrauchte sich progressiv, im Gegensatz zur Gelbfärbung, die an den Fahrzeugen beobachtet wurde. Dies bestätigte, dass die Verfärbung auf thermisches Altern und nicht auf Verbrennung zurückzuführen war, wodurch Feuer als Ursache ausgeschlossen wurde.
Eine weitere Hypothese war, dass das Material des HVAC-Gehäuses selbst eine unzureichende thermische Beständigkeit aufwies. Das Gehäuse besteht typischerweise aus Polypropylen (PP) oder einer modifizierten, für den Automobilbau geeigneten Variante. Während Standard-PP bei etwa 130 °C zu erweichen beginnt, enthalten Automobilqualitätsmaterialien oft Verstärkungen oder Stabilisatoren, um ihren nutzbaren Temperaturbereich zu erweitern. Um dies zu bewerten, platzierte das Team das HVAC-Gerät in einer Klimakammer und setzte es nacheinander 2 Stunden lang Temperaturen von 100 °C, 115 °C, 130 °C und 140 °C aus. Es trat keine Verformung auf, selbst bei der höchsten Einstellung. Dies zeigte, dass das Material in der Lage war, Temperaturen standzuhalten, die weit über den normalen Betriebsbedingungen lagen, und schränkte den Untersuchungsbereich weiter ein.
An diesem Punkt waren alle plausiblen Hardware- und Umweltursachen ausgeschlossen. Der einzige verbleibende Zweig des Fehlerbaums wies auf die Softwarelogik hin – insbesondere auf die in der Firmware der ACCU eingebettete Steuerstrategie. Dies war eine bedeutende Verschiebung des Fokus, da softwarebedingte Probleme oft schwerer zu erkennen sind und tiefere Diagnosetools erfordern.
Beim Abrufen der Softwareversion aus dem Steuergerät des fehlerhaften Fahrzeugs entdeckte das Team, dass es eine frühe Kalibrierungsversion, A03, ausführte. Diese Version gehörte zum anfänglichen Serienstart und war mittlerweile durch eine neuere Version, A06, ersetzt worden, die mehrere Verbesserungen der thermischen Regelung enthielt.
Ein vergleichender Vergleich zeigte entscheidende Unterschiede. In der Version A03 basierte die Abschaltlogik der PTC-Heizung auf einer schrittweisen, rampenförmigen Reduzierung der Leistung, sobald die Ziel-Austrittstemperatur erreicht war. Zudem war der Übertemperaturschutzschwellenwert auf 120 °C festgelegt – ein relativ hoher Wert angesichts der Nähe zu Kunststoffkomponenten. Noch wichtiger: Beim Ausschalten des Systems wurde der Gebläsemotor sofort abgeschaltet, wodurch Restwärme im Kanal eingeschlossen blieb.
Im Gegensatz dazu führte die aktualisierte Version A06 drei wesentliche Verbesserungen ein: (1) eine aggressivere Strategie zur Leistungsreduzierung, sobald die maximale Austrittstemperatur erreicht ist, (2) einen reduzierten Übertemperaturschwellenwert auf 100 °C und (3) eine verzögerte Gebläseabschaltung. Genauer gesagt: Wenn das System abgeschaltet wurde, lief das Gebläse nach der Deaktivierung der PTC-Heizung noch 15 Sekunden mit Stufe 3 weiter, um die Restwärme aus dem Kanal abzuführen.
Um die Auswirkungen dieser Änderungen zu validieren, führte das Team einen direkten Vergleichstest durch. Sie installierten den Controller der Version A03 in ein Testfahrzeug und überwachten die PTC-Austrittstemperatur mit zwei Thermoelementen, die im Kanal platziert waren. Als das System seine maximale Zieltemperatur erreichte und abgeschaltet wurde, stieg die gemessene Spitzen temperatur nach dem Abschalten auf 165 °C an – genau dem Schmelzpunkt des PP-basierten Gehäusematerials (PP-TD20) entsprechend, das bei etwa 155 °C erweicht und eine maximale Dauerbetriebstemperatur von 140 °C hat.
In derselben Testkonfiguration mit dem Controller der Version A06 lag die maximale Temperatur nach dem Abschalten bei 102 °C, gut innerhalb des sicheren Betriebsbereichs des Materials. Die verzögerte Gebläsefunktion leitete die Restwärme effektiv ab und verhinderte eine thermische Ansammlung.
Dieses Ergebnis war eindeutig. Die Ursache für die Verformung des Kanals war kein Defekt an Material, Montage oder einzelnen Komponenten, sondern eine veraltete Software-Steuerstrategie, die eine übermäßige thermische Ansammlung während des Systemabschaltvorgangs zuließ. Obwohl die Version A03 unter normalen Betriebsbedingungen ausreichend funktionierte, schuf ihre mangelnde robuste Logik für die Nachlaufkühlung ein latentes Risiko unter bestimmten Bedingungen – insbesondere nach längeren Heizzyklen, gefolgt von einem abrupten Abschalten.
Aufgrund dieser Erkenntnis leitete der Hersteller eine Maßnahme ein. Eine Softwareversionsprüfung wurde für alle Fahrzeuge durchgeführt, die mit dem betroffenen Wärmepumpensystem ausgestattet waren. Fahrzeuge, die noch mit der Firmware A03 liefen, wurden identifiziert und für ein OTA-Update (Over-the-Air) oder eine werkstattbasierte Aktualisierung auf die Version A06 vorgesehen. Es waren keine Hardwareaustausche erforderlich, was Kosten und Kundenunannehmlichkeiten minimierte.
Die Implikationen dieses Falls gehen über ein einzelnes Modell oder eine Softwarerevision hinaus. Sie verdeutlichen die wachsende Komplexität moderner Fahrzeugsysteme, wo die Software nicht mehr nur eine Randerscheinung ist, sondern ein zentraler Faktor für die Zuverlässigkeit. Während Fahrzeuge zunehmend elektrifiziert und vernetzt werden, wird die Interaktion zwischen Steuerungsalgorithmen und physischen Komponenten nur intensiver. Eine scheinbar geringfügige Verzögerung beim Lüfterabschaltvorgang oder ein leicht erhöhter Temperaturschwellenwert kann kaskadenartige Auswirkungen auf die Materiallebensdauer und die Systemintegrität haben.
Darüber hinaus unterstreicht diese Untersuchung die Bedeutung eines proaktiven Feldmonitorings und schneller Reaktionsmechanismen. Die frühe Erkennung subtiler Probleme – wie leichte Verfärbungen oder geringfügige Verformungen – kann größere Rückrufaktionen oder Imageschäden verhindern. Sie demonstriert auch den Wert strukturierter Diagnosemethoden wie der FTA, die Ingenieuren ermöglichen, komplexe Fehlerlandschaften zu navigieren, ohne vorschnelle Schlussfolgerungen zu ziehen.
Für die gesamte EV-Branche dient dieser Fall als Warnung und als Beispiel für bewährte Praxis. Mit der steigenden Verbreitung von Wärmepumpen müssen Hersteller sicherstellen, dass ihre Steuerstrategien nicht nur effizient, sondern auch thermisch konservativ sind, insbesondere in Regionen mit extremen Winterbedingungen. Thermische Modellierung und reale Validierung sollten nicht nur die stationäre Leistung, sondern auch das transiente Verhalten während der Anlauf- und Abschaltphasen umfassen.
Zusätzlich muss das Lebenszyklusmanagement eingebetteter Software weiterentwickelt werden. So wie Fahrzeuge regelmäßig Hardware-Rückrufe erhalten, könnten sie zunehmend Software-Revisionen benötigen, um unvorhergesehene Wechselwirkungen oder Alterungseffekte zu beheben. OTA-Update-Funktionen, die heute in den meisten neuen EVs Standard sind, bieten ein leistungsfähiges Werkzeug für solche Interventionen und ermöglichen die schnelle Bereitstellung von Korrekturen ohne Werkstattbesuche.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Behebung des Problems mit der Verformung der Heizluftleitung im Direktverdampfung-Wärmepumpensystem von Jiangling ein Beispiel für die Art von sorgfältigem, systemübergreifendem Denken ist, das in der modernen Fahrzeugtechnik erforderlich ist. Was zunächst wie ein Material- oder Mechanikdefekt erschien, wurde letztlich auf einen Softwaresteuerparameter zurückgeführt – eine Erinnerung daran, dass im Zeitalter der intelligenten Fahrzeuge die Grenze zwischen Hardware und Software zunehmend verschwimmt. Durch die Anwendung rigoroser analytischer Methoden und die Akzeptanz kontinuierlicher Verbesserungen können Automobilhersteller sowohl die Leistung als auch die Lebensdauer ihrer thermischen Systeme verbessern und sicherstellen, dass Komfort und Zuverlässigkeit Hand in Hand gehen.
Hu Chaochang, Wenkui Zhao, Jin Wu, Liwei Chen, Xiyu Ren, Shuyou Liu, Jiangxi Jiangling Group New Energy Vehicle Co., Ltd., Refrigeration, doi: 10.3969/J.ISSN.1005-9180.2024.03.0016