Wärmepumpenstrategie für E-Autos in kalten Regionen optimiert
Die Elektromobilität steht vor einer der hartnäckigsten Herausforderungen ihrer Entwicklung: die Leistungs- und Komforteinbußen bei Fahrzeugen in kalten Klimazonen. Während die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen in nördlichen Regionen steigt, müssen Automobilhersteller innovative Lösungen finden, um die Reichweite und das Wohlbefinden der Insassen auch bei eisigen Temperaturen sicherzustellen. Eine aktuelle Studie im Chinese Journal of Automotive Engineering präsentiert einen bedeutenden Fortschritt in diesem Bereich. Unter der Leitung von Dong Zheming und einem Team von Ingenieuren des Technologiezentrums der Dongfeng Motor Group Corporation wird eine neuartige Regelstrategie für das thermische Management vorgestellt, die die Leistungsfähigkeit batterieelektrischer Fahrzeuge (BEV) unter winterlichen Bedingungen erheblich verbessert. Die Forscher integrieren Abwärme-Rückgewinnung mit Luft-Wärmepumpentechnologie, um die Betriebstemperaturgrenzen zu erweitern und die Energieeffizienz auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zu steigern.
Die Studie konzentriert sich auf ein spezielles BEV-Modell, das für vielfältige Einsatzbedingungen konzipiert ist, darunter Offroad- und städtische Szenarien. Obwohl Wärmepumpensysteme in modernen Elektrofahrzeugen aufgrund ihres höheren Leistungskoeffizienten (COP) im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Heizelementen (PTC-Heizungen) zunehmend verbreitet sind, nimmt ihre Effektivität typischerweise unter -10 °C ab. Dieser Effekt resultiert aus einer reduzierten Wärmeübertragung zwischen der Außenluft und dem Kältemittel sowie aus einem erhöhten Arbeitsaufwand des Kompressors bei niedrigen Umgebungstemperaturen. In extremen Kältebedingungen können einige Systeme sogar vollständig versagen, wodurch die Fahrzeuge auf weniger effiziente PTC-Heizungen angewiesen sind, die direkt Energie aus der Batterie entnehmen und somit die Reichweite verringern.
Dong Zheming und sein Team haben diese Herausforderung angegangen, indem sie die thermische Architektur des Fahrzeugs neu konzipierten. Anstatt sich ausschließlich auf die Außenluft als Wärmequelle zu verlassen, entwickelten sie ein hybrides System, das Abwärme nutzt, die von den eigenen Komponenten des Fahrzeugs erzeugt wird – insbesondere von der Batterie, dem Motor und dem Motorregler. Diese Hochspannungskomponenten erzeugen während des Betriebs erhebliche thermische Energie, insbesondere bei längerer Fahrzeit. Indem diese ansonsten verlorene Wärme erfasst und wiederverwendet wird, schufen die Forscher eine sekundäre, stabilere Wärmequelle, die weniger von den äußeren Wetterbedingungen abhängt.
Dieser Dual-Quellen-Ansatz ermöglicht es, dass die Wärmepumpe des Fahrzeugs auch bei stark sinkenden Außentemperaturen effektiv funktioniert. Der entscheidende Innovationsschritt liegt nicht nur in der Hardware-Integration, sondern in der intelligenten Regelstrategie, die steuert, wann und wie jeder Modus aktiviert wird. Das System bewertet dynamisch mehrere Eingaben – darunter Umgebungstemperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit, Batterieladezustand und Heizbedarf im Innenraum – um die optimale Kombination der Wärmequellen zu bestimmen.
Eine der bemerkenswertesten Leistungen der Studie ist die Erweiterung der effektiven Einsatztemperaturgrenze der Wärmepumpe. Traditionell gelten Luft-Wärmepumpen in BEVs als nur bis etwa -15 °C einsatzfähig. Unterhalb dieses Schwellenwerts sinkt ihr COP-Wert erheblich, oft sogar unter den von PTC-Heizungen. Durch die Implementierung der Abwärme-unterstützten Strategie konnten Dong Zhemings Team die untere Betriebstemperaturgrenze erfolgreich auf -20 °C erweitern. Diese Fünf-Grad-Verbesserung mag auf dem Papier bescheiden erscheinen, hat aber in der Praxis bedeutende Auswirkungen auf den Fahrkomfort und die Reichweite für Nutzer in Regionen wie Nordostchina, wo die WinterTemperaturen häufig unter -15 °C fallen.
Die Regellogik hinter diesem Fortschritt ist anspruchsvoll, aber pragmatisch. Wenn das Fahrzeug in extrem kalten Bedingungen gestartet wird, kann das System zunächst auf einen kurzen PTC-Boost zurückgreifen, um die Kühlmitteltemperaturen auf ein Niveau zu bringen, bei dem die Wärmepumpe effizient arbeiten kann. Sobald die Antriebskomponenten beginnen, Abwärme zu erzeugen – typischerweise innerhalb weniger Minuten nach dem Start – wechselt das System in den Abwärmerückgewinnungsmodus. In diesem Zustand nutzt die Wärmepumpe das erwärmte Kühlmittel aus den Kühlkreisläufen des Motors und der Batterie als primäre Wärmequelle. Dadurch wird der Bedarf an Wärmeaustausch zwischen Außenluft und Kältemittel erheblich reduziert. Dies minimiert das Risiko der Vereisung des Außenwärmetauschers, ein häufiges Problem bei konventionellen Luft-Wärmepumpensystemen in feuchten, gefrierenden Bedingungen.
Die Vereisung stellt ein kritisches Problem dar, da sie den Wärmetauscher isoliert und dessen Fähigkeit, Wärme aus der Umgebung aufzunehmen, verringert. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, verwenden viele Systeme periodische Enteiszyklen, bei denen der Kältemittelfluss kurzzeitig umgekehrt wird, um das Eis zu schmelzen. Obwohl diese Methode wirksam ist, verbraucht sie zusätzliche Energie und unterbricht die Innenraumheizung, was zu Temperaturschwankungen im Fahrzeuginnenraum und einem höheren Energieverbrauch führt. Indem die Abhängigkeit von der Außenanlage minimiert wird, reduziert die auf Abwärme basierende Strategie die Häufigkeit und Dauer von Enteisvorgängen inhärent, was zu einer gleichmäßigeren Temperaturregelung und einem geringeren Gesamtenergieverbrauch beiträgt.
Die Studie hebt auch die Bedeutung der Systemintegration und Softwareentwicklung hervor, um diese Leistungssteigerungen zu erreichen. Im Gegensatz zu früheren Generationen von thermischen Managementsystemen, die auf separaten Steuergeräten für die Klimaanlage und die Batteriekühlung basierten, konsolidiert diese neue Architektur die Steuerungsfunktionen innerhalb des Leistungsdomänen-Controllers (PDCU). Diese Integration ermöglicht eine schnellere Kommunikation zwischen den Subsystemen und eine koordiniertere Entscheidungsfindung. Wenn beispielsweise die Batterie aus Gründen der optimalen Ladung erwärmt werden muss und gleichzeitig der Innenraum geheizt werden soll, kann das System die Wärmeverteilung basierend auf Echtzeitprioritäten priorisieren, etwa ob sich das Fahrzeug in Bewegung befindet oder an eine Ladestation angeschlossen ist.
Um ihren Ansatz zu validieren, verwendete das Dongfeng-Team einen strengen Entwicklungsprozess, der eindimensionale Simulationen, Hardware-in-the-Loop-Tests und umfangreiche Kalibrierungen im realen Einsatz umfasste. In der frühen Entwicklungsphase wurden Simulationen verwendet, um verschiedene Heizszenarien unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen zu modellieren und die energieeffizientesten Betriebsstrategien zu identifizieren. Diese Modelle prognostizierten, dass im Modus mit ausschließlicher Abwärme-Nutzung bei -7 °C während eines CLTC-Fahrzyklus (China Light-duty Vehicle Test Cycle) ein COP-Wert von 2,95 erreicht werden könnte – deutlich höher als der COP-Wert von 2,00 im reinen Luft-Wärmepumpenmodus. Diese Erkenntnis beeinflusste direkt die Gestaltung der Regelstrategie, die die Nutzung von Abwärme priorisierte, sobald ausreichend thermische Energie von den Antriebskomponenten verfügbar war.
Nach der Simulation führte das Team Leistungstests an einem Prüfstand durch, um die Funktionalität auf Komponentenebene zu überprüfen. Mit einem klimatisierten Prüfstand replizierten sie reale Fahrbedingungen und maßen Schlüsselparameter wie Wärmeleistung, Kühlmitteltemperatur und System-COP. Die Ergebnisse bestätigten, dass die ausgewählten Komponenten – Kompressor, Kondensator und Verdampfer – die Designziele erfüllten oder sogar übertrafen und die anfänglichen Hardware-Entscheidungen validierten. Noch wichtiger war, dass die Tests zeigten, dass die Steuerungssoftware die Ventilpositionen, Pumpendrehzahlen und den Kompressorbetrieb genau modulieren konnte, um stabile Innenraumtemperaturen bei gleichzeitiger Maximierung der Effizienz aufrechtzuerhalten.
Die nächste Phase umfasste Fahrzeugtests an mehreren Prototypenstufen. Frühe Testfahrzeuge wurden für die Kalibrierung in Klimakammern verwendet, bei denen Ingenieure die Parameter der PID-Regelung (Proportional-Integral-Derivativ) für Aufgaben wie die Aufrechterhaltung des Soll-Drucks auf der Hochdruckseite und die Regelung der Wassertemperatur am Heizkern feinabstimmten. Mit fortschreitender Fahrzeugentwicklung unterzogen spätere Prototypen Straßenprüfungen unter realen Winterbedingungen, einschließlich simulierter Offroad-Umgebungen wie Schlamm, Sand und felsigem Gelände. Diese Tests waren entscheidend für die Beurteilung der Robustheit und Anpassungsfähigkeit des Systems unter unvorhersehbaren Lasten und thermischen Anforderungen.
Eine besonders aufschlussreiche Erkenntnis stammte aus Straßenprüfungen bei -7 °C unter Verwendung des CLTC-Zyklus. Im reinen Luft-Wärmepumpenmodus zeigte das Fahrzeug bei hoher Geschwindigkeit deutliche Leistungseinbußen aufgrund der Vereisung des Außenwärmetauschers. Ohne eine aktive Lufteinlassklappe (AGS) zur Regelung des Luftstroms hatte das System Schwierigkeiten, eine konstante Wärmeleistung aufrechtzuerhalten, was zu längeren Enteiszyklen und reduziertem Fahrkomfort führte. Bei Implementierung der optimierten Regelstrategie – mit Priorisierung der Abwärmenutzung – konnte das Fahrzeug jedoch stabile Innenraumtemperaturen mit minimaler Abhängigkeit von der PTC-Backup-Heizung aufrechterhalten. Dieser Wechsel führte zu einer messbaren Reduzierung des Energieverbrauchs, was sich direkt in einer verbesserten Reichweitenbewahrung niederschlug.
Bis zum Erreichen der endgültigen Serienreife-Konfiguration hatte das thermische Managementsystem mehrere Iterationen der Optimierung durchlaufen. Daten aus aufeinanderfolgenden Testphasen zeigten einen stetigen Rückgang der durchschnittlichen Kompressorleistung während des CLTC-Tests bei -7 °C – von über 1,4 kW in frühen Versionen auf nur noch 0,9 kW im endgültig kalibrierten System. Diese 35,7-prozentige Reduzierung des Kompressorenergieverbrauchs unterstreicht die kumulative Wirkung der strategischen Optimierung, von der Komponentenauswahl bis zur Softwareabstimmung.
Der ultimative Maßstab für den Erfolg war die Reichweitenbewahrung des Fahrzeugs bei niedrigen Temperaturen. Laut der Studie erreichte die endgültige Konfiguration eine Reichweitenverlustquote von 31,2 % unter CLTC-Bedingungen bei -7 °C. Obwohl alle BEVs bei kalten Temperaturen aufgrund erhöhten Rollwiderstands, reduzierter Rekuperationsleistung und zusätzlicher Hilfsverbraucher einen gewissen Reichweitenverlust erleben, platziert eine 31,2-prozentige Reduktion dieses Modell unter die besten Fahrzeuge seiner Klasse. Branchenvergleiche deuten darauf hin, dass viele Serien-Elektrofahrzeuge unter ähnlichen Bedingungen Reichweitenverluste von über 40 % aufweisen, was dieses Ergebnis besonders beeindruckend macht.
Über die unmittelbaren Leistungsvorteile hinaus hat die Forschung breitere Implikationen für die Zukunft des thermischen Managements von Elektrofahrzeugen. Während Automobilhersteller zunehmend strengere Energieeffizienzstandards und die Erwartungen der Verbraucher erfüllen müssen, werden integrierte, mehrquellige thermische Systeme wahrscheinlich zur Norm werden. Die Arbeit von Dong Zheming und seinem Team zeigt, wie intelligente Regelstrategien das versteckte Potenzial vorhandener Fahrzeugkomponenten nutzen können, indem sie Abwärme in eine wertvolle Ressource verwandeln, anstatt sie als Belastung zu betrachten.
Darüber hinaus betont die Studie die Bedeutung eines ganzheitlichen Systemdesigns. Anstatt die Innenraumheizung, die Batteriekonditionierung und die Motorkühlung als separate Funktionen zu betrachten, betrachtet der neue Ansatz sie als miteinander verbundene Elemente eines einheitlichen thermischen Ökosystems. Diese Perspektive ermöglicht eine effizientere Energieverteilung, beispielsweise durch die Nutzung überschüssiger Batteriewärme zur Erwärmung des Innenraums beim Kaltstart oder durch die Weiterleitung von Motorabwärme, um die optimale Batterietemperatur während des Schnellladens aufrechtzuerhalten.
Die Ergebnisse sind auch für globale Märkte jenseits Chinas relevant. Während die Elektromobilität in kalten Regionen wie Skandinavien, Kanada und den nördlichen Vereinigten Staaten zunimmt, werden Lösungen, die die Winterverwendbarkeit verbessern, für die breite Akzeptanz entscheidend sein. Obwohl einige Premium-Elektrofahrzeuge bereits über fortschrittliche Wärmepumpensysteme verfügen, zeigt die Arbeit des Dongfeng-Teams, dass ähnliche Vorteile durch durchdachtes Engineering und Softwareoptimierung erzielt werden können, was möglicherweise den Weg für eine breitere Anwendung über verschiedene Fahrzeugsegmente hinweg ebnen könnte.
Zusammenfassend stellt die Forschung von Dong Zheming, Qiang Jianwei, Shi Rui, Wang Xiaobi, Wang Weimin, Fu Jing, Tang Yu, Fu Xiaojia und He Qifu einen bedeutenden Fortschritt im Bereich des thermischen Managements von Elektrofahrzeugen dar. Durch die Erweiterung der Einsatztemperaturgrenze von Wärmepumpensystemen auf -20 °C und das Erreichen einer branchenführenden Reichweitenverlustquote von 31,2 % bei -7 °C adressieren ihre Arbeiten zwei der dringendsten Anliegen von Elektrofahrzeugbesitzern in kalten Klimazonen. Die Integration der Abwärmenutzung mit intelligenter Regellogik verbessert nicht nur die Energieeffizienz, sondern auch den Fahrkomfort und die Systemzuverlässigkeit. Während die Automobilindustrie ihren Übergang zur Elektrifizierung fortsetzt, werden Studien wie diese eine entscheidende Rolle dabei spielen, die nächste Generation von leistungsstarken, ganzjährig einsetzbaren Elektrofahrzeugen zu gestalten.
Dong Zheming, Qiang Jianwei, Shi Rui, Wang Xiaobi, Wang Weimin, Fu Jing, Tang Yu, Fu Xiaojia, He Qifu, Technology Center of Dongfeng Motor Group Corporation, Chinese Journal of Automotive Engineering, DOI: 10.3969/j.issn.2095‒1469.2024.01.08