Wärmemanagement in Elektrofahrzeugen

Mobilität muss CO₂-neutral werden, und geeignete Fahrzeugtechnologien müssen dafür sorgen, dass umweltfreundliche, effiziente und leise Fahrzeuge auf unseren Straßen unterwegs sind. Die Zukunft gehört daher den batterieelektrischen Fahrzeugen (BEVs).

Damit die vielen Vorteile des elektrischen Antriebsstrangs  jedoch optimal genutzt werden können, sind noch einige Herausforderungen zu meistern. Eine davon ist das Wärmemanagement in batterieelektrischen Fahrzeugen.

Im Gegensatz zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor produziert der Elektromotor in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen wenig (Ab-)Wärme, was für diese Fahrzeuge bei niedrigen Temperaturen ein Problem darstellt. Dies bedeutet nämlich, dass zum Heizen des Fahrgastraums eine Zusatzheizung erforderlich ist, die zu Lasten der Reichweite geht, da sie die Batterie zusätzlich beansprucht.

Darüber hinaus wird ein effizientes Wärmemanagement durch die Forderung nach Schnellladefähigkeit  noch wichtiger. Viele Netzbetreiber bieten mittlerweile Gleichstrom-Schnellladestationen mit einer Leistung von bis zu 350 kW an. Infolgedessen muss die Temperatur der Batterien in einem noch engeren Fenster gehalten werden, als es für den normalen Betrieb notwendig ist, damit die verfügbare Ladeleistung optimal genutzt werden kann. Dies erfordert, dass die Batterie situationsabhängig entweder angewärmt oder abgekühlt werden muss. Je schneller die Zellen geladen werden, umso größer ist der Bedarf an Wärmemanagement. Sobald noch höhere Ladeleistungen als 350 kW ins Spiel kommen, könnten neue Wärmemanagementstrategien in den Vordergrund rücken.

Daher spielt das Wärmemanagementsystem in BEVs eine entscheidende Rolle. Aufgabe des Wärmemanagementsystems ist es, die Temperatur von Elektromotor, Leistungselektronik und Batterie konstant im „grünen Bereich“ zu halten und gleichzeitig den Fahrgastkomfort im Fahrzeuginnenraum zu gewährleisten. Beispielsweise würde ein Ausfall des Wärmemanagements zur Entmagnetisierung der Magnete, Alterung der Isolationsmaterialen, Verringerung des Wirkungsgrads, Verkürzung der Lebensdauer und im Ernstfall sogar zum Durchbrennen des Elektromotors führen. Außerdem trägt ein effizientes Wärmemanagementsystem dazu bei, die Nutzungsdauer der Batteriezellen zu erhöhen, und es ist ein wichtiges Sicherheitsmerkmal, um ein thermisches Durchgehen zu verhindern.

Das Wärmemanagementsystem besteht aus diversen Wärmekreisläufen, die Aktoren wie elektrische Kompressoren, Kühlmittelpumpen und Lüftermotoren, Ventile und Klappen, HLK-Steuermodule und elektrische Heizungen benötigen. Ferner werden integrierte Wärmemanagementsysteme  immer häufiger von Batterieherstellern eingesetzt, da bei diesen der Trend zunehmend zur Flüssigkeitskühlung für Batteriesysteme geht.