Die Abwärme, die bei verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen anfällt, kann zugleich als Heizquelle genutzt werden. Bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen entfällt diese Wärmequelle. Stattdessen wird die Heizleistung derzeit durch elektrische Heizregister aufgebracht, die von der Batterie versorgt werden. Diese Energie steht jedoch dem Antrieb nicht mehr zur Verfügung, so dass die Reichweite deutlich reduziert wird. Die aufgewendete elektrische Energie wird dabei unmittelbar zu Heizzwecken in Wärme für den Innenraum umgesetzt.
Neuartige Ansätze, die diesem Umstand gerecht werden, sehen zunehmend Wärmepumpen in Fahrzeugen vor, die aus der Umgebung Wärme aufnehmen und im Innenraum zu Heizzwecken abgeben. Bei einem Klimatisierungskonzept mit Wärmepumpe wird die in aller Regel ohnehin im Fahrzeug vorhandene Klimaanlage durch Strömungsumkehr des darin zirkulierenden Kältemittels so verschaltet, dass sowohl ein Kühlbetrieb als auch ein Heizbetrieb möglich ist.
Ein aktuelles Beispiel für ein solches System ist das im Renault Zoe eingesetzte Klimasystem. Im Heizbetrieb nimmt es über den Außenwärmetauscher Umgebungswärme auf und gibt sie an einen zweiten Wärmetauscher innerhalb des Klimageräts im Armaturenbrett an den Innenraum ab. Der hierzu notwendige Energieaufwand entsteht wesentlich durch den Verdichter des Kältemittelkreislaufs und entspricht, abhängig vom jeweiligen Betriebspunkt, zu etwa einem Drittel der zur Verfügung gestellten Heizleistung.
In der Folge lässt sich die für den Heizbetrieb aufgewendete Energie deutlich reduzieren und so die Reichweite verlängern. Durch Drehzahlvariation des Kältemittelverdichters erfolgt die Leistungsregelung der Wärmepumpe entsprechend der Heizanforderung im Fahrzeuginnenraum auf Basis der vorhandenen Abweichung zwischen Ist- und Sollwert der Innenraumtemperatur.
Klimaanlage und Fahrzeug-Betriebsstrategie
Bei Kühlungsbedarf wird das System wie eine herkömmliche Klimaanlage betrieben, wobei durch das im Kreislauf zirkulierende Kältemittel Wärme im Fahrzeuginnenraum aufgenommen und an die Umgebung abgegeben wird. Ist die Temperierung von Fahrzeugkomponenten notwendig, wird das Klimasystem entsprechend um diese Kühlstellen erweitert. Der Klimaanlage, die bislang lediglich zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums im Sommerbetrieb Verwendung fand, kommt zunehmend die Bedeutung eines integralen Bestandteils des Fahrzeugkonzepts zu. Sie ist in eine Betriebsstrategie des Fahrzeugantriebs eingebunden und temperiert Fahrzeugkomponenten auf ihre optimale Betriebstemperatur.
Um der daraus resultierenden, zunehmenden Komplexität des Klimasystems und dem damit in Verbindung stehenden Installationsaufwand für kältemittelführende Leitungen gerecht zu werden, entstehen derzeit Konzepte, die einen Sekundärkreislauf vorsehen, anstatt das Kältemittel innerhalb des Fahrzeugs zu verteilen. Dabei wird mithilfe des Kältemittels zunächst ein Kühlmittel bedarfsabhängig gekühlt oder erwärmt und dem jeweiligen Verbraucher innerhalb des Fahrzeugs bedarfsgerecht zugeführt. Im Idealfall handelt es sich bei dem Wärmeträger um ein Wasser-/Glykolgemisch. Der eigentliche Kältemittelkreislauf, unabhängig ob in der Funktion als Wärmepumpe oder als Kühleinrichtung, dient lediglich der Bereitstellung von gekühltem und/oder erwärmtem Kühlmittel, welches innerhalb des Fahrzeugs den thermischen Verbrauchern zur Verfügung gestellt wird.
Zumeist wird in der Ausführung ein modulares Konzept verfolgt, bei dem das sogenannte Heiz-/Kühlmodul in aller Regel als Blackbox ausgeführt ist und als Energie- beziehungsweise Wasserstation zur Bereitstellung von gekühltem und erwärmtem Kühlmedium dient. Die Einbindung von Nebenaggregaten verfolgt im Heizbetrieb den Zweck, auch bei extrem niederen Außentemperaturen Wärmequellen zu identifizieren und der Wärmepumpe als Wärmequelle zur Verfügung zu stellen. Bei hybriden Antrieben kommen als Wärmequellen insbesondere die Umrichter (Inverter) und die E-Maschinen in Frage. Hierdurch wird auch bei extremen Witterungsbedingungen, bei denen eine Wärmepumpe an Wirkkraft verlieren würde, weil sie lediglich mit Umgebungsluft als Wärmequelle operiert, eine deutliche Effizienzsteigerung erzielt.
Ein derartiges System erprobt derzeit beispielsweise der Automobilzulieferer KSPG für elektromotorisch angetriebene Pkws und leichte Nutzfahrzeuge (Abbildung oben). Ein hermetisiertes Wärmepumpenmodul, das ebenfalls über eine Strömungsumkehr des Kältemittelflusses verfügt, greift am jeweiligen Anschluss des Sekundärmediums sowohl gekühltes als auch erwärmtes Kühlmittel zur Verteilung innerhalb des Fahrzeugs für Kühl- und Heizzwecke ab. Durch die kältemittelseitige Umschaltung zwischen Heiz- und Kühlbetrieb wird dabei der Gedanke verfolgt, die Anzahl an notwendigen Wasserventilen auf ein Minimum zu reduzieren. Diese Ausführungsform des Klimasystems bringt wesentliche Vorteile mit sich:
Reduktion der Anzahl kältemittelführender Leitungen, verbunden mit geringeren Druckverlusten und verminderter Kältemittelleckage
Reduktion der Kältemittelfüllmenge
Keine kältemittelführenden Leitungen im Fahrzeuginnenraum
Hermetisierung des Kältemittelkreislaufs
Vollständige Inbetriebnahme des Kältemittelkreislaufs im Fertigungsbetrieb des Zulieferers
Nutzung der Abwärme von Antriebskomponenten zu Heizzwecken
Einfache Erweiterung um zusätzliche thermische Nutzer
Durch die zusätzliche Nutzung der Wärmequellen zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraums und die bedarfsabhängige Verteilung der Wärmemengen innerhalb des Fahrzeugs insbesondere mittels Wärmeträgermedium sind deutliche Effizienzsteigerungen, sowohl in Bezug auf das Heizungs-, Lüftungs- und Klimasystem als auch in Bezug auf die temperaturabhängige Wirkungsgradabhängigkeit von Nebenaggregaten möglich.
Bedarfsgerechte und effiziente Regelung
Die Heizung oder Kühlung von Aggregaten oder Komponenten sollte idealerweise entsprechend ihres Bedarfs geschehen, weil das gesamte Fahrzeug dadurch energieeffizienter werden kann. Die Effizienzsteigerung kann für bestimmte Fahrsituationen – wie zum Beispiel eine Kaltabfahrt – spezielle Steuerungen oder Regelungen erforderlich machen. Höhere Reichweiten lassen sich durch eine generelle Reduzierung des Einsatzes von Heizung und Klimatisierung erreichen, zum Teil bereits in Verbindung mit dem Navigationssystem.
Infolge der Einbindung verschiedener thermischer Verbraucher in das Gesamtkonzept des Fahrzeugs erhöht sich die Komplexität des Klimatisierungssystems wesentlich. Wo es einst galt, lediglich den Fahrzeuginnenraum innerhalb der Behaglichkeitsgrenzen der Insassen einzuregeln, sind aufgrund der zuvor genannten Einbindung verschiedener thermischer Nutzer in das Gesamtkonzept des Fahrzeugs größere Anstrengungen erforderlich. Entsprechend stellt jeder integrierte Verbraucher eine eigene Kühlstelle oder Wärmequelle dar, welche in ein Betriebskonzept eingebunden ist. Die individuelle Überwachung und Regelung der Komponenten einschließlich ihrer thermischen Konditionierung erfordert einen erhöhten sensorischen und aktuatorischen Aufwand und eine entsprechende softwareseitige Abbildung.
Dabei stehen sowohl die optimale Betriebstemperatur als auch Parameter des Fahrbetriebs im Vordergrund. Diese müssen zur Ermittlung der für die jeweilige Situation erforderlichen Wärmeströme im Fahrzeug herangezogen werden, so dass der energetisch optimale Betriebszustand herbeigeführt werden kann. Als Beispiel soll hier die Traktionsbatterie genannt werden, die im Kaltabfahrfall zwecks höherer Effizienz und der Möglichkeit zur Rekuperation temperiert werden sollte und unter Umständen im nachfolgenden Betrieb gekühlt werden muss.
Zusammenfassung
Im Zuge des elektrischen Betriebs von Fahrzeugen entfällt im Wesentlichen die bei Verbrennungsmotoren zur Verfügung stehende Abwärme zur Heizung des Fahrzeuginnenraums. Klimatisierungssysteme, die zur Innenraumbeheizung lediglich elektrische Widerstandsheizungen vorsehen, sind vor allem im Winterbetrieb mit deutlichen Reduzierungen der Reichweite behaftet. Aus diesem Grund werden zunehmend Wärmepumpensysteme zum Einsatz gebracht. Dabei kann zwischen Systemen unterschieden werden, die mit zu kühlender beziehungsweise zu heizender Luft direkt beaufschlagt sind, und Systemen, die mit einem Wärmeträger arbeiten.
Letztere sind von Vorteil, wenn ein Betriebskonzept für das Gesamtfahrzeug unter Einbindung sämtlicher thermischer Verbraucher geschaffen werden soll, sowohl was den Installationsaufwand als die effiziente Regelung aller thermischen Energieströme betrifft. Insbesondere im Winterbetrieb lassen sich somit durch eine effiziente Regelung des Wärmehaushalts im Fahrzeug unter Einbeziehung aller thermischen Nutzer deutliche Steigerungen der Reichweite erzielen.
