Kühlen und Heizen: Was bei Verbrennern durch ein ausgeklügeltes und robustes Thermomanagementsystem nahezu keinen spürbaren Einfluss auf den Verbrauch und damit auch Reichweite hat, wirkt sich vor allem bei reinen E-Autos stärker aus. Denn die Fahrzeuge mit alternativen Antrieben haben bei Kälte ein Problem: Sie produzieren kaum Abwärme, die man verwenden könnte.
Beim E-Auto hängen wesentliche Akzeptanzfaktoren der Käufer vom Thermomanagement ab: Lebensdauer der Batterie, Reichweite des E-Autos, Performance des Antriebs und Schnellladefähigkeit.
Zu jedem Zeitpunkt und unter allen klimatischen Bedingungen benötigt jede Komponente des Antriebssystems die richtige Temperatur.
Gleichzeitig sorgt das Thermomanagement für Wohlfühlklima im Fahrzeuginnenraum – Komfort für den Fahrer ist nicht nur angenehm, sondern ein Sicherheitsfaktor. Die Innenraumklimatisierung darf dabei möglichst wenig Einfluss auf die Reichweite haben. Soweit die Theorie.
Die Praxis ist komplizierter. Bei herkömmlichen Verbrennern ist die Innenraumheizung im Winter kein Problem. Es steht über die Motorabwärme genügend Abwärme quasi umsonst zur Verfügung. Bei reinen E-Autos entfällt diese Wärmequelle aber vollständig.
Und wie wirkt sich das auf die Reichweite beziehungsweise die Leistung der Antriebsbatterie aus?
MAHLE Ingenieure haben dazu die Heiz und Kälteleistungsanforderungen bei einem E-Auto der Kompaktklasse untersucht. Dabei kam heraus, dass bei minus 15 Grad Celsius eine Heizleistung von rund 4,5 Kilowatt notwendig ist, um eine Innenraumtemperatur von 22 Grad Celsius aufrechtzuerhalten.
Diese Heizleistung setzt sich zusammen aus zwei Kilowatt, die durch Konvektion und thermische Strahlung über Scheiben und Karosserie an die Umgebung verloren gehen sowie 2,5 Kilowatt, die als Abluft über die Fahrzeugentlüftung an die Umgebung abgeführt werden.
EMotor und Leistungselektronik haben sehr hohe Wirkungsgrade. So kommt es bei einer angenommenen Antriebsleistung von zirka 2,5 Kilowatt eines E-Autos der Kompaktklasse bei einer Stadtfahrt lediglich zu einem Wärmeangebot von nur rund 0,4 Kilowatt, das an das Kühlmittel abgegeben wird.
Bei diesen Zahlen wird schnell klar, dass dies bei weitem nicht ausreicht, um den Innenraum entsprechend zu beheizen. Die Heizleistung muss also aus der Batterie kommen und kostet Reichweite.
Dieses Beispiel zeigt, in welchem Ausmaß die Innenraumheizung konkurrierend zum Antrieb steht. Die Mehrzahl der neu zugelassenen E-Fahrzeuge ist noch mit einem elektrischen Hochvolt-Heizer ausgestattet. Dieser hat einen hohen Energiebedarf, weil er aus einem Kilowatt Strom auch nur ein Kilowatt Wärme erzeugen kann. Um unter den dargestellten Randbedingungen den Innenraum mit dieser Technik bei 22 Grad zu halten, muss also nahezu doppelt so viel Energie zur Beheizung aufgebracht werden, wie zum Vortrieb des Fahrzeugs benötigt wird. Und das senkt die Reichweite erheblich.
MAHLE hat daher eine effiziente Alternative entwickelt und setzt auf eine Kombination aus elektrischem Hochvolt-Heizer und Wärmepumpe. Dabei liefert die Wärmepumpe aufgrund der deutlich höheren Effizienz einen wesentlichen Beitrag zur Reichweitenerhöhung, während der elektrische Heizer die kritischen Betriebszustände der Wärmepumpe abdeckt. Wie das System funktioniert, erklären wir im kommenden Beitrag.